三峽庫區(qū)澎溪河營養(yǎng)鹽時(shí)空變化特征及富營養(yǎng)化評價(jià)

趙士波，郭 平，李斗果，郭喜豐，高 飛

(1.重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，重慶 401147;2.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院，重慶 401147)

河流由于其流速大、含沙量大等特點(diǎn)，不利于藻類等浮游植物生長，然而隨著城市化進(jìn)程的加快，人類對河流的改造也在一定程度上改變了河流原有的水文水質(zhì)特征。有研究表明，河流筑壩蓄水形成的“人造湖泊”，改變了河流原有的物質(zhì)場、能量場、化學(xué)場和生物場，并顯著影響河流中生源要素的生物地球化學(xué)行為[1]。三峽水庫是舉世矚目的大型水利水電工程，其蓄水運(yùn)行以后，長江干流與支流的水文條件發(fā)生顯著變化，特別是受回水頂托的影響，支流水域流速減慢，污染日益加重，局部水域已出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象[2～11]。澎溪河作為三峽水庫北岸最大的支流之一，部分河段已逐步轉(zhuǎn)化成為“湖泊型”河流，自2003年三峽水庫蓄水以來，澎溪河多次暴發(fā)水華[4-5,12-13]。營養(yǎng)鹽是水生態(tài)系統(tǒng)的主要生源物質(zhì)，其輸送、循環(huán)與更新是構(gòu)成再生生命資源的物質(zhì)與環(huán)境基礎(chǔ)[14]，對水體中藻類的繁殖及富營養(yǎng)化水平有重要影響。因而，掌握“湖泊型”河流營養(yǎng)鹽的時(shí)空變化規(guī)律，對于防治河流水華暴發(fā)具有重要意義。為此，本研究以澎溪河為研究對象，連續(xù)兩年監(jiān)測其不同斷面營養(yǎng)鹽的時(shí)空變化特征，并對不同斷面水質(zhì)的富營養(yǎng)化水平進(jìn)行評價(jià)，為了解該水域內(nèi)的營養(yǎng)水平提供數(shù)據(jù)支撐，也為今后庫區(qū)水質(zhì)污染防治措施提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

澎溪河(又名小江)發(fā)源于重慶市開縣白泉鄉(xiāng)鐘鼓村，經(jīng)重慶市云陽縣雙江鎮(zhèn)匯入長江，流域面積5 173 km2，干流全長182 km，河口距三峽大壩約250 km。三峽水庫蓄水后，澎溪河流域包含了峽谷、消落區(qū)以及湖庫等各種特征的水域，是庫區(qū)30余條支流中暴發(fā)水華最頻繁的支流之一[15]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2005年至今，澎溪河每年春季都會暴發(fā)水華[16]。

1.2 樣品采集及分析方法

在澎溪河干流分別設(shè)置木橋、渠馬渡口和高陽渡口3個斷面(圖1)。每個斷面設(shè)置左、中、右3條垂線，于2013～2014年，每月采集一次樣品。木橋斷面位于開縣境內(nèi)，澎溪河上游，對了解澎溪河上游水質(zhì)狀況具有代表性，可作為背景斷面；渠馬渡口和高陽渡口2個斷面位于典型的水華暴發(fā)區(qū)域，對澎溪河富營養(yǎng)化研究具有較強(qiáng)的代表性。

SD采用塞氏盤法現(xiàn)場測定。未經(jīng)過濾的水樣，經(jīng)消解后用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定TN、用5%過硫酸鉀消解-鉬酸銨分光光度法測定TP、用酸性法測定CODMn，采用膜電極法測定DO。水樣經(jīng)0.45μm微孔濾膜過濾后，采用蒸餾中和滴定法測定NH3-N。Chla的測定采用丙酮-分光光度法。

圖1 監(jiān)測斷面示意圖Fig.1 Schematic diagram of monitoring sections

1.3 評價(jià)方法

水質(zhì)評價(jià)采用單因子評價(jià)法，根據(jù)國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》(表1)，將斷面水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)測值與國家標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，獲得該指標(biāo)的水質(zhì)類別，然后以該樣點(diǎn)指標(biāo)反映的最低水質(zhì)類別作為該斷面的水質(zhì)類別。采用DO、CODMn、NH3-N和TP 4個指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)。

根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站制定的《湖泊水庫富營養(yǎng)化評價(jià)方法及分析技術(shù)規(guī)定》[17]，采用卡爾森指數(shù)法對澎溪河營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)指標(biāo)包括Chla、TP、TN、SD、CODMn。

表1 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值Tab.1 Limit value of basic indexes in surface water environment quality standard (mg/L)

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析作圖采用Excel 2007和Origin 8.0軟件完成，相關(guān)性及差異性統(tǒng)計(jì)分析用SPSS17.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 營養(yǎng)狀態(tài)因子

2.1.1 透明度和高錳酸鹽指數(shù)

水體透明度能直觀地反映水體清澈程度。浮游植物的大量繁殖會造成水體透明度的下降，反之水體透明度的下降會抑制浮游植物的大量生長。澎溪河各斷面SD呈現(xiàn)明顯的時(shí)空差異(圖2)。時(shí)間尺度上，春秋季低于夏冬季，2014年整體低于2013年。空間尺度上，渠馬渡口和高陽渡口無顯著差異，上游木橋較其余兩斷面偏低。2013年各斷面SD變化范圍為20～300 cm，2014年各斷面SD變化范圍為40～210 cm。兩年間SD變化趨勢不同，2013年6～7月顯著低于其他月份；2014年全年無顯著性差異，然而5月SD明顯偏低。根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果，2013年5月和2014年5月澎溪河均暴發(fā)了水華，浮游植物的大量生長可能是造成2013年6～7月和2014年5月各斷面SD急劇降低的主要原因。

CODMn反映了水體受到的有機(jī)污染狀況。當(dāng)CODMn濃度超過4 mg/L時(shí)，表示水體受到有機(jī)污染[18]。澎溪河各斷面CODMn存在明顯的時(shí)空差異(圖2)。渠馬渡口和高陽渡口變化趨勢基本一致，表現(xiàn)為夏季高于其他三季，且多數(shù)月份高于4 mg/L?？梢姡募九煜硬糠?jǐn)嗝嫠|(zhì)較差。木橋斷面無明顯變化規(guī)律，整體低于前兩斷面，但個別月份濃度仍超出4 mg/L。兩年間水質(zhì)變化趨勢可以看出，渠馬渡口和高陽渡口較上年水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)，而木橋斷面水質(zhì)較上年有變差的趨勢。渠馬渡口CODMn范圍為3.10～5.85 mg/L，高陽渡口CODMn范圍為3.00～5.85 mg/L，木橋斷面CODMn范圍為2.22～4.99 mg/L。可見，澎溪河部分?jǐn)嗝娲嬖谝欢ǖ挠袡C(jī)污染。

圖2 SD、CODMn時(shí)空分布特征Fig.2 Temporal and spatial distribution of SD and CODMn

2.1.2 總氮和氨氮

氮是影響浮游植物生長的主要營養(yǎng)元素之一。澎溪河各斷面之間TN變化規(guī)律基本一致，然而時(shí)間尺度上，兩年間澎溪河TN濃度存在較大差異，但均遠(yuǎn)高于公認(rèn)的富營養(yǎng)化閾值(0.2 mg/L)[4,19](圖3)。2013年澎溪河各斷面TN范圍為0.79～1.42 mg/L，2014年TN濃度上升至0.819～2.12 mg/L，2014年5～10月份，各斷面TN濃度均高于上年同期。造成澎溪河水體TN濃度上升的原因可能來自三方面：一是被淹沒的消落帶土壤、植被等釋放氮進(jìn)入水體；二是底泥中的氮通過水動力變化釋放進(jìn)入水體；三是通過雨水沖刷、生活污水、工業(yè)廢水等途徑的外源輸入。胡正峰等的研究顯示，2007～2009年澎溪河TN濃度為0.97～1.82 mg/L[20]，可見，從較長的時(shí)間尺度上看澎溪河TN濃度無明顯變化。2013年澎溪河各斷面TN整體呈現(xiàn)出春夏季略高于秋冬季；2014年TN濃度變化趨勢表現(xiàn)為春夏秋三季高于冬季?？梢?，澎溪河冬季總氮濃度處于全年較低水平。胡正峰等對2007～2009年澎溪河TN的研究結(jié)果也顯示，第四季度TN總體平均濃度低于其他季節(jié)[20]?？梢?，三峽庫區(qū)周期性蓄水以后，TN呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化規(guī)律，造成這一結(jié)果的可能原因是由于三峽水庫實(shí)行不同月份不同蓄水位變化調(diào)節(jié)，在每年的10～12月水位逐漸上升至175m，較深的水體使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)得到更多的稀釋，且冬季降雨量少，沿岸農(nóng)事活動較少，水流較為平緩，通過雨水沖刷作用將農(nóng)田氮、磷帶入水體的量較少。而春夏季雨量充足，徑流沖刷作用將氮、磷等帶入水體的量較多。高陽渡口TN濃度整體高于渠馬渡口，這與高陽平湖附近居民眾多，周邊消落帶土壤被當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶利用種植農(nóng)作物有關(guān)。

澎溪河各斷面NH3-N存在一定的時(shí)空差異(圖3)。渠馬渡口和高陽渡口NH3-N變化趨勢基本一致，全年無顯著差異。木橋斷面較其余兩斷面差異較大，相鄰月份NH3-N濃度起伏較大。渠馬渡口NH3-N變化范圍為0.10～0.29 mg/L，高陽渡口NH3-N變化范圍為0.09～0.36 mg/L，木橋斷面NH3-N變化范圍為0.05～0.66 mg/L。此外，上游木橋斷面TN、NH3-N整體高于下游兩斷面，這可能是木橋斷面受漢豐湖的影響所致。漢豐湖受人為干擾較重，枯水期沿岸農(nóng)事活動、人工投放飼料以及生產(chǎn)生活污水的匯入造成該區(qū)域TN、NH3-N濃度較高，漢豐湖調(diào)節(jié)壩也在一定程度上影響了水流的下泄，故而出現(xiàn)上游木橋斷面TN、NH3-N反而高于下游兩斷面的現(xiàn)象。

圖3 TN、NH3-N時(shí)空分布特征Fig.3 Temporal and spatial distribution of TN and NH3-N

2.1.3 總磷和葉綠素a

磷被認(rèn)為是大多數(shù)水體中藻類種群和密度的第一限制性營養(yǎng)元素[21]。2013年，澎溪河各斷面TP范圍為0.04～0.17 mg/L；2014年，澎溪河各斷面TP范圍為0.04～0.14 mg/L(圖4)。可見，澎溪河各斷面TP濃度已遠(yuǎn)超過國際公認(rèn)的富營養(yǎng)化閾值(0.02 mg/L)[4,19]。與TN不同的是，2007～2009年澎溪河TP濃度為0.02～0.12 mg/L[20]，可見，澎溪河TP較2007～2009年有所上升。三峽大壩成庫前的天然河流含有大量泥沙，筑壩之后周期性蓄水使得大量泥沙沉積，大部分磷隨顆粒物進(jìn)入底泥，而水庫穩(wěn)定運(yùn)行后在水動力條件合適的情況下底泥中的磷會逐漸釋放出來，這可能是造成水體TP上升的主要原因，但有關(guān)理論還需進(jìn)一步研究證實(shí)。渠馬渡口和高陽渡口TP濃度變化趨勢均表現(xiàn)為某一月份(春季5月或夏季6月)濃度急劇升高，其余月份無較大差異。5、6月份庫區(qū)雨水突然增多，徑流沖刷作用使消落帶的磷帶入水體；另一方面，大量雨水匯入導(dǎo)致底泥泛起，部分底泥中的磷釋放出來；這兩方面可能是造成該時(shí)段TP濃度急劇升高的原因。木橋斷面TP濃度無明顯變化規(guī)律，但整體濃度低于前兩斷面。三斷面TP濃度大小順序?yàn)椋焊哧柖煽?渠馬渡口>木橋斷面。

Chla含量與浮游植物光合作用水平具有較大的相關(guān)性，常被作為浮游植物生物量的指標(biāo)，是反映富營養(yǎng)化水體水質(zhì)的重要參數(shù)。澎溪河各斷面Chla呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化規(guī)律，且各斷面分布存在一定差異(圖4)。春秋季Chla明顯高于夏冬季。渠馬渡口和高陽渡口Chla變化規(guī)律相同，Chla濃度全年最大值均出現(xiàn)在5月份，濃度達(dá)到21 μg/L。與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果一致，2013年5月和2014年5月渠馬渡口-高陽渡口段大面積暴發(fā)水華。木橋斷面Chla最大濃度達(dá)到19 μg/L。兩年間相同月份Chla濃度變化不大，2013年Chla范圍為1.46～19.14 μg/L；2014年Chla范圍為1.66～21.57 μg/L。

圖4 TP、Chla時(shí)空分布特征Fig.4 Temporal and spatial distribution of TP and Chla

2.2 營養(yǎng)鹽相關(guān)性分析

大量研究顯示，湖泊、水庫等緩流狀態(tài)下，Chla與N、P間存在不同程度線性關(guān)系[22～26]。本文對Chla與SD、TN、TP、CODMn進(jìn)行了相關(guān)性分析。結(jié)果顯示，部分河段Chla與TN、TP存在顯著相關(guān)性。高陽渡口Chla與TP呈極顯著正相關(guān)(r=0.522，P<0.01)(表2)；然而，上游木橋斷面和渠馬渡口Chla與富營養(yǎng)化指標(biāo)相關(guān)性不顯著。澎溪河的上游和下游均屬于峽谷型河道，河流流速差異大，Chla與富營養(yǎng)化指標(biāo)的關(guān)系更復(fù)雜。河流中部在三峽水庫蓄水后河道拓寬形成永久回水區(qū)，在水庫低水位運(yùn)行時(shí)期，滯緩水域增加、流速減緩，導(dǎo)致水體泥沙沉積、水質(zhì)變清，形成了一段水庫型河道。因此，澎溪河上游河段Chla與富營養(yǎng)化指標(biāo)的線性相關(guān)性不顯著，而中段高陽渡口Chla與TP存在顯著的線性正相關(guān)性。

表2 富營養(yǎng)化指標(biāo)相關(guān)性Tab.2 Correlation of eutrophication indexes

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

2.3 水質(zhì)及營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)

2013～2014年澎溪河各斷面水質(zhì)均為Ⅱ類或Ⅲ類(表3)。2013年，各斷面水質(zhì)評價(jià)結(jié)果存在明顯差異，木橋斷面總體以Ⅱ類水質(zhì)為主，3月和8月為Ⅲ類水質(zhì)；渠馬和高陽渡口水質(zhì)無明顯差異，總體以Ⅲ類水質(zhì)為主，12月份為Ⅱ類水質(zhì)。可見，2013年澎溪河上游斷面水質(zhì)較好。2014年，各斷面水質(zhì)無明顯差異，總體以Ⅱ類水質(zhì)為主。同比上一年，澎溪河中下游斷面水質(zhì)有變好的趨勢。

表3 單因子水質(zhì)評價(jià)Tab.3 Results of single factor water quality assessment

根據(jù)富營養(yǎng)化評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，TLI<30為貧營養(yǎng)；30≤TLI≤50為中營養(yǎng)；TLI>50為富營養(yǎng)。澎溪河各斷面水體綜合營養(yǎng)狀態(tài)TLI值變化范圍為56～135(圖5)?？梢?，澎溪河各斷面水體均達(dá)到富營養(yǎng)狀態(tài)，然而各斷面富營養(yǎng)狀態(tài)程度存在明顯差異。春季3～5月和秋季10月，部分?jǐn)嗝娓粻I養(yǎng)化狀態(tài)極高。木橋斷面3月、4月、10月TLI指數(shù)極高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過重度富營養(yǎng)狀態(tài)；渠馬渡口TLI指數(shù)全年無顯著差異，處于中-重度富營養(yǎng)化；高陽渡口5月TLI指數(shù)極高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過重度富營養(yǎng)狀態(tài)。而澎溪河春季3～5月正是水華暴發(fā)的高峰期，2013年5月和2014年5月澎溪河高陽平湖均暴發(fā)了大面積藍(lán)藻水華。

圖5 營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)Fig.5 Eutrophication assessment

3 結(jié) 論

三峽大壩蓄水以后，回水頂托使上游支流水文水質(zhì)特征發(fā)生變化，本文分析了2013～2014年澎溪河不同斷面營養(yǎng)鹽時(shí)空分布特征和富營養(yǎng)化水平，得出以下結(jié)論。

3.1 澎溪河水域不同斷面營養(yǎng)鹽分布具有明顯的時(shí)空分布差異。

SD呈現(xiàn)春秋季低于夏冬季，2014年較2013年有下降趨勢，空間尺度上，上游斷面較下游兩斷面偏低。

CODMn渠馬渡口和高陽渡口變化趨勢基本一致，夏季高于其他三季，且多數(shù)月份高于4 mg/L。木橋斷面無明顯變化規(guī)律，整體低于前兩斷面，但個別月份濃度仍超出4 mg/L?？梢?，夏季澎溪河下游河段水質(zhì)較差，存在一定的有機(jī)污染。時(shí)間尺度上，渠馬渡口和高陽渡口較上年水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)，而木橋斷面水質(zhì)較上年有變差的趨勢。

澎溪河各斷面TN、TP濃度值已達(dá)到產(chǎn)生富營養(yǎng)化的營養(yǎng)鹽濃度條件。TN 2014年較2013年有上升趨勢，但在較長的時(shí)間尺度上看，澎溪河TN濃度無明顯變化。澎溪河冬季TN濃度處于全年較低水平，這是由于冬季水位上升，較深的水體使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)得到更多的稀釋，且冬季降雨量少，沿岸農(nóng)事活動較少，通過雨水沖刷作用將農(nóng)田氮帶入水體的量較少。NH3-N渠馬渡口和高陽渡口變化趨勢基本一致，全年無顯著差異。木橋斷面較其余兩斷面差異較大，相鄰月份NH3-N濃度起伏較大。澎溪河TP較2007～2009年有所上升。這可能與三峽水庫穩(wěn)定運(yùn)行后，水動力條件改變使底泥中的磷釋放有關(guān)。渠馬渡口和高陽渡口TP濃度變化趨勢呈現(xiàn)某一月份(5月或6月)濃度顯著高于其余月份，考慮與雨水沖刷使消落帶的磷帶入水體有關(guān)，此外，大量雨水匯入導(dǎo)致底泥泛起，部分底泥中的磷釋放出來，也可能對該時(shí)段TP濃度升高有所貢獻(xiàn)。木橋斷面TP濃度無明顯變化規(guī)律，但整體濃度低于前兩斷面。三斷面TP濃度大小順序?yàn)椋焊哧柖煽?渠馬渡口>木橋斷面。

Chla呈現(xiàn)春秋季明顯高于夏冬季，2014年與2013年無明顯差異?？臻g尺度上，渠馬渡口和高陽渡口Chla變化規(guī)律相同，Chla濃度全年最大值均出現(xiàn)在5月份。與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果一致，2013年5月和2014年5月渠馬渡口-高陽渡口段大面積暴發(fā)水華。木橋斷面Chla最大值出現(xiàn)在4月和10月。

3.2 澎溪河上游河段Chla與SD、TN、TP、CODMn的線性相關(guān)性不顯著，而中段高陽渡口Chla與TP呈極顯著正相關(guān)。澎溪河中部在三峽水庫蓄水后河道拓寬形成永久回水區(qū)，在水庫低水位運(yùn)行時(shí)期，水體泥沙沉積、水質(zhì)變清，形成了一段水庫型河道，因此澎溪河中段呈現(xiàn)出湖泊(水庫)的性質(zhì)—Chla與TP存在一定的線性關(guān)系。

3.3 2013年～2014年，澎溪河各斷面水質(zhì)均為Ⅱ類或Ⅲ類。同比上一年，澎溪河中下游斷面水質(zhì)有變好的趨勢。各斷面水體均達(dá)到富營養(yǎng)狀態(tài)，然而各斷面富營養(yǎng)化程度存在明顯差異。春季3～5月和秋季10月，部分?jǐn)嗝娓粻I養(yǎng)化狀態(tài)極高。

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