三峡水库成库后水体营养盐分布及与水土流失关系初步研究

三峡水库成库后水体营养盐分布及与水土流失关系初步研究

库基地总面积为52.42万公里，其中山地67.8%，丘陵29.5%，平地0.9%。每年10毫米的降水天数约为30次。该区绝大多数是坡耕地,占耕地的74.3%,>25°坡耕地超过25%。三峡库区是全国水土流失重点防治区之一,大面积的坡耕地及历史原因造成的森林植被破坏,使三峡库区成为长江重要的输沙来源。三峡工程于1997年11月8日截流,于2003年6月1日正式蓄水。三峡二期工程成库后,形成了库容约为140m3巨大水库,从水文、水力条件分析水库界于河流与湖泊之间。一般流速比河流小比湖泊大;换水周期因人为需要而改变。对于河道型水库而言,泥沙淤积是最重要的环境问题之一。长江含沙量虽然不大,宜昌站平均含沙量约为1.1kg/m3,但由于长江径流量大,年输沙量仍很大,宜昌多年平均悬移质输沙量约为5.3亿t,沙质推移质及卵石推移质分别约为870万t及76万t。因此,三峡建坝后,水库泥沙淤积将对工程运用和生态环境产生明显影响。在三峡成库前,部分水体中总氮、总磷浓度分别达到2,0.1mg/L以上,分别为水体富营养化限制值的10倍、5倍左右。成库后,表层流速减缓,导致水体中颗粒态悬浮物沉降,水体变清。本文就2003年6月三峡水库成库后调查水体中营养盐的分布规律及营养盐与水土流失关系作初步研究。1样品采集与研究方法1.1采样位点设置三峡工程于1997年11月8日截流,2003年6月1日正式蓄水。三峡二期工程成库后,形成了库容约为1.4×1010m3的巨大水库,接近洞庭湖的库容量,占未来三峡水库总库容的36%,水库全长约430km。在三峡水库设置6个水平断面(朱沱、寸滩、长寿、涪陵、万州、奉节)和2个垂直断面(朱沱、万州),其中朱沱断面在175m蓄水时为上游区,寸滩、长寿断面在175m蓄水时为库尾区(目前,135m为上游区),涪陵、万州、奉节在175m时为库区(135m时,涪陵为回水变动区,万州、奉节为库区)。采样点位设置见图1。每个水平断面均设置3个测点(左、中、右),在水面下0.5m处采集样品;垂直断面分别设置左、中、右3条垂线,每一垂线按其水深又设置3个测点(水面下0.5m处、0.6倍水深、0.8倍水深),垂直断面共9个测点采集样品。从2003年6~12月三峡水库成库开始,每月采集样品一次,共采集7次。1.2分光光度法营养盐测定方法均为国家标准方法,具体方法为:总磷(TP)为过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法;硝态氮(NO3-N)为酚二磺酸光度法;亚硝态氮(NO2-N)为N-乙二胺光度法;氨态氮(NH3-N)为纳氏试剂光度法;总氮(TN)为过硫酸钾氧化-紫外分光光度法。1.3无机氮in营养元素的平均值、变异系数的计算等均在SPSS软件上进行。无机氮(IN)=NO3-N+NO2-N+NH3-N;有机氮(ON)=TN-(NO3-N+NO2-N+NH3-N)。2结果与讨论2.1总氮、总磷指标在天然水体中,无机氮常以氨态氮、亚硝态氮和硝态氮3种形式存在,三峡水库与我国很多湖泊、河流一样,以NO3-N为主。6个水平监测断面不同形态氮含量差异较大,无机氮浓度均值为1.41mg/L,占总氮的87%,有机氮浓度均值为0.21mg/L,占总氮的13%,NO3-N平均浓度为1.28mg/L,占无机氮总量的90%以上,表明目前三峡水库还有较强的水体自净能力;NO2-N为0.019mg/L,占1.2%,NH3-N为0.11mg/L,占7.8%。不同形态氮所占比例见图2,其中有机氮所占比例在库区明显大于上游区。各断面营养盐见表1,总磷平均浓度为0.13mg/L,TN∶TP均值为13.2。各监测点氮、磷比值有所差异,朱沱10.1,寸滩11.6,长寿10.6,涪陵14.7,万州15,奉节17.5。当在139m蓄水时,长寿以上为上游区,涪陵为回水变动区,涪陵以下为库区。总氮、总磷比值随水流方向有明显规律,即随水流方向比值增大。日本湖泊学家坂本研究表明:当湖水总氮和总磷浓度比值在10∶1~25∶1范围时,藻类生长与氮、磷浓度存在直线相关关系。合田建提出水体中总氮和总磷浓度的比值在12∶1~13∶1时,最适宜于藻类增殖,总氮、总磷浓度比值低于4以下时,氮可能成为湖泊水质富营养化决定性的限制因素。从水平监测结果分析,所有断面总磷均为富营养化限制性因子,各断面均已达到富营养化产生的营养盐浓度条件。对比截流后成库前营养盐浓度,总氮、总磷在各断面均有所增高,总磷、总氮变化趋势见图3。总磷在水平方向有明显规律,既沿水流方向浓度逐步降低,而总氮、硝酸盐氮浓度有增高的趋势。由于硝酸盐氮在总氮中所占的比例高,因此总氮浓度的增加主要是因为硝酸盐氮浓度增加。就各测点氮、磷浓度均值而言,NH3-N、NO2-N、NO3-N、TN在水平方向分布总体上差异不大,其中NO3-N、TN变异系数分别为3.8%,10.3%,NH3-N、NO2-N、TP变异系数分别为20.6%,24.2%,12.1%。2.2污染物分层监测垂直断面结果见表2。TP、NO3-N浓度表层、0.6倍水深和0.8倍水深均值变化较小,变异系数均小于10%,分别为6.4%和5%。TP浓度上游区(朱沱)表层大于中层、深层,水库区(万州)浓度基本无变化。TN、NO3-N在上游区和水库区中层浓度均约大于表层和深层。NH3-N在上游区表层浓度约大于中层和深层,而水库区中层大于表层和深层。上游区段NO2-N浓度从表层到深层基本无变化,水库区表层均值浓度约大于0.6倍和0.8倍水深。NH3-N、TN、NO2-N变异系数分别为16.7%,13.9%和13.4%。就同一监测断面而言,由于135m蓄水时,水体流速较大,可能污染物混合较均匀未发生明显分层现象。对不同断面污染物垂直分布可看出,TN浓度在库区依然大于上游区,而TP浓度分布则相反,即库区小于上游区。2.3水体特征分析在三峡水库成库后的7次监测中,TN浓度在涪陵以下均超过地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅳ类,上游区段除6月份TN浓度高于水库区外,其余月份均低于水库区。TP浓度上游区均大于水库区,浓度变化有明显差异,上游区TP浓度最大值出现在7月、9月,8月、9月为7次监测中流量最大值。因此上游区总磷浓度变化可能主要受水土流失及地表径流影响较大。水体中总磷浓度各监测断面均为12月最低,总磷浓度最低时段均为长江枯水期,也表明水体中总磷浓度低可能与枯水期降水少、面源污染较小有关。N、P季节变化见图4。上游区(朱沱、寸滩、长寿)测点,总氮变动范围在0.99~2.21mg/L,处于Ⅲ类至劣Ⅴ类水质,最大值均出现在蓄水期6月,最小值均为10月。总磷变动范围为0.06~0.23mg/L,处于Ⅱ类至Ⅳ类水质,最大值各断面出现时间不一致,但均出现在丰水期,最小值为12月。回水变动区(涪陵)测点,总氮变动范围在1.50~2.05mg/L,为Ⅳ类至劣Ⅴ类水质,最大值出现在6月,最小值在11月。总磷变动范围0.09~0.15mg/L,处于Ⅱ类至Ⅲ类水质,最大值出现在6,8月,最小值为12月。水库区(巫山、奉节)测点,总氮变动范围在1.31~2.11mg/L,处于Ⅳ类至劣Ⅴ类水质,其极值出现时间在两测点不同。总磷范围为0.08~0.14mg/L,处于Ⅱ类至Ⅲ类水质,最大值两测点出现时间不同,但均出现在丰水期,最小值均为12月。从氨态氮和硝态氮比值分析,在枯、平、丰水期,其比值范围在1.5%~18.8%之间,表明目前三峡库区水体在不同季节还具有较强的复氧能力,具有较强的水体自净能力。平水期(6,7月)各断面氨态氮和硝态氮比值均值分别为7.52%,13.6%,丰水期(8,9,10月)分别为10.1%,2.6%,1.9%,枯水期(11,12月)分别为6.5%,13.8%。丰水期由于水流速度较快,其氨态氮和硝态氮比值较平水期和枯水期低。富营养化的发生不仅是由于营养盐含量高,而且受水力、光照、温度等条件综合影响。三峡水库成库后,涪陵以下水体流速较河流条件下有所减缓,水体中悬浮物的沉降,使透明度有不同程度提高,水体中营养盐含量也已达到发生富营养化条件,这些为浮游藻类的生长提供了良好的生存条件,虽然目前还未有库区干流发生富营养化的报道,但随着三峡大坝156m,175m蓄水的进行,水体流速进一步减慢。特别是175m蓄水时采用汛后高水位“蓄清排浑”的排沙方式,冬季水库上游区处于枯水季节时,水库保持高水位蓄水,水交换时间大大加长,水流速度由天然情况的2m/s降低至0.25~0.5m/s左右,同时成库后冬季水温升高、雾日减少,水面日照时间增加,有利于水生植物特别是藻类的光合作用,导致藻类的生长繁殖,增加了三峡库区水体发生富营养化的可能性。因此,研究在135m,156m蓄水期间水生态环境变化对有效防止三峡水库富营养化是必要的。3峡水库营养盐含量及指标向有增(1)三峡水库水体中以无机氮为主,占总氮87%。无机氮中以硝酸盐氮为主,占无