三峡库区干—支流作用下草堂河氢氧同位素时空分布的环境意义

蔡爱民，王雨春,2，胡明明,2，包宇飞,2，叶振亚，杜鹏程

(1.中国水利水电科学研究院水环境研究所，北京 100038；2.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；3.三峡大学，湖北 宜昌 443000)

三峡工程建成后, 在防洪、发电、航运、旅游、供水灌溉等方面产生了巨大经济社会效益,但同时对整个长江流域造成了广泛而深远的生态环境影响, 尤其对三峡库区生态环境的影响作用巨大[1]。三峡水库蓄水后水位上升，长江干流与支流的交汇区形成回水区。一方面，干流水体涌入支流，回水区成为物质滞留的重要场所; 另一方面，三峡工程蓄水形成的回水区内水体流速明显减缓，水动力学条件发生显著变化[2]。水体滞留时间变长、更新变慢，使三峡水库逐渐由河流向湖泊转变，库区水体营养盐富集而成中营养状态甚至富营养状态[3]，对水质状况造成巨大影响。尤其在支流库湾受干流回水顶托作用形成“湖沼化”的敏感水域[4],水质恶化，水华现象频发。探究干支流水体交换模式，进一步估算干支流营养盐的定量补给将有利于了解干支流水体富营养化进程并预测发展趋势，进而根据具体情况进行水体水质治理及富营养化防治[5]。

目前，利用稳定同位素示踪法来追踪径流来源是国际上研究的热点。近现代同位素技术的发展，为开展径流水量补给和可更新性、追踪径流水污染等方面的研究，提供了极大帮助[6]。在自然界中，氢氧同位素的分馏效应使得河流生态系统中不同水源氢氧同位素自然丰度会产生不同程度的富集与贫化[7]。伴随水库干支流水体相互交换会产生轻重稳定同位素的相互混掺[8]，因此可以通过对比不同来源水体氢氧同位素组成来示踪水体的运动轨迹，进而探究库区径流的混合形式[9,10]据此可估算干支流水量相互贡献关系和水体随干流倒灌对支流的营养盐定量补给。本文以草堂河为研究对象展开研究工作，草堂河位于三峡水库库腹，是典型的短窄型支流，其上游流量较小、回水区域较短、流域面积较小等特点使得对长江干流水文、水质的变化响应关系较明显，回水区水体营养盐组成与干流相似，非常有利于研究干支流水体相互作用及营养盐贡献率研究。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况及采样点设置

草堂河位于三峡库区中部的重庆市奉节县境内，是长江左岸的库区支流，介于东经108°14′～109°25′和北纬30°35′～31°26′间，距离三峡大坝约165 km，其全长33.3 km，流域面积为395 km2，平均流量约0.7 m3/s，年径流量2. 37 亿m3。 库区蓄水后，在距河口8 km范围内形成常年回水区[11]。

采样点位设为长江干流断面(CJ)、河口(CT01)、回水区中部(CT02)、回水区末端(CT03)以及草堂河源头(CTYT)，草堂河库湾采样点设置如图1所示。从2015年1-12月，每月对草堂河进行水位、水深、水温等指标监测以及水样采集(以备水体总氮(TN)、总磷(TP)检测)。将各点位进行分层采样，10 m以上按照表层、5 m、10 m采集，10 m以下则以10 m为间隔，直至底部;长江干流(CJ)、河口(CT01)、回水区中部(CT02)、回水区末端(CT03)均在断面中垂线上;而支流源头采样点水深较浅，所以只采集表层。

图1 草堂河及邻近长江干流采样点示意图

1.2 分析方法

各分层水样采用卡盖式采水器采集，每层水样各取两瓶(100 mL×2)现场加酸固定，另取50 mL水样于聚乙烯瓶中，尽量使瓶中不留气泡，并使用封口膜封住瓶盖外围以保证瓶身不漏气，对水样进行低温保存并同时利用YSI多参数水质分析仪[12]对各采样点进行温度，pH等的现场测定。第一时间进行氢氧同位素的室内上机测定。水体稳定氢氧同位素组成使用美国LGR公司液态水稳定同位素(LWIA-30d)分析，其原理为基于离轴积分腔输出光谱(OA-IC OS)，选用LGR公司生产的：

LGR3A(δD=-96.4‰±0.5‰;δ18O =-13.10‰± 0.15‰)

LGR4A (δD=-51.0‰±0.5‰;δ18O =-7.69‰±0．15‰)

LGR5A(δD=-9.5‰±0.5‰;δ18O=-2.8‰±0.15‰)

3种标样[13]。所测D，18O含量(ND，N18O)相对V-SMOW表示：δ值是指样品中两种稳定同位素的比值相对于标准样品同位素比值的千分差值,即δ=[(R样品-R标准)/R标准]×1 000,式中R为同位素比值,是一种元素的稀有的与富含的同位素丰度之比，例：RD= ND/N1H,R18O=N18O/N16O;δ值的正负分别表明样品较标准富含重同位素和轻同位素，测定精度为δD<0.6‰、δ18O<0.2‰。氢氧同位素的上机检测的同时参考《水和废水分析方法》(第四版)对各水样进行营养盐TN、TP的检测[14]。

通过对比流域的氢氧同位素值，可估算水体中这些水源的混合比例，计算所用二元线性混合模型公式如下:

δD=F1δD1+F2δD2

(1)

δD=F1δ18O1+F2δ18O2

(2)

F1+F2=1

(3)

式中：δD、δ18O为所研究水体中δD、δ18O的平均值；δD1、δD2分别为不同端元水体中δD的值；δ18O1、δ18O2分别为不同端元水体中δ18O的值；F1、F2分别为不同端元对所研究水体水量的贡献率。

通常估算河流营养盐输送的通量时，用河流流量与营养盐的平均浓度相乘得到，则计算营养盐贡献量可以按照下列公式计算:

f=10-3Mqc

(4)

式中：f表示营养盐的输送通量，g/s；q表示流入或流出水团的流量，m3；c表示各种营养盐的平均浓度，μmol/L；M表示各营养盐的摩尔质量，g/mol[15,16]。

结合氢氧同位素对于干支流水体水量的交换估算，则可利用估算水量和各营养盐平均浓度定量估算干支流营养盐的贡献量[17]。

2 结果与分析

2.1 氢氧同位素时空分布

对样品氢氧同位素室内上机结果显示长江干流δD大致分布范围为-7.940 26%～-5.598 07%，平均值为-7.279 94%，与河口(δD-7.991 15%～-5.711 97%，平均值-7.4676 4%)分布状况基本一致。回水区(δD-8.360 61%～-5.342 75%，平均值-7.484 86%)与长江干流和草堂河河口在最低值上相差较多，即回水区较长江干流和草堂河河口δD贫化。与长江干流、河口和回水区氢氧同位素的分布来比草堂河源头(δD-5.019 06%～-4.822 83%，平均-4.912 56%)的水体更富集δD。从时间上来看源头的δD分布全年维持在较稳定水平，到5月份随着水位的降低δD含量上升至全年最高-5.717 2%，在低水位运行期和蓄水期δD逐渐贫化，且在此过程中长江干流与草堂河河口变化趋势一致，呈现出明显的季节性效应，具体见图2。δ18O的分布也有相同规律如图3，这种较大的端元差异说明在水团混合过程中以干-支流水团混合作用为主，支流-源头水团混合作用较弱。草堂河回水区水体作为长江干流与支流源头水团混合的结果，在端元差异较大的条件下，适用二元线性混合模型[18]估算不同端元混合比例，估算得出2015年长江干流对草堂河回水区的水量补给率约为96.4%，每月补给率不低于85.77%，库湾水体在较大程度上受干流倒灌影响的支配。

图2 2015年全年草堂河及其毗邻长江干流水体δD平均值变化曲线

图3 2015年各采样区域δD、δ18O最大值、最小值、平均值柱状分布

2.2 营养盐时空分布

取各点位TP、TN平均浓度逐月变化如图4，结果显示长江干流与草堂河河口的TP随月份变化趋势基本一致，且含量相近，均介于0.10～0.15 mg/L，呈现出消落期水体TP先降低后升高，3月份达消落期最低值。而源头TP浓度要比长江干流和河口底30%到80%，4月份含量差距最大相差84%之多；低水位运行期长江干流水位日变化大[17]，支流水体存在一个滞后反应期，导致长江干流TP要高于河口，但水体最终趋于掺混均匀，长江干流和河口TP浓度也必趋于一致。而源头水体TP含量升高比较平稳，每月涨约40%；而在蓄水期和高水位运行期长江干流TP含量和河口TP含量呈现出比较激烈的相互混掺，而源头水体TP含量十分稳定，平均单月变化不到5.5%。对于TN而言，从时间上来看长江干流和河口变化趋势很相近，总体表现为春夏比秋冬高出约0.1 mg/L。而源头的TN含量较长江干流和河口变化较大，分别在6月(3.5 mg/L)、10月(3.1 mg/L)出现峰值，且TN含量全年偏高，有利于藻类水华的发生[19]。

3 讨 论

3.1 水库各运行期草堂河干流倒灌模式探讨

根据三峡大坝坝前水位及水位日变幅将研究对象分为消落期(1-5月)，干流水位降低，水位日变化的时间差异显著、低水位运行期(6-8月)水位在145～155 m之间，水位日变化大、蓄水期(9-10月)水位上升，水位日变化仅次于低水位运行期、高水位运行期(11-12月)三峡水库以175 m左右高水位运行，水位日变化小，4个时期[20]。

消落期[图5(a)、(b)]水体氢氧同位素分布表从水平方向上来看从河口到源头表现出δD，δ18O的逐渐富集，由中底层的重同位素富集状态可知，源头富重同位素水体对回水区甚至河口水体存在从底层的输入补给。相应的中表层水体氢氧同位素偏负，且偏负水体占比面积较大，说明长江干流水体主要从中上层倒灌对草堂河进行水量补给[21]。低水位运行期[图5(c)、(d)]时水库处于全年最低水位，δD平均值为-5.850%较消落期富集程度高出约30%[22]，但是源头依然为重同位素贡献率最高的地方，由图5(c)、(d)显示水平方向上中层和表层水体δD、δ18O均为先减小后增大，且长江干流(δD=-5.666%、δ18O=-0.854%)较回水区(δD=-5.878%、δ18O=-0.867%)更富集重同位素，说明在低水位运行期水位日变幅过大导致干流和源头水体对回水区水体均有补给，但仍以干流补给为主。水库蓄水期[图5(e)、(f)]，水库水体主要由降雨补充且在长时间的低水位运行过程中水体混合比较均匀，受季风气候的影响干流水体表现出富集重同位素现象，沿草堂河河口到源头，氢氧同位素表现为先贫化后富集。干流水体对草堂河支流水体主要从底层和中层进行补给，由于回水区末端的阻滞，草堂河源头水体趋于稳定且表现为从干流放射状贫化氢氧同位素。高水位运行期[图5(g)、(h)]经过蓄水期水位的抬升，干支流均处于较高水位，水位日变幅也较小，从水平向来看表底层均存在富重同位素的水团，这可能是长江干流水体与源头水体在对回水区同时进行水量补给的时候两方水流相互作用形成的水团。从垂直向来看，氢氧同位素丰度的变化基本是先减小后增大，这是由于长江干流水体基本由中下层补给草堂河是与回水区水体作用产生的水动力现象[24]。

图4 草堂河及毗邻长江干流采样区域TP、TN分布曲线

图5 不同水库运行期库湾δD、δ18O空间分布

3.2 水库干流水量及营养盐贡献总量估算及意义分析

利用二元线性混合模型估算出干流对草堂河各时期的水量补给:消落期、低水位运行期、高水位运行期长江干流对草堂河回水区的平均水量补给率相差不大分别为96.09%、97.20%、97.35%，蓄水期为85.77%相对较低。表1列出了长江干流、源头对草堂河回水区水体δD的贡献量的估算，干流全年贡献率在93.28%～98.41%之间浮动，且全年平均贡献率为96.40%。源头全年贡献相比干流贡献较小仅为3.6%。由公式(1)～(4)可估算出干流对草堂河水体营养盐贡献量：草堂河全年水量2.37 亿m3其中96.40%水量来源于干流倒灌补给，实测干流TP全年平均浓度0.112 mg/L，即干流对于草堂河水体TP补给量约为25.59 t。实测干流TN全年平均浓度2.101 mg/L，同理可估算干流对草堂河TN年贡献量为479.57 t。由表2可知，长江干流水体TP、TN平均贡献估算误差均在15%以下。

表1 长江干流、源头水体对草堂河回水区水体δD贡献估算 %

表2 长江干流水体TP、TN平均贡献估算及误差分析

夏季水体温度较高，太阳辐射增强有利于藻类大量繁殖，夏季过后的9、10月份藻类逐步死亡分解导致水体营养盐含量增高，加之涨水期间两岸污染物受水体浸泡直接进入水体，导致蓄水期水质富营养化严重。若将干流水体营养盐补给量定量估测，将十分有利于两岸入水污染物评价，为水库水质污染控制提供有效参考[25,26]。相比较而言草堂河全年水量基本来自于干流倒灌水体所贡献，水体营养盐除干流水体和源头来水贡献外，仍有内源和外源贡献，内源可通过沉积物采样进行定量估算；外源分为点源和面源,点源可对具体营养盐源采样估测，面源贡献则可通过相差比较估算；综上利用水体氢氧同位素对水体营养盐贡献和水体面源营养盐贡献均为有效可行的估测方法。

4 结 论

(1) 草堂河为短小型河流，河流水体随干流水位变化非常敏感，通过对草堂河全年氢氧同位素分布调查研究，利用二源线性混合模型估算草堂河来自于干流的水量补给率为96.4%。源头水量补给仅占3.6%。

(2) 通过对长江干流和草堂河支流点位营养盐含量分析显示TP的补给基本来自于干流，且TP、TN全年变化趋势草堂河与邻近长江干流基本一致。支流源头TP要明显低于回水区，TN仅在夏季和10月份有突增，说明源头来水水质较好。

(3) 通过分析氢氧同位素空间分布可估算出长江干流对于草堂河的水量补给率为96.4%，而干流对支流TP的补给量估算为25.59 t，TN的补给量约为479.57 t。