三峽水庫泄水期庫灣水流與營養(yǎng)鹽的時空動態(tài)

三峽水庫泄水期庫灣水流與營養(yǎng)鹽的時空動態(tài)

香溪河是湖北三峽水庫最初的第一支支流。水庫建成后，由于干部和群眾的支持，香溪庫灣水污染加劇，湖泊富營養(yǎng)化，甚至出現(xiàn)洪水。營養(yǎng)鹽是富營養(yǎng)化問題出現(xiàn)的必要條件,其存在形態(tài)、結(jié)構(gòu)及其分布特征受到廣泛重視,N、P是富營養(yǎng)化的主要控制性營養(yǎng)元素,前人研究已多有論及。曹明等在水庫初期蓄水后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)庫灣富營養(yǎng)化水平重于庫首;方濤等比較了蓄水前后香溪河庫灣的氮、磷污染狀況,發(fā)現(xiàn)蓄水后氮的濃度明顯增加,總磷濃度略低于蓄水前;葉麟等分析了春季水華期間香溪河庫灣硝態(tài)氮和正磷酸鹽的時空分布特征;李鳳清等研究了香溪河庫灣氮和磷的入庫通量;蘇妍妹等于2007年水庫蓄水期間研究發(fā)現(xiàn)蓄水過程對庫灣內(nèi)主要營養(yǎng)鹽存在補(bǔ)給作用。水體中Si對河流和沿岸生態(tài)系統(tǒng)起著重要作用,也是引起硅藻水華的關(guān)鍵元素之一。目前,對水體Si的研究主要集中于海域,而河流、湖泊和水庫水體硅酸鹽含量的研究不多,三峽水庫汛前泄水對香溪河庫灣水華情勢和營養(yǎng)鹽動態(tài)的影響亦未見報(bào)道。本研究根據(jù)三峽水庫2009泄水期水情實(shí)況,按照水位日變幅大小及水位變化趨勢,將泄水過程分為強(qiáng)、弱和穩(wěn)定3個階段,針對各階段分析了2009年春季泄水期香溪河庫灣水流形式及葉綠素a和氮、磷、硅等營養(yǎng)鹽的時空動態(tài),并結(jié)合庫灣水流特點(diǎn)與營養(yǎng)鹽、葉綠素a時空動態(tài)過程,討論了泄水期不同階段水庫干流對香溪河庫灣營養(yǎng)鹽動態(tài)和水華情勢的影響以及庫灣營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)特征,以期為三峽水庫庫灣水環(huán)境演變過程與趨勢的研究提供參考。1材料和方法1.1天然河流段監(jiān)測從香溪河口至回水末端布設(shè)11個監(jiān)測點(diǎn),編號為X0～X10。另分別在水庫干流和香溪河庫灣回水末端以上的天然河流段,各設(shè)一個監(jiān)測點(diǎn),記為CJ和YT,用以對照干流水體和庫灣水體以及庫灣水體與上游來水之間的差異。監(jiān)測時段為2009年2月15日至6月10日,監(jiān)測頻率為每周一次,監(jiān)測時間一般為8:00～16:00。各樣點(diǎn)空間分布如圖1所示。1.2d-si濃度測定監(jiān)測指標(biāo)選取總氮(TN)、總磷(TP)、溶解性硅酸鹽(D-Si)、葉綠素a(Chl-a)和水溫、流速以及水深等。參考文獻(xiàn)和文獻(xiàn)測定TN、TP以及Chl-a濃度,用硅鉬黃分光光度法測定D-Si濃度。水溫、水深等參數(shù)由HydrolabDS5多參儀(美國)現(xiàn)場測定;流速采用Vector三維點(diǎn)式流速儀(挪威)現(xiàn)場測定;降雨、流量和水位等資料均由中國長江三峽集團(tuán)公司提供。2結(jié)果與分析2.1來水趨勢分析監(jiān)測期間香溪河庫灣各水文參數(shù)變化過程如圖2所示。其中,降雨量和流量為興山水文站測得,水位為三峽水庫壩前水位?？梢?隨著汛期臨近,降雨逐漸增多,4月和5月分布有2個較強(qiáng)降雨過程,之后,在經(jīng)歷一段少雨時間后,于6月末迎來了更強(qiáng)的降雨(圖2(a));圖2(c)為庫灣上游來水量過程圖,如圖,2、3月份流量較小,均值為14.08m3/s,4月份,隨著降雨不斷增多,流量變大,均值為35.78m3/s,5月份,與又一次較強(qiáng)的降雨過程相對應(yīng),流量進(jìn)一步變大,均值為59.33m3/s,峰值達(dá)到228.54m3/s(5月16日),6月份,降雨相對減少,流量減小,但月末表現(xiàn)出增大趨勢。如圖2(b)、圖2(d)所示,2月、3月泄水強(qiáng)度較弱,水位平均日降幅為0.14m,最大日降幅為0.35m(2月21日),最小為0.06m(3月15日);5月初到6月初分布有兩個強(qiáng)泄水過程,水位平均日降幅為0.44m,最大日降幅達(dá)到0.67m(5月25日),最小日降幅為0.25m(5月27日);4月份水位除少許波動幅度超過0.2m外,總體維持穩(wěn)定不變。因此本文將2月1日至3月31日作為弱泄水階段,4月1日至4月27日為穩(wěn)定階段,4月28日至6月10日為強(qiáng)泄水階段。2.2月份水庫干流水體tn及d-si濃度時空動態(tài)過程圖3為監(jiān)測期各監(jiān)測斷面營養(yǎng)鹽時空動態(tài)過程圖,各月數(shù)據(jù)為當(dāng)月各次采樣的時間均值。如圖3(a)所示為總氮時空動態(tài)過程圖,從空間上總體呈現(xiàn)干流高(CJ)、庫灣上游來水低(YT)、自河口至回水末端逐漸降低的分布;水庫干流(CJ)TN濃度均值為1.428mg/L,變化范圍為1.2～1.541mg/L;庫灣上游來水(YT)TN濃度均值為0.621mg/L,變化范圍為0.409～0.818mg/L。從時間上看,規(guī)律不是十分明顯,各點(diǎn)均有起伏波動。2月份整個庫灣TN濃度差異不大,均值為1.212mg/L,最大值為1.340mg/L(X0),最小值為0.891mg/L(X7);3月份至4月份,水庫干流及庫灣河口附近(X0、X1)TN濃度有不同程度的波動,而庫灣其他河段TN濃度持續(xù)降低;5月份,庫灣TN濃度明顯升高,總體接近2月份水平;6月份,除庫灣上游來水(YT),庫灣其他區(qū)域水體TN濃度均有不同程度的降低。如圖3(b)為TP時空動態(tài)過程圖,TP在空間上的分布趨勢與TN呈現(xiàn)相反趨勢,即整體上干流低(CJ)、庫灣上游來水高(YT)、從河口至回水末端沿程略有增加;庫灣上游來水(YT)2、3月份TP濃度明顯高于庫灣,4月份以后與庫灣水平接近;水庫干流(CJ)TP濃度除4月份高于庫灣外,其他時段與庫灣水平接近。從時間上看,干流TP隨時間是增加趨勢,而上游來水TP隨時間則是降低趨勢;庫灣中下游(X0～X4)水體TP濃度除5月份有明顯升高外,其他月份變化不大;而中上游(X5～X10)隨時間有一定的波動,其中3、5月份均有顯著升高。圖3(c)為D-Si濃度時空動態(tài)過程圖,從空間上看,2月份水庫干流及庫灣上游來水D-Si濃度均值分別為7.504mg/L和6.102mg/L,庫灣變化范圍在7.213～8.270mg/L,空間差異不大;3月份空間差異也較小;其他時間呈現(xiàn)干流及庫灣上游來水較高、庫灣自河口至回水末端逐漸降低的分布。從時間上看,除部分?jǐn)嗝?月有所升高外,從2月至5月庫灣水體D-Si濃度均值分別為7.970、5.978、3.0和2.128mg/L,基本上隨時間呈降低趨勢;其中3月份中上游(X6～X10)降低幅度較中下游更明顯,而4月份整個庫灣的降低幅度更顯著,X7樣點(diǎn)于5月份降低至庫灣最低值1.163mg/L;6月份,河口附近(X0、X1)繼續(xù)不同程度的降低,而庫灣其他河段則有不同程度的升高,其中X8樣點(diǎn)升高幅度最大(3.971mg/L)。觀察水庫干流水體D-Si濃度變化過程發(fā)現(xiàn),其濃度雖有降低,但幅度比庫灣水體降低幅度小,由此,3月份之后水庫干流水體D-Si濃度比庫灣同期水體濃度均要高。而庫灣上游來水溶解性硅酸鹽濃度雖經(jīng)歷不同程度的升降,但總體較為穩(wěn)定,且于3月份之后大于庫灣水體濃度。2.3葉綠素a空間分布三峽水庫泄水期香溪河庫灣多次出現(xiàn)不同程度的水華現(xiàn)象(閾值為30mg/m3),各采樣點(diǎn)葉綠素a監(jiān)測值見表1。2月15日,整個庫灣葉綠素a濃度水平相對較低,沒有明顯的濃度峰值,其中以X1最高,達(dá)到31.3mg/m3;3月21日,水華范圍覆蓋整個庫灣,葉綠素a濃度普遍高于2月15日,峰值為92.1mg/m3(X4);3月29日,除X10處(45.4mg/m3)葉綠素a濃度較高外,其他樣點(diǎn)均低于閾值;4月11日,暴發(fā)范圍向上游收縮,庫灣中下游程度較輕,葉綠素a濃度平均濃度為10.8mg/m3,X5以上相對嚴(yán)重,葉綠素a平均濃度為57.4mg/m3,濃度峰值出現(xiàn)在X10達(dá)到113.9mg/m3;4月26日,葉綠素a空間分布與4月11日相似,濃度峰值(X10)為94.7mg/m3。進(jìn)入強(qiáng)泄水階段,水華暴發(fā)范圍有上移趨勢,5月5日,葉綠素a濃度在中下游低于水華閾值,庫灣上游濃度逐漸增加,于回水末端達(dá)到最高峰值146.7mg/m3?？v觀以上各次水華現(xiàn)象,從水華空間分布看,庫灣回水末端比庫灣中下游嚴(yán)重,其中強(qiáng)泄水階段的空間差異性更大、更集中于回水末端;從水華暴發(fā)時間看,泄水期各個階段都可能暴發(fā)不同程度的水華。3討論3.1排水期，水庫斷面對香溪庫灣的正向影響3.1.1干流水體沿空布置香溪河屬南北走向,從北流向南,水流方向與庫灣深泓線方向大致相當(dāng),側(cè)向流速較小,因此在分析庫灣水流特性時采用各采樣點(diǎn)測得的北向分流速(ν)作為代表,不同時間庫灣的流速分布見圖4。由圖4可見,總體上,庫灣的整體流速較小,平均流速只有厘米級;從空間分布看存在明顯的分層異向流動現(xiàn)象。如2月15日水庫干流水體從庫灣中下層倒灌潛入庫灣而流向上游,庫灣上游來水則從庫灣中上層流向河口;3月21日,水庫干流水體從中上層倒灌潛入庫灣的范圍較短,3月29日,此次倒灌潛入范圍擴(kuò)大至距河口16km處;4月11日,干流倒灌水體潛入庫灣的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,監(jiān)測顯示干流水體已倒灌至庫灣距河口22km處,潛入點(diǎn)深度也上移至靠近水面(圖4(e));5月,庫灣水流形式與4月類似,干流水體從庫灣上層倒灌潛入庫灣,庫灣上游來水則從庫灣中下層流向河口。由此可見,2009年春季泄水期間,水庫干流水體依次從底層和中上層倒灌潛入香溪河庫灣,使得庫灣水流整體上呈現(xiàn)異向分層流動特征。特定的水流特性將為泄水期庫灣營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)移及水環(huán)境演替提供水動力基礎(chǔ)。3.1.2水流密度的垂向分布水體密度差異可引發(fā)異重流,當(dāng)2種密度不同的水體相遇后,密度較大的水體會潛入到密度較小的下部,形成重液體在下輕液體在上的分層流動的現(xiàn)象。而水溫的不同會導(dǎo)致水體密度的差異,從而形成溫差異重流。不同溫度下水的密度按下式計(jì)算:ρT=1000[1?T+288.9414508929.2(T+68.12963)(T?3.9863)2]ρΤ=1000[1-Τ+288.9414508929.2(Τ+68.12963)(Τ-3.9863)2]將各次監(jiān)測的各斷面水溫?cái)?shù)據(jù)經(jīng)上式換算,繪出了不同泄水階段某一時間下各斷面處密度沿垂向分布圖,如圖5所示。由圖5可見,2月15日干流水體密度整體大于庫灣;3月21日干流水體密度與庫灣中下層水體差異不大,而大于庫灣表層密度;3月29日,干流水體密度已明顯介于庫灣表層水體與底層水體之間;之后直至泄水期末,干支流水體密度均按此形態(tài)分布,但干支流水體密度等值點(diǎn)的深度向上移動。根據(jù)前人研究,在水力坡降較低的情況下,2種水體密度在深度方向上有如此的分布特征時,易形成異重流,促成干流水體向支流庫灣的潛入。根據(jù)圖5所示密度分布可以較好地解釋圖4所示的分層異向水流現(xiàn)象。3.1.3階段內(nèi)水體理化指標(biāo)和水華分析羅專溪等通過研究三峽水庫大寧河回水河段氮磷的來源、數(shù)量及時空特征,提出了在蓄水期干流對支流庫灣存在逆向影響。本研究表明,三峽水庫汛前泄水過程中,因干支流水體存在溫度差,干流水體以底層或中上層異重流形式倒灌入香溪河庫灣,存在明顯的分層異向流動現(xiàn)象,并非單向一維流動,干支流的水體交換在一定程度上影響了庫灣營養(yǎng)鹽的空間分布和結(jié)構(gòu)特征。如圖4所示,2月15日,干流水體從底部倒灌入香溪河(圖4(a)),而后逐漸消退(圖4(b)),在干支流水體水溫結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后,干流水體再次從中上層倒灌潛入庫灣,并逐步向表層移動(圖4(c)),從而補(bǔ)給了庫灣下游中上層水體的營養(yǎng)鹽;穩(wěn)定階段,干流水體于中上層進(jìn)入庫灣,并且流動范圍變大,增大了對庫灣的影響范圍,使得氮和硅形成下游較高的形態(tài);進(jìn)入強(qiáng)泄水階段,干支流表層水體密度差變大(5月5日),促使該次干流水體倒灌潛入范圍會進(jìn)一步擴(kuò)大(圖4(f)),從而使得5月份整個庫灣范圍內(nèi)氮和磷的濃度明顯升高。6月初,隨著該次潛入過程逐漸穩(wěn)定,庫灣營養(yǎng)鹽被藻類利用,氮和磷的濃度整體略有減小?？v觀春季汛前泄水期,從營養(yǎng)鹽的時空分布變化可以看出,隨著水庫泄水,水庫干流對香溪河庫灣的營養(yǎng)補(bǔ)給作用逐漸凸顯。弱泄水階段,干流對庫灣下游有一定影響,強(qiáng)泄水階段,干流直接對庫灣上層水體產(chǎn)生影響,作用范圍擴(kuò)大,影響程度變強(qiáng)。同時由于干流水體從不同深度倒灌入庫灣,使得水華暴發(fā)的范圍也不一樣;當(dāng)從底部倒灌入庫灣時,庫灣水華暴發(fā)范圍覆蓋整個庫灣;當(dāng)從上層(接近表層)倒灌入庫灣時,庫灣水華暴發(fā)范圍隨著倒灌距離增大逐漸縮小并向上游移動。3.2排水期間，香溪庫灣鹽生養(yǎng)殖區(qū)3.2.1庫灣水質(zhì)鹽分含量及意義營養(yǎng)鹽的動態(tài)過程在一定程度上反映了區(qū)域內(nèi)營養(yǎng)鹽來源及消耗特點(diǎn)。水庫弱泄水階段,整個庫灣范圍內(nèi)出現(xiàn)水華現(xiàn)象,庫灣營養(yǎng)鹽濃度降低,受干流逆向影響,營養(yǎng)鹽濃度變化在河口附近與干流一致,硅營養(yǎng)鹽空間上變?yōu)橄掠温愿呱嫌蔚姆植?氮營養(yǎng)鹽則從空間分布相對均勻變?yōu)楹涌诟?、回水末端低的態(tài)勢,反映出干流影響是庫灣營養(yǎng)鹽的一個重要來源。而磷則由于多以顆粒態(tài)存在,在庫灣較緩的流速下很容易沉降,使得其空間差異較小,但注意到2月和3月上游來水總磷濃度極高,受其影響形成了庫灣自上而下遞減的空間形態(tài),這與香溪河流域?qū)儆谫x存磷的地質(zhì)特點(diǎn)有密切關(guān)系。穩(wěn)定階段,營養(yǎng)鹽濃度進(jìn)一步降低,在干流對庫灣下游影響的基礎(chǔ)上,上移的水華情勢使得庫灣上游營養(yǎng)鹽濃度減幅較大。強(qiáng)泄水階段,總氮濃度除X10外,其他采樣點(diǎn)均有明顯升高,這與水庫強(qiáng)泄水使得5月5日監(jiān)測到的中上層異重流充分發(fā)展有關(guān)(圖4(f)),回水末端總氮濃度較低也受到庫灣上游水華的影響;總磷變化與總氮相似,稍有不同的是,上游來水總磷濃度較高,使得總磷在回水末端沒有明顯較低的現(xiàn)象;然而,對于溶解性硅酸鹽,水庫干流和上游來水雖均有所降低,但仍高于庫灣,而庫灣水體溶解性硅酸鹽并不像氮磷一樣有所升高,而是保持了減小的趨勢,這可能與庫灣水華藻種主要為硅藻有關(guān),因?yàn)楣柙逅A會大量消耗水體中溶解性硅酸鹽。6月初,受水華的影響,庫灣各營養(yǎng)鹽濃度均有不同程度降低。3.2.2流域內(nèi)水體中含沙量控制及營養(yǎng)來源的輸入從營養(yǎng)鹽來源看,氮營養(yǎng)鹽以農(nóng)業(yè)面源污染為主,汛前降雨增加與春季農(nóng)耕的開展,會加劇農(nóng)業(yè)面源污染,提高水體中氮營養(yǎng)鹽濃度;硅營養(yǎng)鹽也有類似情形,有研究表明,水體中溶解性硅酸鹽濃度的增加與流域內(nèi)的人類活動有較大關(guān)系,比如開山修路、毀林開荒,在一定程度上會加重水土流失,使水體中含沙量增加而導(dǎo)致D-Si濃度升高;磷的來源主要受流域內(nèi)豐富的磷礦及企業(yè)和生活污水點(diǎn)源排放影響,另由于香溪河流域?qū)儋x存磷地質(zhì),使得上游來水也成為庫灣磷營養(yǎng)鹽的一個重要來源。此外,如前文所述,水庫干流對支流庫灣亦存在一定程度的補(bǔ)給作用,結(jié)合前人研究,可將庫灣營養(yǎng)來源分為回水段上游徑流輸入、干流倒灌輸入、企業(yè)及生活污水點(diǎn)源排放、農(nóng)田徑流輸入和受淹土壤浸泡釋放輸入5種輸入方式。此處未考慮內(nèi)源釋放,主要因?yàn)閹鞛乘钶^大,底泥內(nèi)源釋放對表層營養(yǎng)鹽分布的影響微弱。3.2.3營養(yǎng)鹽對浮游植物的限制庫灣中N、P、Si等生源要素的時空分布格局和行為是地形對生源要素產(chǎn)生影響的直接體現(xiàn),是河流環(huán)境污染狀況的直接反映。控制河流Si、N、P含量的適當(dāng)比例,對保護(hù)河流環(huán)境,控制水體污染以及維持河流正常的生態(tài)平衡具有重要的指導(dǎo)意義。分析發(fā)現(xiàn)(圖6),整個泄水期香溪河庫灣Si/N大于1,Si/P大于10,N/P小于15,且都隨時間減小?？臻g上,N/P和Si/P自上游到下游呈增加趨勢,Si/N呈減小趨勢。營養(yǎng)鹽對浮游植物的限制有兩方面作用:一方面營養(yǎng)鹽濃度低于限制浮游植物生長的閾值(絕對限制);另一方面某種營養(yǎng)鹽首先被消耗到低值(相對限制)。當(dāng)某一因子同時滿足兩種限制法則,方可限制浮游植物的生長。在淡水水體中,相對限制法則為:N/P大于22,Si/P大于22為P抑制;N/P小于8,Si/N大于1時為N抑制;Si/P小于10,Si/N小于1則為Si抑制。結(jié)合圖