小浪底水库水沙调控对下游河道水质的影响

侯传莹，易雨君，宋 劼，杨雨风

（1．北京师范大学水沙科学教育部重点实验室，北京100875；2．北京师范大学水环境模拟与污染控制国家重点实验室，北京100875）

河流是地区工农业及生活用水的主要来源，河流水质对生态健康和社会发展有重要意义［1］。黄河下游分布有广阔的滩地，生活着180余万人口［2］。随着工农业的蓬勃发展以及人口密度的增大，工农业废水及生活污水的排放量逐年递增，其中的污染物对黄河水体生态系统造成严重影响。小浪底水库的建设和运行在缓解下游供水、水力发电及洪水问题等方面做出了重要贡献［3］，但是水库的建设和运行割裂了河流上下游连通性，使得水体自净能力下降，污染物积累，并最终导致生物多样性减少［4-6］。

黄河自2002年正式开始调水调沙，对维持小浪底水库库容以及下游河道河流形态具有重要意义［7］。但同时，调水调沙过程对下游河流生态系统属于较强的胁迫，近年来由小浪底水库水沙调控产生的生态问题正受到国内外的广泛关注。在对生境的影响上，主要关注点包括水沙调控对河道冲淤［8］，河口形态［9-11］，溶解氧、浊度等水质指标［12］，重金属［13］，多环芳烃［14］和营养盐［15-17］等的影响。 在对生物种群等的关注上，有鱼类［18］、浮游生物等生物群落［19-20］。

目前，关于小浪底水库水沙调控过程对下游水质变化影响的研究主要集中在小浪底库区至花园口段及利津河口区域［21］，对下游长距离河道的水质变化研究较少。本研究主要对水沙调控前、中、后3个时期黄河下游河道（小浪底至利津段）进行水质监测，分析下游河段水环境的变化趋势及水体营养状态，以了解水沙调控对下游水质的影响。

1 研究方法

1．1 采样点设置

根据黄河下游河道特征及水文站分布情况，利用全球卫星定位系统（GPS），从小浪底至利津段设置了10个具有代表性的采样点，如图1所示。采样时间为2018年6月21—23日（水沙调控前）、7月5—7日（水沙调控中）、8月3—5日（水沙调控后），采样点坐标见表1。

表1 采样点经纬度坐标

1．2 样品采集及测定

用采水器采集的河流表层水存放在聚乙烯瓶中，低温保存。采样前使用YSI（美国EXO多参数水质监测仪）现场测定水温、电导率、溶解氧（DO）、pH值、总可溶性固体（TDS）、浊度及叶绿素（Chl）。实验室内利用μMAC SMART便携式营养盐测定仪测定总氮（TN）、氨氮（NH4-N）、硝态氮（NO3-N）、亚硝态氮（NO2-N）、总磷（TP）、溶解性正磷酸盐（PO4-P）和硅酸盐（SiO3）。

采用Excel进行数据整理、运算与制图，采用SPSS 20．0统计软件进行相关性分析。

2 结果与讨论

2．1 水沙调控期间水质因子含量变化

水沙调控前、中、后3个时期各水质因子均值见表2。

表2 水沙调控3个时期各水质因子特征值

2．2 水沙调控期间水质理化参数沿程变化趋势分析

如图2所示，水沙调控前、中、后3个时期，黄河下游水温变化范围分别为25～30℃、25～33℃及 29～34℃之间，呈现分段式变化，即S1至S3为先升高后降低；S4至S7为先升高后降低；S8至S10呈现较平稳的趋势。这可能与具体的采样时间及天气情况有关，S2、S5、S6三点的采样时间均处在中午，受太阳辐射及气温变化的影响，黄河表层水温升高。

水沙调控后电导率明显低于水沙调控前，前、中期电导率变化不大。电导率变化趋势在水沙调控前除S2外，S1～S6逐渐升高；S6～S8略降低，S8～S10再升高；水沙调控中，电导率变化呈现先升高后降低的趋势，在S6达到最高值；水沙调控后，除S2偏高外，其余点在900～950 μS／cm范围内波动（因S2采样点为西霞院反调节水库，远离主河道，小浪底水库下泄洪水时未直接流经采样点区域，故S2采样点变化较河道不同）。

DO含量总体为水沙调控中＜水沙调控后＜水沙调控前。水沙调控前后除S2外，其他点基本保持在小范围内波动，表明小浪底水库水沙调控过程造成了黄河下游水中溶解氧含量的降低，原因是水沙调控过程中水流有较大的含沙量。由白音包力皋等［22］的研究可知，小浪底水库排沙期间河道中含沙量与溶解氧呈明显的负相关关系，即随着含沙量增大溶解氧含量降低，与本研究结论一致。

TDS含量总体表现为水沙调控后＜水沙调控中＜水沙调控前，总体变化不大，波动范围在 550～700 mg／L之间。水沙调控中，S2采样点TDS含量降低，其余采样点TDS含量波动不大，稳定在650左右；水沙调控后，S2采样点TDS含量明显增大，其余采样点TDS含量稳定在550左右，波动范围较小。说明水沙调控过程会降低水体中TDS的含量。

pH值表现为水沙调控后＞水沙调控前＞水沙调控中，水沙调控前、中，黄河下游水体pH值变化范围为7．5～8．4，除 S2 处 pH 值偏高外，其他采样点 pH 值基本保持波动上升的趋势；水沙调控后，pH值整体较前两阶段明显升高，变化范围为8．0～8．6，在S2和S5处上升较大，S6至S10的pH值呈较为平稳的波动趋势。

水沙调控前后，各采样点水体浊度均在0～1 000 NTU范围内小幅波动；水沙调控中，水体浊度整体波动幅度较大，位于西霞院坝下的S3采样点浊度值最大，为5 770 NTU，S2、S5和S6采样点浊度值较小，S6至S10呈先增大后降低的趋势。总体来说，水沙调控过程对S1～S4采样点的浊度影响较大，而对较远河段浊度的影响较小。

叶绿素含量在水沙调控各阶段变化幅度均不大，波动范围为0～10 μg／L，变化趋势平稳；水沙调控中，水体中叶绿素含量在S2采样点处明显上升，其余各点波动不大，变化范围为4～5 μg／L。 总体来说，各时期S8～S10的叶绿素含量均未表现出明显波动，表明水沙调控的主要影响范围在S1～S7之间，对S7下游的叶绿素浓度影响较小。

除个别采样点位外，硅酸盐含量在水沙调控前后总体变化幅度不大，其中：水沙调控前波动范围为2～4 mg／L，水沙调控期变化范围为 4～6 mg／L，水沙调控后变化范围为5～6 mg／L。总体变化规律为水沙调控前＜水沙调控中＜水沙调控后，表明硅酸盐浓度随水沙调控过程逐渐升高。

由表2可知，相对于水沙调控前，水沙调控后的流量、水温、溶解氧、电导率、TDS、硅酸盐平均值均有显著变化，且水沙调控过程不同程度地增大了各环境因子沿程浓度的标准差，表明水沙调控使得环境因子发生波动，属于较强的外界胁迫。

如图3所示，NO2-N浓度在S5（夹河滩）变化幅度最大，其余采样点变化不明显；在S4至S8之间NO3-N浓度在水沙调控前、后期呈逐渐增加的趋势，在水沙调控中呈先下降后上升的趋势；NH4-N浓度在水沙调控前、后期变化趋势较为平稳，且变化幅度较小，水沙调控中在S4至S8呈现大幅度的增加；TN浓度在S1至S3处均处于下降趋势，S4至S10处在水沙调控前处于缓慢降低趋势，在水沙调控中、后期呈逐渐增加的趋势。总体上看，NO2-N浓度呈现水沙调控中＞水沙调控后＞水沙调控前；NO3-N浓度呈现水沙调控中＞水沙调控前＞水沙调控后；NH4-N浓度呈现水沙调控中＞水沙调控前＞水沙调控后；TN浓度呈现水沙调控后＞水沙调控中＞水沙调控前。

水沙调控过程中PO4-P浓度在S1至S6变化幅度较大，在S7至S10呈逐渐增加的趋势，其中水沙调控后PO4-P浓度明显高于水沙调控前、中期，且水沙调控前、中期PO4-P浓度无显著变化；水沙调控前、中期各采样点TP浓度变化幅度不大，呈较为平稳的发展趋势，水沙调控后TP浓度在S3及S5至S10处明显增大，水沙调控中S2点TP浓度的变化幅度最大。

2．3 水质指标综合评价

选取水体叶绿素 a（Chla）、总磷（TP）、总氮（TN）、透明度（SD）为评价指标，计算综合营养状态指数TLI（∑）。其营养状态分级见表3。

表3 营养状态分级

根据综合营养状态指标TLI（∑）的大小，对黄河下游水体进行富营养化状态评价。由图4可知，水沙调控中S1（小浪底）TLI（∑）值小于30，为贫营养状态，水沙调控前、后处于中营养状态。水沙调控中S2（西霞院）为中度富营养状态，水沙调控前、后TLI（∑）值小于50，为中营养状态。除S2点外，水沙调控中黄河下游其余各采样点的 TLI（∑）均小于30，为贫营养状态，且水沙调控前、后期其他样点基本上处于中营养状态。分析其原因可能是黄河下游河道水体营养状态主要受TP含量的影响，因水沙调控过程中下游河道流量增大，对河道中TP含量有一定的稀释作用，TP含量下降，下游河道综合营养状态呈现贫营养状态。S4和S7采样点在水沙调控后 TLI（∑）值减小；S3、S5、S9和S10采样点水沙调控后TLI（∑）值增大。

2．4 各水质指标之间的相关性分析

由表4可知各因子间的相关性。水沙调控前，叶绿素与水温、DO、pH值和硅酸盐在0．01水平上显著相关，与电导率在0．05水平上显著相关；TDS与电导率在0．05水平上显著相关，与流量在0．01水平上显著相关；DO、电导率、硅酸盐与pH值均显著相关，电导率和水温在0．01水平上显著相关。水沙调控中，叶绿素与DO、pH值、TDS在0．01水平上显著相关，与水温在0．05水平上显著相关；TDS与 DO、pH值、叶绿素在0．01水平上显著相关，与水温、流量在0．05水平上显著相关；电导率除含沙量外，与其他因子均不显著相关；DO和水温在0．05水平上显著相关。水沙调控后，叶绿素与DO、pH值在0．01水平上显著相关，与水温、电导率在0．05水平上显著相关；pH值与水温、DO、电导率在0．01水平上显著相关，与TDS在0．05水平上显著相关；TDS与DO、电导率在0．01水平上显著相关；硅酸盐与其他因子均无显著相关；DO和水温在0．01水平上显著相关。

由表4可知，水沙调控前，NO2-N与NO3-N在0．01水平上显著负相关，与TN显著正相关，与TP在0．05水平上显著正相关；NO3-N 与 TN、TP 在 0．01水平上显著相关；TN与 TP在0．01水平上显著相关；PO4-P与其他因子均不显著相关；NH4-N和流量在0．05水平上显著相关。水沙调控中，PO4-P与TP在0．01水平上显著正相关；PO4-P、TP 与 DO、pH 值、叶绿素均显著相关；TN与含沙量在0．05水平上显著相关；TP与温度、DO、TDS、pH值、叶绿素均有显著相关性。水沙调控后，NH4-N与NO3-N在0．01水平上显著负相关，与TN在0．05水平上显著负相关；NO3-N与DO、电导率、TDS在0．01水平上显著负相关。

水沙调控中，NO3-N浓度平均值高于水沙调控前，且NO3-N浓度与流量、含沙量没有显著相关性，出现这种现象的原因可能是水沙调控大流量造成漫滩所致。黄河下游滩地聚居了180多万人口，面积达4 000多km2，滩地的农田施用了大量的化肥和农药，漫滩可能导致大量硝酸盐进入水体，同时悬浮泥沙也加剧了河流水体的低氧、缺氧状态［23］，使水体中的亚硝态氮和氨氮含量在水沙调控过程中有明显增加。随着含沙量的下降，水沙调控后NO3-N、NH4-N等含量也略有下降。PO4-P和TP在水沙调控后含量最大，且其在水沙调控前、中、后3个阶段的变化差异不显著，说明水沙调控过程对黄河下游河道中磷元素无直接显著影响，原因可能是水沙调控前期径流对河道中PO4-P的稀释作用使其含量较低，随着水沙调控过程中泥沙含量的递增，携带大量磷进入下游河道中，同时水体大量悬浮物也影响磷的吸附-解吸作用，使得PO4-P和TP在水沙调控中含量增加；水沙调控后流量的减小在一定程度上降低了对磷的稀释作用，故水沙调控后PO4-P和TP含量又有升高的趋势［15］。

3 结 论

以黄河下游水质为研究对象，调查了水沙调控前、中、后期小浪底—利津段干流水质指标及营养指标，并对数据进行相关分析，采用综合营养状态评价法对水质进行评价，得出以下结论。

（1）水温与具体的采样时间及天气情况有关，水沙调控前、中期电导率变化不大，水沙调控后电导率明显低于水沙调控前；水沙调控对S8、S9、S10三处的叶绿素含量无显著影响，水沙调控过程会使下游水体中硅酸盐含量升高，水沙调控过程会造成黄河下游水中溶解氧含量的降低。

（2）水沙调控中水体 NO2-N、NO3-N和 NH4-N浓度均高于水沙调控前期和结束后；水沙调控后期PO4-P和TP浓度明显高于前、中期，氮元素对水沙调控过程的响应较快，而磷元素对水沙调控过程的响应较慢。

（3）除S2外，水沙调控中，各采样点TLI（∑）值均小于30，为贫营养状态。水沙调控前、后期，黄河下游水体TLI（∑）值处在30至50之间，为中营养状态。

（4）在水沙调控3个时期中，叶绿素与水温、DO、pH值均有显著的相关性，水沙调控前叶绿素与水温、DO、pH值、硅酸盐在0．01水平上显著相关，与电导率在0．05水平上显著相关；TDS和电导率在水沙调控前、后均显著相关；水沙调控前硅酸盐与pH值、叶绿素分别在0．05和0．01水平上显著相关；水沙调控中、后期硅酸盐与其他因子均无显著相关性。

（5）水沙调控前 NO3-N 与 TN、TP、NO2-N 在0．01水平上显著相关；水沙调控后NO3-N与NH4-N、TN呈显著负相关；水沙调控中PO4-P与TP在0．01水平上显著正相关，PO4-P、TP与DO、pH、叶绿素均显著相关；仅在水沙调控前，流量与NH4-N显著相关。