夏季水口水库近坝段水质变化及其影响因素分析

真 翎,谢蓉蓉,2,3,石成春,刘继辉,江 华,李家兵,2,3,陈 锦①,田开迪

(1.福建师范大学环境与资源学院,福建 福州 350007;2.福建师范大学福建省污染控制与资源循环利用重点实验室,福建 福州 350007;3.数字福建环境监测物联网实验室,福建 福州 350007;4.福建省环境科学研究院,福建 福州 350013;5.福州市环境科学研究院,福建 福州 350013)

水库建坝在不同程度上改变河流的原始水文条件和热力学过程[1-2],建坝后水面宽度和流速大小等环境因子的变化直接影响库区水生生态系统结构与功能。大规模水利开发建设和水资源调度管理导致“河流湖库化、湖库富营养化”的水情加剧,是全球面临的重要环境问题之一[3-4],评估受人为调度影响的河流型水库水环境与富营养化特征及其影响因素对全流域的水质管理、供水灌溉、水产养殖等领域均有重要的指导意义。

河道型水库生态系统主要表现为河-库复合生态系统,兼具河流与水库的双重特性[5],相较于一般水库河道型水库环境更为特殊复杂。河道型水库的不同水期、不同断面具有不同生态特征,在枯水期以及坝前和库中段常呈湖库特征[6-8],受温差影响发生热力学分层作用[9]阻隔水体垂向混合与物质交换,对污染物和水生动植物分布产生较大影响[10-11];而在丰水期以及库尾和上游段则易呈现河道特征[12]。此外,不同类型的河道型水库污染物分布及影响因素同样具有差异性,如山区河道型水库紫坪铺水库藻类功能群演替受水温影响最大[13],而城市河道型水库沙河水库藻类丰度受水位调节影响显著[14]。徐雅倩等[15]对三峡水库支流香溪河库湾的营养盐补给过程进行了系统分析,魏源送等[16]研究了水位调度对河道型水库水质的影响,戴会超等[17]针对河道型水库水华治理方案与技术开展了研究。由此可见,现有研究主要针对全库区范围内某些强影响因子,如溶解氧、藻类等富营养化影响因子[18],缺少小尺度、多指标的研究,特别是在水库近坝段,由于坝体阻挡打破了天然河流和河床的动态平衡,较其他河段更易产生泥沙淤积和污染物富集[19]。同时,兼具河-库双重特性产生的复杂水文情势使污染物在该区域的迁移转化更为特殊多变。

为综合分析近坝段复杂水文及水环境变化,选取受下泄流量影响较大的河道型深水湖库水口水库近坝河段,研究在夏季50%下泄流量水文频率条件下,各水环境要素的三维变化,通过对复杂水文情势和水环境状况的全方位监测,为探究河道型深水水库近坝段水生态环境状况及环境水文过程影响提供数据支撑,为库区富营养化防治和水环境保护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

水口水库为窄深型河流水库,位于闽江干流中游河段,以发电为主,是目前中国东南地区最大的水力发电站之一,兼顾航运、防洪等综合效益[20]。水口水库总库容为26亿m3,库区河道全长约106 km,面积约99.6 km2,水口大坝最大坝高为101 m,坝顶高程为74 m,控制流域面积为52 438 km2[21]。自2004年以来,水口水库养殖区多次发生大面积缺氧情况,导致库区网箱养殖鱼类大面积缺氧死亡[22-23],特别是近坝段(图1,26°19′20″ N～26°20′27″ N、118°44′52″ E～118°45′43″ E,河道长约6.5 km)水体低溶氧的发生导致水口大坝下游水体生态环境受到严重干扰。

图1 研究区域采样点概况

1.2 样品采集与分析

为充分了解近坝区水环境受水库调度的影响,于2021年7月在水口大坝上游约7.9 km(S1中泓)、6.7 km(S2左泓S2-L、中泓S2-M和右泓S2-R)和5.5 km(S3中泓)处设置3个采样断面5条监测垂线(图1),分层(水面下0.5、2、5、10、20和40 m处)采集水样,装于500 mL聚乙烯瓶内,冷藏保存,带回实验室测定。

水口大坝下泄流量来自福建省水电站生态流量监控考核系统,由福州市环境科学研究院提供。采用瑞智相控阵河流型声学多普勒流量仪(RDI RiverRay ADCP,美国)测定水文情势(流量、流速和断面面积),采用便携式溶氧测定仪(雷磁JPB-607A,上海)测定溶解氧(DO)浓度,采用多功能水质分析仪(YSI EXO,美国)测定水深(h)、水温(t)、叶绿素a(Chl-a)浓度、蓝绿藻藻蓝蛋白量、电导率、总溶解性固体(TDS)和浊度。采用酸式高锰酸盐滴定法(GB 11892—89《水质 高锰酸盐指数的测定》)测定高锰酸盐指数,采用纳氏试剂分光光度法(HJ 535—2009《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》)测定铵态氮(NH4+-N)浓度,采用紫外分光光度法〔HJ/T 346—2007《水质 硝酸盐氮的测定 紫外分光光度法(试行)》〕测定硝酸盐氮(NO3--N)浓度,采用分子吸收分光光度法(GB 7493—87《水质 亚硝酸盐氮的测定 分光光度法》)测定亚硝酸盐氮(NO2--N)浓度,采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ 636—2012《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》)测定总氮(TN)浓度,采用钼酸铵分光光度法(GB 11893—89《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》)测定总磷(TP)浓度。将现场仪器测试结果作为1次测量数据,每个指标在实验室再重复测定2次。

1.3 水环境评价方法

1.3.1单因子评价法

单因子评价法将各指标与相应的水质类别标准限值进行对比,是我国水质评价采用的主要方法之一,评价指标包括高锰酸盐指数以及DO、TP、TN和NH4+-N浓度,计算公式为

(1)

(2)

式(1)～(2)中,IDO为DO超标倍数;CDO为实测DO值,mg·L-1;SO,DO为水体功能类别相应DO限值;B为超标倍数;C为各指标实测值,mg·L-1;C0为水体功能类别指标相应限值。

1.3.2富营养化评价法

富营养化评价方法采用综合营养指数法(TLI,ITL)[24],定性评价等级见表1,评价指标包括TN、TP和Chl-a浓度,计算公式为

表1 湖泊(水库)营养状态(ITL,Σ)分级及水质定性评价

(3)

(4)

式(3)～(4)中,ITL,Σ为综合营养状态指数;Wj为第j种参数的营养状态指数相关权重;ITL,j为第j种参数的营养状态指数;rij为第j种参数与基准参数Chl-a的相关系数;m为参与评价的参数个数。

1.4 数据统计与分析

采用水文频率分布曲线适线软件对流量数据进行水文频率曲线绘制;采用WinRiver Ⅱ软件对流量数据进行航道与流向测绘;采用Excel 2013软件对所采集水样原始数据进行整理、分类和处理;采用Origin 9.0软件对所采集水样处理数据进行相关图片的绘制;采用SPSS 23.0软件对不同环境要素进行Pearson相关性分析。

2 结果与分析

2.1 水文情势分析

对水口大坝1934—2012年月均下泄流量进行水文频率分析(图2)。由图2可知,水口大坝50%下泄流量水文频率对应的流量为1 200 m3·s-1,该流量条件下区域水环境状况可体现平均水平。

Ex为平均值,Cv为变差系数,Cs为偏态系数。

试验期研究区域水文监测结果见表2。由表2可知,水口大坝下泄流量为1 227和1 207 m3·s-1,符合50%下泄流量水文频率。在该条件下,近坝段H1和H2断面平均流量分别为1 420和1 440 m3·s-1,平均水深分别为49.4和49.0 m,水面宽分别为420和442 m。采用ADCP仪截取H1和H2断面表层(水深0.55 m处)和深层(水深20.30 m处)实时流速分布(图3)。由图3可知,H1断面表层为明显的正向流,H2断面表层则存在比H1断面更明显的横向流速分量及负向流现象,而2个断面深层也出现比表层更明显的负向流,因此可以判定研究区域(特别是近坝断面H2)存在明显的横向和纵向环流。

表2 研究区域水文监测流量统计

图3 H1和H2断面的航道和流速矢量图

2.2 水质理化指标的三维分布及评价

2.2.1三维分布情况

研究区域各监测垂线主要水质理化指标的垂向变化见图4。图4显示,各断面表层(h≤2 m)DO浓度均高于底层(h≥20 m)。S2-M垂线DO浓度普遍小于S1和S3垂线,这是由于该垂线靠近城镇区,较强的外源输入提供初级生产力(微生物、细菌等)所需的营养物质,而微生物的活跃会消耗DO,使得DO浓度小于上、下游。S2-M垂线各水层高锰酸盐指数分布均匀,平均值之间相差≤0.5,表明水口水库近坝段有机物分布较为均匀。

虚线为地表水Ⅲ类标准限值。S1监测垂线位于水口大坝上游7.9 km处断面的中泓,S2-L、S2-M和S2-R监测垂线分别位于大坝上游6.7 km处断面的左泓、中泓和右泓,S3监测垂线位于大坝上游5.5 km处断面的中泓。

断面位置见图1。

研究区域TP浓度分布具有差异性,上游S1垂线TP浓度高值分布于h≤5 m处,S2-M垂线富集于表层(h=0.5 m)和底层(h=40 m),S3垂线则集中于h≥5 m处。TP浓度三维分布与水文变化相吻合,推测是由于上、下游的纵向环流导致底泥扰动释放TP并发生P的纵向迁移,近坝S3垂线底层TP向S2垂线底层发生纵向迁移,遇到上游来水阻滞后进一步向表层迁移。近坝段TN浓度较高,S2-L和S3垂线最大值位于底层,其他垂线最大值均位于h=2 m处。各垂线间NH4+-N浓度分布差异不大,底层浓度普遍高于表层。

相较于上游养殖库区[25],NH4+-N浓度较低,TN浓度则持平或略高,表明研究区域NH4+-N存在一定程度的降解,TN则存在外源输入。NO3--N浓度均高于0.6 mg·L-1,各垂线最大值均在h=10 m处,与DO浓度突变水深相同,表明该水深范围为研究区域发生硝化作用的主要活跃区。NO2--N浓度总体水平低,且h=10 m处均小于上层水体,进一步说明h=10 m处可能发生硝化作用,使得NO2--N明显减少。各垂线电导率和TDS垂向变化规律基本一致,最大值多分布在5 m≤h≤10 m处,S1、S2-M和S3垂线表、底层差异较大,S2-L和S2-R垂线差异较小,但变化趋势与S1垂线一致,这主要是受到同时存在的纵向、横向环流影响。研究区域浊度最大值主要集中在底层,这是由于区域纵向环流在底层形成涡旋剪切扰动底泥,导致底层浊度增大。其中,S2-M、S2-L和S2-R垂线浊度大于S1和S3垂线,表明横、纵向环流在S2采样断面影响最为强烈,这与该断面表、深层流速变化差异相一致(图3)。S2采样断面TP浓度显著低于S1与S3采样断面,垂向浊度与TP分布呈负相关(R2=-0.40,P=0.124),表明TP受底泥等内源释放量影响小,且容易随流场发生迁移,这与三峡水库相关研究结果[26]一致。

综上,水口水库近坝段水质三维分布主要受到区域内纵向、横向环流影响,底层剪切力和垂向输运直接影响各水质要素水平和垂向迁移,导致三维分布存在差异。另外,改变的生物群落分布也在一定程度上间接影响水环境[27]。研究区域总体水环境问题为中、底层缺氧以及TN和TP浓度超标。

2.2.2水环境评价结果

(1)单因子评价法

研究区域水环境功能区划执行GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准,对研究区域DO、高锰酸盐指数、TP、TN、NH4+-N进行单因子评价(图4)。由图4可知,近坝段水质介于Ⅱ～Ⅳ类,监测垂线超标比例达96.30%,主要超标指标为TN和TP。DO超标多发生在S1和S2采样断面底层水体,超标倍数为1.36～2.80。研究区域底层是缺氧的主要区域,这与大多数水库研究结果[28-29]相似。高锰酸盐指数和NH4+-N均满足水功能区划要求,且可达Ⅰ类标准。TN超标倍数为0.08～0.79,TP为0.30～1.80,其中,S1垂线TN、TP严重超标,TN超标率达100%,TP达60%,且多集中于表层水体。

(2)富营养化评价结果

研究区域5条监测垂线富营养化评价结果见表3。S1、S2-M、S2-L和S2-R垂线在表层表现出富营养化,S3垂线则在底层,推测是由于库前环流导致近坝S3垂线底泥扰动,释放以P为主的污染物质,导致底部富营养化加剧。而纵向环流影响使得上游其他断面污染物向S3垂线底层输送是造成底层富营养化的另一个影响因素。此外,S1垂线富营养化程度最为严重;S2-M垂线富营养化情况出现断层可能是受到横向环流影响,左右岸良好水源补给所致。

表3 研究区域富营养化程度分析

3 讨论

3.1 水质非生物因素影响分析

研究区域水深、温度变化关系见图5。由图5可知,库区呈现明显温度分层,水深为20 m时,温跃层位于5～10 m处,水温骤降幅度为2.6～4.6 ℃,温度梯度为0.5 ～0.9 ℃·m-1;水深为40 m时,温跃层位于5～20 m处,水温降幅和温度梯度分别为12.4 ℃和0.8 ℃·m-1。

A和B分别为最大水深为20和40 m的温度分层状态。S1监测垂线位于水口大坝上游7.9 km处断面的中泓,S2-L、S2-M和S2-R监测垂线分别位于大坝上游6.7 km处断面的左泓、中泓和右泓,S3监测垂线位于大坝上游5.5 km处断面的中泓。

水深、温度对研究区域各水质要素的影响分析见图6。由图6可知,水深仅与S1垂线DO、NH4+-N和高锰酸盐指数以及S2-L和S2-R垂线浊度显著相关,温度除与NO3--N和TP不相关,与其他水质指标均存在一定相关性,因此,温度是研究区域污染物三维分布的主要影响因素。此外,DO与水深相关不显著,而与温度显著相关,说明水库近坝段在满足50%下泄流量水文频率条件时,水温分层明显,库区DO受温度影响也逐渐出现分层趋势[30]。NH4+-N在S1垂线的垂向分布受水深影响较大,在S3垂线则同时受水深和温度的显著影响,在其他垂线无明显相关性,这可能是由于除S1和S3垂线外,其他垂线受水文扰动明显,产生的漩涡阻碍了NH4+-N垂向运输。温度与NO3--N呈负相关,与NO2--N呈显著正相关,可能是由于反硝化作用微生物对温度较为敏感所致[31]。

A为水深,B为温度。

研究区域受环流影响较大,且多发生于底层(图3),环流产生的底层切应力引起底泥扰动,导致底层水体浊度增大,环流也使污染物发生迁移,对各水质指标存在一定影响。由浊度(用来表征泥沙)与主要水质要素的相关性分析(图7)可知,仅S2-L和S2-R垂线NO2--N与浊度呈显著负相关,其他垂线水质要素与浊度相关性较弱,结合H1和H2断面表、深层流速(图3)差异状况,认为虽然研究区域存在较强烈水文扰动,但近坝段主要水质要素的三维分布受泥沙影响较小。因此,研究区域环流主要是通过改变污染物迁移方向进而影响其分布。

S1监测垂线位于水口大坝上游7.9 km处断面的中泓,S2-L、S2-M和S2-R监测垂线分别位于大坝上游6.7 km处断面的左泓、中泓和右泓,S3监测垂线位于大坝上游5.5 km处断面的中泓。

TLI为营养指数,Chl-a、TN、TP和Σ分别表示叶绿素a、总氮、总磷和综合。S1监测垂线位于水口大坝上游7.9 km处断面的中泓,S2-L、S2-M和S2-R监测垂线分别位于大坝上游6.7 km处断面的左泓、中泓和右泓,S3监测垂线位于大坝上游5.5 km处断面的中泓。

3.2 水质生物因素影响

由图8可知,各垂线蓝绿藻藻蓝蛋白量最大值均在h≤2 m处,且垂向分布呈现营养水平高的区域藻类丰度也应较高,横向分布则表现为中心丰度大于两岸[32],这可能是受到纵向和横向环流的影响。各垂线Chl-a分布情况也存在差异,S1、S2-L和S2-R垂线Chl-a最大值发生在水深2 m处,S2-M垂线在底层,S3垂线在水深5 m处,总体与蓝绿藻藻蓝蛋白量分布情况相似。其中,S2-M和S2-L垂线蓝绿藻藻蓝蛋白量和Chl-a值均较高,结合其他氮指标分布情况推测,这可能是由于S2垂线为近坝段浮游动植物聚集区,微生物活性较高,各类生化反应较活跃。

S1监测垂线位于水口大坝上游7.9 km处断面的中泓,S2-L、S2-M和S2-R监测垂线分别位于大坝上游6.7 km处断面的左泓、中泓和右泓,S3监测垂线位于大坝上游5.5 km处断面的中泓。

由蓝绿藻藻蓝蛋白量和Chl-a与各水质理化指标相关性分析(图9)可知,蓝绿藻藻蓝蛋白量对水质理化指标的影响高于Chl-a。蓝绿藻藻蓝蛋白量与NO3--N、电导、TDS和浊度呈负相关,与NO2--N和高锰酸盐指数呈正相关,与DO、NH4+-N、TN和TP的相关性在不同垂线间存在差异,这与太湖研究成果[33]相近。其中,S2-M垂线DO与蓝绿藻藻蓝蛋白量呈负相关,这与该监测垂线表、底层藻类分布较多,表层和底层形成环流有关,藻类呼吸作用耗氧量大导致S2-M垂线DO普遍低于S1和S3垂线(图4)。仅S2-M和S2-R垂线蓝绿藻藻蓝蛋白量与NH4+-N呈正相关,这可能是由于高浓度NH4+-N外源输入补给速度大于藻类消耗速度所致。各垂线TN、TP与蓝绿藻的相关性参照由氮磷比推断藻类生长限制因素的研究结论[34],S1垂线藻类生长为氮限制型,其他垂线为磷限制型。整体上S3垂线蓝绿藻藻蓝蛋白量与各水质理化指标相关性最强,可说明研究区域靠近大坝区域受水文影响较小,较为稳定,这为藻类实现自身“反馈机制”提供有利条件,使得藻类下沉至底层分解释放营养物质[31]导致S3垂线底层富营养化(表3)。研究区域仅有S2-L垂线Chl-a与TN呈显著负相关,S3垂线Chl-a与TP呈显著正相关。结合S2-L垂线蓝绿藻藻蓝蛋白量相关性分析情况,可推测该垂线藻类繁殖需要消耗NH4+-N,TN也随着NH4+-N的降低而降低,这与韩志萍等[35]在南太湖的研究结果一致。

A为蓝绿藻藻蓝蛋白量,B为叶绿素a。

4 结论

通过对水口水库夏季近坝段50%下泄流量水文频率下主要断面水文、水质的同步监测,得到以下结论：

(1)在夏季50%下泄流量水文频率下,水口水库近坝段断面平均流量分别为1 420和1 440 m3·s-1,根据断面流速矢量分析,明确了研究区域存在较明显横、纵向环流。

(2)近坝段水质三维分布主要受纵向和横向环流的影响。库区中、底层易缺氧;TN全面超标,超标率达96.15%;TP易受区域流场影响发生迁移。富营养化评价表明S1和S2垂线均为表层富营养化,S3垂线则为底层富营养化。

(3)夏季库区水质理化指标分布受温度和蓝绿藻藻蓝蛋白量影响较大,温度除与NO3--N和TP不相关,与其他水质指标均存在一定相关性;蓝绿藻藻蓝蛋白量与NO3--N、电导、TDS和浊度呈负相关,与NO2--N和高锰酸盐指数呈正相关,与DO、NH4+-N、TN和TP相关性在不同垂线间存在差异。