2020, Vol. 41
2. 重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心, 重庆 400074;
3. 武汉大学水利水电学院, 武汉 430072
2. National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;
3. School of Water Resources and Hydropower Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China
河流是全球生物地球化学循环中“陆-海”营养物质输移的重要通道[1].初步估计, 全球每年经河流输入海洋的陆源营养物质约200亿t[2].随着社会经济发展对水资源和能源的迫切需求, 大规模筑坝拦截水量(发电、防洪、灌溉和供水等), 已成为人类开发河流的主要活动之一, 也是全球河流普遍面临的趋势[3].河流筑坝在提高水资源利用率和促进水利工程建设领域发展的同时, 极大地改变了河流的水动力学条件, 干扰了营养物质的输移和限制了河流向下游的营养物质输出[4], 导致库区和下游营养物质浓度和通量等发生剧烈变化[5], 从而改变河流生态系统的结构和功能[6], 甚至可能带来严重的生态问题, 如改变生态系统关键营养盐限制[7]、引起下游河湖和河口湿地快速变化[8]、库区水体富营养化和缺氧[9]等不良生态效应.因此研究大坝干扰下河流营养物质的通量变化和滞留效应, 有助于深入认识人类活动对河流营养盐循环和生态环境变化的影响, 成果可为河流水环境管理以及生态保护与修复提供一定的参考.
国内外学者针对水库磷营养盐的浓度和通量变化、空间分布以及滞留效应等开展了大量研究工作.Molisani等[10]的研究发现巴西Castanhão水库对总磷(TP)具有强烈的滞留效应, 平均滞留率为98%.Maavara等[11]预测至2030年全球河流约17%的TP负荷将被水库拦截, 其中亚洲长江、湄公河流域和南美洲亚马逊流域的TP滞留量增幅最大.我国黄河流域由于大规模梯级水库开发, 水质恶化现象日益严重, TP输出通量减少了约84%[12].金沙江下游梯级水库运行使得出库TP浓度与通量较蓄水前明显降低, 梯级水库出库控制站向家坝站蓄水前后TP浓度变化范围分别为0.030~0.420 mg ·L-1和0.010~0.050 mg ·L-1, TP浓度较蓄水前降低约75%, TP出库年通量在蓄水前后分别为0.89~1.86万t和0.31~0.73万t, 蓄水后通量远低于蓄水前[13].向家坝水库在2015~2016年期间平均TP浓度为0.034 mg ·L-1, 水库对TP的滞留效应使TP浓度在水库纵向上(顺水流方向)沿程减小, 垂向上TP浓度随水深增加而增大[14].三峡水库香溪河库湾表层水体中TP浓度为0.200~0.510 mg ·L-1, 且TP浓度在空间上呈现从河口向库尾逐渐升高的分布特点, 库湾沉积物中TP含量为642~1 189 mg ·kg-1, 沉积物TP含量表现为上游高下游低[15].三峡工程是治理长江水患和开发长江水资源的关键性骨干工程, 这一巨型工程的建成运行, 在防洪、发电、航运、灌溉等方面带来巨大经济效益的同时, 对库区水环境质量也造成了一定影响[16].三峡水库蓄水运行使得库区流速变缓, 水体滞留时间延长, 颗粒态磷(PP)伴随泥沙在库区大量沉积滞留, 从而导致向下游输移的TP通量减少约77%[17].三峡水库泥沙颗粒吸附磷素形成的内源释放威胁, 加剧了库区水体富营养化风险[18].高浓度和大量的磷滞留在库区对支流水质也造成了强烈影响, 目前部分支流水体正面临恶化趋势[19~21].据不完全统计, 三峡库区支流在2011~2015年发生大规模水华现象约99次, 暴发水华河流占监测河流的比例为60%[22].此外, 由于长江中下游河段超过50%的磷来自三峡上游, 因此三峡水库对磷的滞留效应也将在一定程度上改变长江中下游的营养结构[23].三峡水库对库区和流域中下游生态环境演变具有重要调控作用, 因此开展三峡水库磷时空分布特征、通量变化及滞留效应研究是十分必要的.故本文基于三峡水库2008~2016年实测流量、含沙浓度以及TP浓度资料, 分时段建立了TP通量和泥沙通量的统计模型, 并利用该模型插补TP的日过程浓度后建立了TP年通量的计算公式, 分析了三峡水库TP浓度的时空变化特征、通量变化及滞留效应.
1 材料与方法 1.1 材料本文涉及的基础数据包括三峡库区朱沱、北碚、寸滩、武隆、清溪场、万县和宜昌等主要控制站(图 1), 2008~2016年实测日平均过程流量、含沙浓度以及在上述测站的逐月TP浓度资料.水沙及水质资料均来源于长江水利委员会水文局.本次研究仅考虑长江及两大主要支流嘉陵江和乌江对三峡入库TP的贡献, 忽略区间小支流的TP汇入影响.朱沱、北碚和武隆分别作为长江、嘉陵江和乌江的入库TP控制站, 考虑到三峡出口三斗坪站建站较晚, 观测资料较为短缺, 本文将宜昌作为三峡水库TP的出库控制站.长江磷与泥沙关系密切, 泥沙通量变化是TP通量变化的根本原因之一[24].随着长江上游向家坝、溪洛渡等梯级水库陆续运行, 三峡入库泥沙通量在2013年以后具有明显的减少趋势[25], TP通量伴随入库沙量的变化而变化.为便于对比上游梯级水库蓄水前后三峡水库TP浓度和通量的变化, 将三峡出入库TP浓度和通量进行划时段分析, 包括2008~2012年和2013~2016年两个时段.此外, 将年内6~9月划分为丰水期, 12月~次年3月为枯水期, 4~5月及10~11月为平水期.考虑到乌江磷污染治理前后TP浓度的较大变化, 因此将乌江TP浓度的年内和季节变化也分时段分析, 包括2008~2011年和2012~2016年两个时段.
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图 1 三峡库区主要水文监测站示意 Fig. 1 Map of main hydrological stations in the TGR area |
基于三峡水库2008~2016年逐月实测水质资料, 从年际年内、沿程及季节变化分析三峡水库TP浓度的时空变化特征.结合该时段内三峡水库水沙资料, 分析逐月TP浓度与对应月份月均流量、月均含沙浓度的关系.借鉴周建军等[24]提出的模型基本框架, 在延长三峡水库水质与水沙资料的基础上, 同时考虑长江上游梯级水库运行影响, 分时段建立TP通量与泥沙通量的统计模型[式(1)~(3)], 包括2008~2012年和2013~2016年两时段.该模型可直接反映泥沙输移对TP通量的影响, 也间接体现了流量、含沙浓度对TP通量的综合影响, 即水流稀释效应和泥沙吸附解吸效应影响.
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式中, LTP为TP通量(kg ·s-1)；Qs为泥沙通量, 即输沙率(t ·s-1)；c为TP浓度(mg ·L-1)；Q为流量(m3 ·s-1)；S为含沙浓度(kg ·m-3)；a和b分别为公式系数和指数.
建立三峡水库TP通量与泥沙通量统计模型时, 需计算三峡水库2008~2016年出入库逐月月均流量和含沙浓度、逐月泥沙通量、月均TP浓度和逐月TP通量：
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式中, j为年内月份序列号(j=1, 2, 3, …, 12)；Qjin、Sjin、Qs(jin)、cjin和LTP(jin)分别为三峡水库年内月的月均入库流量(m3 ·s-1)、月均入库含沙浓度(kg ·m-3)、月入库泥沙通量(t ·s-1)、月均入库TP浓度(mg ·L-1)和月入库TP通量(kg ·s-1)；Qjout、Sjout、Qs(jout)、cjout和LTP(jout)分别为三峡水库年内月的月均出库流量(m3 ·s-1)、月均出库含沙浓度(kg ·m-3)、月出库泥沙通量(t ·s-1)、月均出库TP浓度(mg ·L-1)和月出库TP通量(kg ·s-1)；Qjz、Qjb、Qjw和Qjy分别为三峡水库年内j月朱沱、北碚、武隆和宜昌控制断面的月均流量(m3 ·s-1)；SjZ、Sjb、Sjw和Sjy分别为三峡水库年内j月朱沱、北碚、武隆和宜昌控制断面的月均含沙浓度(kg ·m-3)；cjz、cjb、cjw和cjy分别为三峡水库年内月朱沱、北碚、武隆和宜昌控制断面的月均TP浓度(mg ·L-1).
经统计分析后, 可得三峡水库在2008~2012年和2013~2016年两时段的逐月TP通量与逐月泥沙通量的关系(表 1).从中可知, 磷与泥沙在上游梯级水库蓄水前后均遵循较好的指数关系, 公式相关系数均大于0.6, 主要区别在于上游梯级水库蓄水前后公式系数a和指数b存在一定差异.系数a和指数b间接反映了TP通量与泥沙通量的相关程度.系数a和指数b越接近1, 表明TP通量与泥沙通量关系越密切, TP通量受泥沙通量影响越大；系数a越大于1指数b越小于1, 说明TP通量受泥沙通量影响越小, 两者相关性越弱.上游梯级水库蓄水前, TP通量公式系数a和指数b更接近1, 表明该时段内泥沙通量对TP通量的影响更显著, 两者相关性更好.上游梯级水库运行后, 系数a升高指数b降低, 说明该时段内TP通量与泥沙通量的相关性降低, 可能的原因是三峡水库因受梯级水库运行影响, 入库沙量明显减少, 入库水量却无明显变化, 入库水沙关系一致性发生改变[25], 建立TP通量与泥沙通量的关系[式(1)], 经变换后, 实质是建立TP浓度与流量、含沙浓度的综合关系[式(3)], 式(3)的相关程度因三峡水库水沙关系一致性的改变而受到削弱.
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表 1 三峡水库TP通量与泥沙通量的关系 Table 1 Relation between TP flux and sediment load of the TGR |
理论上, TP在时段T内通过河流某一控制断面的通量为：
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式中, M为时段T内通过控制断面的TP通量(t).由于控制断面一般无连续的TP浓度实测资料, 但有逐月月均流量资料, 因此TP年通量可采用Webb等[26]建立的5种时段通量估算法中“方法B”进行计算：
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式中, ci为每月一次监测中第i个样品的TP瞬时浓度(mg ·L-1)；n为样品总数；Qm为月均流量(m3 ·s-1)；K为综合换算系数, K=24×3 600×dj×1 000×10-9=0.086 4dj, dj为年内第j月的天数.Webb公式计算结果在一定程度上受采样频率的影响, 考虑到三峡出入库TP浓度与流量、含沙浓度的综合相关性较好, 且出入库有连续实测的逐日流量、逐日含沙浓度资料, 因此采用式(3)来插补TP的日过程浓度不失为一种可行的方法.按日差分式(7), 可得TP年通量计算公式为：
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式中, Qk为年内第k日的流量(m3 ·s-1)；ck为年内第k日的TP浓度(mg ·L-1)；f为换算系数, f=24×3 600×1 000×10-9=0.086 4.
将式(3)代入式(9), 即得TP年通量计算公式为：
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式中, Sk为年内第k日的含沙浓度(kg ·m-3).
三峡水库对TP通量的滞留率采用下式计算
式中, TE为TP通量滞留率(%)；Min和Mout分别为三峡入库和出库TP通量(t).
2 结果与分析 2.1 三峡水库TP浓度变化 2.1.1 出入库水沙变化三峡水库入库水沙过程具有一定阶段性特征(图 2).在2008~2012年, 入库水沙变化趋势一致, 呈现“大水带大沙, 少水带少沙”的特点.在2013~2016年, 由于上游向家坝、溪洛渡水库陆续蓄水运行, 三峡入库水沙情势发生了较大改变, 入库沙量具有明显的减少趋势, 而入库水量变化较小.金沙江是三峡入库泥沙的重要来源, 位于其下游的向家坝和溪洛渡水库对上游泥沙的拦截, 在一定程度上控制着三峡入库泥沙的变化. 2013年是受长江上游梯级水库蓄水影响的第一年, 三峡入库沙量由2012年的21 900万t减少至12 700万t.向家坝站2008~2012年年均输沙量为13 654万t, 2013~2016年年均输沙量仅为175万t, 减少约98.7%[27].三峡水库2008~2012年和2013~2016年年均入库沙量分别为19 016万t和6 415万t, 减少约66.3%.向家坝站输沙量骤减主要与向家坝、溪洛渡水库蓄水拦沙有关[15], 是控制三峡水库2013~2016年入库沙量明显减少的主要因素.伴随三峡入库沙量的减少, 2013~2016年年均出库沙量由2008~2012年的3 064万t减少为1 410万t, 减少约54.0%.
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图 2 三峡水库2008~2016年逐年出入库水沙变化 Fig. 2 Changes in annual water and sediment of the TGR from 2008 to 2016 |
三峡水库2008~2016年逐年TP浓度为对应年份内三峡逐月入库TP浓度的流量加权平均值, 三峡逐月入库TP浓度为朱沱、北碚及武隆控制断面对应月份TP浓度的流量加权平均值, 按式(6)计算.嘉陵江和乌江逐年TP浓度分别为对应年份内北碚和武隆控制断面逐月TP浓度的流量加权平均值. 2008~2012年, 三峡入库TP浓度年际间呈现先减后增的趋势, 年际间TP浓度波动相对较小, 变化范围为0.196~0.290 mg ·L-1(图 3). 2013~2016年, 三峡入库TP浓度逐年减少, 变化范围为0.103~0.194 mg ·L-1, 其中2013年三峡入库TP浓度较2012出现明显的减小, 可能原因是长江上游梯级水库蓄水导致三峡入库沙量减少, 从而入库TP通量也随之减少, 根据Webb方法B统计, 三峡水库2012年和2013年入库TP通量分别为12.079万t和6.497万t, TP通量较2012年减少约46.2%, 2012年和2013年入库水量分别为4 166亿m3和3 345亿m3, 水量较2012年减少约19.7%, 可见2013年三峡入库TP通量的减小幅度大于入库水量的减小幅度, 故2013年入库TP浓度较2012年明显减小.三峡出库TP浓度年际间较为稳定, 在0.079~0.133 mg ·L-1之间变化, 2011~2013年期间略有增加.乌江TP浓度年际间整体变化趋势为先增后减, 且年际间TP浓度波动较大, 变化范围为0.132~0.485 mg ·L-1. 2011年乌江渡水库及其支流息烽河暴发“乌江水污染事件”, 主要污染源为开磷化工34号泉眼[28], 该年乌江TP浓度达到历史峰值0.485 mg ·L-1.由于2011年后开始加大对乌江流域磷矿企业的污染整治力度, 乌江TP浓度从2012年开始逐年减少, 2014年TP浓度从2012年的0.483 mg ·L-1减少为0.167 mg ·L-1.嘉陵江TP浓度水平相对较低, 且年际间变化较小, 基本稳定在0.085~0.167 mg ·L-1.
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图 3 三峡水库、嘉陵江和乌江2008~2016年逐年TP浓度变化 Fig. 3 Annual changes in TP concentrations of the TGR, Jialing River, and Wu River from 2008 to 2016 |
三峡水库、嘉陵江和乌江年内逐月TP浓度变化过程如图 4.三峡水库年内逐月入库和出库TP浓度分别为对应时段内对应月份入库和出库TP浓度的流量加权平均值, 嘉陵江和乌江年内逐月TP浓度按类似方法计算.在2008~2012年, 三峡入库TP浓度年内变化范围为0.127~0.325 mg ·L-1, 变化趋势线呈现“M”形, 1~4月TP浓度逐渐增加, 至4月达到峰值后逐步回落, 6~8月又逐渐增加, 至8月再次形成一个明显的浓度波峰后迅速减小.三峡出库TP浓度年内变化总体呈先增加后减小的趋势, TP浓度变化范围为0.064~0.125 mg ·L-1, 汛期6~9月TP浓度明显高于年内其他月份, 其中7月达到浓度波峰.在2013~2016年, 三峡入库TP浓度年内波动较小, 变化范围为0.114~0.204 mg ·L-1.出库TP浓度年内表现为先增加后缓慢减小的趋势, 3月达到年内出库TP浓度峰值.长江上游梯级水库蓄水运行后, 三峡水库年内入库TP浓度较运行前明显减小, 而年内出库TP浓度多数月份大于运行前[图 4(a)~4(b)].
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图 4 三峡水库、嘉陵江和乌江TP浓度年内变化 Fig. 4 Monthly changes in TP concentrations of the TGR, Jialing River, and Wu River |
嘉陵江年内逐月TP浓度水平较低, 年内TP浓度变化不明显, 变化范围为0.057~0.172 mg ·L-1, 1~5月稳定在0.057~0.076 mg ·L-1, 汛期6~9月TP浓度高于年内其他月份[图 4(c)].乌江从2009年开始频繁暴发磷矿污染事件[28], 在磷污染治理前, 年内逐月TP浓度水平较高[图 4(d)], 变化范围为0.150~0.696 mg ·L-1, 年内多个月份TP浓度大于0.400 mg ·L-1, 此外, 年内TP浓度变化趋势线呈“M”形, 4月和8月均达到浓度波峰.乌江磷污染治理后, 年内逐月TP浓度水平明显减小, 变化范围为0.141~0.410 mg ·L-1.长江上游梯级水库运行前和乌江磷污染治理前, 三峡入库和乌江年内TP浓度变化趋势线均呈现“M”型, 表现出明显的双峰特性, 这是三峡水库和乌江2008年之后TP浓度变化的一个新特点.
2.1.3 TP浓度沿程和季节性变化三峡水库干流2008~2016年年均TP浓度沿程变化如图 5.三峡水库2008年干流断面TP浓度呈现沿程减小的趋势. 2009~2012年, 各年沿程断面TP浓度表现为先减后增又逐渐减小的趋势, 同一年内朱沱断面和清溪场断面TP浓度水平相对较高, 而宜昌断面TP浓度水平相对较低. 2013~2016年, 三峡水库干流各断面TP浓度逐渐减小, 至2016年三峡干流沿程各断面TP浓度无明显差异, 基本稳定在0.099~0.107 mg ·L-1.此外, 2013~2016年清溪场断面TP浓度呈逐年减小的趋势, 主要的原因是该断面距乌江入库武隆断面较近, 其TP浓度受乌江TP输入影响较大, 乌江TP浓度随着该流域磷污染控制的加强而逐渐减小, 清溪场断面因受其影响TP浓度也随之减小.
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图 5 三峡水库干流TP浓度沿程变化 Fig. 5 Change in TP concentration in the main stream of the TGR |
三峡水库干流及支流嘉陵江、乌江TP浓度季节变化如图 6.2008~2012年, 三峡水库干流TP浓度季节变化特征表现为丰水期>平水期>枯水期. 2013~2016年, 三峡干流TP浓度季节特征发生变化, 平水期TP浓度水平最小, 沿程断面丰、枯水期的TP浓度交替变化.嘉陵江TP浓度表现为丰水期>平水期>枯水期, 乌江磷污染治理前TP浓度季节变化表现为枯水期>平水期>丰水期, 治理后表现为枯水期>丰水期>平水期, 此外, 乌江治理后各水期TP浓度明显小于治理前, 丰水期与平水期TP浓度水平接近.乌江在治理前后枯水期TP浓度均大于丰水期和平水期, 如乌江治理后, 根据实测资料统计, 枯水期TP通量分别为丰水期和平水期的43.5%和71.4%, 枯水期流量分别为丰水期和平水期的31.0%和50.0%, 可见枯水期流量占丰水期和平水期的权重小于TP通量, 故乌江枯水期较小的流量是导致该季节TP浓度水平较高的一个因素.综合分析可知, 不同河流TP浓度的季节变化特征具有一定的差异, 此外, 同一河流在不同时段TP浓度季节变化也呈现出不同的特点.
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图 6 三峡水库干流、嘉陵江和乌江TP浓度季节性变化 Fig. 6 Changes in seasonal TP concentrations in the main stream of the TGR, Jialing River, and Wu River |
河流中营养盐浓度变化主要受流域入河排污量、理化特性、河道流量大小、水流迁移稀释效应、泥沙吸附解吸作用等因素影响.泥沙对污染物的吸附解吸作用影响着水体中污染物的浓度.泥沙吸附污染物, 降低水体中污染物浓度, 对水环境起到一定的净化作用；当河流水动力条件发生变化, 泥沙易发生解吸作用, 吸附在泥沙颗粒表面的污染物将再次进入水体, 导致二次污染.泥沙对污染物的吸附解吸作用受含沙浓度影响, 故分析了三峡水库TP浓度与流量、含沙浓度的关系.图 7和图 8分别为三峡水库2008~2016年逐月TP浓度与月均流量和月均含沙浓度的关系, 可见研究时段内三峡水库TP浓度与流量、含沙浓度的相关性较差, TP浓度受流量、含沙浓度单因素的影响不明显.此外, 三峡水库水质与水沙的监测频率、监测时间均具有一定的差异, 水质与水沙数据在时间上难免出现相位差, 因此在一定程度上削弱了TP浓度与流量、含沙浓度单因素的相关性.
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图 7 三峡水库逐月TP浓度与月均流量的关系 Fig. 7 Relation between TP concentration and flow discharge of the TGR |
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图 8 三峡水库逐月TP浓度与月均含沙浓度的关系 Fig. 8 Relation of TP concentration and sediment concentration of the TGR |
磷与泥沙之间具有强烈亲和力, 磷离子极易与泥沙结合形成PP, 因此河流磷迁移主要以泥沙为载体[29].泥沙运动在很大程度上决定了磷的去向和迁移路径, 主要体现为泥沙对PP迁移的影响.全球多数河流中磷主要以颗粒态的形式存在, 如长江、黄河、尼罗河、亚马逊河等PP/TP超过80%[30~33].三峡水库TP浓度受流量、含沙浓度单因素影响不明显, 但其磷通量与泥沙通量高度相关, PP和TP输送主要由上游来沙量决定[24].金沙江向家坝、溪洛渡水库蓄水前后, 三峡水库入库泥沙通量发生了较大变化(图 2), 因此对三峡水库TP通量与泥沙通量的关系进行划时段建立, 图 9为三峡水库2008~2016年逐月TP通量与逐月泥沙通量的关系, 可见, TP通量与泥沙通量呈较好的正相关关系.TP通量与泥沙通量关系式经变换后可得到包含流量、含沙浓度多因子的TP浓度关系式[式(3)], 该公式相关性较TP浓度与单独的流量或含沙浓度高.由表 1可知, 三峡入库TP浓度与含沙浓度呈正相关关系, 表明河流泥沙输入增多, TP浓度也相应升高.
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图 9 三峡水库逐月TP通量与逐月泥沙通量的关系 Fig. 9 Relation between TP flux and sediment discharge of the TGR |
利用公式(10)估算了三峡水库2008~2016年逐年的TP出入库通量(表 2).为检验本方法计算结果的合理性, 采用Webb等[26]提出的5种时段通量估算法中的“方法B”重新估算了三峡水库2008~2016年TP的出入库年通量, 与本文估算结果进行对比, 如图 10, 两种方法估算的TP通量变化趋势基本一致, 无显著性差异.此外, 计算了采用本文方法估算三峡水库TP出入库年通量的绝对误差和相对误差, 2008~2016年年入库TP通量绝对误差为0.03~1.52万t, 相对误差为0.84% ~17.74%, 其中约70%的年份相对误差小于10%.年出库TP通量绝对误差为0.002~0.64万t, 相对误差为0.05% ~19.26%, 其中约60%的年份相对误差小于10%.部分年份相对误差较大可能的原因是三峡水库水质和水沙监测在时间上存在一定的相位差, 通过日均流量、含沙浓度插值TP的日过程浓度难免引起一定程度的误差.通过Webb方法检验可知, 本文提出的三峡水库TP通量计算方法是合理的.
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表 2 三峡水库历年TP通量 Table 2 Annual TP flux of the TGR |
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图 10 两种方法估算的三峡水库出入库TP通量比较 Fig. 10 Comparison between TP fluxes of the TGR estimated by two methods |
2008~2012年, 三峡入库TP通量在5.10~11.50万t之间变化, 波动较大, 年均入库通量为8.23万t；2013~2016年, 三峡入库TP通量明显减小, 年均入库通量为4.79万t, 减少约41.8%(表 2).根据已有研究, 溪洛渡和向家坝水库蓄水后, 金沙江向下游输出的泥沙通量和TP通量分别减少了98.7%和59.4%[13].金沙江是三峡入库泥沙的主要来源, 溪洛渡、向家坝水库对金沙江泥沙的拦截情况决定了三峡入库泥沙通量的变化[34].三峡入库TP通量与泥沙通量具有较好的正相关关系(图 11), 两者呈同增同减的趋势, 入库TP通量在较大程度上受入库泥沙通量的影响.将表 2中三峡水库2008~2016年历年出入库TP通量代入式(11), 可得历年TP通量滞留率(图 12). 2008~2016年三峡水库TP通量年均滞留率为37.76%, 其中2008~2012年为49.76%, 2013~2016年为12.03%.三峡水库2008~2012年年均入库沙量为19 016万t, 而年均出库沙量为3 064万t, 约84%的泥沙滞留在库区, 长江中磷主要以颗粒态存在, 三峡水库蓄水使得库区水深增加, 流速变缓, 水体滞留时间延长, PP伴随泥沙发生沉降, 因此2008~2012年库区泥沙淤积是导致该时段三峡水库磷大量滞留的主要原因.此外, 水生物对磷酸盐的吸收与转化也会在一定程度上加剧库区水体对磷的滞留. 2013~2016年三峡水库TP滞留率明显减少, 可能的原因包括上游梯级水库对泥沙和磷的拦截, 流域磷污染源的控制, 沙峰排沙调度试验促进水库排沙排磷[35].
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图 11 三峡水库入库TP通量与泥沙通量的关系(2008~2016年) Fig. 11 Relation between annual TP flux and sediment load of the TGR from 2008 to 2016 |
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图 12 三峡水库2008~2016年逐年TP通量滞留率 Fig. 12 Annual retention rate of TP flux of the TGR from 2008 to 2016 |
基于Webb方法B估算了长江、嘉陵江和乌江历年入库TP通量及占总入库通量的比例(表 3). 2008~2012年, 长江、嘉陵江和乌江多年平均入库TP通量分别为6.443、0.918和1.620万t. 2013~ 2016年, 长江、嘉陵江和乌江多年平均入库TP通量分别为3.653、0.614和0.874万t, 可见, 2013~2016年长江、嘉陵江和乌江入库TP通量均出现了不同程度的减小.长江上游梯级水库运行前后, 长江对三峡水库入库TP通量的贡献率无明显变化, 均约为71%.乌江由于磷污染治理对三峡水库入库TP通量的贡献率有所减小, 由2008~2012年的18.04%减小为2013~2016年的16.99%.嘉陵江贡献率由2008~2012年的10.22%增加为2013~2016年的11.94%. 2008~2016年, 嘉陵江和乌江对三峡入库TP通量的多年平均贡献率为28.47%, 不能忽略嘉陵江和乌江对三峡入库TP通量的影响, 因此三峡入库TP通量变化受长江、嘉陵江和乌江入库TP通量变化的共同影响, 由于长江干流对入库TP通量的贡献率最大, 因此长江干流入库TP通量变化对三峡入库TP通量变化具有主导影响.受上游梯级水库拦沙影响, 2013~2016年长江入库泥沙通量减少, 长江入库TP通量则随之减少, 从而该时段三峡水库入库TP通量也减少, 因此上游梯级水库运行是引起三峡入库TP通量减少的主要因素.
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表 3 长江、嘉陵江和乌江历年入库TP通量及占总入库通量的比例 Table 3 Annual TP flux and percentage of the Yangtze River, Jialing River, and Wu River |
3 讨论
在三峡水库新的水沙情势下, 分时段建立的统计模型考虑了水流和泥沙对磷迁移的影响, 但三峡水库运行年限较短, 实测数据系列有限, 有待于日后搜集更长系列的水质和水沙监测资料对本文模型进行验证和完善.三峡水库TP浓度时空变化特征可能因研究年限和数据系列长短存在一定差异, 更详细更完善的分析将随着数据系列的延长进一步开展.
冉祥滨等[36]考虑三峡区间小支流TP入汇影响, 结果发现三峡水库蓄水前(1997~2002年)TP入库通量和出库通量基本相等, 而蓄水后(2004~2006年)年均约15.4%的TP滞留于水库中[36].本文得出三峡水库在2008~2012年和2013~2016年对TP的年平均滞留率分别约为49.76%和12.03%, 可见三峡水库运行对TP的滞留效应较为明显, 且不同时段滞留率变化较大.此外, 本文估算三峡水库TP滞留率时暂未考虑区间小支流TP入汇的影响, 因此所得滞留率可能偏小.根据已有研究, 三峡水库2008~2012年和2013~2016年区间各小支流年入库沙量占年总入库沙量的比例范围分别约为5% ~18%和13% ~36%, 两时段平均比例分别约为8%和24%[37].鉴于TP通量和泥沙通量较好的正相关关系, 初步估计三峡水库在2008~2012年和2013~2016年区间支流入库TP通量占年总入库通量的平均比例可能与区间入库泥沙的比例数量级相同, 分别为5% ~18%和13% ~36%, 考虑区间小支流TP入汇影响, 可得三峡水库在2008~2012年和2013~2016年的TP平均滞留率分别为52% ~57%和22% ~35%.然而, 两时段的平均滞留率只是粗略范围, 可能具有较大的不确定性, 其准确性有待采用区间各支流控制站的流量和TP测量数据进行进一步验证, 后续研究工作将进一步考虑区间小支流TP入汇影响, 对三峡水库TP滞留率开展更加可靠和准确的分析, 以此减少分析结果的不确定性范围.
4 结论(1) 2008~2016年, 三峡入库TP浓度年际间呈现先减后增再减的变化趋势, 变化范围为0.103~0.290 mg ·L-1.三峡出库TP浓度年际间变化较小, 稳定在0.079~0.133 mg ·L-1.乌江TP浓度年际变化表现为先增后减, 变化范围为0.132~0.485 mg ·L-1, 乌江磷污染治理效果明显, 其TP浓度由2012年的0.483 mg ·L-1逐年减小至2016年的0.132 mg ·L-1.嘉陵江TP浓度水平相对较低, 基本稳定在0.085~0.167 mg ·L-1.
(2) 长江上游梯级水库运行前和乌江磷污染治理前, 三峡入库和乌江年内TP浓度变化趋势均呈“M”型, 表现出明显的双峰特性. 2008~2012年, 三峡干流上游至下游TP浓度总体表现为沿程减小, 但部分年份清溪场断面因受乌江高浓度TP入汇影响, 其浓度较寸滩断面明显升高；2013~2016年, 三峡干流多数断面TP浓度逐年减小, 至2016年三峡干流沿程断面TP浓度水平无明显差异, 约为0.100 mg ·L-1.
(3) 建立了三峡水库TP通量与泥沙通量的统计模型, 以此展开得到了TP浓度与流量、含沙浓度的综合关系, 用以插补TP的日过程浓度后建立了TP年通量的计算公式, 通过验证发现将该公式用于估算三峡水库TP通量是合理的, 故在一定程度上缓解了水质监测测次偏少给TP通量估算带来的困难.
(4) 三峡入库TP通量受长江、嘉陵江和乌江入库TP通量共同影响, 其中长江入库TP通量具有主导影响.不考虑区间小支流TP入汇影响, 2008~2012年, 年均入库通量为8.23万t, 库区泥沙淤积使得TP通量年均滞留率达到49.76%；2013~2016年, 年均入库通量和年均滞留率明显减小, 分别为4.79万t和12.03%, 上游梯级水库拦沙、流域磷污染治理等因素使得入库TP通量减少约41.8%.
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