2018, Vol. 39
2. 长江科学院流域水环境研究所, 武汉 430010;
3. 长江科学院流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室, 武汉 430010;
4. 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心, 宜昌 443002
, LI Rui2,3 , TANG Xian-qiang2,3,4
, XIA Zhen-yao1,4 , LI Qing-yun2,3 , YANG Wen-jun2,3,4 , XU Wen-nian1,4
2. Basin Water Environmental Research Department, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China;
3. Key Laboratory of Basin Water Resource and Eco-environmental Science in Hubei Province, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China;
4. Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards and Eco-Environment in Three Gorges Area, Yichang 443002, China
三峡水库是集航运、蓄水、发电为一体的大型深水水库, 三峡水库建设运行给国家带来巨大经济效益的同时, 也难免对库区生态环境造成一定影响, 大坝的截留作用使长江干流水流变缓, 污染物随着泥沙沉积在水库中富集, 造成部分回水区出现污染带[1].自2003年蓄水以来, 三峡水库部分支流回水区每年均暴发了不同程度的水华[2], 严重损害了水生态系统健康.
磷是湖库水体富营养化的主要限制性生源元素, 沉积物是水体磷素的重要释放源头, 当水体环境受到扰动时, 沉积物蓄积的磷将再次释放入水体[3].赋存形态是影响沉积物磷的生物可利用性和磷在泥-水界面交换的重要因素, 沉积物中只有部分形态的磷能释放至上覆水[4,5].当外源磷负荷得到有效控制的情况下, 研究沉积物磷的赋存形态对水体富营养化的防控具有重要价值[6].
三峡水库自蓄水后, 磷的运移、转化、释放、沉积等相关问题研究十分活跃.已有研究表明, 三峡水库部分沉积物中的磷有向上覆水释放的风险[7,8].在“蓄清排浑”调度模式下, 三峡水库消落带土壤呈现了季节性磷的“源”“汇”转化趋势, 消落带沉积物有机磷和铁铝结合态磷是主要的磷释放源[9]; Luo等[10]和黄俊杰等[11]还分别对香溪河、澎溪河等水库支流沉积物与土壤的磷赋存进行了调查评估.上述工作对揭示三峡水库沉积物磷的赋存与迁移转化规律具有重要意义, 但研究对象多限于消落带或支流沉积物, 较少关注干流沉积物自身理化特性与磷的形态赋存状况.
为查明三峡水库蓄水至175 m后干流沉积物各形态磷分布特征, 探讨蓄水对沉积物磷赋存的影响, 在三峡水库典型干流设置了13个断面, 测定各采样点表层沉积物的基本理化性质参数, 总磷及各形态磷含量, 探讨蓄水对沉积物理化特性及磷赋存的影响, 以期为三峡水库内源磷污染防治提供科学参考.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况三峡水库位于长江流域上游下段, 水域面积1 864 km2.三峡水库1994年正式开工, 2003年6月首次蓄水至135 m, 2006年5月成功蓄至155 m水位, 2008年9月开始首次175 m试验性蓄水, 2009年9月第二次启动175 m试验性蓄水, 2010年9月三峡工程第三次启动175 m试验性蓄水, 至2010年10月三峡水库首次达到175 m正常蓄水位.在不同水位的蓄水条件下形成了不同的回水末端, 按照135 m方案调度运行, 回水末端位于涪陵, 按照155 m方式调度运行, 回水末端上延至铜锣峡, 按照175 m方案运行, 回水末端上延至江津, 常以长寿(距坝约535 km)为界, 以上至江津称为变动回水区, 以下至大坝称为常年回水区.
1.2 样品采集及样品处理根据三峡水库泥沙淤积特征, 参考长江水利委员会水文及泥沙监测断面布置情况, 于2010年10月15日至11月25日三峡水库蓄水至175 m期间在常年回水区设置13个采样断面, 分别为：乌江(WJ)、汝溪河河口(RX)、小江河口(XJ)、磨刀溪河口(MD)、梅溪河河口(MX)、巫山(WS)、大宁河口(DN)、巴东(BD)、神农溪河口(SN)、青干河河口(QG)、香溪河河口(XX)、龙马溪河口(LM)、茅坪(MP), 采样点位见图 1.
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图 1 采样点示意 Fig. 1 Map of sampling sites |
采用彼得森采泥器采集各断面表层(0~10 cm)沉积物样品, 每个采样点均进行3次重复采样.将采集的新鲜沉积物样混合均匀后, 分两份装入密封袋, 暂存于温度为4℃的冰箱中, 于5天内将样品运回实验室.沉积物样品一部分用于颗粒级配分析, 另一部分用于测定沉积物的有机质、粒径、矿物质、总磷及各形态磷含量等参数, 每个样品分别测试3次, 试验相对误差＜5%, 结果以其算数平均值表示.
1.3 分析方法采用激光粒度仪(英国Malvern 3000)[12,13]分析沉积物颗粒级配.有机质含量采用烧失量法测定[14].矿物成分用X线衍射仪(德国Bruker D8 Advance)分析[15].沉积物总磷(TP)含量采用SMT法测定.各形态磷含量采用连续分级提取法测定[16].
1.4 数据收集与处理三峡水库干流沉积物不同蓄水时期沉积物磷含量数据源于文献[17~26].三峡水库泥沙粒径数据及泥沙淤积数据源于文献[27].采用SPSS 19.0双尾Pearson检验对指标间的相关性进行分析, 采用Origin进行绘图.
2 结果与讨论 2.1 三峡水库沉积物理化性质三峡水库干流沉积物有机质含量范围为7.79~55.63 g·kg-1, 平均值为39.95 g·kg-1(表 1).有机质含量总体表现为汝溪河口、磨刀溪河含量较高, 乌江有机质含量相对较低.乌江流域矿产资源丰富[28], 矿山开采导致地表覆盖有枯枝落叶、有机质含量较高的表层土壤剥离, 而逐渐裸露出有机质含量较低的素土或矿物成分, 这可能是乌江有机质含量低的原因.
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表 1 干流沉积物理化性质 Table 1 Physico-chemical characteristics of the mainstream sediment |
三峡水库干流沉积物主要由绿泥石、伊利石、石英、长石、方解石和白云石等矿物组成, 部分沉积物中含有少量的闪石和黄铁矿(表 1).其中绿泥石占28%、石英占25%、伊利石占23%, 其它组分占24%.乌江和巫山采样点石英和长石含量明显较高.这可能是由于库区内不同小流域水土流失差异导致的.有研究表明, 三峡蓄水初期石英含量占比达61.4%~72.4%, 蓄水后绿泥石和伊利石含量大幅度上升[29], 伴随着沉积物粒径的减小, 沉积物中易风化矿物相对含量有增加趋势.
三峡水库干流沉积物粒径值(表 1), d10范围在0.78~2.15 μm之间, 平均为1.20 μm; d50范围在3.84~23.65 μm之间, 平均为7.50 μm; d90范围在13.37~123.03 μm之间, 平均为31.70 μm.三峡水库干流沉积物主要为黏土质粉砂, 其中粉砂(4~63 μm)占59.68%, 黏土(＜4 μm)占33.22%, 砂(＞63 μm)占1.12%.与其矿物组成特征类似, 巫山和乌江的d50和d90值远高于其他采样点，且这两个采样点石英含量也显著高于其他采样点，沉积物中石英含量与d50呈显著正相关关系(表 2)，这表明沉积物颗粒粒径和矿物组成可能受同一因素控制.
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表 2 沉积物各形态磷含量与有机质, 粒径和矿物成分间的相关性分析1) Table 2 Correlations of sediment P fractions, organic matter content, grain size, and mineral component content |
三峡水库朱陀断面泥沙平均中值粒径多年平均值蓄水前(1987~2002年)为11 μm, 蓄水后(2003~2010年)降低至9 μm[27].自2003年蓄水后寸滩断面泥沙年平均中值粒径整体呈降低态势(图 2), 这表明蓄水后三峡水库干流沉积物有细化趋势.河床沉积物的颗粒大小与河流水动力相适应, 水动力越强, 沉积物越粗, 反之沉积物越细.三峡水库蓄水使得干流水体流速减缓, 水体携砂能力降低, 是库区沉积物颗粒变细的因素之一.
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数据源于文献[27] 图 2 寸滩断面泥沙年均中值粒径及三峡水库泥沙累积淤积量 Fig. 2 Annual median sediment grain size at Cuntan and sediment accumulation in the TGR |
三峡水库干流沉积物总磷含量范围为557.06~837.92 mg·kg-1, 平均为744.88 mg·kg-1(图 3), 其中位于三峡水库中游的巴东和下游的茅坪、龙马溪河口含量相对较高.大宁河口, 长江巫山和神农溪河口含量较低.流域人类活动对沉积物总磷含量影响较为显著, 神农溪与巴东采样点较近却显现出总磷含量较大.这主要是由于三峡水库蓄水后, 人口聚集导致巴东县城附近污染排放居高不下, 水库沉积物因此受到局部污染, 而位于左岸的神农溪则相对较为清洁.据《2010年恩施州统计年鉴》及巴东县环境保护局网站信息, 巴东县长江干流共有16个排污口, 工业废水排放总量143.50万t, 排放达标率仅为49.5%, 污水排放对长江干流沉积物造成一定程度的污染.
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图 3 沉积物总磷含量沿程分布 Fig. 3 Spatial distribution of sediment TP |
以三峡库区土壤元素均值[30]为背景值(507.62 mg·kg-1), 采用单因子指数法[31,32]对沉积物中的总磷污染程度进行评价.结果表明, 三峡库区各采样点富集指数均大于1, 三峡水库干流沉积物中总磷存在一定的污染风险.
图 4为三峡水库干流不同蓄水时期总磷含量的变化情况.从中可以看出, 三峡水库蓄水前至155 m蓄水期间总磷含量有着略微的上升趋势. 155 m蓄水至175 m蓄水的蓄水过程总磷含量略有下降, 而在175 m三次试验性蓄水过程中总磷含量呈缓慢上升趋势.到2010年10月略有下降, 之后缓慢上升又下降.这表明三峡水库蓄水后沉积物总磷含量变化较为复杂, 在“蓄清排浑”的运行模式下, 三峡库区沉积物总磷未出现明显的随蓄水而进一步富集的现象, 这同卓海华等[17]研究结果一致.
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箱式图上边界代表最大值, 下边界代表最小值, 箱内实线代表中位值; *则表示数据的1%和99%分位数, 箱内正方形代表平均值 图 4 不同蓄水时期沉积物总磷含量对比 Fig. 4 Comparison of mainstream sediment TP contents |
三峡水库干流沉积物各形态磷含量如图 5所示, 沉积物Ex-P含量范围为2.64~12.78 mg·kg-1, 平均为8.44 mg·kg-1; Al-P含量范围为15.22~52.23 mg·kg-1, 平均为35.17 mg·kg-1; Fe-P含量范围为0.12~2.17 mg·kg-1, 平均为0.69 mg·kg-1; Oc-P含量范围为227.19~387.35 mg·kg-1, 平均为292.14 mg·kg-1; Ca-P含量范围为332.83~592.76 mg·kg-1, 平均为479.03 mg·kg-1.
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图 5 沉积物不同形态磷含量 Fig. 5 Different P fractions in the sediments |
沉积物中的Fe-P、Al-P和Ex-P含量相对较低. Fe-P、Al-P和Ex-P含量一般与流域人类活动, 尤其是与工业及生活污水等的排放情况密切相关[33].流域经济发展水平和开发强度较低可能是三峡水库干流沉积物中Fe-P、Al-P和Ex-P含量相对较低的原因之一.在所有形态中Oc-P和Ca-P含量相对较高, 是三峡水库干流沉积物中磷的主要存在形态. Oc-P特指紧密包裹在铁、铝等矿物质颗粒中的磷, 属于难被生物利用的磷. Ca-P是土壤原生颗粒中的磷灰石磷, 这类磷化合物一般难溶于水, 但在酸性条件下会有微弱的释放.三峡库区是我国酸雨频度较高、酸雨程度极为严重的区域之一[34], 同时流域内蕴藏着丰富的磷矿资源, 磷矿渣中磷的释放也将影响沉积物中磷的赋存[35].沉积物中Ca-P与流域地球化学特征及水土流失状况密切相关[33], 三峡库区流域内特殊的风化侵蚀条件是三峡水库沉积物中Ca-P含量较高的主要原因.从图 5可以看出乌江的Ca-P含量最高, 这与乌江矿物风化作用有较强的联系, 乌江流域属岩溶地貌, 流域矿产资源开发强度较高, 水土流失较为严重因而沉积物中Ca-P含量相对较高.
沉积物中磷与不同形态的金属元素及有机质相互作用, 被分化成活性不同的组分, 其中Al-P、Fe-P有较强的移动能力, 能够被藻类等生物直接利用, 是内源磷负荷的重要来源[36].通常将Fe-P、Al-P和Ex-P生物总和为称作生物可利用磷(Bio-P), 来表征沉积物中能够被生物所利用的磷[37].三峡水库干流沉积物中Bio-P约占总磷含量的2%~8%, 略高于蓄水前Bio-P的比例(＜6%)[38], 而低于支流香溪河上游未受蓄水影响的古夫河[39](图 6). Bio-P的相对含量反映了沉积物中磷污染的程度, 与遭受一定程度污染的十五里河[37]、图们江[40]沉积物相比, 三峡水库干流沉积物中Bio-P含量相对较低, 沉积物中能够参与上覆水磷循环并影响水体营养状态的能力较弱, 但随着三峡水库的运行, 沉积物中Bio-P的比例存在进一步增加的风险.
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图 6 三峡水库干流与其他河流沉积物生物有效磷所占比例 Fig. 6 Ratio of sediments Bio-P in the TGR and other rivers |
各形态间相关性分析表明Al-P与Ex-P呈显著正相关关系(表 2). Al-P与Ex-P有着较强的活性均能在水环境变化的情况下通过间隙水向上覆水释放, 这种相关关系有可能是这两种磷之间可以相互转化, 且引起两种磷释放的环境变化因素较为一致. Oc-P与Ex-P、Al-P均呈显著正相关, 这表明3种形态的磷可能具有同源性, 有研究发现Oc-P含量变化可能是来沙组份或产沙条件发生了改变[20].
2.4 三峡水库运行对沉积物中磷蓄积与转化的影响水库沉积物中总磷含量是泥沙淤积及沉积物中磷吸附-解吸、沉降-再悬浮、溶解-沉淀等多种生物地球化学反应的综合结果.自2003~2010年, 不考虑区间来沙, 三峡水库总淤积量为14.2亿t, 年平均淤积量约为1.8亿t, 常年回水区的淤积量占90%以上[27].据此次调查沉积物中总磷含量估算, 三峡水库蓄水以来共有约10万t总磷淤积在三峡水库中.
三峡水库蓄水对总磷含量影响较为复杂, 三峡水库蓄水运用后, 特别是试验性蓄水以来, 入库泥沙大幅减少[41], 这对水库内源污染防控较为有利, 但蓄水后干流水体流速减缓, 悬浮泥沙颗粒细化, 更有利于水体中颗粒对磷的沉降和吸附.三峡水库部分入库河流水体中颗粒态磷高达75%以上, 随泥沙迁移的颗粒态磷是水库主要的污染源之一[42].吸附大量磷的泥沙沉降到库底后, 在三峡水库复杂的水体环境中, 这部分泥沙再悬浮, 有可能对库区水质产生影响.库区泥沙淤积分布特征表现为不连续的宽谷河段淤积和弯道淤积[43], 因而将来沉积物中总磷空间分布仍不均匀, 在部分宽谷河段沉积物中总磷可能有进一步累积的风险.
有机质、粒径、矿物成分、总磷、各形态磷间的相关性分析发现Al-P、Ex-P、Bio-P均与粒径呈负相关, 有机质与Al-P、Bio-P呈正相关(表 2).这表明沉积物粒径组成和有机质是影响沉积物中Al-P、Ex-P、Bio-P含量和分布的重要因素. Ex-P主要是通过物理吸附到沉积物表面的磷, 沉积物颗粒越小, 其比表面积越高, 对磷吸附越强[44].在上游流域内大规模的水土流失治理和梯级水电站的拦蓄作用下三峡水库入库泥沙将进一步细化, 在这种趋势的影响下三峡水库沉积物中Bio-P有可能会进一步上升, 内源磷负荷风险也会随之提高.
三峡水库建成运行后一个重要的变化就是在库区形成一个垂直落差30 m, 面积达349 km2的消落带[45], 汛期和非汛期不同水位的运行方式引起消落带的干湿交替, 也会导致消落带土壤中的Bio-P增加[36,46].三峡水库沉积物表现出一定的浮泥特性, 汛后干容重(1.041 t·m-3)比讯前干容重(1.11 t·m-3)略有减小, 且从库尾至坝前沉积物干容重有逐渐降低趋势[27].此种细颗粒落淤后要经过相当长的时间才能密实[47], 因此浮泥层中的磷极易在水动力扰动下经再悬浮进入上覆水, 同时疏松的沉积环境更有利于间隙水中磷酸盐的迁移扩散, 促使沉积物-水界面磷释放通量进一步增加[48]. Zhou等的研究发现[49], 在“蓄清排浑”的运行方式下, 枯水期三峡大坝可以有效降低坝下有效磷的含量, 而在丰水期下游有效磷的含量则显著增加, 这间接表明水库浮泥层对生物有效磷有一定影响.尽管目前三峡水库沉积物中主要为生物不可利用性磷, 内源磷负荷相对较低, 但是由于蓄水对三峡水库干流水动力及水环境的特殊影响, 仍需引起重视.
3 结论(1) 三峡水库干流沉积物有机质含量范围为7.79~55.63g·kg-1, 主要矿物组成为绿泥石、伊利石、石英、长石、方解石和白云石等.粉砂和黏土分别占沉积物总量的59.68%和33.22%.三峡水库的蓄水位逐步增加后, 干流表层沉积物粒径出现了细化趋势.
(2) 三峡水库干流沉积物总磷含量范围为557.06~837.92mg·kg-1, 均超过当地土壤总磷含量的背景值, 存在一定的生态污染风险, 但三峡水库蓄水位逐步升高后, 干流沉积物的总磷含量并未出现明显增加趋势.
(3) 三峡水库干流沉积物Fe-P、Al-P和Ex-P含量相对较低, Oc-P和Ca-P含量较高.沉积物粒径和有机质含量是影响Al-P、Ex-P和Bio-P含量及其分布的重要因素.沉积物Bio-P仅为总磷的2%~8%, 其参与上覆水磷循环的能力较弱.
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