台风强降雨输入水源水库的泥沙沉降模拟分析

2018-11-01姚玲爱赵学敏马千里梁荣昌夏北成苟婷

生态环境学报 2018年10期

姚玲爱，赵学敏，马千里，梁荣昌，夏北成，苟婷

1. 环境保护部华南环境科学研究所，广东广州 510655；2. 中山大学环境科学与工程学院，广东广州 510275

台风是沿海地区常见的自然灾害，除了具有强大的风力，还常常带来急剧的降雨（Furuichi et al.，2018；Zhou et al.，2012）。台风强降雨作用能够导致湖泊生态系统发生系列变化，如水体中悬浮泥沙含量升高、水体营养盐浓度改变、透明度降低、藻类生长受到影响等（James et al.，2008；Danz et al.，2013）。悬浮泥沙是水生态环境的重要组成部分，人类活动与极端气候影响可以导致水体中的悬浮泥沙含量升高（Herbeck et al.，2011）。由于泥沙本身含有相当数量的黏土矿物和胶体物质，可以对水环境中的营养物质产生吸附沉淀作用（Liu et al.，2013；Ye et al.，2013），进而对水体的物理、化学及生态特性产生重要影响（Mamun et al.，2018；Bilotta et al.，2008）。降雨后随地表径流冲刷进入水体的悬浮泥沙含量随降雨强度的增大而增大（Li et al.，2015）。有研究表明，水体泥沙含量增大后悬浮泥沙胶体的吸附沉降作用可以限制水体氮磷浓度的升高（张智等，2007），使水体浊度降低，透明度增大，改变水体的氮磷比等水质变化，甚至对藻类生长产生抑制作用（Zhao et al.，2013；Reichwaldt et al.，2012；李云等，2011），从而有助于延缓水体富营养化的发展进程（孙小静等，2007）。目前关于水体中悬浮泥沙静态沉降的研究主要集中在正常条件下（薛爽等，2017；张智等，2006），有关极端气候台风强降雨后泥沙自然沉降过程对水质的影响研究还相对较少。因此，进行台风强降雨输入水源水库的泥沙静态沉降实验研究，对于分析识别极端气候条件对水源水库水质和富营养化的影响具有重要意义。

高州水库是中国粤西沿海地区重要的水源水库，集水区为鉴江流域上游山地，地处北热带和南亚热带过渡的季风区，也是一座频繁受到台风强降雨影响的水库（周文婷等，2018）。2010年9月受强台风“凡亚比”影响，高州水库集水区内出现持续强降雨并引发特大山洪与泥石流（周文婷等，2018；肖文等，2011），短时间内强降雨造成大量地表径流和泥沙汇入水库，对水环境质量、水体富营养化和浮游藻类群落结构的变化产生影响（姚玲爱等，2018；陈修康等，2014）。此外，近年来高州水库水质下降趋势明显，已呈现轻度富营养化（李思阳等，2013）。本研究通过模拟台风强降雨期间水库含沙原水自然沉降过程中水体氮、磷浓度等水质变化情况及其与泥沙含量的变化关系，研究台风强降雨输入的泥沙沉降对高州水库水质的影响，以期为受极端气候影响的水源水库富营养化控制与水环境改善提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 样品采集

2015年10月3 —6日，强台风“彩虹”登陆中国粤西沿海地区，期间高州水库日均降雨量最高达138 mm，强降雨冲刷导致大量泥沙进入水库。本次实验使用高州水库台风强降雨期间的含沙原水，样品采自高州水库最大入库支流朋情河汇入石骨库区的断面S1采样点（图1）。采集的样品置于恒温箱内，当天带回实验室分析。

图1 高州水库采样点示意图Fig. 1 Sampling site in Gaozhou Reservoir

1.2 实验方法

制备6根高2.2 m，内径14 cm，壁厚0.4 mm，管壁不透光的聚乙烯取样柱，由上至下设置5个取样口（图2）。将高州水库含沙原水混合均匀后分别装入6个取样柱中，水位为2.1 m，取样柱均露天放置，模拟高州水库台风强降雨后原水自然静沉过程。其中5根取样柱用于取样分析，每隔3天取1个样柱的5个水层样品进行分析，另1根作为对照柱仅用于每次取水样时测定透明度和溶解氧。

图2 取样柱示意图Fig. 2 The diagram of sampling column

水温和pH使用哈希（HACH）HQ11d pH计测定；电导率（Cond）使用雷磁 DZB-712电导率仪测定；溶解氧（DO）使用哈希（HACH）HQ30d溶解氧测定仪测定；透明度（SD）使用塞氏透明度盘测定；浊度（Turb）使用哈希（HACH）2100N型浊度计测定；泥沙含量使用重量法 GB11901—1989分析方法测定；总氮（TN）使用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 HJ 636—2012分析方法测定；总磷（TP）使用钼酸铵分光光度法GB/T 11893—1989分析方法测定；高锰酸盐指数（CODMn）和叶绿素 a（Chl.a）参考《水和废水监测分析方法》（第4版）（国家环境保护总局水和废水监测分析方法编委会，2002）中的分析方法测定。

1.3 评价方法

选取SD、TN、TP、CODMn和Chl.a为评价指标，根据湖库富营养化评价方法及分级标准计算综合营养状态指数（Trophic Level Index，TLI）并进行富营养化评价，对高州水库营养状态进行分级，TLI＜30 为贫营养，30～50 为中营养，50～100 为富营养（王明翠等，2002）。在同一营养状态下，指数值越高，其营养程度越高。

1.4 数据分析

数据分析和图形处理分别运用 SPSS 19.0和Origin 9.0完成。泥沙沉降对水质指标的影响采用单因素方差分析（ANOVA）进行比较，P＜0.01表示差异显著；对叶绿素a与水质因子进行回归分析。

2 结果与分析

2.1 pH、电导率和溶解氧的变化

静沉期间，各水层 pH、电导率和溶解氧的变化如表1所示。实验期间，随沉淀时间延长，各水层pH日均值逐渐降低，前12天从7.57显著降低至 6.45（P＜0.001），第 12天后趋于稳定，实验第15天，pH降低至6.42。随时间变化各水层电导率日均值呈先降低后升高再降低趋势，实验前9天，电导率逐渐降低，第 12天，电导率上升到 57.7 μS·cm-1，第 15 天，电导率又下降到 56.7 μS·cm-1。随时间变化各水层溶解氧日均值逐渐降低，变化范围为7.96～0.56 mg·L-1，实验前9天各水层溶解氧日均值从 7.96 mg·L-1显著降低至 0.61 mg·L-1（P＜0.001），实验后期变化波动较小。在不同水层深度的取样口，pH和电导率变化均不显著（P=1.000）；溶解氧浓度随水层深度的增加而降低。

2.2 透明度、浊度和泥沙含量的变化

图3 泥沙沉降过程透明度的变化Fig. 3 Changes of transparency during the suspended solids precipitation

图4 泥沙沉降过程泥沙含量和浊度变化Fig. 4 Changes of suspended solids concentration and turbidity during the suspended solids precipitation

表1 泥沙沉降对水体pH、电导率和溶解氧的影响Table 1 The effect of suspended solids precipitation on pH, conductivity and dissolved oxygen of the water samples

静沉期间，随沉降时间的延长，对照柱透明度逐渐增大（图3），各水层浊度和泥沙含量日均值逐渐降低（图4）。第1～15天透明度增加0.9 m，其中前3天透明度上升幅度最大，从0.4 m上升到0.9 m，实验第9天透明度恢复至稳定水平。实验前6天各水层浊度日均值下降明显（P＜0.001），从27.0 NTU逐渐降低到1.4 NTU，第6～15天各水层浊度日均值变化不显著（P=1.000）；各水层泥沙含量日均值实验前6天显著降低（P＜0.001），前3天下降幅度最大，从 33.5 mg·L-1下降到 5.0 mg·L-1，到第 6 天下降到2.7 mg·L-1，第6～15天各水层泥沙含量日均值变化不显著（P=1.000）。随着时间的推移，透明度在实验9天后稳定，泥沙含量和浊度在实验6天后稳定。因此，根据实验推测，台风强降雨后9天透明度可恢复至台风前水平，台风后6天泥沙含量和浊度达到台风前水平。在不同水层深度的取样口，浊度和泥沙含量变化均不显著（P=1.000）。

2.3 氮磷浓度和氮磷比的变化

静沉期间，随沉淀时间的延长，氮磷浓度呈降低趋势，各水层之间氮磷浓度变化不显著（P=1.000）（图5）。实验前3天各水层氮浓度日均值变化不显著（P=1.000），第 3～15天水体各水层氮浓度日均值显著降低（P＜0.001），从0.818 mg·L-1降低到0.194 mg·L-1，降低幅度为76%；各水层磷浓度日均值前9 天显著降低（P＜0.001），从 0.050 mg·L-1降低到0.011 mg·L-1，降低幅度为78%，第9～15天各水层磷浓度日均值变化不显著（P=1.000）。

图5 泥沙沉降过程氮磷浓度变化Fig. 5 Changes of nitrogen and phosphorus concentration during the suspended solids precipitation

随时间变化各水层氮磷比呈先增加后降低趋势（图6），前9天氮磷比日均值从16.8显著增高到 60.2（P＜0.001），第 9～15天，氮磷比日均值显著降低（P＜0.001），从60.2降低到17.0。

2.4 叶绿素a和综合富营养化指数的变化

图6 泥沙沉降过程氮磷比变化Fig. 6 Changes of N/P ratio during the suspended solids precipitation

图7 泥沙沉降过程Chl.a含量变化Fig. 7 Changes of chlorophyll a during the suspended solids precipitation

图8 泥沙沉降过程TLI值变化Fig. 8 Changes of TLI during the suspended solids precipitation

高州水库含沙原水静沉期间，不同取样口叶绿素a浓度日均值呈先降低后保持平稳的趋势（图7），综合营养状态指数TLI呈逐渐降低趋势（图8），各水层之间Chl.a和TLI无显著变化差异（P=0.999）。实验前3天各水层Chl.a日均值从1.45 mg·m-3显著降低至 0.42 mg·m-3（P＜0.001），3 天之后基本平稳在0.23 mg·m-3，根据实验推测台风强降雨后3天，Chl.a恢复至台风前水平；实验第12天，1号取样口Chl.a浓度突变为0.38 mg·m-3，之后又降低；各水层综合营养状态指数TLI日均值由中营养水平的41.6显著降低至贫营养水平的23.4（P＜0.001）。

2.5 相关性分析

对Chl.a与水质指标进行回归分析，结果表明，Chl.a与浊度、泥沙含量、总磷、pH和溶解氧呈显著正相关（P＜0.001），且与浊度的相关系数最高（r=0.941，P＜0.001）；Chl.a与透明度呈显著负相关（P＜0.001），Chl.a与总氮、电导率、CODMn浓度的相关性未达到显著水平（P＞0.01）（图9）。

3 讨论

在自然界中，水体pH值影响泥沙颗粒表面微生物的生理活动，也会促进或者抑制颗粒表面活性基团的离解，影响泥沙的絮凝沉降（张垒等，2015；刘启贞，2007）。实验期间，随沉淀时间延长各水层pH日均值逐渐降低，说明泥沙沉降过程对水体pH值产生影响。电导率反映水体中各种离子的总含量（邓培雁等，2015），在一定条件下，泥沙含量与水体的电导率呈线性关系（戴茜等，2011）。研究结果显示，电导率与泥沙含量变化趋势并不相同，说明电导率变化除了受泥沙沉降的影响，还受泥沙粒径等因素的综合影响。在三峡库区泥沙沉降研究中也发现，水体电导率变化与悬浮泥沙含量并不显著相关（黄海强，2008）。水体溶解氧变化受到浮游藻类光合作用、呼吸作用、大气复氧过程、生化需氧量和沉积物耗氧等因素的综合影响（唐诗等，2013）。研究表明，悬浮泥沙含有较高浓度的有机物发生原位降解容易引起水体溶解氧降低（Bilotta et al.，2008）。这一结果可能与悬浮泥沙含有的有机物降解及水体复氧能力较低有关。沉降作用使水中重的颗粒如悬浮泥沙和黏土一类的无机物质首先沉降，使水体的泥沙含量骤然下降，而水中较轻的颗粒，主要是动植物及其残骸浮于水中，使泥沙含量保持在一个很低的水平（Chen et al.，2001）。悬浮泥沙对水体透明度、浊度等光学性质及水生生态条件产生直接影响（梅长青等，2008），水体透明度能够直接影响到浮游藻类的初级生产力状况（王书航等，2014）。研究表明，泥沙含量的变化影响水体混浊度与真光层的深度，进而影响水体浮游藻类的生物量变化（栾青杉等，2007）。高州水库原水泥沙沉降引起水体透明度增大、浊度降低，且在原水静沉前期，随泥沙含量的快速降低，浊度下降、透明度增加较快，泥沙含量是影响透明度和浊度的主要因素。根据实验结果，推断台风后约9 d时间，水体pH、电导率、溶解氧、透明度、浊度和泥沙含量可以恢复至正常水平。由于台风强降雨输入的泥沙在水库里发生静沉作用影响水体浑浊度和透明度，也会间接影响高州水库浮游藻类生物量的变化。

图9 叶绿素a与水质指标之间的回归分析Fig. 9 Regression analysis between chlorophyll a and water quality indicators

强降雨、温度等气象条件是诱发水体富营养化的外因（王丽平等，2013），氮磷营养盐是水体富营养化的主要影响因素（Paerl et al.，2011）。氮作为水体富营养化的重要元素，主要以水溶态存在，与泥沙颗粒的结合能力较弱（王晓燕等，2003）。且在悬浮物-水界面氮交换过程中，氮浓度主要表现为由悬浮物向水中释放（刘德鸿等，2016）。静沉前期，随着泥沙含量的快速降低，水体氮含量下降缓慢，说明氮含量的变化与泥沙沉降作用无直接联系，与方芳等（2013）的研究结果在水体中泥沙沉降对总氮的携带效果不存在明显的线性关系的结论较为一致。静沉前期，磷含量下降明显，且导致氮磷比升高。水体中磷大多是以颗粒态形式存在的，而泥沙对颗粒磷的吸附作用极强（王晓燕等，2003），使得泥沙在沉降过程中水体磷浓度下降明显（王圣瑞等，2005），氮磷比升高。氮磷比是考察营养盐结构的主要指标（陈晓玲等，2013）。氮磷比与藻类生长密切相关，若氮磷比值大于16，说明磷为藻类生长的限制因子；若氮磷比值小于16，则说明氮为限制因子（曲丽梅等，2006）。含沙原水静沉期间，水体氮磷比均大于16，说明高州水库原水磷为藻类生长的限制因子（姚玲爱等，2011）。模拟实验结果说明，台风强降雨输入高州水库的泥沙在沉降过程中将会首先影响水体磷营养盐浓度，影响氮磷比的变化，进而影响水体富营养化程度，泥沙沉降作用抑制了高州水库限制性营养盐磷含量的升高，因而对富营养化发生具有一定的抑制作用（张智等，2006）。

叶绿素 a是反映浮游藻类现存量的重要指标（赵帅营等，2002），是水体理化性质动态变化的综合反映指标，常被作为评价水体富营养化状况的主导因子（Lürling et al.，2013）。模拟实验期间，随着沉淀时间的延长，叶绿素a呈先降低后保持平稳的趋势，这可能是因为本实验在台风强降雨后进行，且高州水库原水为磷限制型水体，随着台风强降雨后总磷浓度的快速降低，虽然透明度增大、光合作用增强，但受极端气候和磷限制原因藻类生物量降低，叶绿素a浓度降低。以上结果与长江水体泥沙正常沉降条件下叶绿素a含量先升高后降低的研究结论不同（张智等，2007），这可能因为长江水体为正常条件下沉降水体，且为既非氮也非磷限制型水体（曹承进等，2008），泥沙沉降中营养盐充足，透明度降低为水体中藻类提供了充足的光合作用，使得叶绿素a浓度增加。沉降后期，随着泥沙沉降作用，水中的悬浮颗粒物以藻类为主，浮游藻类的生物量成为影响水体浊度、泥沙含量和透明度的关键因素，随着磷营养盐含量的降低，藻类生物量降低，水体浊度和泥沙含量降低，透明度持续升高。根据模拟试验相关性分析结果，叶绿素a浓度与浊度、泥沙含量、总磷、pH和溶解氧呈显著正相关，与透明度呈显著负相关；透明度与叶绿素a浓度相互制约，透明度逐渐增大，叶绿素a浓度逐渐降低。综合营养状态指数TLI实验表明，随着沉淀时间延长，TLI呈逐渐降低趋势，说明高州水库泥沙沉降作用有利于减缓水体富营养化。

2004—2010 年间，高州水库富营养状况逐年加重，逐渐由中营养向富营养化发展（周杨等，2011），并于2009年和2010年春季相继出现大规模蓝藻水华（姚玲爱等，2011）；研究发现2010年9月因强台风“凡比亚”强降雨洪水后大量泥沙等颗粒物进入高州水库，次年春季枯水期水体氮磷营养盐浓度降低，藻类细胞密度降低且无水华现象发生（陈修康等，2014）。由此推测，台风强降雨输入后，高州水库悬浮泥沙发生自然沉降作用，浊度和泥沙含量降低，透明度升高，氮磷营养盐浓度降低，叶绿素a浓度降低，水体综合富营养化指数降低，对高州水库水质有一定的改善作用。因此，进行台风强降雨输入水源水库的泥沙静态沉降实验研究，对掌握台风强降雨后水源水库水质和富营养化的进程是十分必要的，值得做进一步深入分析。