三峡水库泄水期库湾水流与营养盐的时空动态

三峡水库泄水期库湾水流与营养盐的时空动态

香溪河是湖北三峡水库最初的第一支支流。水库建成后，由于干部和群众的支持，香溪库湾水污染加剧，湖泊富营养化，甚至出现洪水。营养盐是富营养化问题出现的必要条件,其存在形态、结构及其分布特征受到广泛重视,N、P是富营养化的主要控制性营养元素,前人研究已多有论及。曹明等在水库初期蓄水后经研究发现库湾富营养化水平重于库首;方涛等比较了蓄水前后香溪河库湾的氮、磷污染状况,发现蓄水后氮的浓度明显增加,总磷浓度略低于蓄水前;叶麟等分析了春季水华期间香溪河库湾硝态氮和正磷酸盐的时空分布特征;李凤清等研究了香溪河库湾氮和磷的入库通量;苏妍妹等于2007年水库蓄水期间研究发现蓄水过程对库湾内主要营养盐存在补给作用。水体中Si对河流和沿岸生态系统起着重要作用,也是引起硅藻水华的关键元素之一。目前,对水体Si的研究主要集中于海域,而河流、湖泊和水库水体硅酸盐含量的研究不多,三峡水库汛前泄水对香溪河库湾水华情势和营养盐动态的影响亦未见报道。本研究根据三峡水库2009泄水期水情实况,按照水位日变幅大小及水位变化趋势,将泄水过程分为强、弱和稳定3个阶段,针对各阶段分析了2009年春季泄水期香溪河库湾水流形式及叶绿素a和氮、磷、硅等营养盐的时空动态,并结合库湾水流特点与营养盐、叶绿素a时空动态过程,讨论了泄水期不同阶段水库干流对香溪河库湾营养盐动态和水华情势的影响以及库湾营养盐结构特征,以期为三峡水库库湾水环境演变过程与趋势的研究提供参考。1材料和方法1.1天然河流段监测从香溪河口至回水末端布设11个监测点,编号为X0～X10。另分别在水库干流和香溪河库湾回水末端以上的天然河流段,各设一个监测点,记为CJ和YT,用以对照干流水体和库湾水体以及库湾水体与上游来水之间的差异。监测时段为2009年2月15日至6月10日,监测频率为每周一次,监测时间一般为8:00～16:00。各样点空间分布如图1所示。1.2d-si浓度测定监测指标选取总氮(TN)、总磷(TP)、溶解性硅酸盐(D-Si)、叶绿素a(Chl-a)和水温、流速以及水深等。参考文献和文献测定TN、TP以及Chl-a浓度,用硅钼黄分光光度法测定D-Si浓度。水温、水深等参数由HydrolabDS5多参仪(美国)现场测定;流速采用Vector三维点式流速仪(挪威)现场测定;降雨、流量和水位等资料均由中国长江三峡集团公司提供。2结果与分析2.1来水趋势分析监测期间香溪河库湾各水文参数变化过程如图2所示。其中,降雨量和流量为兴山水文站测得,水位为三峡水库坝前水位。可见,随着汛期临近,降雨逐渐增多,4月和5月分布有2个较强降雨过程,之后,在经历一段少雨时间后,于6月末迎来了更强的降雨(图2(a));图2(c)为库湾上游来水量过程图,如图,2、3月份流量较小,均值为14.08m3/s,4月份,随着降雨不断增多,流量变大,均值为35.78m3/s,5月份,与又一次较强的降雨过程相对应,流量进一步变大,均值为59.33m3/s,峰值达到228.54m3/s(5月16日),6月份,降雨相对减少,流量减小,但月末表现出增大趋势。如图2(b)、图2(d)所示,2月、3月泄水强度较弱,水位平均日降幅为0.14m,最大日降幅为0.35m(2月21日),最小为0.06m(3月15日);5月初到6月初分布有两个强泄水过程,水位平均日降幅为0.44m,最大日降幅达到0.67m(5月25日),最小日降幅为0.25m(5月27日);4月份水位除少许波动幅度超过0.2m外,总体维持稳定不变。因此本文将2月1日至3月31日作为弱泄水阶段,4月1日至4月27日为稳定阶段,4月28日至6月10日为强泄水阶段。2.2月份水库干流水体tn及d-si浓度时空动态过程图3为监测期各监测断面营养盐时空动态过程图,各月数据为当月各次采样的时间均值。如图3(a)所示为总氮时空动态过程图,从空间上总体呈现干流高(CJ)、库湾上游来水低(YT)、自河口至回水末端逐渐降低的分布;水库干流(CJ)TN浓度均值为1.428mg/L,变化范围为1.2～1.541mg/L;库湾上游来水(YT)TN浓度均值为0.621mg/L,变化范围为0.409～0.818mg/L。从时间上看,规律不是十分明显,各点均有起伏波动。2月份整个库湾TN浓度差异不大,均值为1.212mg/L,最大值为1.340mg/L(X0),最小值为0.891mg/L(X7);3月份至4月份,水库干流及库湾河口附近(X0、X1)TN浓度有不同程度的波动,而库湾其他河段TN浓度持续降低;5月份,库湾TN浓度明显升高,总体接近2月份水平;6月份,除库湾上游来水(YT),库湾其他区域水体TN浓度均有不同程度的降低。如图3(b)为TP时空动态过程图,TP在空间上的分布趋势与TN呈现相反趋势,即整体上干流低(CJ)、库湾上游来水高(YT)、从河口至回水末端沿程略有增加;库湾上游来水(YT)2、3月份TP浓度明显高于库湾,4月份以后与库湾水平接近;水库干流(CJ)TP浓度除4月份高于库湾外,其他时段与库湾水平接近。从时间上看,干流TP随时间是增加趋势,而上游来水TP随时间则是降低趋势;库湾中下游(X0～X4)水体TP浓度除5月份有明显升高外,其他月份变化不大;而中上游(X5～X10)随时间有一定的波动,其中3、5月份均有显著升高。图3(c)为D-Si浓度时空动态过程图,从空间上看,2月份水库干流及库湾上游来水D-Si浓度均值分别为7.504mg/L和6.102mg/L,库湾变化范围在7.213～8.270mg/L,空间差异不大;3月份空间差异也较小;其他时间呈现干流及库湾上游来水较高、库湾自河口至回水末端逐渐降低的分布。从时间上看,除部分断面6月有所升高外,从2月至5月库湾水体D-Si浓度均值分别为7.970、5.978、3.0和2.128mg/L,基本上随时间呈降低趋势;其中3月份中上游(X6～X10)降低幅度较中下游更明显,而4月份整个库湾的降低幅度更显著,X7样点于5月份降低至库湾最低值1.163mg/L;6月份,河口附近(X0、X1)继续不同程度的降低,而库湾其他河段则有不同程度的升高,其中X8样点升高幅度最大(3.971mg/L)。观察水库干流水体D-Si浓度变化过程发现,其浓度虽有降低,但幅度比库湾水体降低幅度小,由此,3月份之后水库干流水体D-Si浓度比库湾同期水体浓度均要高。而库湾上游来水溶解性硅酸盐浓度虽经历不同程度的升降,但总体较为稳定,且于3月份之后大于库湾水体浓度。2.3叶绿素a空间分布三峡水库泄水期香溪河库湾多次出现不同程度的水华现象(阈值为30mg/m3),各采样点叶绿素a监测值见表1。2月15日,整个库湾叶绿素a浓度水平相对较低,没有明显的浓度峰值,其中以X1最高,达到31.3mg/m3;3月21日,水华范围覆盖整个库湾,叶绿素a浓度普遍高于2月15日,峰值为92.1mg/m3(X4);3月29日,除X10处(45.4mg/m3)叶绿素a浓度较高外,其他样点均低于阈值;4月11日,暴发范围向上游收缩,库湾中下游程度较轻,叶绿素a浓度平均浓度为10.8mg/m3,X5以上相对严重,叶绿素a平均浓度为57.4mg/m3,浓度峰值出现在X10达到113.9mg/m3;4月26日,叶绿素a空间分布与4月11日相似,浓度峰值(X10)为94.7mg/m3。进入强泄水阶段,水华暴发范围有上移趋势,5月5日,叶绿素a浓度在中下游低于水华阈值,库湾上游浓度逐渐增加,于回水末端达到最高峰值146.7mg/m3。纵观以上各次水华现象,从水华空间分布看,库湾回水末端比库湾中下游严重,其中强泄水阶段的空间差异性更大、更集中于回水末端;从水华暴发时间看,泄水期各个阶段都可能暴发不同程度的水华。3讨论3.1排水期，水库断面对香溪库湾的正向影响3.1.1干流水体沿空布置香溪河属南北走向,从北流向南,水流方向与库湾深泓线方向大致相当,侧向流速较小,因此在分析库湾水流特性时采用各采样点测得的北向分流速(ν)作为代表,不同时间库湾的流速分布见图4。由图4可见,总体上,库湾的整体流速较小,平均流速只有厘米级;从空间分布看存在明显的分层异向流动现象。如2月15日水库干流水体从库湾中下层倒灌潜入库湾而流向上游,库湾上游来水则从库湾中上层流向河口;3月21日,水库干流水体从中上层倒灌潜入库湾的范围较短,3月29日,此次倒灌潜入范围扩大至距河口16km处;4月11日,干流倒灌水体潜入库湾的范围进一步扩大,监测显示干流水体已倒灌至库湾距河口22km处,潜入点深度也上移至靠近水面(图4(e));5月,库湾水流形式与4月类似,干流水体从库湾上层倒灌潜入库湾,库湾上游来水则从库湾中下层流向河口。由此可见,2009年春季泄水期间,水库干流水体依次从底层和中上层倒灌潜入香溪河库湾,使得库湾水流整体上呈现异向分层流动特征。特定的水流特性将为泄水期库湾营养物质运移及水环境演替提供水动力基础。3.1.2水流密度的垂向分布水体密度差异可引发异重流,当2种密度不同的水体相遇后,密度较大的水体会潜入到密度较小的下部,形成重液体在下轻液体在上的分层流动的现象。而水温的不同会导致水体密度的差异,从而形成温差异重流。不同温度下水的密度按下式计算: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]将各次监测的各断面水温数据经上式换算,绘出了不同泄水阶段某一时间下各断面处密度沿垂向分布图,如图5所示。由图5可见,2月15日干流水体密度整体大于库湾;3月21日干流水体密度与库湾中下层水体差异不大,而大于库湾表层密度;3月29日,干流水体密度已明显介于库湾表层水体与底层水体之间;之后直至泄水期末,干支流水体密度均按此形态分布,但干支流水体密度等值点的深度向上移动。根据前人研究,在水力坡降较低的情况下,2种水体密度在深度方向上有如此的分布特征时,易形成异重流,促成干流水体向支流库湾的潜入。根据图5所示密度分布可以较好地解释图4所示的分层异向水流现象。3.1.3阶段内水体理化指标和水华分析罗专溪等通过研究三峡水库大宁河回水河段氮磷的来源、数量及时空特征,提出了在蓄水期干流对支流库湾存在逆向影响。本研究表明,三峡水库汛前泄水过程中,因干支流水体存在温度差,干流水体以底层或中上层异重流形式倒灌入香溪河库湾,存在明显的分层异向流动现象,并非单向一维流动,干支流的水体交换在一定程度上影响了库湾营养盐的空间分布和结构特征。如图4所示,2月15日,干流水体从底部倒灌入香溪河(图4(a)),而后逐渐消退(图4(b)),在干支流水体水温结构发生变化后,干流水体再次从中上层倒灌潜入库湾,并逐步向表层移动(图4(c)),从而补给了库湾下游中上层水体的营养盐;稳定阶段,干流水体于中上层进入库湾,并且流动范围变大,增大了对库湾的影响范围,使得氮和硅形成下游较高的形态;进入强泄水阶段,干支流表层水体密度差变大(5月5日),促使该次干流水体倒灌潜入范围会进一步扩大(图4(f)),从而使得5月份整个库湾范围内氮和磷的浓度明显升高。6月初,随着该次潜入过程逐渐稳定,库湾营养盐被藻类利用,氮和磷的浓度整体略有减小。纵观春季汛前泄水期,从营养盐的时空分布变化可以看出,随着水库泄水,水库干流对香溪河库湾的营养补给作用逐渐凸显。弱泄水阶段,干流对库湾下游有一定影响,强泄水阶段,干流直接对库湾上层水体产生影响,作用范围扩大,影响程度变强。同时由于干流水体从不同深度倒灌入库湾,使得水华暴发的范围也不一样;当从底部倒灌入库湾时,库湾水华暴发范围覆盖整个库湾;当从上层(接近表层)倒灌入库湾时,库湾水华暴发范围随着倒灌距离增大逐渐缩小并向上游移动。3.2排水期间，香溪库湾盐生养殖区3.2.1库湾水质盐分含量及意义营养盐的动态过程在一定程度上反映了区域内营养盐来源及消耗特点。水库弱泄水阶段,整个库湾范围内出现水华现象,库湾营养盐浓度降低,受干流逆向影响,营养盐浓度变化在河口附近与干流一致,硅营养盐空间上变为下游略高上游的分布,氮营养盐则从空间分布相对均匀变为河口高、回水末端低的态势,反映出干流影响是库湾营养盐的一个重要来源。而磷则由于多以颗粒态存在,在库湾较缓的流速下很容易沉降,使得其空间差异较小,但注意到2月和3月上游来水总磷浓度极高,受其影响形成了库湾自上而下递减的空间形态,这与香溪河流域属于赋存磷的地质特点有密切关系。稳定阶段,营养盐浓度进一步降低,在干流对库湾下游影响的基础上,上移的水华情势使得库湾上游营养盐浓度减幅较大。强泄水阶段,总氮浓度除X10外,其他采样点均有明显升高,这与水库强泄水使得5月5日监测到的中上层异重流充分发展有关(图4(f)),回水末端总氮浓度较低也受到库湾上游水华的影响;总磷变化与总氮相似,稍有不同的是,上游来水总磷浓度较高,使得总磷在回水末端没有明显较低的现象;然而,对于溶解性硅酸盐,水库干流和上游来水虽均有所降低,但仍高于库湾,而库湾水体溶解性硅酸盐并不像氮磷一样有所升高,而是保持了减小的趋势,这可能与库湾水华藻种主要为硅藻有关,因为硅藻水华会大量消耗水体中溶解性硅酸盐。6月初,受水华的影响,库湾各营养盐浓度均有不同程度降低。3.2.2流域内水体中含沙量控制及营养来源的输入从营养盐来源看,氮营养盐以农业面源污染为主,汛前降雨增加与春季农耕的开展,会加剧农业面源污染,提高水体中氮营养盐浓度;硅营养盐也有类似情形,有研究表明,水体中溶解性硅酸盐浓度的增加与流域内的人类活动有较大关系,比如开山修路、毁林开荒,在一定程度上会加重水土流失,使水体中含沙量增加而导致D-Si浓度升高;磷的来源主要受流域内丰富的磷矿及企业和生活污水点源排放影响,另由于香溪河流域属赋存磷地质,使得上游来水也成为库湾磷营养盐的一个重要来源。此外,如前文所述,水库干流对支流库湾亦存在一定程度的补给作用,结合前人研究,可将库湾营养来源分为回水段上游径流输入、干流倒灌输入、企业及生活污水点源排放、农田径流输入和受淹土壤浸泡释放输入5种输入方式。此处未考虑内源释放,主要因为库湾水深较大,底泥内源释放对表层营养盐分布的影响微弱。3.2.3营养盐对浮游植物的限制库湾中N、P、Si等生源要素的时空分布格局和行为是地形对生源要素产生影响的直接体现,是河流环境污染状况的直接反映。控制河流Si、N、P含量的适当比例,对保护河流环境,控制水体污染以及维持河流正常的生态平衡具有重要的指导意义。分析发现(图6),整个泄水期香溪河库湾Si/N大于1,Si/P大于10,N/P小于15,且都随时间减小。空间上,N/P和Si/P自上游到下游呈增加趋势,Si/N呈减小趋势。营养盐对浮游植物的限制有两方面作用:一方面营养盐浓度低于限制浮游植物生长的阈值(绝对限制);另一方面某种营养盐首先被消耗到低值(相对限制)。当某一因子同时满足两种限制法则,方可限制浮游植物的生长。在淡水水体中,相对限制法则为:N/P大于22,Si/P大于22为P抑制;N/P小于8,Si/N大于1时为N抑制;Si/P小于10,Si/N小于1则为Si抑制。结合图