环境科学  2020, Vol. 41 Issue (5): 2137-2148   PDF    
新安江水库悬浮颗粒物时空分布、沉降通量及其营养盐效应
史鹏程1,2, 朱广伟1, 杨文斌2, 许海1, 朱梦圆1, 刘明亮3, 虞左明3, 吴志旭4, 郑文婷4, 王裕成4, 笪文怡1, 胡林娜1     
1. 中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室, 南京 210008;
2. 安徽师范大学环境科学与工程学院, 芜湖 241003;
3. 杭州市环境保护科学研究院, 杭州 310000;
4. 杭州市生态环境局淳安分局, 杭州 311700
摘要: 为分析降雨入流影响下水库悬浮颗粒物的时空分布及沉降特征,在华东地区最大水库新安江水库(千岛湖)的河流区、过渡区和湖泊区(分别对应街口、小金山和大坝这3个水质断面)布设水体沉降物自动捕获器和水质高频自动监测浮标,结合定期水样采集分析,开展了为期1 a的水体颗粒物沉降通量及其营养盐效应观测研究.结果发现,水库水体浊度、悬浮颗粒物浓度(SS)、颗粒物沉降通量与降雨量、入库流量极显著相关(P < 0.01),其中浊度与SS的相关性最好(R2=0.86);在降雨较多的春夏季,SS空间差异明显(河流区>过渡区>湖泊区),而秋冬空间差异不大;颗粒物沉降通量具有明显的时空异质性,空间上河流区>过渡区>湖泊区[分别为27.82、4.34和0.26 g·(m2·d)-1],时间上春夏季>秋冬季;结合全湖60个点位四季悬浮物浓度调查估算,全库颗粒物沉降通量为2.57×106 t·a-1,其中春夏季沉降通量高于秋冬季;街口、小金山和大坝捕获沉降物中颗粒态氮含量(PN)分别为6812、15886和21986 mg·kg-1,磷含量(PP)分别为2545、3269和3077 mg·kg-1,自上游向下递增.统计分析表明,中雨以上降雨过程与河流区浊度增量呈指数相关(R2=0.81),持续强降雨则对浊度有累加效应,但对过渡区影响不大;SS浓度自河流入库区至下游大坝随距离增加呈较好的指数下降特征(R2=0.84),降雨较多的春夏季更为明显.结果还表明,新安江水库年均库容淤损率为0.07%,与全国其它大型水库相比较低,但是坝前沉降物营养盐含量较高,具有一定的内源释放风险;管理上应加强流域水土保持治理,降低降雨冲刷对水质的影响;同时关注坝前高营养沉积物的内源释放对水质的影响.
关键词: 悬浮颗粒物      沉降物捕获器      高频监测浮标      沉降通量      新安江水库     
Spatial-temporal Distribution of Suspended Solids and Its Sedimentation Flux and Nutrients Effects in Xin'anjiang Reservoir, China
SHI Peng-cheng1,2 , ZHU Guang-wei1 , YANG Wen-bin2 , XU Hai1 , ZHU Meng-yuan1 , LIU Ming-liang3 , YU Zuo-ming3 , WU Zhi-xu4 , ZHENG Wen-ting4 , WANG Yu-cheng4 , DA Wen-yi1 , HU Lin-na1     
1. State Key Laboratory of Lake Environment and Science, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;
2. College of Environmental Science and Engineering, Anhui Normal University, Wuhu 241003, China;
3. Hangzhou Institute of Environmental Sciences, Hangzhou 310000, China;
4. Hangzhou Bureau of Ecology and Environment Chun'an Branch, Hangzhou 311700, China
Abstract: To analyze the spatial-temporal distribution and sedimentation characteristics of suspended solids in reservoirs, high-frequency monitoring of a sediment trap and buoy, combined with three-dimensional water sampling, was conducted and analyzed in Xin'anjiang Reservoir for a year. The results showed that the turbidity data of the buoy has significant correlation with rainfall, inflow, and suspended solids (SS), particularly for SS (P < 0.01, R2=0.86). There is an obvious spatial difference in SS between spring and summer, when the rainfall season occurs (river area > transition area > lake area). However, there is little difference in SS concentration between autumn and winter. There is a spatial trend of river area > transition area > lake area (with rates of 27.82, 4.34, and 0.26 g·(m2·d)-1, respectively), and a temporal trend of spring and summer > autumn and winter. The sedimentation flux of the whole lake is 2.57×106 t·a-1 combined with the investigation of the four-season SS at 60 points across the whole lake, and the settlement flux in spring and summer is higher than that in autumn and winter. The contents of particulate nitrogen (PN) in JK, XJS, and DB were 6812, 15886, and 21986 mg·kg-1, and the particulate phosphorus (PP) contents were 2545, 3269, and 3077 mg·kg-1, respectively. Statistical analysis shows that there is a good exponential relationship between moderate rainfall and turbidity growth rate in the river area of the reservoir (R2=0.81). Moreover, the continuous heavy rainfall affects turbidity in river area, but has little effect on the transition area. The concentration of SS has a good exponential decay with distance from the river to the dam (R2=0.84), especially in spring and summer. Research shows that the average annual deposition rate in Xin'anjiang Reservoir is 0.07%, lower than other large reservoirs in the country; however, there are certain risks in front of the dam because the nutrient sediments are high. The results suggest that reservoir managers should pay attention to water and soil conservation in the watershed to reduce the impact of rainfall on reservoir water quality. Meanwhile, the potential nutrient internal release risk in the downstream area before the dam should be considered.
Key words: suspended solids      sediment trap      high-frequency monitor buoy      sedimentation flux      Xin'anjiang Reservoir     

水库是由人工筑坝形成的水体, 水库的修建改变了天然河流的水流运动状态, 由于水位升高, 过水面积加大, 流速减缓, 从而使挟沙能力降低最终必然会导致库内发生淤积[1].水库淤积会导致兴利库容和防洪库容不断减少, 影响水库的综合效益[2], 据不完全统计, 全球每年由于泥沙淤积造成的水库总库容损失达0.5% ~1%, 我国则为2.3%[3, 4].其次, 由于泥沙表面往往吸附大量污染物和有机质, 库内泥沙淤积往往会导致这些物质逐渐积累, 对水生生物甚至人类健康可能会有危害[1], 这些污染物通常以悬浮颗粒物(SS)为载体.水库SS是由湍流作用形成的絮凝聚合物, 分为无机和有机两种[5], SS浓度的增加还会导致水体光穿透性降低和温度变化, 影响水体浊度(Turb)及透明度(SD)[6];此外, 附着在SS上的重金属和营养盐释放会对鱼类及浮游植物生长有影响[7, 8].水库SS与降雨、风速、水位和水体中营养盐水平均有密切关系[9, 10].

水体SS与水体Turb关系紧密, 故可以用高频且连续的水质Turb浮标测定来表征[11].目前, 水质高频监测浮标的应用越来越广泛, 特别是在海洋监测中[12~14].通过构建自动监测浮标参数与水体SS、营养盐等之间的关系, 水质高频监测浮标可以对湖泊和水库实施实时SS、总磷(TP)等的高频和分层过程监测[15, 16], 具有即时性、连续性和低成本等优点.

河流SS进入水库后, 随着流速下降和水深增加, SS的沉降作用加强.颗粒物沉降通量(FSS)是用来表征悬浮物的沉降强度的重要指标.目前关于水库悬浮物沉降通量的研究多采用同位素计年法[17, 18], 然而该方法价格昂贵, 监测频次低, 1次或几次采样往往具有很大的误差.沉降物捕获器最早应用于海洋中, 如今在湖泊中的应用技术也已成熟, 多用于沉降通量的计算以及再悬浮的研究[19~21], 但是在水库中的应用较少.

新安江水库是我国华东地区最大的人工淡水水体, 属典型的深水山谷型水库, 流域植被覆盖率较高[22], 库区水体总悬浮颗粒物呈现明显的时空差异[23, 24], 水库中SS主要是由雨季降雨从上游河道带入.新安江水库SS对水质影响甚大, 但是目前对其时空分布、沉降特征缺乏了解, 对该水库泥沙过程及其水质效应的了解更少.因此, 本文首次在新安江水库投放沉降物自动捕获器, 结合水库投放的浊度等水质高频监测浮标, 以及四季全库悬浮颗粒物及营养盐调查, 构建了新安江水库Turb-SS-FSS相关关系, 结合沉降物捕获器分析新安江水库悬浮颗粒物沿程变化及沉降特征, 并估算全湖沉降通量, 分析其影响因素, 以期为新安江水库的水质管理及类似水库的生态监测方法和水库淤积状况评估提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 研究区域概况

新安江水库(也称“千岛湖”)位于浙江西部与安徽南部交界的淳安境内(29°22′~29°50′ N;118°36′~119°14′ E), 是1959年新安江水电站大坝建成蓄水后形成的深水水库.水库地处亚热带季风气候区, 温暖湿润, 雨量充沛, 四季分明, 年均气温约为17℃, 年均降水量为1 636.5 mm[25].水库水面面积580 km2(水位为108 m时), 流域面积超过10 000 km2, 水库库容为178亿m3, 平均水深31 m, 最大水深100 m[26].新安江是最主要的入库河流, 约占入库径流的2/3, 水库湖区径流主要集中在5~9月, 约占全年径流的77%[27].

1.2 样品采集与分析

本次采样点位如图 1所示, 自上游向下分别在水库河流区(街口)、过渡区(小金山)和湖泊区(大坝)3个国控断面布设沉降物捕获器, 型号为TECHNICAP-PPS(G).沉降物捕获器投放于泥上约10 m处, 依靠重锤和浮球使其保持垂直状态, 沉降物被捕获后沉降入底端收集桶中, 预先设定程序让收集桶每2 d自动更换到下一个, 一共12个, 转完自动停止等待回收再设定程序;捕获器捕获口径为25 cm, 底端收集桶的容量为250 mL.街口(JK)和小金山(XJS)沉降物捕获器每个月回收1次, 因此每月只能收集12个样品;大坝(DB)捕获器底端收集桶的更换时间设为5 d, 每2个月回收投放一次, 一次收集12个样品.

图 1 新安江水库采样点位及沉降物捕获器位置示意 Fig. 1 Location of the sampling sites and sediment trap in Xin'anjiang Reservoir

JK、XJS和DB断面布设有YSI水质自动监测浮标, 每4 h进行水体Turb、pH、溶解氧(DO)、浮游植物叶绿素a(Chla)等水质指标的剖面监测.其中0~20 m水深每0.5 m采集一个数据, 10 m以下则每2 m采集一个数据.本文Turb分析时, 使用表层0.5~5 m水层的平均值进行分析.

为分析FSS与水质的关系, 同时开展了3种人工采样:①每月定期对包括JK、XJS及DB等国控断面的新安江水库9个省控点位进行水样采集(图 1);②JK及XJS断面每3 d进行一次人工水样采集;③每个季度对全湖60个采样点进行悬浮物浓度及水质采样调查(图 1).采样时, 采取水下1、3和5 m的混合水, 水样采集后, 现场用Whatman GF/F滤膜进行悬浮颗粒物(SS)的过滤, 滤后水和原水也立刻冷藏, 当天送回实验室冷冻, 然后每月1批进行SS及主要营养盐分析.

采集水样的水质指标测定参考文献[28].其中总氮(TN)采取碱性过硫酸钾消解、紫外(波长210 nm)分光光度法测定;总磷(TP)采取碱性过硫酸钾消解、钼锑抗显色分光光度法(波长700 nm)测定;溶解性总氮(DTN)和溶解性总磷(DTP)为Whatman GF/F滤膜过滤后水样中的TN和TP;硝态氮(NO3--N)、亚硝态氮(NO2--N)、氨氮(NH4+-N)和磷酸根(PO43--P)则用荷兰Skalar流动注射分析仪自动比色测定GF/F滤膜滤后水样.水样在GF/F滤膜过滤后(滤膜事先烘干、称重), 采取105℃烘干重量法测出SS, 然后用550℃马弗炉灼烧后再次冷却称重, 计算出剩余灰分则为无机悬浮颗粒物(ISS)重量, SS与ISS之差则为有机悬浮颗粒物(OSS)重量.沉降桶中颗粒物的估算时, 将沉降桶中的水泥混合, 分取一定体积的混合样, 按照SS、ISS和OSS的测定方法进行测定, 然后按照体积估算出单位时间内捕获器收集到的颗粒物总量.

1.3 沉降速率及通量的计算

沉降物沉降速率通过公式(1)计算得出:

(1)

式中, FSS为沉降物沉降速率[g ·(m2 ·d)-1];M为沉降物SS的浓度(mg ·L-1); V为底端收集桶体积(L); D为每个瓶子收集的天数(d, 其中街口和小金山为2 d, 大坝为5 d);S为沉降物捕获器收集上口的有效面积(m2).无机颗粒物沉降速率(FISS)计算方法与之相同, 只需将M换为ISS的浓度.

利用ArcGIS 10.2根据全湖60个采样点位将新安江水库分为60个不同的泰森多边形(图 1), 并计算出每个区域面积, 全湖60个区域全年沉降通量通过公式(2)计算:

(2)

式中, FTSS为1个区域全年沉降通量(t);Tn为街口第n天的浊度(NTU);r为4季全湖60个点位采样SS与街口SS的比率(春夏秋冬各不相同);S为该区域面积(m2);A为Turb和SS的转换系数;B为SS和FSS的转换系数, 由二者的相关分析获得.最后将60个点位沉降通量相加得出全湖1 a总沉降通量FT.

将水库新安江沿程点位连接起来[29], 以10号点为起点, 计算得出每个点位离起点的距离, 以探究悬浮颗粒物在新安江沿程的沉降特征.

1.4 气象水文数据获取与处理

本文使用的千岛湖气象水文数据均在淳安县环保局千岛湖水质监测预警系统数据管理平台下载获得.入库流量使用屯溪和渔梁水文站数据叠加得出.

数据图表及统计分析主要由Excel 2016、Origin 2018、ArcGIS 10.2、R 3.6.0和SPSS 23.0等统计和绘图软件完成;相关关系用Pearson相关系数(P)表示.

2 结果与分析 2.1 降雨量、Turb及SS的周年变化特征

图 2展示了2018年4月1日至2019年3月31日这1 a时间内街口日降雨量、入库流量、SS、ISS和Turb的同步数据.由图可知, 降雨量和入库流量具有基本同步的峰值, 而SS、ISS与Turb基本上是同步的, 但是其峰值与降雨量存在着1~2 d的滞后, 这在降雨量较多的春夏两季尤为明显.这说明降雨过后, 从上游河道带来大量的悬浮颗粒物, 是导致水体浊度变高的根本驱动.图 2(a)中虚线分别为小雨(< 10 mm)、中雨(10~25 mm)、大雨(25~50 mm)、暴雨(>50 mm)的分界线, 可以看到入库流量在中雨及以上降雨时响应更好, 这可能是由于小雨对河道流速等影响不大, 浊度效应不明显.表 1为1 a中所有中雨以上降雨与SS、ISS和浊度的相关性分析, 其中SS与降雨量呈显著相关(P < 0.05), ISS则有极显著相关(P < 0.01), 说明降雨对ISS的影响更显著, 进而影响水体浊度.

图 2 街口降雨量、入库流量、SS和浊度逐日变化 Fig. 2 Daily changes in rainfall, inflow, SS, and turbidity in JK

表 1 降雨量与SS的Pearson相关性1) Table 1 Pearson correlation between rainfall and SS

2.2 水体SS时空差异

以2017年12月、2018年4月、2018年8月和2018年10月的冬、春、夏和秋的4次全湖60个点位水质调查数据分析悬浮颗粒物全湖分布特征以及季节差异(图 3), 其中春、夏、秋和冬这四季SS平均浓度为(5.71±6.46)、(5.17±2.27)、(1.18±0.55)和(1.34±0.58)mg ·L-1.表 2为采样前5 d总降雨量, 可以看到在降雨之后的春季SS浓度在全湖各个区域的差异更为明显;夏季虽然没有降雨, 但是全库各湖区SS也有差异, 与春季相同, 总体呈现河流区>过渡区>湖泊区的趋势;而秋冬两季SS浓度差异则不明显.

图 3 全湖水体SS的四季空间插值 Fig. 3 Spatial distribution of SS in Xin'anjiang Reservoir over four seasons

表 2 采样前5 d总降雨量 Table 2 Total rainfall five days before sampling

2.3 捕获器监测FSS时空差异

街口、小金山和大坝这3个国控断面1 a(2018年4月~2019年4月)悬浮颗粒物沉降通量变化如图 4所示.其中街口、小金山和大坝SS年平均沉降速率分别为27.82、4.34和0.26 g ·(m2 ·d)-1;ISS年平均沉降速率分别为20.97、3.75和0.19 g ·(m2 ·d)-1.可以看出小金山和大坝SS沉降速率与街口分别有着6倍和106倍的差距, 说明经过河道和过渡区的沉降, 悬浮颗粒物到达坝前时仅仅只有入库河道的1%. 4个季度街口断面的FSS分别为47.39、50.33、8.88和12.08 g ·(m2 ·d)-1;小金山断面的FSS分别为0.81、7.18、0.73和10.05 g ·(m2 ·d)-1;大坝断面的FSS分别为0.37、0.17、0.16和0.01 g ·(m2 ·d)-1.四季基本上呈现春夏>秋冬的趋势, 这与降雨的季节性差异有着相同的趋势.

图 4 新安江水库3个沉降物捕获器获得的沉降通量年变化 Fig. 4 Time variation of sedimentation rate at three sampling sites in Xin'anjiang Reservoir

2.4 FSS与SS及Turb定量关系

图 5(a)5(b)为街口、小金山和大坝3个点FSS与水体SS、ISS的关系, 可以看到FSS和水体SS和ISS具有较好地相关性(表 3), 说明水体SS、ISS可以较好地反映其沉降状况, 具有一定的指示作用;图 5(c)为水体SS与水质自动监测浮标获得的Turb之间的相关关系, 同样地具有较好的拟合(R2=0.86), 说明水库中高频且连续的浮标Turb能在一定程度上反映水体SS的浓度.

图 5 沉降速率与SS及SS与浊度的关系 Fig. 5 Relationship between sedimentation rate and SS, and between SS and turbidity

表 3 FSS与水体SS各组分及Turb与SS的Pearson相关性1) Table 3 Pearson correlation of SS components, turbidity, and sedimentation rate

2.5 全湖总沉降量估算

利用ArcGIS 10.2将新安江水库分为60个不同的泰森多边形(图 1), 利用公式(2)分别计算出每个区域的沉降通量, 再将所有60个点相加得出全湖沉降通量(表 4).计算得出千岛湖全年的SS总沉降通量(FT)为2.57×106 t, 其中夏季沉降通量最高, 春季次之, 冬季高于秋季, 这可能是由于本年度冬季总降雨量(521.3 mm)远高于秋季(201.3 mm).

表 4 全库悬浮颗粒物的四季总沉降量估算×106/t Table 4 Seasonal sedimentation flux of whole reservoir sediments×106/t

2.6 捕获沉降物中营养盐含量特征

图 6为捕获器每月捕获的SS中颗粒态氮磷(PN和PP)含量, 其中街口、小金山和大坝这3个点全年PN平均值分别为6 812、15 886和21 986 mg ·kg-1, 相较于街口, 其余两点分别增长了133%和223%;PP年均值为2 545、3 269和3 077 mg ·kg-1, 小金山和大坝相较于街口分别增长了28%和21%.总体来说, 颗粒态氮磷呈现从上游到下游递增的现象.

图 6 捕获沉降物中PN和PP月均值变化 Fig. 6 Monthly mean changes in PN and PP in sediments

3 讨论 3.1 入库河道携沙的强降雨效应

图 7展示了街口不同强度降雨后1 d内浊度增长率和降雨量之间的关系, 增长率越大说明该强度降雨对浊度影响越大, 可以看到降雨量和浊度增长率有着较好的指数关系(R2=0.81), 大雨及暴雨(降雨量>25 mm)时浊度和降雨量的响应更加明显, 这表明大雨及以上降雨会明显增加水体浊度, 究其原因, 主要是由于高强度降雨增加了水体ISS的浓度, 进而导致水体浊度增高.

图 7 中雨及以上降雨与浊度增长率的关系 Fig. 7 Relationship between rainfall and turbidity growth rate during moderate rain and above

为了进一步分析暴雨事件对处于河道上游和下游的街口(JK)和小金山(XJS)浊度的影响, 选取本年度4月、6月和7月3次暴雨事件7 d后JK和XJS浊度的变化[图 8(a)~8(c)].结果发现, 暴雨过后1~2 d, 街口水体浊度会达到一个峰值, 并且远远高于降雨当天, 这与图 7结果相同, 峰值过后浊度立刻降低并逐渐恢复到降雨当天水平, 这主要是由于强降雨会导致水体流速加快, 携沙能力变强[30], 并最终导致街口浊度增长;而小金山浊度增幅明显变小, 说明强降雨事件对处于过渡区的小金山水域浊度影响大为削减.图 8(d)为2018年5月18日~6月7日连续3次大雨事件后街口和小金山浊度的变化, 连续的强降雨会导致街口浊度持续升高, 而小金山的变化仍然有限.

图 8 大雨及暴雨对街口和小金山浊度的影响 Fig. 8 Influence of heavy rain on turbidity in JK and XJS in Xin'anjiang Reservoir

新安江水库降雨量存在着显著的季节差异, 3~7月降雨量超过全年的70%[31], 强降雨事件往往也集中在这几个月, 这些强降雨带入大量的ISS进入水库河道, 由于流速加快, 导致水体携沙能力增强, 最终导致街口表层浊度出现峰值;而由于千岛湖河道较长, 降雨事件对水库过渡区表层浊度影响要小得多.此外, 多次强降雨事件对浊度会有一个累积效应, 值得关注.

3.2 水体SS浓度在水库中的沿程衰减特征

新安江水库周边共有25条河流, 其中新安江是最大的入库河流, 约占全部入库径流的2/3[32], 故对悬浮颗粒物及其组分在新安江沿程上的衰减情况进行分析.选取街口上游约3.5 km的10号点为起点, 将新安江沿程流经的点位与10号点的距离计算出来, 以四季水体中SS、ISS和OSS的平均值为纵坐标, 做出其随距离的衰减图(图 9), 图中竖线分别为小金山和三潭岛的位置, 可以看作是河流区、过渡区和湖泊区的分界线.如图 9所示, SS、ISS和OSS随着距离呈现指数衰减, 这说明SS的沉降速率在河流区衰减最快, 过渡区减慢, 湖泊区最慢, 这与水库不同区域流速不同有关.此外, 悬浮颗粒物不同组分的沿程变化也不同, ISS的衰减主要在河流区, 而OSS则呈现较为匀速的衰减过程.

图 9 悬浮颗粒物不同组分沿程变化 Fig. 9 Different components of SS changes along the path

水库中藻类生长对SS的沿程衰减规律产生影响.图 9表明, 处于过渡区的点位(如图 9中42号点)往往OSS较高从而导致SS浓度增高, 此外, 水库过渡区OSS占比要高于河流区和湖泊区(表 5).进一步对OSS比例在新安江沿程的变化情况(图 10)进行分析发现, 在春夏季降雨时期[图 10(a)]SS有机比例在新安江沿程上有一个逐渐增长并趋于稳定的过程, 这主要是由于降雨过后上游河道带入大量ISS, 并在水库河流区不断衰减, 到了过渡区基本衰减到降雨前水平, OSS比例趋于稳定, 并且由于过渡区流速减慢, 悬浮物大量沉降, 较高的透明度、足量的营养盐以及合适的温度为浮游植物提供了较好的生长环境, 因此该区藻类生物量一般较高[33], 此时SS以有机藻颗粒为主;而在低温少雨的秋冬两季, OSS比例在新安江沿程基本上变化不大[图 10(b)], 并且以OSS为主(有机占比高达75%左右), 但是其SS浓度不高(图 3).

表 5 全库不同区域OSS占比 Table 5 Organic proportion of SS in different areas of the reservoir

图 10 悬浮颗粒物有机比例沿程变化 Fig. 10 Organic proportion of SS changes along the path

3.3 新安江水库的库容淤损估算

基于悬浮颗粒物和沉降速率计算全湖1 a沉降通量为2.57×106 t, 结合所采单位体积泥样重量计算出全湖年淤积体积为0.122亿m3, 千岛湖总库容为178.4亿m3[34, 35], 年淤损量仅占库容的0.07%, 远低于世界大型水库年平均淤损量(0.5% ~1%)[2];新安江水库于1959年建坝蓄水, 至今已有60 a[36], 故其库容淤积比率约为4.2%.这表明, 新安江水库是属于淤损率较低的水库.

新安江水库的淤损率与我国其它大型水库相比也是较低的.前人对我国大河流域水库淤积情况调查结果如表 6所示, 其中超大型水库平均淤积比率为16.03%, 年均淤积比率为0.48%[37].与我国内地其它水库相比, 千岛湖库容淤积和年均淤损量相对较低, 与淮河流域水库类似.新安江水库较高的流域植被覆盖率以及良好的水土保持是保持较低淤损率的原因[19, 38].

表 6 我国内地水库淤积情况[37]/% Table 6 Siltation of reservoirs in inland China/%

3.4 颗粒物沉降的营养盐效应

图 11为全年沉降物中颗粒态氮(PN)和颗粒态磷(PP)质量浓度逐月变化的箱线图, 颗粒态氮磷总体呈现上游到下游递增的现象(夏季由于藻类生物量较高, 导致街口和小金山沉降物营养盐偏高).这说明街口和小金山虽然沉降量远远大于大坝, 但是其沉降物以ISS为主, 而到了坝前虽然沉降总量很少, 但是沉降物却以OSS为主, 故大坝颗粒态氮磷的沉降高于街口和小金山.

图 11 采样点沉降物颗粒态氮磷全年变化 Fig. 11 Annual variation in particulate nitrogen and phosphorus in sediment

悬浮颗粒物全年平均质量沉降速率存在着街口>小金山>大坝的现象, 沉降物中OSS占比分别为30.9%、24.8%和51.5%.街口、小金山和大坝全年单位面积PN沉降量分别为57.0、23.0和1.2 g ·(m2 ·a)-1;PP为21.0、4.8和0.2 g ·(m2 ·a)-1, 入库的颗粒态氮、磷主要沉降在街口至小金山的河道段.虽然大坝年沉降量小于街口和小金山, 但是其颗粒态氮磷占SS总沉降量比(PN为0.54%、1.36%和1.64%;PP为0.20%、0.28%和0.27%)呈现坝前高于街口的现象.这说明大坝沉降物中藻颗粒等富含氮、磷的颗粒组分占比高于街口和小金山, 随着藻颗粒等带入的PN和PP导致大坝沉积物中营养盐含量较高.这与Jia等[39]的研究结果类似.由于温跃层的存在, 坝前深水区库底沉积物中的营养盐可能暂时较少释放到上层水体中[40~42], 但水质高氮磷组分的长期沉积, 对水质影响的风险会越来越大, 值得关注.

3.5 对水库治理的启示

流域植被保护、土地利用方式的管控, 是新安江水库水质保护的关键环节.流域植被覆盖率及降雨强度的季节变化导致新安江水库悬浮颗粒物的时空差异巨大, 总体呈现春夏高、秋冬低;河流区>过渡区>湖泊区的趋势.中雨及以下降雨在前期无连续降雨的情况下, 一般很难形成长距离的地表径流进入河流, 故对水库河流区浊度的影响不大[43];但是暴雨和连续的大雨事件仍然会导致水体无机颗粒物迅速增长, 甚至影响水库过渡区的浊度.这也凸显了流域水土保持的重要性, 较高流域植被覆盖程度不但能有效降低强降雨对水库浑浊度的影响, 同样也能带来巨大的生态、经济和社会效益[44, 45].因此, 在管理上, 实施严格的流域植被保护, 强化“水土共治”, 是保障新安江水库水质良好的根本.

水库水体物理环境的变化及其引发的藻类效应对水库水质的影响不容小觑.本文研究发现, 过渡区水体有机颗粒物比例往往高于河流区和湖泊区(从上游到下游平均值分别为47%、72%和60%), 这是由于过渡区流速较慢, 悬浮物大量沉降, 较高的透明度和足量的营养盐为浮游植物提供了较好的生长环境, 因此该区藻类生物量一般为全库最高[33].此外, 由于淳安县城位于水库过渡区周边, 人类活动产生的生活污水为藻类生长提供了一定的营养盐, 藻类增殖的风险进一步加剧.因此, 在水库水质风险防范上, 应特别关注水文气象条件突变带来的藻类异常增殖问题.

高频自动监测能够为水库水质风险防控提供有力的信息支撑.本研究表明, 水质高频监测浮标及沉降物捕获器的自动监测能够在很大程度上反映了水库水质的快速变化过程, 为水库水质风险防控提供信息支撑.新安江水库的研究同样为其他同生态背景的水库提供一定的启示.新安江水库是典型的深水山谷型水库, 采样难度较大, 浮标自动监测以及沉降物捕获器的使用大大降低了采样难度, 同时其高频和连续性的特点也是传统采样不具备的;此外, 通过对水库的研究发现提高水库植被覆盖、控制营养盐外源输入能有效控制水库悬浮颗粒物的危害;同样地, 也应注意坝前营养盐的潜在风险.通过分析新安江水库悬浮颗粒物时空分布及沉降特征得出的这些结论同样可以为其它水库提供一定的启发.

4 结论

(1) 强降雨等气象事件对水库悬浮颗粒物浓度、浊度等水体物理特征及其伴随的水质变化产生较大的影响.水质高频自动监测浮标获得的Turb与水体SS浓度、悬浮颗粒物沉降通量等相关性好, 能够有效反映外源输入带来的浊度等影响.

(2) 新安江水库悬浮颗粒物沉降通量存在着明显的时空异质性, 空间上河流区>过渡区>湖泊区, 沿程上有着指数衰减的趋势, 季节上春夏>秋冬.沉降物中的有机、无机比例的时空差异也很大, 与水库的水文过程密切联系, 也受区域性和季节性藻类增殖的影响.

(3) 新安江水库颗粒物年沉降量估算为2.57×106t, 水库年均库容淤损率为0.07%, 与国内外水库相比总体属于较低水平;鉴于颗粒物对水质的影响, 在水环境保护上, 应注重流域水土保持和土地利用方式管控, 实施“水土共治”, 并关注季节性、区域性藻类增殖对水质的影响;技术上, 实施关键断面的水质高频自动监测, 为水质风险防控提供重要信息.

致谢: 季鹏飞和李元鹏硕士研究生等在采样过程中提供帮助, 胡春华副研究员和叶小锐实验员等协助样品分析处理, 在此一并感谢!

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