长江流域水库“泥沙过滤器”效应对溶解硅的滞留行为

李懿淼, 李茂田*, 艾 威, 刘晓强, 赵宝成

（1. 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2. 上海市地质调查研究院，上海 200072）

长江流域水库“泥沙过滤器”效应对溶解硅的滞留行为

李懿淼1, 李茂田1*, 艾 威1, 刘晓强1, 赵宝成2

（1. 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2. 上海市地质调查研究院，上海 200072）

近几十年来，长江入海溶解硅（DSi）通量显著下降，对河口和近海藻类及赤潮灾害产生深远影响。传统认为水库“生物过滤器”效应是DSi下降的主因，但研究表明“生物过滤器”对DSi的滞留量远小于实际观测的减少量。本文将长江流域大型水库按照滞留时间分成四类，并选取柘溪水库、柘林水库、花凉亭水库、鸭河口水库作为四类典型代表，利用现场采取的表层沉积样，系统研究水库“泥沙过滤器”对DSi的滞留效应。结果表明：四类水库单位泥沙对DSi的滞留率为0.25‰（平均解吸减少率0.11‰+平均吸附率0.14‰）；四类水库因泥沙沉降对DSi的总滞留量范围为97～625t/yr，平均为259t/yr；全流域162座大型水库因泥沙沉降对DSi的滞留量合计为16.88×104t/yr，占流域年入海通量减少量的9.12%。

泥沙动力学；“泥沙过滤器”效应；溶解硅；解吸；吸附；长江流域

硅元素在地壳中约占27.6%，元素丰度仅次于氧元素[1]，大部分以硅铝酸盐（CaAl2Si2O8）的形式固定在岩石中，每年约有19～46Tmol（万亿摩尔）风化为溶解硅（DSi）[2]。通常，稳定的风化过程会使得河流中DSi的浓度和通量保持稳定，很少出现增加或者减少的趋势,但近几十年来DSi却呈现明显下降的趋势，以长江大通站的DSi浓度为例，从1960s的7.47mg/L下降到2010s的2.0mg/L，下降了60%[3]。自1950s以来，长江流域进入筑坝活动的高峰期，截止2006年，长江流域建设各类水库42710座，其中库容在1亿m3的水库有162座[4]，累计库容达1554亿m3，占年均径流量9604亿m3的16.8%[3]。

目前人们普遍认为水库及其富营养化是世界范围内河流硅通量减少的主要因素[5]，并将水库滞留DSi的机理称为“生物过滤器”效应。“生物过滤器”效应认为：河流水库化后使得河流的流速下降、滞留时间延长、能见度提高等一系列水体环境变化均有利于硅藻的生长，因此水库内的硅藻会迅速生长发育并随之沉降从而消耗大量的DSi[6]。但是最近研究表明：水库因生物作用滞留的DSi量远远低于下游DSi的入海浓度及通量。根据经典的Vollenweider模型[7～9]（磷限制模型，一种主要的生物过滤器滞留DSi的计算模型）对长江流域162座水库的DSi的滞留量的计算表明：水库对DSi的滞留通量仅仅占全年通量的17%～18%[10]，远远小于各地观测值。

实际上水库颗粒物的沉降速率是天然湖泊的4.7倍[11]，水库对DSi的滞留过程始终是在悬浮颗粒物沉降过程中实现的。水库过滤DSi的过程是DSi、悬浮颗粒物、生物三者之间的生物地球化学过程。本文认为：除“生物过滤器”效应外，悬浮颗粒物吸附DSi的“泥沙过滤器”效应也对流域DSi减少具有重要贡献。为深入认识流域水库过滤器过程和机理，本文采集长江中下游四座不同滞留时间水库的表层沉积物，通过室内分析泥沙对DSi的解吸和吸附行为，探讨水库泥沙沉降过程中的DSi滞留行为，为正确评估和预测其环境影响提供新的手段和数据。

1 研究区域

长江是中国第一大河流，流域面积约180万km2，年均径流量达9600亿m3，并携带1.78～2.0亿吨溶解态物质输入东海，对长江口及东海近海生态系统产生重要的影响[12,13]。截止2006年，长江流域库容在1亿m3的水库有162座（图1）。

滞留时间的长短决定了水库中浮游藻类种群数量能否维持，滞留时间太短，特别是当滞留时间达不到细胞分裂所需的时间时（0.12～7.5d）[14]，浮游藻类生物量的积累和生产力将会流失，即浮游藻类缺乏足够的时间进行生长繁殖，导致其种群数量难以维持。对Asahi河水库的研究表明浮游藻类进行充分的生长发育至少需要2周时间[15]。因此，本文按滞留时间将长江流域162座大型水库分成四类，然后在每一类别中选取一座水库作为代表水库，A类为滞留时间小于18天（0.001～0.05年），并选取柘溪水库为作为代表；B类为滞留时间大于18天小于半年（0.05～0.5年），并选取柘林水库作为代表；C类为滞留时间大于半年小于2年（0.5～2年），并选取花凉亭水库作为代表；D类为滞留时间大于2年（＞2年），并选取鸭河口水库作为代表。

柘溪水库位于洞庭湖流域资水中游，多年平均径流量760m3/s，控制流域面积22640km2，占全流域面积的80%，总库容35.7亿m3[16]，滞留时间为0.05年；柘林水库位于鄱阳湖流域修水中游，水库截修河流域面积9340km2，多年平均径流量为428m3/s，总库容79.2亿m3[17]，滞留时间为0.26年；花凉亭水库位于长江流域皖河支流长河，水库控制流域面积1880km2，多年平均入库流量43.2m3/s，总库容23.98 亿m3[18]，滞留时间为1.28年；鸭河口水库位于长江流域汉江支流唐白河水系白河上游，水库控制流域面积3030km2，库区正常水面面积约120km2，多年平均径流量2.61亿m3，水库总库容13.16亿m3[19]，滞留时间为2.85年。

图1 长江流域水库和四座代表水库位置分布Fig.1 Location map of reservoirs and 4 representative reservoirs in the Yangtze River Basin

2 研究方法

2.1 野外观测和样品采集

我们于2015年4-5月分别对四座水库进行了野外观测并采集表层沉积样，采样点分布如图2所示。

柘溪水库，沿程60km设置4个采样点，从上到下依次为ZXRA、ZXRB、ZXRC和ZXRD。柘林水库沿程56km设置4个采样点，从上到下依次为ZLRA、ZLRB、ZLRC和ZLRD。花凉亭水库沿程24km设置4个采样点，从上向下依次为HLTRA、HLTRB、HLTRC。鸭河口水库，沿程14km设置3个采样点，从上到下依次为YHKRA、YHKRB、YHKRC。

2.2 泥沙滞留DSi的实验分析

水库泥沙对DSi滞留过程本质上悬浮颗粒和DSi分子的相互作用，其作用为颗粒物沉降过程中对DSi的吸附作用和解吸减少作用。泥沙吸附DSi作用是指单位沉积物与单位水库水体（DSi浓度为水库平均背景浓度）充分混合，经平衡反应后（24h），水体中DSi浓度减少量（mg/L）；泥沙解吸DSi减少作用指单位沉积物与单位去离子水充分混合，经平衡反应后（24h），水体中DSi的增加量（mg/L），这部分增加量因为泥沙沉降于水库内，导致不能向水体释放DSi，因此称为泥沙解吸DSi减少量。DSi浓度测定利用标准的硅钼蓝法[20]。

图2 水库表层沉积物采样点位分布Fig.2 Sampling site distribution of reservoir surface sediment

根据室内对4座水库14个表层悬浮颗粒对DSi的吸附率与解吸率的分析，估算水库由于泥沙沉降对DSi的年滞留量，方法如下。

水库“泥沙过滤器”解吸减少作用导致的DSi的滞留量，公式如下：

式中，∑Si解吸为“泥沙过滤器”解吸减少作用对DSi的滞留量，MDSi解吸为1g表层沉积样在去离子水中所解吸出的DSi量，即泥沙对DSi的解吸减少率。ρ为水库泥沙干样密度，rs为水库平均沉降速率（210Pb沉积速率，根据水库柱样测定），S为水库面积，用柱样沉降速率代表，60%为水库有效的沉降面积。

水库“泥沙过滤器”吸附作用对DSi的滞留量，公式如下：

式中，∑Si吸附为“泥沙过滤器”中吸附作用对DSi的滞留量，MDSi吸附为1g表层沉积样吸附的DSi量，即泥沙对DSi的吸附率，ρ为水库泥沙干样密度，rs为水库平均沉降速率，S为水库面积，用代表，60%为水库有效的沉降面积。

最终水库“泥沙过滤器”效应对DSi的滞留量为解吸减少作用和吸附作用之和。

2.3 全流域162座水库“泥沙过滤器”效应对溶解硅的滞留

同样，根据四类水库的泥沙平均解吸减少率和平均吸附率，并结合长江流域水库的泥沙淤积量，估算长江流域162座大型水库对DSi的滞留量。

3 结果与讨论

3.1 四类水库泥沙解吸减少作用导致的DSi的滞留量

水库因泥沙沉降产生了显著的DSi解吸量减少现象，而且滞留量呈现出独特的时空特征。（1）同一水库从上游向下游总体减少。柘溪水库表层沉积物在去离子水中每克解吸DSi的量由上游0.247mg/L减少到下游的0.235mg/L，减少量为0.012mg/L；柘林水库由上游的0.233mg/L减少到下游的0.223mg/L，减少量为0.011mg/L；花凉亭水库由上游的0.226mg/L减少到下游的0.208mg/L，减少量为0.08mg/L；鸭河口水库由上游的0.220mg/L减少到下游的0.214mg/L，减少量为0.06mg/L（图3）。（2）不同水库随水库滞留时间增加而总体减少。柘溪、柘林、花凉亭和鸭河口四个水库滞留时间分别为0.05年，0.26年，1.28年，2.85年；表层沉积物在去离子水中平均每克解吸量由柘溪的0.243mg/L减少到鸭河口的0.214mg/L；平均解吸减少率由柘溪的0.122‰减少到鸭河口的0.107‰（图3，表1），四座水库表层沉积样的平均解吸减少率为0.112‰。

结合水库的沉降速率和水面面积，可以计算出每座水库的泥沙淤积量，再考虑每座水库每克表层沉积样在去离子水中解吸出的DSi量，可以计算出每座水库“泥沙过滤器”解吸减少作用导致的DSi滞留量。结果如下：柘溪水库的∑Si解吸为89t/yr；柘林水库的∑Si解吸为264t/yr；花凉亭水库的∑Si解吸为44t/yr；鸭河口水库的∑Si解吸为57t/yr（表1）。

图3 四座水库上中下游表层沉积样对DSi的解吸吸附作用Fig.3 Desorption and adsorption of DSi on surface sediments of upper, middle and lower reaches of four reservoirs

3.2 四类水库泥沙吸附作用导致的DSi的滞留量

泥沙在其沉降过程中还产生显著的DSi吸附滞留量，而且吸附滞留量也表现出：（1）同一水库从上游到下游总体减少。柘溪水库表层沉积物在DSi浓度为4mg/L的溶液中每克吸附DSi的量由上游的0.292mg/L减少到下游的0.261mg/ L，减少了0.31mg/L；柘林水库由上游的0.313mg/L下降到下游的0.301mg/L，减少了0.012mg/L；花凉亭水库由上游的0.266mg/L下降到下游的0.251mg/L，减少了0.015mg/L；鸭河口水库有上游的0.251mg/L下降到下游的0.253mg/L，减少了0.02mg/L。（2）不同水库随水库滞留时间增加而总体减少。柘溪、柘林、花凉亭和鸭河口四个水库平均吸附量由柘溪的0.278mg/L，减少到鸭河口的0.251mg/L；平均吸附率由柘溪的0.139‰减少到鸭河口的0.125‰（图3，表1）。四座水库表层沉积样的平均吸附率为0.14‰

结合水库的沉降速率和水面面积，可以计算出每座水库的泥沙淤积量，再考虑每座水库每克表层沉积样吸附的DSi量可以计算出每座水库“泥沙过滤器”吸附作用对DSi的滞留量，计算得出，柘溪水库的∑Si吸附为101t/yr；柘林水库的∑Si吸附为361t/yr；花凉亭水库的∑Si吸附为53t/yr；鸭河口水库的∑Si吸附为66t/yr（表1）。

3.3 四类水库“泥沙过滤器”效应对DSi的滞留量

根据公式(3)，四座水库中“泥沙过滤器”的吸附-解吸总滞留量如下，柘溪水库的∑Si泥沙为190t/yr；柘林水库的∑Si泥沙为625t/yr；花凉亭水库的∑Si泥沙为97t/yr；鸭河口水库的∑Si泥沙为123t/yr（表1）。

表1 四座水库“泥沙过滤器”效应对DSi的滞留量Table 1 Retention of DSi by "sediment filter" effect in four reservoirs

对于水库“泥沙过滤器”的解吸-吸附所表现的时空特征，即同一水库从上游向下游和不同水库随滞留时间增加，泥沙对DSi的解吸-吸附作用均呈现下降趋势，其分析如下：河流水库化后，从上游到下游，河流流速不断降低，粗颗粒泥沙不断沉降，导致下游悬浮颗粒不断变小；同时，不同水库，随滞留时间增加，粗颗粒泥沙也不断沉降，也导致水体悬浮颗粒不断变小。上述两种原因均导致水体悬浮颗粒变小，沉降速度变慢，从而捕获和附着有机质和胶体物质增多，导致泥沙对DSi的吸引力增加，使得泥沙解吸DSi能力降低，同时由于更多DSi分子被吸引在泥沙颗粒周围，导致泥沙进一步从水体中吸附DSi的能力也降低。

3.3 全流域“泥沙过滤器”解吸减少作用和吸附作用导致的DSi滞留量

水库的建设是一个循序渐进的过程，据估计，54座大于5亿m3的水库淤积的泥沙约占所有水库的87%[21]，假设长江流域的162座大型水库同时建起并蓄水，其对泥沙的淤积量可达6.75×108t/yr。

通过四座水库表层泥沙的解吸率估算整个长江流域泥沙的解吸率约为0.11‰，即1×104t泥沙可以解吸出1.1tDSi，亦即水库建设后，由于这部分泥沙的沉降，其解吸减少作用导致解吸出的DSi量减少，从而水库的DSi浓度下降；通过四座水库表层泥沙的吸附率估算整个长江流域泥沙的解吸率约为0.14‰，即1×104t泥沙可以吸附水体中1.4tDSi，亦即水库建设后，由于这部分在沉降过程中对DSi的吸附，导致水库的DSi浓度下降。于是估算出整个长江流域由于“泥沙过滤器”效应导致的DSi滞留量约为16.88×104t/yr，占年均入海DSi通量减少量（1990s相比1960s）1.85×106t/yr[21]的9.12%。

4 结论

流域水库化导致的泥沙沉降产生了显著DSi的“泥沙过滤器”效应。四类代表水库中“泥沙过滤器”效应对DSi的总滞留量为97～625t/yr，平均滞留量为259t/yr。流域由于“泥沙过滤器”效应导致的DSi减少量约为16.88×104t/yr，占年均入海DSi通量减少量的9.12%。

水库DSi的“泥沙过滤器”效应有显著的时空变化特征。同一水库从上游到下游，以及不同水库随滞留时间的增加，DSi的“泥沙过滤器”效应均呈现减小趋势。

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Sediment filter effect on dissolved silica retention in reservoirs of the Yangtze River Basin

LI Yi-Miao1, LI Mao-Tian1, AI Wei1, LIU Xiao-Qiang1, ZHAO Bao-Cheng2
(1. State Key Laboratory of Estuarine and Costal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China; 2. Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China)

In recent decades, the dissolved silicate (DSi) flux from the Yangtze River into the sea has declined significantly, and this decline has had a profound influence on algae and red tide in the estuary and offshore area. Traditionally, the main reason for the decline is the bio-filter effect of reservoir; however, the reduction in DSi caused by bio-filter effect is much less than the actual observed value. In this paper, large reservoirs are divided into four classes according to residence time, and the Zhexi Reservoir, Zhelin Reservoir, Hualiangting Reservoir, and Yahekou Reservoir are each chosen to be studied from the four classes, respectively. To study the sediment filter effect on DSi, surface sediment samples were analyzed. The results show: 1) the average detention rate of DSi in the four reservoirs is 0.25‰ (the average desorption decrement rate is 0.11‰, and the average adsorption is 0.14‰). 2) The retention volume of DSi ranges from 97 t/yr to 625 t/yr, and the average is 259 t/yr for the four reservoirs. 3) The total retention volume of DSi for 162 large reservoirs is 16.88×104t/yr, which accounts for 9.12% of all decrement.

sediment dynamics; sediment filter effect; dissolved silicate (DSi); desorption; adsorption; Yangtze River Basin

TV145+.3

：A

：2095-1329(2017)02-0049-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.02.013

2017-03-18

修回日期: 2017-05-26

李懿淼(1992-),男,硕士生,主要从事流域水库环境影响研究.

电子邮箱: liyimiao@foxmail.com

联系电话: 021-62231985

国家自然科学基金项目(41271520);

国家重点研发计划项目(2016YFA0600904)

*通讯作者: 李茂田(博士/副教授): mtli@sklec.ecnu.edu.cn