水库对地表水溶质运移效应的研究进展

刘杨, 孙辉,2, 李鑫, 陈玉雯

(1.四川大学 环境科学与工程系,成都 610065; 2.四川省土壤环境保护工程技术中心,成都 610065)

水库作为调节、储存和控制水资源的人工系统,有其独特的水文学特征,水库蓄水后将产生一系列复杂的连锁反应。水库除影响水量年出口率外,还调节溶解物和颗粒物部分的相对占比[1],改变河流原有能量场、生物场和化学物质场,干扰库区物质循环[2-3]。近几十年来,为了满足日益增长的供水、发电和防洪需要,世界范围内人工水库的建设急剧增加,预计到2050年,人工水库建成面积将以每年1.2%的速度从4×105km2扩大到近1×106km2[4]。已有研究报道,因水库大坝的拦截滞留效应,世界沿海水域的沉积物流入减少了20%[5]。水库建设还可能对水质和自然生态系统的自净能力产生一定的负面影响,如水库大坝在蓄水层中截留分解植被、从沉积物中释放磷、比典型的天然湖泊扩散污染物的速度慢等[6-7]。很多水库都因水深、流动性差、点源非点源多相污染物复杂传输等,存在一定富营养化或污染问题[8-9]。随着社会经济的发展,城市化进程的加快,水质性缺水问题日渐突出,水库已成为我国多数城市地区的重要饮用水水源地,是地表饮用水源的重要组成部分,关乎人类健康和社会可持续发展。对水源型水库水质的要求高,但对其开展的系统研究和采取的有效控制措施有限。人类活动产生的污染物随地表径流和大气沉降等方式进入水体,使污染严重的水库不能再继续供水。目前，水库拦截对地表水溶质输运特征及其生物地球化学循环过程的系统性研究鲜见报道,然而受到的关注却日益增强。因此,本文对水库系统溶质运移的生物地球化学过程进行梳理,以期为水生态环境特征的研究、保护和改善水源水质提供理论借鉴。

1 水库对地表水溶质的沉淀效应

1.1 水库对重金属的沉淀效应

由于重金属普遍具有毒性、污染持久性、生物蓄积性,而使环境重金属污染受到人们的广泛关注[10]。重金属通过不同的方式和过程(如降水、径流、大气沉积、迁移、吸附、点泄漏等)进入地表水,一部分水溶性重金属被悬浮在水体中的颗粒物所吸附,经过一段时间絮凝,然后沉淀累积在底泥中[11]。由于沉积的重金属在沉积物、沉积物-水界面发生交换、溶解或者再悬浮,该过程导致底泥中重金属富集以及向水体的再释放,这可能影响到一些种类的重金属在河流中传输的过程和通量。

水库对流经河流中的重金属具有沉淀效应。金晓丹等[12]研究发现,水库区域水体中As、Fe、Cr、Pb的沉降率分别为41%、79%、47%、23%;在墨西哥的Alzate水库中,Zn从上游到下游的分布特征是在Lerma河入口浓度最高、坝前附近浓度最低,其他重金属如Cu、Fe、Cr和Pb的浓度也表现出明显的沿程下降的特征[13]。这表明水库对水体输入重金属具有自净效应,一部分重金属沉降到底泥的过程使水体中重金属的浓度降低。水体中重金属的沉积速率随河流水力情况而变化[14],当上游来水量小或水库蓄水完成时,水库流速降低，导致吸附溶解性重金属的悬移质沉降作用增强,再悬浮作用减弱,从而有利于水体中重金属浓度降低。尽管因水库沿程的水动力学特征差异和沉积过程分异,导致从坝前到库尾的底泥中重金属含量存在差异,但是底泥(沉积物)不可避免地成为了湖库水体系统中重金属的重要“汇”。底泥和上覆水体之间存在溶解和解析等过程,导致底泥中的重金属再次进入水体,这使得底泥成为上覆水体的潜在重金属源。尽管底泥中重金属释放的强度和通量取决于水库的水动力学条件、底泥物质生物地球化学过程和水库环境条件,但是目前针对重金属在沉积物(底泥)和上覆水体之间的迁移还缺乏比较系统的定量评估[15]。

1.2 水库对营养盐的沉淀效应

水库是水体中营养物质沉积的重要场所,当河流进入库区,水流流速减缓,水力停留时间增长,导致河流冲入水库的大量颗粒态养分负荷悬浮在地表水中或通过沉淀作用转移至库区沉积物中[16]。由于营养盐沉降过程的复杂性,而沉积物(底泥)又可通过非生物吸附、生物吸收、有机物分解或还原释放回水体来保留-释放营养盐类物质,因此,水库中营养盐总输出量可能会极大偏离营养盐总输入量负荷,从而充当营养盐物质的“汇”或“源”。

水库蓄水后水动力条件的改变使营养盐类物质也会加速沉积。研究显示,青草沙水库对长江来水水质有较强的水体自净功能,其营养盐中总磷、总反应磷、总非反应磷的沉降率分别为69.28%、80.38%、41.24%,营养盐中总氮、硝酸氮和氨氮的沉降率分别为43.44%、45.71%和40.00%[12]。上游输入到铁门水库的营养盐已经很少,是水库内部生物和非生物过程对营养盐的滞留沉淀效应导致下游营养盐输出通量的减少,而不是蓄水规模控制营养盐的收支[17]。由于水体中颗粒态磷远多于可溶性磷,因此磷主要是通过沉积和掩埋作用被去除。水库中大约60%的磷是通过沉积作用被去除掉的,具体表现为被藻类吸收或被悬浮物质吸附；总磷、无机磷和有机磷的平均沉积速率在水库进水口处最高,在大坝出水口处最低[18]。

2 水库对地表水溶质的转化

2.1 水库对氮、磷营养盐的转化效应

地表水系中的氮、磷营养盐在输移过程中,会发生形态变化,例如,无机物—有机物与溶解颗粒物之间的转化,或者从水系中被去除,这些过程对水库中自养浮游生物、水生植物和异养微生物都有重要作用[19]。一般来说,水库蓄水后地表水停滞较长时间,营养物质在水体的输移过程中会经物理过程和生物过程转化,对营养盐循环产生干扰[16]。水库拦截时间越长,营养水平就会逐渐增高,其演化水平也越高[20]。

由于库区生态系统发育,水体中氮、磷营养盐将产生一系列连锁反应,使下游物质输出量减少。三峡水库上游输入的溶解态无机氮和磷部分被浮游植物通过光合作用转化为颗粒态有机氮和磷,据估算,水库对溶解态氮和溶解态磷的转化率分别为2%～7%和13%～42%[21]。大量悬沙在被拦截沉降的过程中,使得在三峡库区生成的颗粒态氮、磷,以及由溶解态氮、磷转化而来的生物有机态氮、磷被持留,从而使向海洋输送的氮、磷营养盐的通量减少。水库下游处的硝酸盐浓度一般都有所降低,虽然大幅降低的情况只发生在个别水库[2]。磷在生物新陈代谢过程中起重要作用,对于富营养化的水库,即使控制了外源污染,也不可能很快恢复到污染前的状态。原因在于,水体可溶性磷含量并不高,不同形态的磷又可以相互转化,沉积在底泥中的大量磷会释放到水体中[22]。三峡全库区在枯水期和丰水期,泥沙输运系数、颗粒磷输运系数都小于1,说明两个时期库区输沙量和颗粒磷因重力或泥沙沉降滞留明显,也说明库区溶解态磷被泥沙吸附转化为颗粒磷的作用更强[23]。

2.2 水库对碳的转化效应

水库的建设在区域尺度上能增加有机质沉降,因此造成的水体碳形态转化及库区沉积物中有机碳矿化对碳循环和输移有强烈的影响。水库在许多情况下被视为大气中CO2的人为碳源[24],其单位面积排放的CO2比天然湖泊的多[25],水库蓄水后淹没陆地意味着植被光合作用停止,有机碳源在植被淹没后分解产生大量CO2[26]。影响水库碳排放量的因素包括:外源有机碳输入、淹没土地有机碳的沉积量和类型、水库的年龄和水温[24]。

溶解性有机碳含量随水深的增加而减少,颗粒态有机碳含量随水深的增加而增加,向沉积物贡献大量碳,水库对碳转化有重要影响。据估算,水库沉积物每年可固定0.16～0.2 pg有机碳,这一数量可能还被低估了[27-28]。研究显示,沉积物有机碳矿化和地表水CO2分压测量值之间存在正相关关系,相比水库坝尾河流入口及库中过渡区域而言,离大坝最近的地方CO2的饱和度最低[29],沉积物中有机碳的矿化约占水库释放到大气中CO2的28%,因此,沉积物的矿化率对水体向大气排放的CO2量有重要影响。在曼索水库的3个不同区域中,有机碳矿化平均速率约100 mg/(m2·d),整个水库的面积约360 km2,则每年从沉积物向水中释放的碳约13 Gg[30]。天然湖泊中的CO2分压与溶解性有机碳(Dissolved Organic Carbon,DOC)浓度之间呈正相关,说明夏季湖泊CO2排放的主要来源是上层湖水中DOC的矿化作用,但在水库中CO2的主要来源是沉积物而不是湖水[31]。

3 水库对地表水溶质的传输效应

3.1 水库对氮、磷营养盐的传输效应

水库的修建极大程度上改变了河流的水文及水动力状况,导致营养盐输运发生显著变化。水体中氮、磷营养物质在传输过程中的持流和去除主要通过沉积掩埋、初级生产者(藻类及水生植物)的吸附和氮的反硝化作用实现;颗粒物携带的氮、磷营养盐则会加速沉积,临时或永久埋藏在水库中,可降低水体营养物质的浓度[32]。相反,一些沉积物在生物扰动、水体自身和外界环境的影响下,也会发生再悬浮,重新释放营养盐到水体中。在水库库尾到坝前的连续水体中,营养盐负荷率和持留率共同决定其营养盐的浓度[33],水库对营养盐的输出特征也显示了上下游营养物质变化和水体输送之间的关系。

水库对河流营养盐具有明显的稀释作用,是主要的营养物质库。资料显示,在马恩、塞纳、奥布3个水库中,硝酸盐、磷酸盐的持留和消除作用都很明显,硝酸盐和磷酸盐的持留率分别占到输入通量的40%和60%[34]。总磷、总溶解性磷、颗粒磷含量从上游河段到下游呈下降趋势,原因在于随着流速的下降,颗粒磷沉降导致总磷浓度下降[35]。长江口青草沙水库水体磷的最高浓度点在库尾后,库区内浓度从上游到下游依次下降,最低浓度出现在坝前区域[12]。磷在水库的停留时间受沉积物-水界面磷的迁移转化速率、生物可利用性速率和水体磷沉降过程等的影响,作为“源”和“汇”的沉积物对磷的吸附和释放能力与环境条件有密切的关系。颗粒态磷在输送过程中,由于物理、化学和生物作用,其赋存形态发生变化,铁锰结合态磷和铝氧化合物结合态磷在氧化还原条件或pH值变化幅度较大环境下,会与碳酸钙发生共沉淀[36-37]。水库中部分颗粒物在重力作用下随距离的迁移逐渐沉降,与珠海大境山水库总磷沉降速率在进口高、出口低的结论相似[18]。对英国伊普斯维奇线型水库的研究也发现,沿着水流流动方向总磷含量是在下降的[38]。氮在水库中的传输同样是一个复杂的生物化学过程。硝酸盐是氮进入水库的主要形式;水库对氮也具有水体自净功能,能降低氮在库区的浓度;硝化和反硝化作用是氮迁移和交换的主要形式[39]。

3.2 水库对碳的传输效应

人们一直努力探索水库的碳循环,然而,碳传输的路径和方式特别是与水库沉积物相关的方面仍不确定,外来碳的流入、输送与埋藏在水库沉积物中有机碳矿化的比例关系尚未得到很好的量化[40]。水库中随水流进入沉积物的有机碳有3种主要迁移方式:被好氧或厌氧细菌矿化,并以CO2和CH4的形式释放回水体;在水体中重新悬浮和矿化;永久埋藏在沉积物中,这个过程会影响水库系统作为温室气体的碳净汇或碳源对大气的整体作用[41]。水体内部生物光合作用、呼吸作用及有机质的降解矿化过程, 也会影响水体碳的输移循环。

溶解性无机碳(Dissolved Inorganic Carbon,DIC)是水体中最重要的碳组分,占比最大[30]。由于受到梯级水坝拦截的影响,水流进入库区后水势相对平缓,水量较大,加之水库内部水生植物的光合作用,必将对河流携带进来的DIC起到稀释作用,因此,DIC含量从水库上游到下游整体上呈减少趋势。同时,由于水库内部过程的影响,表层水体主要以光合作用为主,使得大量CO2被吸收,而下层水体以呼吸作用为主,导致溶解CO2增加,所以表层水体的DIC含量较下层水体的低,但这一现象会随着河流远离库区而不断减弱[42]。

3.3 水库对重金属的传输效应

在水环境中,重金属分布主要表现为水溶性、胶态、悬浮态和沉积相,自然分解过程并不能去除重金属,通常是被生物体或其他化合物富集在沉积物中[43]。然而重金属不能永远被固定在沉积物中,随着水体物理化学特征的变化,部分被固定的重金属能通过有机质矿化和一系列生物过程重新进入水体[44],导致水体二次污染,降低水体功能,通过食物链累积,甚至会产生生物毒性效应。

受库区水位周期性涨落的影响,消落区将呈现夏季出露、冬季覆水的反季节干湿交替状态,伴随水库消落过程的进行,不同重金属元素会以不同方式发生形态组成的变化,从而影响水库对重金属的传输。虽然目前对三峡库区消落区水体重金属含量有较多研究,但对沉积于消落区的沉积物重金属迁移转化还没有相关报道。消落区沉积物重金属具有活化并向水体迁移的趋势,Cu、Pb、Cd、Cr的平均迁移率分别为30.50%、26.10%、33.50%和11.77%,但消落区重金属的输移尚不足以影响库区水质,水体重金属含量较低[45]。

3.4 水库对持久性有机污染物的传输效应

持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants，POPs)普遍具有致畸、致癌、致突变性效应,在环境中残留会对人体健康和生态系统造成重大负面影响,加之POPs具有较高的生物稳定性和脂溶性,极易贮存在生物体内的脂肪组织中,可通过食物链及生物富集作用进一步扩散和富集,水生生物(如鱼类)体内的富集倍数很高,进而威胁到人类[46]。我国持久性有机污染物排放量大面广,环境和健康风险突出。

水库在对持久性有机污染物的传输中,一定程度上会起到缓冲稀释的作用。在对济南市南部卧虎山水库水体中含氯POPs(多氯联苯和有机氯农药)的研究中发现,丰水期水库上游含量最低(5.351 5 ng/L),水库出水口的总残留量(6.351 1 ng/L)低于水库中心水样的(7.039 6 ng/L);枯水期水库上游的残留量(1.621 8 ng/L)高于出水口的(1.618 7 ng/L)和高于中游区域的(1.431 2 ng/L)。丰水期雨水充足,日温度高,有利于污染物在环境和水体中的迁移,枯水期水体经常处于好氧状态,所以丰水期POPs的迁移和残留高于枯水期的[47]。关于水库中新出现污染物(Emerging Pollutants,EPs)的行为和现状资料很少,在Guarapiranga水库中雨季共检测到31种EPs和农药,旱季共检测到27种EPs和农药,在水库中呈梯级变化,从库尾到坝前浓度逐渐降低,但不同季节其存在和浓度呈现出不同模式,并不总与人类活动的影响直接相关,其可能原因是水库水量的季节性变化等影响扩散源的污染输入。改变水库水动力学,及物理、化学和生物过程等也会导致污染物降解或消除速度不同[48]。

4 结论

1)水库对地表水中溶质运移过程的生物地球化学行为影响显著,河流中部分重金属、颗粒态营养盐在流经水库的过程中会沉淀下来被持留,部分被持留的会再悬浮重新进入水体,因此会减少河流向下游的物质输出。水库中溶解态氮磷营养盐、碳、持久性有机污染物在运移过程中会发生一系列复杂的连锁反应被转化或者去除,仍然会减少下游物质的输出通量,水库的“源”“汇”角色可能会随时间发生变化。

2)人类活动已成为河流物质输送的重要干扰因素,河流水生态化学环境逐步受其严重影响,常伴随水库污染和富营养化现象。然而,关于水库如何影响河流营养物质、重金属等的迁移转化,从而影响河口、下游的物质流量,这些方面的系统研究甚少。水库的捕获转化机制、沉积物-水界面实际吸附-解析的反应机制复杂,尚待深入研究。