环境科学  2021, Vol. 42 Issue (2): 681-687   PDF    
引用本文
王维, 李叙勇. 张家口清水河拦沙坝对磷输移-滞留的影响[J]. 环境科学, 2021, 42(2): 681-687.
WANG Wei, LI Xu-yong. Effect of Check Dam on Phosphorus Transport and Retention in the Qingshui River, in Zhangjiakou City[J]. Environmental Science, 2021, 42(2): 681-687.
张家口清水河拦沙坝对磷输移-滞留的影响
王维1,2, 李叙勇1,2     
1. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域国家重点实验室, 北京 100085;
2. 中国科学院大学, 北京 100049
收稿日期: 2020-06-15; 修订日期: 2020-08-12
基金项目: 国家自然科学基金项目（41771531）
作者简介: 王维(1983~), 男, 博士研究生, 主要研究方向为流域生态系统模型, E-mail:weiwang_st@rcees.ac.cn
通信作者: 李叙勇, E-mail:xyli@rcees.ac.cn
摘要: 磷在河流中的输移-滞留过程是河流生态系统中营养物质循环的基本组成，也是评价河流生态系统健康的重要指标之一.为探究拦沙坝对磷输移-滞留过程的影响，选取张家口清水河流域内拦沙坝河段为研究区域，在4个代表性断面对地表水中各形态磷质量浓度和径流过程进行监测，并收集当地实时降雨数据.结果表明：①拦沙坝下游与上游的总磷（TP）、总溶解态磷（TDP）、总颗粒态磷（TPP）和悬浮物（TSS）的质量浓度平均值之比分别为50%、79%、47%和58%，表明拦沙坝对磷和泥沙有明显的滞留作用.②在非降雨期TP、TDP和TPP在拦沙坝河段表现为滞留，而在降雨期TP、TDP和TPP在拦沙坝河段既有滞留也有输移，其中发生滞留的降雨场次占总降雨场次之比分别为63.6%、9%和81.8%，拦沙坝对磷的输移-滞留过程受降雨事件的时间间隔、持续时间和强度影响.③在单次降雨或连续降雨的降雨量超过56 mm后，拦沙坝对磷滞留作用明显下降.
关键词: 磷      输移      滞留      拦沙坝      空间变化     
Effect of Check Dam on Phosphorus Transport and Retention in the Qingshui River, in Zhangjiakou City
WANG Wei1,2 , LI Xu-yong1,2     
1. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: The transport and retention of phosphorus is a key process in nutrient cycling in river ecosystems and one of the main indicators used to evaluate river health. To explore the effect of check dams on the transport and retention of phosphorus, water samples were collected from four representative monitoring sections of a check-dammed reach of the Qingshui River in Zhangjiakou City. Various forms of phosphorus and runoff process were monitored, and local real-time rainfall data were also collected. The results showed that:① The average concentration ratios of total phosphorus (TP), total dissolved phosphorus (TDP), total particulate phosphorus (TPP), and total suspended solids (TSS) downstream to upstream of the dam were 50%, 79%, 47%, and 58%, respectively, indicating that the check dam has a retention effect on phosphorus and sediment. ② During non-rainfall periods, TP, TDP, and TPP were retained in the check dam reach, while these forms of phosphorus were both retained and transported in the check dam reach during period of rainfall; the ratio of TP, TDP, and TPP retaining rainfall events to total rainfall events was 63.6%, 9%, and 81.8%, respectively, indicating that the transport-retention process was affected by the time interval, duration, and intensity of rainfall events. ③ When a single rainfall event or continuous event exceeded 56 mm, the retention effect of the check dam notably decreased.
Key words: phosphorus      transport      retention      check dam      spatial variation     

磷是河流生态系统的必要元素, 也是引发水体富营养化的重要原因[1].拦沙坝能拦蓄从上游下泄的泥沙, 导致河水的含沙量在流过拦沙坝后变小.由于河流中磷质量浓度与水体含沙量具有显著正相关性[2], 所以拦沙坝附近往往是磷富集区[3], 这使得拦沙坝对磷具有一定的滞留作用.目前, 研究水坝或拦沙坝对磷滞留的工作主要集中在湖泊和大型河流系统[4], 国内以黄河和长江为主[5, 6], 国外集中在欧洲[7]和北美地区[8], 研究山区支流中拦沙坝对磷滞留的机制和有效性的成果相对较少.山区支流受降雨-径流影响严重, 容易形成富含磷的山洪, 引发河流下游水体富营养化, 所以研究拦沙坝对磷的滞留作用对于降低山区支流汇入的河流富营养化风险具有理论和实践意义.

清水河为典型的山区性河流, 流域内植被稀疏, 水土流失严重, 径流含沙量高.为防止下游城市景观河道淤积, 在清水河河道内修筑有多道拦沙坝.因上游流域土壤侵蚀、农业非点源污染输入以及规模化养殖场, 导致清水河水体中磷质量浓度较大.本文以清水河干流拦沙坝为研究对象, 探究拦沙坝对磷输移-滞留过程的影响及其调控机制.本文主要讨论以下3个问题：①拦沙坝是否对磷有滞留作用; ②不同降雨事件中拦沙坝拦截磷的效果对比; ③拦沙坝对磷滞留失效的临界降雨量.

1 材料与方法 1.1 研究区域概况

清水河是洋河的主要支流之一, 为典型的山区性河流, 全长109 km, 流域总面积2 380 km2.其发源于崇礼区和张北县交接处的桦皮岭, 主要有东沟、正沟和西沟三条支流, 主干道流经张家口市中心后注入洋河[如图 1(b)].西沟汇水区内山区植被稀少, 水土流失严重, 径流含沙量较高.冬、春季节河道内流量较小, 夏、秋季节时常暴发山洪.由于用水增加和气候变化等原因, 河道内的水量越来越少, 时常有断流发生.

图 1 清水河拦沙坝和采样点示意 Fig. 1 Location of the study check dam and monitoring sites in the Qingshui River

自2008年以来, 清水河完成了大规模的综合整治：在干流河道上修建了拦沙坝和橡胶坝.目前, 该河段的污染主要以上游流域土壤侵蚀和农业非点源污染输入为主, 其次还有崇礼区污水处理厂退水的补给和污染输入, 以及规模化养殖场的污染影响.自渠道化以来, 该河流就出现严重的泥沙淤积和水体富营养化问题：春夏季大型水生植物(菹草Potamogeton crispus, 沉水植物)和浮游藻类交替繁殖、暴发, 严重影响水质健康和城市河流景观.

1.2 样品采集与现场观测

沿清水河拦沙坝河段设置4个采样点分别标记为1、2、3和4号, 其中1号点位于拦沙坝上游0.4 km处, 2号点位于拦沙坝上游, 3号点位于拦沙坝下游, 4号位于拦沙坝下游1.4 km处.上述采样点间河段特性如表 1所示, 采样点位置如图 1(c)所示.从2019年4月底到8月中下旬在河道中泓线处取样, 不同流量条件下, 河道中泓线位置变化不明显.在降雨期的雨前、雨中和雨后分别于4个采样点采集表层水, 在非降雨期, 每隔3 d分别于采样点采集表层水.所有采样点均用2.5 L有机玻璃采水器采集表层水.观测期间共采集水样104份, 每个采样点采集水样26份.

表 1 各采样点间河段特性 Table 1 Characteristics of the reaches between sampling sites

1.3 样品处理与数据分析

考虑水体中可沉降固体影响, 从混合均匀的水样中取样测定总磷(TP)的质量浓度CTP.用0.45 μm孔径的玻璃纤维滤膜过滤混合均匀的水样, 滤液用于测定总溶解态磷(TDP)的质量浓度CTDP, 滤膜用于测定总悬浮颗粒物(TSS)的质量浓度CTSS.水样分析前在4℃条件下保存不超过30 h, TP、TDP和TSS的质量浓度测定采用标准方法[9, 10].水样中总颗粒态磷(TPP)的质量浓度CTPP等于CTP与CTDP之差.降雨量由放置于4号采样点的美国ONSET HOBO雨量计获得, 各采样点流量数据由OTT ADC便携式声学流速仪在现场获得.在采集水样一个月内, 使用Mastersizer 2000激光粒度仪分析水样中沉积物中值粒径.

根据质量守恒, 将河段的流入断面与流出断面的日磷通量(M)的差值称为此河段磷日滞留量(MR), 计算方法见式(2).将MR与1号采样点磷通量(M1)称为此河段日滞留率(RP), 计算方法见式(3)：

(1)
(2)
(3)

式中, C为水样中磷的质量浓度, 单位为mg·L-1; Q为采样点日流量, 单位为m3·d-1; MR为河段的日滞留量, 单位为kg·d-1, Min是河段流入断面的日磷通量, Mout则是河段流出断面的日磷通量, M1为1号采样点的日磷通量; RP为河段的日滞留率, 单位为%. MR和RP为正表示磷滞留于该河段, MR和RP为负表示磷流出该河段.

2 结果与分析 2.1 拦沙坝对磷的滞留作用

各采样点的TP、TPP、TDP和TSS质量浓度平均值和离散程度如表 2和图 2所示, 可以看出自然河段(1号)TP、TPP、TDP和TSS的质量浓度平均值均高于拦沙坝下游河段(3号), 拦沙坝上游河段(2号)的TP、TPP和TSS质量浓度平均值是所有采样点中最大的. 3号TP、TDP、TPP和TSS的质量浓度平均值分别为2号的50%、79%、47%和58%, 表明拦沙坝对颗粒态磷和泥沙具有滞留作用, 而对溶解态磷的滞留作用相对较差.从1号到人工硬化河段(4号), TP、TPP和TSS的质量浓度平均值先变大后变小, 显示出拦沙坝影响了磷在河流纵向上的输移-滞留过程, 磷质量浓度在河流纵向的分布不满足连续河流的质量浓度指数变化[11], 而接近于非连续河流的质量浓度突变模型[12].从TPP在TP中的占比来看, 2号的占比最大, 1号略大于3号, 4号的占比最小, 从1号到3号TPP在TP中的占比减少了0.9%, 从3号到4号TPP在TP的占比减少了21.4%.从各采样点TDP在TP中的占比来看, 2号的占比最小, 1号略小于3号, 4号的占比最大.从1号到3号TDP在TP中的占比增加了0.9%, 从3号到4号TDP在TP的占比增加了21.4%.

表 2 水体各形态磷质量质量浓度及总悬浮颗粒物质量质量浓度 Table 2 Concentrations of phosphorus contents and total suspended solids at each sampling site

图 2 TP、TDP、TPP和TSS质量浓度空间变化 Fig. 2 Spatial variations in TP, TDP, TPP, and TSS

利用式(1)和式(2)分别计算从1号到3号河段内TP、TPP和TDP的日滞留量(MR)和日滞留率(RP), 结果如图 3所示.从1号流入拦沙坝河段的TP和TPP平均每日分别有29.7%和30%(即分别为5.54 kg和4.87 kg)滞留于拦沙坝内, TDP平均每日有30%(即0.28 kg)从拦沙坝内流出. TP和TPP日滞留量绝对值大于TDP, 但是TDP日滞留率绝对值大于TP和TPP.从计算结果看出TDP日滞留量60%为正, 均发生在非降雨期; 40%为负, 均发生在降雨期. TPP日滞留量80%为正, 降雨期和非降雨期均会发生; 20%为负, 均发生在降雨期.随着降雨结束, TDP和TPP日滞留量逐日增加.降雨期的TDP和TPP变化较为复杂, 一般来说降雨强度越大, TDP和TPP日滞留量越低, 降雨持续时间越长, TDP和TPP日滞留量越低.对比TDP和TPP日滞留率, 降雨事件对TDP的影响更显著.

日滯留量和滞留率的正值表示磷滞留, 负值表示磷释放, 下同 图 3 不同形态磷在拦沙坝河段(1~3号)日滞留量和滞留率 Fig. 3 Daily phosphorus retention loads and retention efficiency in the segment along the check dam (from No.1 to No.3)

2.2 不同降雨事件中拦沙坝磷滞留效果对比

降雨-径流过程对山区河流的磷输运-滞留过程有重要影响, 降雨-径流过程的时间间隔、持续时间和强度影响了河流中悬浮颗粒物的粒径和磷的形态组成, 决定了河道中悬浮颗粒物和磷的输移量和输移距离[13].从图 3可以看出, 拦沙坝对TP、TDP和TPP的滞留过程明显受降雨-径流影响.在无降雨条件下, TP、TDP和TPP在拦沙坝河段滞留量皆为正值, 而统计不同降雨事件拦沙坝处(1~3号)磷滞留量和滞留率(见表 3)可以发现, TP、TDP和TPP在拦沙坝处滞留量为正的场次占比分别为63.6%、9%和81.8%, 这表明降雨-径流过程降低了拦沙坝对TP、TDP和TPP的滞留作用.

表 3 不同降雨事件磷滞留对比 Table 3 Comparison of phosphorus retention during different rainfall events

在不同降雨事件中, 拦沙坝对TDP和TPP输运-滞留特性有不同的影响.降雨一般会导致TDP从拦沙坝区域释放(即日滞留量小于零), 在连续降雨期(从7月16~29日)随着降雨历时增加TDP的释放量先增加后减少, 在非连续降雨期TDP的释放量随降雨强度的增加而增加.相比而言, 连续降雨更容易释放TDP, 短时的强降雨有可能造成TDP释放量的极值.如7月18日与6月20日降雨历时和降雨强度类似, 但前者处于连续降雨中, 后者处于非连续降雨中, 前者TDP的释放量大于后者.

降雨一般会减弱拦沙坝对TPP的滞留作用, 但是不同降雨事件中TPP在拦沙坝的滞留量变化很大.连续降雨会显著降低TPP在拦沙坝区域的滞留量, 非连续降雨中拦沙坝对TPP的滞留过程较为复杂, 降雨量超过56 mm会导致TPP从拦沙坝区域释放(即日滞留量为负), 而降雨量小于56 mm会导致TPP在拦沙坝区域滞留(即日滞留量为正).

在降雨事件中, 拦沙坝对TP的滞留作用受TDP和TPP共同影响, 在非连续降雨中的变化大, 在连续降雨中变化小, 与TPP的变化规律相似.

3 讨论

人工干预对河流中磷输移-滞留过程的影响日益得到重视[14, 15].磷在河流中的输移-滞留过程是河流生态系统物质循环的基本组成, 也是评价河流生态系统健康的主要指标之一[16].以往研究主要侧重于磷在湖泊和大型河流中的动态变化, 较少研究磷在受人工干预的山区河流中的输移和滞留.本研究选择的清水河是典型的山区河流, 研究区中的拦沙坝是典型的人工干预方式.观测结果表现出明显的统计规律：在河流纵向上, TP、TPP和TSS的平均质量浓度先增加后减小, TDP的平均质量浓度先减小后增加, 这种磷质量浓度的纵向分布规律不满足一般河流的指数变化规律[11].上述分布规律源自于河流生态系统对拦沙坝改变河流地形地貌、水文条件以及水动力过程所作出的一种综合响应.自然河段、拦沙坝河段和硬化河段在清水河中形成了不同的景观结构[图 1(d)~1(f)], 这些景观结构影响磷在河流内的运移、滞留以及生物交换过程.

3.1 拦沙坝对磷有滞留作用

拦沙坝通过改变河流地形地貌、水文和水动力过程, 造成大量颗粒物在上游沉降-淤积, 由于TPP的滞留方式以颗粒物沉降为主[17], 所以拦沙坝对TPP有明显的滞留作用.而TDP的滞留方式以颗粒物吸附和生物吸收为主[18, 19], 拦沙坝附近的高含沙量抑制了水生生物的生长, 所以拦沙坝对TDP没有明显的滞留作用.表现为从自然河段(1号采样点)到拦沙坝上游(2号采样点)再到拦沙坝下游(3号采样点)TPP和TSS平均质量浓度先增加后减少, 经过拦沙坝的滞留, TPP和TSS的平均质量浓度减少了50%.而TDP平均质量浓度稳步下降, 且TDP的滞留率低于TPP.

拦沙坝对TP的滞留作用不仅体现在上游的淤积过程, 下游形成的浅滩也对TPP和TSS具有显著的滞留作用.由于拦沙坝的掩护, 下游的浅滩不仅免于被过强的水动力冲蚀, 而且免于被高含沙水体中过量细颗粒泥沙覆盖表面, 同时具有一定的水量和营养物质输入, 所以容易成为适于水生生物栖息的生境.从拦沙坝上下游地表植被的类型可以看出[图 1(d)~1(f)], 拦沙坝上游自然河段是稀疏的草地, 拦沙坝上游淤积区河道内没有植被, 而拦沙坝下游河道内有草地和树林.经过拦沙坝下游的浅滩, TPP的平均质量浓度减少了50%, TDP的平均质量浓度增加了20%.

3.2 拦沙坝对磷的滞留受降雨-径流过程影响

降雨-径流过程对山区河流的磷输运-滞留过程有重要影响, 降雨-径流过程的时间间隔、持续时间和强度影响了拦沙坝对磷的滞留.清水河存在明显的水位涨落循环：春季融雪期水位上涨, 河道流速和流量变大; 随着融雪期结束, 降雨稀少, 水位不断下降, 河道流速和流量降低, 河道局部出现断流形成水塘, 甚至干涸; 进入夏季汛期, 短时强降雨或连续降雨导致水位快速上升, 水塘和干涸的河道被重新连接; 秋冬季节, 降雨减少, 水位下降, 直到来年春季融雪期, 水位再次上涨.

水位下降导致河道中形成一系列孤立的水塘.这些孤立的水塘可能持续几天、几周甚至几个月, 这取决于降雨径流过程.水塘内通常为缺氧或厌氧环境[20], 有研究表明厌氧条件有利于磷酸盐从沉积物中释放到水体[21].沉积物中磷的质量浓度及其生物地球化学过程也因干燥而发生强烈的变化, 在不同类型的水生生态系统中的野外研究[22, 23]表明：沉积物的干燥会导致磷结合能力的下降.所以在此期间的降雨, 会对TDP和TPP进行短距离搬运, 同时降低拦沙坝对两者的滞留作用, 在降雨结束后, 两者在拦沙坝的滞留量慢慢恢复.

进入夏季汛期, 降雨一方面提高水文连通性, 导致河流表面生物活动快速恢复[24], 产生富含营养物质的洪峰[25], 大量的TDP和TPP被输运到下游; 另一方面, 拦沙坝上游不断升高的水位和流速, 降低了拦沙坝对磷的滞留作用.在大多数山区河流中, TDP主要来自潜流带[26], 以及之前干燥的沉积物[27].干燥持续时间强烈影响再湿后从碎屑和沉积物中释放TDP和TPP[28].因此, 在汛期的连续降雨的作用下, TPP在拦沙坝的滞留量先增加后减少, TDP在拦沙坝的滞留量先减少后增加.连续降雨会降低拦沙坝对TPP的滞留量, 会增加TDP从拦沙坝的释放量, 当降雨停止后, 拦沙坝对TPP和TDP滞留作用慢慢恢复.

总的来说, 拦沙坝对磷滞留的作用随着降雨量的增加而减弱.当单日降雨量超过56mm时, 拦沙坝对TPP和TDP的滞留作用失效, 大量TPP和TDP被从拦沙坝上游淤积区输移到下游.在连续降雨中, 拦沙坝对TDP的滞留作用也会失效.

4 结论

(1) 拦沙坝对河流水体中的悬浮颗粒物和颗粒态磷有明显的滞留作用, 对溶解态磷的滞留作用不明显.当河水流过拦沙坝后, TP、TDP、TPP和TSS的质量浓度平均值分别降低50%、21%、53%和42%.

(2) 拦沙坝对磷的输移-滞留受降雨事件时间间隔长度和降雨强度影响.拦沙坝对磷的滞留主要发生在降雨量较小或降雨事件时间间隔较大的时期, 降雨量较大或连续降雨会减弱拦沙坝对磷的滞留.

(3) 根据2019年4月~8月对清水河干流的拦沙坝附近地表水的连续监测, 降雨量超过56mm的单场或连续降雨将导致拦沙坝失去对磷的滞留效果.

(4) 自然河段、拦沙坝河段和人工硬化河段在清水河中形成了不同的景观结构, 这些景观结构影响磷在河流内的运移、滞留以及生物交换过程.这种现象是河流生态系统对拦沙坝改变河流地形地貌、水文条件以及水动力过程所作出的一种综合响应.

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