三峡水库蓄水期支流水体营养盐来源估算

苏青青,刘德富,刘绿波,纪道斌,崔玉洁*,宋林旭,李 欣,陈秀秀



三峡水库蓄水期支流水体营养盐来源估算

苏青青1,2,刘德富3*,刘绿波4,纪道斌1,2,崔玉洁1,2*,宋林旭1,2,李 欣1,2,陈秀秀5

(1.三峡大学水利与环境学院,湖北 宜昌 443002；2.三峡大学三峡库区生态环境教育部工程研究中心,湖北 宜昌 443002；3.湖北工业大学,河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室,湖北 武汉 430068；4.美国加州州立大学弗雷斯诺分校工程学院,加利福尼亚93740；5.宣州区水务局,安徽 宣城 242000)

通过对蓄水前后三峡水库库首支流香溪河沉积物-上覆水中的氢氧同位素和氮磷营养盐的测定,分析了蓄水前后沉积物-上覆水氢氧同位素和氮磷营养盐的分布特征,并利用二元线性混合模型计算了长江干流(CJ River)和古夫源头(GFYT)的贡献率.结果表明,整个蓄水期沉积物以源的形式向上覆水体释放NH4+-N、DTP、PO43--P,以汇的形式吸收上覆水体中的NO3--N.利用营养盐贡献率公式进一步分析得到,蓄水前沉积物-上覆水中氮营养盐主要来源于CJ干流,其中以DTN和NO3--N最为显著,蓄水后GFYT的贡献率明显上升,其中3号和4号采样点最为明显,其中DTP在蓄水前后几乎均以GFYT为主要来源,PO43--P在蓄水前则以CJ干流为主要来源,蓄水后以GFYT为主要来源.说明尽管蓄水期库湾水体在较大程度上受干流倒灌影响的支配,但对于沉积物-上覆水而言受GFYT的影响更为显著.

三峡水库；蓄水期；氢氧同位素；沉积物-上覆水；氮磷营养盐

三峡水库作为长江流域最典型的河道型水库及其战略水源地,其生态系统演替规律及其生态环境问题一直受到极大关注.三峡水库(流域面积大于100km2)较大支流的共40条,支流总库容占到水库总库容的1/10.自2003年蓄水发电以来,平均水深由原来的30m升高至175m水位时的70m,蓄水后支流回水区(库湾)水质明显下降,劣于Ⅲ类水体比率在175m蓄水位为52.5%,远高于蓄水前22%[1].由于蓄水后水位抬升,流速减缓,导致河流输送营养盐能力受阻,营养物质富集,导致库首的一级支流香溪河每年暴发不同程度水华事件[2-3].有研究表明,库湾部分营养盐如氮和磷几乎全部来自干流倒灌,尤其是蓄水期干流倒灌营养盐的补给量高达97%以上[4-6].而沉积物作为水体氮磷的重要蓄积库,是营养盐及其他污染物在水体中的重要归宿和主要存储场所,也是潜在的污染受体和污染源[7-9].近年来,有关三峡库区支流沉积物的研究发现,由于支流水环境的特殊性,其表层沉积物中主要营养物质存在一定的释放风险[10-13].因此,通过研究蓄水前后沉积物和水体中氮磷营养盐的分布特征,分析其来源也是十分必要的.

随着同位素新技术的发展,水体中的氢氧同位素研究也逐渐成为研究河流状况和变化趋势的一种新的手段,在适当的情况下,根据水体氢氧同位素组成有可能追溯不同水源对水体的相对贡献[14-16].目前,氢氧同位素主要应用在三峡水库的生态水文过程[4]、干支流动态补给过程[6]、营养盐的示踪[17]研究中.对于沉积物间隙水中营养盐的来源示踪研究鲜有报道,尤其是支流库湾普遍存在的分层异向流的背景下[18-21],使得底部水体与中上层水体来源必然产生差异,进而导致沉积物间隙水和上覆水来源的不同.因此,本研究以三峡水库典型支流香溪河为研究对象,对2016年三峡水库蓄水前后香溪河库湾沉积物间隙水和上覆水水体中氮(N)、磷(P)的形态,以及D和18O的含量进行了分析.利用D和18O示踪作用,结合蓄水前后沉积物-上覆水中的水体来源的差异,对沉积物-上覆水中氮磷的贡献进行了估算,以期为三峡库区沉积物内源污染提供理论依据,为后续生态环境保护措施提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区域

香溪河系三峡水库库首的第一大支流,河口距三峡大坝34.5km,河流由北向南,经过兴山县和秭归县在香溪汇入水库干流.香溪河全长94km,年平均流量为47.4m3/s[22].流域范围为110°25′~111°06′E、30°57′~31°34′N,流域面积3099km2[23].香溪河流域属亚热带大陆性季风气候,多年平均气温16.6℃,年均降雨量为1015.6mm[24],自2010年10月三峡水库蓄水至175m后,香溪河库湾自河口形成约40km范围的回水区.

1.2 样点设置

从香溪河的河口至回水末端昭君镇沿河道中泓线每间隔约6km布设1个采样断面,共4个,分别编号为1、2、3、4.在香溪河的源头古夫河靠近香溪河位置设置一个采样断面,记为GFYT,另外在长江干流靠近香溪河河口的位置设置一个采样断面,记为CJ.采样点的位置和坐标分别如图1和表1所示.

图1 采样点分布示意

表1 采样点坐标分布

1.3 样品采集与处理

分别于2016年9月12日(水位:148.33m,蓄水前)和2016年10月26日(水位:173.85m,蓄水后)在CJ干流处按0.5m,中层、底层分层取水,1、2、3、4号点按0.5,2,5,10,20,40,50,60m和底部进行分层取水(根据采样点位水深不同,深度有差异),GF处由于位于源头水深较浅,故按表层取水,每次均取350mL,用GF/C滤膜过滤并低温保存带回实验室分析.

沉积物-水系统样品采集:采用中国水利水电科学研究院水环境研究所研制的柱状采样器(60mm×1000mm)采集4个采样点的上覆水和沉积物样品(0±20)cm,以2cm的间隔抽取上覆水并倒入300mL聚乙烯水样瓶中,待上覆水抽取完毕后以2cm的间隔切取沉积物样品并分装入聚乙烯离心管中.每个采样点的水样和沉积物样品均采集3次,将3次样品混合作为该采样点样品,水样和沉积物样品均放入冷藏箱中保存,带回实验室后立即分析.沉积物间隙水的获取:在室温条件下,采用DL-5M型低速冷冻离心机在2000r/min下离心30min,将离心出的上清液倒入50mL离心管中,分别将上覆水和沉积物间隙水样品经0.45μm的GF/C滤膜过滤后于24h之内完成分析测试.

1.4 分析方法

CJ干流、GFYT以及库湾沉积物上覆水、间隙水中的DTP、PO43--P、DTN、NH+4-N、NO-3-N,均采用流动分析仪(SKALAR,荷兰)测定,D和18O采用LWIA-30d液态水稳定同位素分析仪(Los Gatos Research,美国)测定,D和18O测试结果均用V-SMOW标准给出,精度分别为±0.6‰和±0.2‰.本研究采用值来表示稳定同位素的组分:

=[(sample/standard)-1]×1000(‰) (1)

式中:sample是样品中元素的重轻同位素丰度之比,如(D/H)sample和(18O/16O)sample;standard是国际通用标准的重轻同位素丰度之比,如(D/H)standard和(18O/16O)standard.

1.5 数据统计分析

实验数据均用Excel 2010处理;采用Surfer 13.0和Origin 9.0制作图表.

1.6 二元线性混合模型

二元线性混合模型是基于同位素质量平衡原理,从纯数学角度来计算的线性混合模型,该方法已在香溪河库湾水体营养盐来源估算中有广泛应用[6,17].由于香溪河库湾的水体主要来源于古夫源头和长江干流的倒灌.而前期的研究发现古夫源头和长江干流水体中D和18O含量差异性明显,可以很好的用来示踪水体.因此本研究在利用古夫源头和长江干流中D和18O含量差异的基础上,对沉积物间隙水和上覆水中D和18O的来源进行分析,选用二源线性混合模型[25-26].计算公式如下:

D=1D1+2D2(2)

18O=118O1+218O2(3)

1+2=1 (4)

式中:D、18O为香溪河库湾水体中D、18O的平均值;D1、D2分别为干流水体与源头水体中D的值;18O1、18O2分别为干流水体与源头水体中18O的值;1、2分别为干流水体和源头水体对香溪河库湾水量的贡献率.

1.7 营养盐贡献率计算公式

式中:RateCJ是长江干流营养盐的贡献率,CJ为长江干流营养盐浓度,mg/L,GFYT为古夫源头营养盐浓度,mg/L,为香溪河库湾水体容量,m3;1和2分别为长江干流和古夫上游的贡献率.

2 结果与讨论

2.1 蓄水前后沉积物-上覆水营养盐分布特征

2.1.1 氮分布特征 从图2可以看出,在DTN的分布上,蓄水前后均呈现CJ干流>库湾沉积物上覆水平均值>GF源头水体的分布特征,这与前期对香溪河的研究结果一致[27-28].蓄水前后CJ处的氮素均主要以NO3--N形式存在,NH4+-N含量相对较低.蓄水前GFYT处NH4+-N和NO3--N的含量接近,蓄水后GFYT处的氮素主要以NO3--N的形式存在.库湾沉积物间隙水中DTN、NH4+-N的含量均高于上覆水,NO3--N的含量则低于上覆水体.说明上覆水体中的DTN主要以NO3--N形式存在,间隙水中的DTN则主要以NH4+-N形式存在.这是因为蓄水期库湾底部上覆水体的氧化条件有利于NH4+-N向NO3--N转化,而底部沉积物还原性的条件则对NH4+-N的生成有利,加之沉积物中有机质的分解作用有利于NH4+-N再生[29-30].可以看出,整个蓄水期沉积物以“源”的形式向上覆水体释放NH4+-N,以“汇”的形式吸收上覆水体中的NO3--N.

图2 蓄水前后长江干流、香溪河库湾沉积物-上覆水、古夫上游水体氮形态分布示意

2.1.2 磷分布特征 从图3可以看出, DTP和PO43--P均呈现库湾沉积物-上覆水>GF源头> CJ干流的分布特征.这是因为香溪河上游富含磷矿[10,31],从而导致GFYT水体磷含量较CJ干流高.从图3可以发现,蓄水前库湾上覆水体DTP的含量明显低于间隙水体,说明蓄水前沉积物以“源”的形式向上覆水体释放DTP.而到蓄水后期间隙水和上覆水中DTP的浓度较为接近,这是由于蓄水期水位的上升,两岸的消落带被淹没,导致大量的颗粒物在水体悬浮、沉降.因此间隙水中的DTP因再悬浮等迅速释放到水体,使得蓄水后期间隙水-上覆水中DTP含量接近[29].

图3 蓄水前后长江干流、香溪河库湾沉积物-上覆水、古夫上游水体磷形态分布示意

Fig.3 Distribution of phosphorusin sediment and overlying water in the CJ River, XXB and GFYT before and after impoundment

表2 蓄水前后长江干流、香溪河库湾和古夫源头氢氧同位素值

2.2 蓄水前后香溪河库湾水体氢氧同位素分布特征

从表2和表3可以看出,蓄水前后CJ干流和GFYT的D和18O均存在着较大的差异,可以用于确定水源.其中CJ干流水体D和18O值略低于库湾,而GFYT水体中的D和18O则明显大于香溪河库湾和CJ干流.说明香溪河库湾水体氢氧同位素组成与CJ干流相似,差异较小,库湾水体以干支流混合为主,支流源头的混合作用较弱.利用二元线性混合方程[25],计算得到了蓄水前后CJ干流和GFYT对库湾水体的贡献率,结果见表2.与同水期条件下氢氧同位素示踪、氮同位素示踪、以及常量离子计算的研究结果较为接近[5-6,17].

表3 蓄水前CJ干流和GFYT对上覆水和间隙水中营养盐贡献率

从表2还可以看出,蓄水后库湾水体中CJ干流的贡献率明显增加,其中D和18O的贡献率分别增加了18.92%和19.92%,表明蓄水期库湾水体在较大程度上受干流倒灌影响的支配[19].这与前期对香溪河库湾水流特性研究一致,前期研究认为在9~10月蓄水期间,长江水体从表层灌入,而古夫源头则自底层流向下游[28].同时由于香溪河是三峡水库库首的最大支流,对库区干流水位、流速及流态的响应最为敏感[4],故蓄水后香溪河库湾中CJ干流的贡献率增加明显.

2.3 蓄水前后沉积物-水系统氢氧同位素分布特征

分别对蓄水前后间隙水和上覆水进行了δD和δ18O的测定,结果如图4和图5所示.从中可以看出,蓄水前后间隙水和上覆水中的δD和δ18O均呈现从上游到干支流交汇处沿程递减的分布特征.而间隙水体中的δD和δ18O在垂向上均大于上覆水体,蓄水后沉积物-水系统中δD和δ18O分布较蓄水前稀疏,说明随着蓄水过程的进行,库湾水体掺混作用的加强,沉积物-上覆水中的δD和δ18O的差异逐渐减小.

2.4 蓄水前后沉积物-水系统氢氧同位素来源

从图5可以看出,蓄水前上覆水中1、2、3号采样点均以CJ干流贡献为主,其中1号采样点CJ干流贡献率达到了80%以上.间隙水中,除靠近干流的1号点外,2、3、4号点均以GFYT贡献为主,尤其是4号点其GFYT的贡献率达到了90%左右.

从图6可以看出,蓄水后上覆水体中1、2号采样点仍然以CJ干流贡献为主,但GFYT的贡献率有明显增加,而3和4号则以GFYT贡献为主.间隙水体均以GFYT为主要来源,除4号点外,1、2、3号采样点GFYT的贡献率均略有上升.与蓄水前后香溪河库湾水体D和18O分布不同的是,沉积物-上覆水中GFYT的贡献率增加显著.这说明尽管蓄水期CJ干流的倒灌对香溪河库湾水体有一定的补给作用[32-35],但是对于沉积物-上覆水而言GFYT的影响更为显著.这是因为上游来流水温较低,通常以顺坡异重流的形式从底部进入库湾.因此,尽管蓄水期有大量的干流水体倒灌进入库湾,但对于库湾底部沉积物-上覆水而言,GFYT的影响更为明显.

图5 蓄水前长江干流和古夫源头对沉积物-上覆水中δD和δ18O贡献率

2.5 沉积物-水系统中营养盐来源估算

从表3和4可以看出,除4号采样点外蓄水前后沉积物-水系统中的氮营养盐主要来源于CJ干流,其中以DTN和NO3--N最为显著,蓄水后各点位沉积物-上覆水中的GFYT的贡献均有不同程度的增加.与氮素贡献不同的是,沉积物-水系统中的磷素来源在蓄水前后发生了较大的变化,蓄水前1号点处的DTP主要来源CJ干流,蓄水后则以GFYT为主要来源,且各点位GFYT贡献率均高于蓄水前.蓄水前各点位的PO43--P均来主要源于CJ干流,蓄水后3、4号采样点间隙水中营养盐主要来源于GFYT.这是因为香溪河上游来流富磷,CJ干流含氮量长期高于支流[5].加之蓄水期CJ干流倒灌和GFYT来流方式的不同,从而导致蓄水前后氮磷营养贡献率的差异.同时通过对比蓄水前后营养盐贡献率还可以发现,蓄水后GFYT的贡献均高于蓄水前,说明蓄水期沉积物-上覆水与库湾表中层水体营养盐来源的不同,沉积物表面水体主要源自GFYT.

表4 蓄水后长江干流和古夫源头对上覆水和间隙水中营养盐贡献率

3 结论

3.1 研究期间CJ干流氮素的含量高于GFYT,磷素含量小于GFYT,沉积物间隙水中营养盐含量均高于CJ干流和GFYT.上覆水体中的DTN主要以NO3--N形式存在,间隙水中的DTN则主要以NH4+-N形式存在.整个蓄水期沉积物均以源的形式向上覆水体释放NH4+-N,以汇的形式吸收上覆水体中的NO3--N.蓄水前后库湾上覆水体DTP和PO43--P的含量均低于间隙水体,沉积物以“源”的形式向上覆水体释放磷素,但随着蓄水过程的进行,后期间隙水和上覆水中DTP的浓度较为接近.

3.2 利用D和18O分别计算了蓄水前后CJ干流和GFYT的贡献率.蓄水前CJ干流和GFYT的贡献率分别为70.15%、71.39%和29.85%、28.61%,蓄水后的贡献率分别增加到89.07%和91.31%,GFYT的贡献率则分别下降为10.93%和8.29%.

3.3 通过对蓄水期沉积物-上覆水中D和18O的分析发现,随着蓄水过程的进行,水体掺混作用的增强,沉积物-上覆水中的水体D和18O的差异逐渐减小.其中蓄水前上覆水体主要以CJ干流为主要来源,而蓄水后期GFYT的贡献率增加明显.

3.4 蓄水前沉积物-上覆水中氮营养盐主要源于CJ干流,其中以DTN和NO3--N最为显著,蓄水后GFYT的贡献率明显上升,其中3号和4号采样点最为明显.而磷素中DTP在蓄水前后几乎均以GFYT为主要来源,PO43-P在蓄水前以CJ干流为主要来源,蓄水后则以GFYT为主要来源.

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致谢：本实验的现场采样和实验分析工作得到了黄亚男、王雄、吴庆、吕林鹏、徐慧、黄佳维的帮助,在此表示感谢！

Analysis of the nutrient supply of tributaries in the Three Gorges Reservoir during impounding period.

SU Qing- qing1,2, LIU De-fu3*, LIU Lü-bo4, JI Dao-bin1,2, CUI Yu-jie1,2*, SONG Lin-xu1,2, LI Xin1,2, CHEN Xiu-xiu5

(1.College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, China；2.Engineering Research Center of Ecoenvironment in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, Three Gorges University, Yichang 443002, China；3.River-Lake Ecological Restoration and Algae Use Hubei Key Laboratory, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China；4.Department of Civil and Geomatics Engineering, California State University Fresno, Fresno, California 93740, USA；5.Water Authority of Xuanzhou District, Xuancheng 242000, China)., 2018,38(10)：3925~3932

Hydrogen-oxygen isotope and nutrients including nitrogen and phosphorus in the sediments and overlying water were monitored in the bay of the XiangXi River (XXB), the first tributary of the Three Gorges Reservoir(TGR), during the impoundment period. The measured data were used to analyze the distribution characteristics of hydrogen-oxygen isotopes and the nutrients during the impoundment period. A binary mixed linear model was utilized to determine the contribution ratio of the main stream of the Yangtze River (CJ River) to GuFuYuanTou (GFYT), the upstream of the river. The study results showed that the sediments simutaneously functioned as source releasing NH4+-N (ammonia nitrogen), DTP (total dissolved phosphorus), and PO43--P (phosphates), and as absorbent collecting NO3--N (nitrate nitrogen) during the entire impoundment period. The computed results of the contribution ratios indicated that most nitrogen in the sediment (especially for DTN (total dissolved nitrogen) and NO3--N) came from the main stream before the impoundment. After the impoundment, the contribution rate of GFYT increased significantly, with sampling points No. 3 and 4 as the most obvious. Among all the nutrients, most DTP were from GFYT before and after the impoundment and the main stream was the main source of PO43--P before the impoundment. Therefore, while the water in the bay of the reservoir was largely dominated by the influx of the main stream during the impoundment period, the impact of GFYT is more significant than that of the main stream on the sediment-overlying water system.

Three Gorges Reservoir；impoundment；hydrogen and oxygen isotope；sediment-overlying water system；nitrogen and phosphorus nutrients

X524

A

1000-6923(2018)10-3925-08

苏青青(1981-),女,湖北宜都人,讲师,博士,主要从事生态水利相关研究.发表论文20余篇.

2018-03-20

国家自然科学基金资助重大计划项目(91647207);国家自然科学基金资助项目(51509086,51779128,41501297,51709096);国家国际科技合作项目(2014DFE70070);国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07104-005-01,2014ZX07104-005-02);国家重点研发计划项目(2016YFC0401702,2016YFC0402204);国家科技重大专项(2016YFC05022208)

* 责任作者, 刘德富, 教授, dfliu@189.cn; 崔玉洁, 讲师, cuida2008@163.com