喀斯特地区梯级水库建造对水化学分布的影响*

王万发，钟 君 ，李 彩，易沅壁，陈赛男，陈 率，郎赟超，李思亮

(1：天津大学表层地球系统科学研究院，天津300072) (2：淮阴师范学院城市与环境学院，淮安 223300)

1 材料与方法

1.1 研究区概况

图1 乌江梯级水电站采样点分布Fig.1 Distribution of sampling sites in the Wujiangdu cascade reservoirs

表1 研究区域各水库基本特征

1.2 样品采集与分析

分别于2017年1、4、7和10月在3个水库进行同步采样，采样点位置如图1所示. 其中W1(27°01′N，105°27′E)和W6(26°52′N，105°52′E)为洪家渡水库的入库水和下泄水，其水库内部W2(26°53′N，105°33′E)、W3(26°49′N，105°35′E)、W4(26°57′N，105°38′E)为表层水，W5(26°53′N，105°51′E)为库区剖面水；W7(26°56′N，106°21′E)和W8(27°10′N，106°26′E)为索风营水库剖面水和下泄水；W13(27°20′N，106°45′E)为乌江渡水库的下泄水，其水库内部W9(27°08′N，106°24′E)、W10(27°13′N，106°30′E)、W11(27°18′N，106°40′E)为内部表层水，W12(27°24′N，105°27′E)为库区剖面水. 洪家渡、索风营、乌江渡3个水库在正常条件下均为底部放水，由于放水口根据发电的需要会开启坝后不同高度的放水口，因此根据死水位进行估算可知放水口分别距离正常蓄水位约64、22和40 m，对应高程分别为1076、813和720 m. 为了更加明晰坝前静水区采样点W5、W7和W12对应水体剖面上水体的水化学特征，我们根据前人研究以及根据现场水质参数仪投放数据资料，采集样品的水深0.5、5、15、30和60 m范围内均涵盖水体表层、真光层、温跃层和深层水区域的水样，这有利于我们更加明晰水体内部剖面上的水化学行为[19-20]. 在本文中将1月和10月的样品作为枯水期样品，4月和7月的样品作为丰水期样品. 所有样品均通过乘船至河道中间进行采集，以保证样品质量. 采集之后的样品除一部分现场处理外其余均保存在10 L储水袋(PVC)中，带回室内在12 h内根据测试指标要求预处理保存.

2 结果

2.1 梯级水库群表层水体水化学沿程时空变化特征

图2 梯级表层水化学参数沿程变化Fig.2 Longitudinal variations of hydrochemical parameters along the cascade reservoirs

库区水体在暖季由于太阳辐射强度大引起较大的水体密度差，导致水体形成不同程度的热分层，最终会引起水化学参数的差异[27, 35]. 在本研究中水温的变化范围为12.1～29.8℃(18.3±3.8℃)(图2)，在丰水期变化范围为12.1～29.8℃(19.1±4.4℃)，在枯水期变化范围为12.7～21.7℃(17.4±2.7℃)，在丰水期的最低温度为12.1℃，低于枯水期的12.7℃，且洪家渡水库、索风营水库与乌江渡水库坝后下泄水较坝前表层水全年分别降低26.4%、5.1%和16.7%，在丰水期则分别高达39.2%、10.8%和31.6%，表明筑坝之后坝前水体已出现明显分层且在丰水期分层更为明显. 根据前人研究，通过表征特征以及稳定碳同位素值表明，3个水库中的浮游植物的优势种群为绿藻、硅藻和蓝藻，河流水体以硅藻为主，库区主要以蓝藻、硅藻为主并对Chl.a浓度造成了影响[36-38]. Chl.a浓度可以有效表征水体光合作用强弱，本研究中其变化范围为0～23.9 μg/L(3.8±4.6 μg/L)(图2)，在丰水期变化范围为0～23.9 μg/L(3.8±4.7 μg/L)，在枯水期变化范围为0～16.3 μg/L(3.7±4.6 μg/L). DO是水生生物新陈代谢及水汽界面交换的产物，能够有效表征水体受到生物作用的影响程度[39]. Chl.a浓度升高后最直观的影响在于水体溶解氧(DO)浓度会随之改变[19]，本研究中其变化范围为0.3～16.2 mg/L(7.6±2.4 mg/L)(图2)，在丰水期变化范围为4.3～16.2 mg/L(8.5±2.6 mg/L)，在枯水期变化范围只有0.3～9.4 mg/L(6.7±1.9 mg/L)，在丰水期DO浓度变化范围更大，平均值更高. TDS浓度变化范围为211～352 mg/L(274.2±22.8 mg/L)(图2)，在丰水期变化范围为211～352 mg/L(276.5±25 mg/L)，在枯水期变化范围为231～324 mg/L(271.6±19.9 mg/L)，在3个水库的下泄水中TDS浓度全年变化幅度远大于坝前与入库水体，且TDS浓度远低于没有筑坝作用的喀斯特地貌地区的赤水河流域的317.8 mg/L[40]. 图2中可以观察到在库区，水化学参数均在丰水期取值范围明显大于枯水期.

2.2 剖面理化性质的时空变化特征

3 讨论

3.1 梯级筑坝引起湖沼学发育的特征分析

3.2 梯级筑坝引起湖沼学发育的控制因素

(1)

(2)

图4 乌江梯级水库Gibbs图(a、b)及Na+校正的元素比值分布图(c)Fig.4 Gibbs chart (a and b) and Na+ normalized molar ratio of the samples (c) in the Wujiang cascade reservoirs

图5 乌江梯级水库中与ΔCa2+的关系Fig.5 The relationship of and ΔCa2+ in the Wujiang cascade reservoirs

3.3 梯级筑坝对流域化学风化速率估算的影响

Clatm=0.024 mmol/L

(3)

Nariver=Naatm+ Naanthro+ Nasil

(4)

Cariver=Cacarb+ Casil

(5)

Mgriver=Mgcarb+ Mgsil

(6)

Kriver=Katm+ Ksil

(7)

CWR=([Ca]CCW+ [Mg]CCW+ 0.5[HCO3]CCW)Q/A

(8)

变化率=(坝后风化速率-坝前风化速率)/(坝前风化速率)

(9)

式中，下标atm、river、anthro、sil、carb、eva、CWR、CCW、Q和A分别代表大气、河流、人为输入、硅酸盐岩、碳酸盐岩、蒸发岩、碳酸对碳酸盐岩的风化速率、碳酸对碳酸盐岩的风化、径流量和流域面积.

图6 梯级水库坝前与坝后碳酸盐岩风化速率的对比Fig.6 Comparison of weathering rates of carbonate rocks in front and behind the dams of cascade reservoirs

前人在同一流域乌江渡等水库中也观察到类似现象并表明，在丰水期滞留时间越长的水库，热分层越明显. 水体表层主要受藻类光合作用影响，而底部区域主要受到有机质与碳酸钙分解的影响，最终引起坝前

表2 梯级水库坝前与坝后碳酸盐岩风化速率的差异*

*HJD、SFY和WJD分别代表洪家渡水库、索风营水库和乌江渡水库.

4 结论

通过对乌江中上游洪家渡水库、索风营水库和乌江渡水库2017年丰水期与枯水期入库、出库表层与库区剖面水样的理化性质进行对比分析，评估筑坝拦截对流域化学风化速率估算的影响，主要得到以下结论：

4)以往关于流域风化的相关研究往往忽视水库的作用，今后应将河流筑坝作用考虑在内，提高计算结果的准确性. 同时，在采集河流水体样品时，也应在准确评估水库影响之后，选取合理地点和时间进行采样分析研究. 在进行化学风化速率估算时应重点关注滞留时间较长的水库，增加剖面采样点，增加丰水期的采样频率，以进一步提高化学风化速率估算的准确性. 为了更加明晰梯级水库群对水体水化学性质以及流域风化速率估算的影响，未来还应进一步选取更多不同地质背景、滞留时间等不同特征的水库进行对比研究论证.