九龙江库区河段的营养盐滞留效应

苏彩霞，曹文志，李 颖，王飞飞，万显会

(厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室，环境科学研究中心，福建 厦门 361005)

河流筑坝蓄水后，改变河流水动力条件，引起一系列复杂的连锁反应，影响生源要素的生物地球化学循环过程，也改变了有机物、溶解氧和营养盐的通量［1］。九龙江是我国南方亚热带气候丘陵农业溪流，位于福建省的西南部，由北溪、西溪和南溪组成。北溪水力资源蕴藏量十分丰富，现已建中小型水电站达490多座［2］，溪流“湖库化”严重，导致污染物通量的变化以及部分河段的污染［3～5］，2009年爆发了3次水华事件。Li等［1］指出该河段筑坝对营养盐组成具有不可忽略的影响。

本文以九龙江北溪为研究系统，分析系统径流量及营养盐氨氮 (NH4－N)和总磷 (TP)分布特征，估算系统的营养盐输送通量，探讨水电站对河流系统的营养盐滞留效应的影响。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

九龙江流域位于亚热带海洋性季风气候区。流域内多年平均气温19.9～21.1℃，多年平均降水量1400～1800mm。降雨主要集中在4～9月，降雨量约占全年的75%。本研究选取北溪中游河段，该河段从上游到下游共建设了7个水电站:华口水电站、小杞水电站、西陂水电站、绵良水电站、华安水电站 (含扩机)、天宫水电站和利水水电站，均为日调节型水库。

2.2 数据来源

于库区河段设置4个采样点 (见图1)，分别为S1(芦仔)、S2(华寮)、S3(西陂)、S4(浦南);采样时间为2007年，监测频率为每2个月1次，监测项目为流量、氨氮 (NH4－N)和总磷(TP)，监测方法采用国家标准方法。污染源数据来自2007年污染源调查数据。

图1 采样点示意图

2.3 数据处理

根据径流量大小将各水质指标按丰水期 (5～9月)、枯水期 (1～11月)进行分类。各个点位和支流的NH4－N、TP通量 (M)采用逐月通量(月均浓度×月径流量)累加法计算年通量 (t/a)。

营养盐年滞留量计算方法如下:

Mret:年滞留量 (t/a);RED:滞留率 (%);Min:该库区输入总量 (t/a)，包括系统上游输入量、支流输入量和干流污染源负荷 (库区河段主干流汇水区的污染源输入);Mout:该库区下游输出量 (t/a)。

3 结果与讨论

3.1 流量、NH4－N和TP分布特征

流量分布特征:库区输入 (S1)与输出 (S4)月均径流量变化见图2。2007年库区输出径流量大于输入径流量，且存在明显的季节变化规律。库区上游年均径流量为115m3/s，下游年均径流量为212m3/s。系统流量输出大于输入，但二者变化趋势基本一致。径流量年内丰水期高、枯水期低的分布特征明显，丰水期 (4～9月)平均流量为枯水期流量的2～3倍。

图2 2007年各采样点位流量变化

营养盐分布特征:监测结果显示，除S1断面的TP外，库区水体水质指标浓度呈现降低趋势。库区上游水体 (S1、S2)NH4－N和TP的浓度高于下游输出水体 (S3、S4) (图3)，库区系统内变化较小。

3.2 营养盐通量和滞留效应

受径流量影响，各采样点的通量也表现出明显的季节性。各采样点NH4－N、TP丰水期通量均占到全年57%以上 (表1)。由于库区系统NH4－N的输出浓度显著小于输入浓度，NH4－N输出量小于输入量，表现为正的通量差。库区对TP的输送通量表现出增加趋势。

图3 2007年各采样点NH4－N和TP监测结果

通过污染源分析发现，S1和S2之间有大量污染源输入，占系统污染源总负荷的65%以上，这也解释了S2的NH4－N和TP浓度高于S1的现象。为减少污染源负荷估算对库区系统滞留效应估算造成的误差，采用S2为库区系统的通量输入起点。

表1 2007年各采样点NH4－N和TP通量

2007年，库区系统NH4－N和TP的的滞留效应表现出不同的趋势 (表3)。NH4－N表现为正的滞留效应，氨氮滞留量达1155 t/a，滞留率为32%。TP的滞留效应为负值，为－10%，系统对外输出营养盐，年输出量67t/a。

表2 2007年河段NH4－N和TP的滞留量及效应

3.3 滞留效应讨论

九龙江北溪库区河段2007年对氨氮表现为正滞留效应，说明在该库区河段中氨氮发生了转换。NH4－N是氮的还原态，在水体中易于转化，输入河流中可被藻类的光合作用和异养生物吸收或被沉积物吸附，也可被硝化作用消耗。

大量研究结果显示，颗粒磷是水体磷的主要存在形式，水流变缓将加速颗粒磷的沉积作用，水库对磷具有较高的滞留效率［1，6～8］。北溪库区系统中对TP则表现为外输出效应。胡春华等［8］指出可能是与外源输入、低水位时内源释放作用及水库运行方式有关。本研究中的水库运行方式为日调节，该河段的径流量仍较大，未出现明显的磷沉降。同时，Li等［1］研究中发现九龙江筑坝蓄水改变了河流内部的营养盐循环，水体氮磷比值低，可能加速了沉积物磷的释放速率，导致沉积物向水体释放大量的磷。库区系统对外输出的总磷可能来源于系统底部沉积物的磷释放。

［1］ Li，Y．，Cao，W．Z．，Su，C．X．，et al．Nutrient sources and composition of recent algal blooms and eutrophication in the northern Jiulong Rive，Southeast China ［J］．Marine Pollution Bulletin，2011，63:249－254．

［2］福建省水利厅．福建省九龙江流域综合规划修编报告［R］．2006．

［3］ Cao，W．Z．，Wong，M．H．Current status of coastal zone issues and management in China:A review ［J］．Environment International，2007，33:985 －992．

［4］ Cao，W．Z．，Zhu，H．，Chen，S．Impacts of urbanization on topsoil nutrent balances－a case study at a provincial scale from Fujian，China［J］．CATENA，2007，69:36－34．

［5］ Cao，W．Z．，Hong，H．S．，Yue，S．Modelling agricultural nitrogen contributions to the Jiulong River estuary and coastal Rive［J］ r．Global and Planetary Change，2005，47:111 －121．．

［6］ Bosch，N．S．，Allan，J．D．The influence of impoundments on nutrient budgets in two catchments of Southeastern Michigan ［J］．Biogeochemistry，2008，81:325－338．

［7］冉祥滨，于志刚，姚庆祯，等．水库对河流营养盐滞留效应研究进展 ［J］．湖泊科学，2009，21(5):614－622．

［8］胡春华，周文斌，钟夏莲，等．江西省万安水库对氮、磷营养盐的滞留效应 ［J］．湖泊科学，2011，23(1):35－59．