筑坝蓄水对夏季黑河氮磷营养盐空间分布特征的影响

王 昱,孔德星,冯 起,张昕雨,左一锋,汪 双,卢 晗

(1.兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室,甘肃 兰州 730050；2.中国科学院西北生态环境资源研究院内陆河流域生态水文重点实验室,甘肃 兰州 730000)

河流是全球物质循环的重要通道之一，氮磷营养物质是维持河流水生态系统健康的核心组分，其收支状况、水平特征及循环过程对河流生态系统的运转起着关键作用[1-3]。然而，随着社会经济发展对水资源和能源的需求增加，大规模梯级筑坝蓄水已成为人类开发河流的主要活动之一。梯级筑坝蓄水在提高水资源利用效率的同时，也改变了原始河流的水动力条件，导致营养盐运移介质的理化性质发生显著变化，进而影响氮磷营养盐的地球化学循环过程[4-6]。同时，高坝大库引起的水温和溶解氧分层阻碍了上下层水体的混掺和物质交换，使得库区水-沉积物界面长期处于还原状态，极大地降低了沉积物的吸附作用，从而使沉积物中的氮磷营养盐从水-沉积物界面释放，造成库区水体富营养化等不良生态效应[7-9]。河流中的氮磷循环包括生物循环、沉积物吸附释放和悬浮物迁移等过程[10]。筑坝蓄水会使河流沉积物中氮磷原有的固-液相动态反应平衡发生变化[11]，同时颗粒物沉降引起的盐度、pH值改变不仅降低了盐离子对沉积物吸附点位的竞争能力，还使得氮磷在氧化条件下的结合态转变为还原条件下的溶解态，造成氮磷的空间差异性更为显著[12-13]。与低海拔、温热带地区的外流河相比，高海拔地区的内陆河动植物种类数量较少，生物循环的吸收利用能力较低[14]，难以有效削减库区水体及沉积物的氮磷负荷，而水流流速的降低也加剧了沉积物对水体氮磷的吸附/解吸作用[15]，从而加剧库区氮磷营养物质的富集。因此研究大坝干扰下内陆河流水体及沉积物氮磷的空间分布特征，对河流生态系统的保护和管理具有重要的指导意义。

目前，国内外学者针对筑坝蓄水对河流氮磷分布的影响进行了大量研究[4,6,11]，但多集中于沉积物或水体单一方面，忽略了营养盐在水体及沉积物中的转化机制，较少基于营养盐在水体及沉积物间的转化关系来分析筑坝蓄水对氮磷营养盐分布的影响。黑河作为我国第二大内陆河，是河西走廊绿洲赖以生存和经济社会持续发展的重要水资源基地[16-17]。近年来，随着电力资源和水资源调配的需求增加，上游干流建设了大量梯级电站，使得河流水动力条件逐渐改变，加之工农业的快速发展及城镇污水排放，导致大量氮磷营养盐在库区积累，易造成水质污染、水体富营养化等生态环境问题。为此，以黑河上中游为研究对象，分析水体和沉积物中氮磷含量的空间分布规律及其与理化因子之间的关系，探讨筑坝蓄水对氮磷迁移转化的影响，以期为西北内陆河流环境的有效治理提供理论依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

黑河发源于祁连山北麓，流域范围介于37°45′～42°40′ N，96°42′～102°04′ E之间，流经青海、甘肃和内蒙古，干流全长821 km，流域总面积为14.3×104km2。以莺落峡和正义峡为界，划分为上、中、下游，莺落峡以上为黑河上游，主要由支流野牛沟河与八宝河在黄藏寺汇合所构成，其干流穿越祁连山谷至莺落峡，出山后进入中游走廊平原，经正义峡流出，转入下游额济纳，最终汇入居延海。

笔者选择黑河上中游地区为研究区(表1)，其中上游海拔在2 600～4 300 m之间，多年平均气温为-5～4 ℃，年降水量超过350 mm，部分区域可达600～700 mm，冰川融水量约为4.0×108m3，气候阴湿寒冷，植被覆盖较好，是黑河流域的主要产流区，其经济活动主要以畜牧业为主，并存在部分工矿企业。中游地区年降水量不足200 mm，年蒸发量在1 400 mm左右，区内光热资源充足，是黑河径流的主要利用区，工农业较为发达，是污水排放的主要河段。黑河属于典型的内陆河，来水主要由降水形成的地表径流、冰川、融雪和地下水等组成，其中降水补给约占90.5 %，冰川融水补给占9.5%[18]。6—9月是河源径流的丰水期，该时段径流量约占全年径流量的69.6 %，枯水期10月—次年2月来水量约占全年总量的15.9 %[19-20]。

表1 黑河上中游河道及水文要素特征

数据来源于甘肃省水文水资源局1968—2018年资料。

黑河流域水电梯级开发主要分布在上游干流山区，其水能资源蕴藏量为106×104kW，可开发量为52.8×104kW，年发电量为38.48×108kW·h。根据地形情况，干流从上到下共规划了9座梯级电站，依次为黄藏寺、宝瓶河、三道湾、二龙山、大孤山、小孤山、龙首二级、龙首一级以及龙渠电站。截至目前，干流河段已建成8座梯级电站(表2)。

表2 黑河上游水电开发情况

1.2 样品采集与分析

为研究筑坝蓄水对黑河氮磷分布特征的影响，将黑河干流划分为上游支流河段、上游筑坝河段、中游自然河段，选择28个主要控制断面进行调查(图1)。

根据水文站分布情况、行政区划分属性及梯级电站分布，分别在上游支流河段(ZL1、ZL2、ZL3、ZL4、ZL5、ZL6、ZL7)、上游筑坝河段(TJ8、TJ9、TJ10、TJ11、TJ12、TJ13、TJ14、TJ15、TJ16、TJ17、TJ18、TJ19、TJ20)、中游自然河段(ZR21、ZR22、ZR23、ZR24、ZR25、ZR26、ZR27、ZR28)设置断面进行采样，其中TJ8、TJ9、TJ10、TJ12、TJ13采样点为库区。于2018年7月、2019年8月分别进行采样，野外使用哈希便携式水质仪检测水温(WT)、pH值、溶解氧(DO)、盐度(SAL)，同时采集1 L表层水样，固定后置于4 ℃保温箱运回实验室，测定总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、亚硝态氮(NO2-N)浓度及化学需氧量(COD)等指标；采用彼得逊采泥器采集500 g表层沉积物，置于聚乙烯塑料袋中用4 ℃保温箱运回实验室，测定TN、TP、硝态氮(NO3-N)、NH3-N、TOC含量等指标。水样及沉积物指标监测方法如表3～4所示。

表3 水质监测分析方法

1.3 数据分析方法

首先使用ANOVA方差分析法对黑河上中游不同空间类别上水体及沉积物的氮磷含量差异进行分析，再利用Pearson相关分析识别影响氮磷分布的主要理化因子及其在水体及沉积物中的相关关系。在采用方差分析与Pearson相关分析探讨差异性及相关性之前，为了消除各指标间不同量纲的影响，将原始数据进行标准化处理，即均值为0，方差为1。上述分析均在Excel 2010、SPSS Statistics 20.0和Origin 9.0软件中实现。

2 结果与分析

2.1 理化因子的空间分布特征

黑河流域水体及沉积物理化因子的空间分布如图2所示。调查表明，黑河上中游水体总体符合Ⅱ类水质标准，其中水体DO质量浓度均值为7.35 mg·L-1，表现为上游支流河段低、中游自然河段高的特点，且随沿程呈明显增加趋势；水体pH值在各河段的变化与DO一致，也表现为上游支流河段最低(8.81)、中游自然河段最高(9.03)；但盐度与水温在上游筑坝河段最低(0.27‰、17.75 ℃)，并表现为沿程下降趋势，分别下降8.62%和22.45%。沉积物TOC质量浓度在上游筑坝河段最高(10.30 mg·L-1)，而水体COD质量浓度在上游筑坝河段最低(14.91 mg·L-1)，且均无明显的空间变化特征。

上游筑坝河段各水库的DO浓度和水温垂向变化特征如图3所示。调查表明，各库区均有水温分层现象，即随水深增加，水温逐渐降低。其中以库容较大、海拔较低的TJ12水库底表层变化梯度最大，为5.2 ℃；库容最小的TJ9水库变化梯度最小，为1.5 ℃。

但TJ13水库水下5 m至底层水体的水温变化梯度最为明显(1.7 ℃)。总体上，除水深最大的TJ13水库外(25 m)，其他水深较小水库的底层水温均高于距底层5 m处。

DO也仅在水深较大的TJ13水库呈现随水深增大其浓度逐渐降低的变化趋势，其他水库的DO呈现随水深增大其浓度逐渐升高的变化趋势。尤其是TJ12水库的水深与TJ13相差不大，但DO垂向分布却截然相反，这与水库海拔及水体有机质含量有关。调查表明，TJ12、TJ13水库均位于高海拔地区，水体DO浓度的季节性变化较小，库区水体DO浓度在整个分层期均处于饱和状态。但TJ12水库COD及TOC浓度较低，且下层滞水层水温低于表层水体，因而DO浓度比上层高[21]。相比于TJ12水库，TJ13水库水下5 m至底层水体的水温梯度最为明显，水体垂向循环较弱。同时，其水体COD及沉积物TOC含量分别为TJ12水库的1.4及2.4倍，水-沉积物界面有机质的分解消耗了大量DO，但显著的水温分层导致大气溶解氧难以向下传递，进而使得下层水体因复氧不足、耗氧加剧而出现DO浓度较低的现象[22]。

2.2 河流水体中氮磷浓度的空间分布特征

黑河上中游水体氮磷浓度的沿程变化如图4所示。总体而言，黑河上中游水体氮磷浓度较低，水质状况较好。TP质量浓度变化范围为0.01～0.38 mg·L-1，均值为0.15 mg·L-1。TN质量浓度变化范围为0.21～4.22 mg·L-1，均值为0.72 mg·L-1。TP、TN浓度均属于Ⅲ类水质标准。从空间分布来看，上游支流河段与中游自然河段的水体TP质量浓度较低，分别为0.06与0.13 mg·L-1，属于Ⅱ、Ⅲ类水质。上游筑坝河段的水体TP质量浓度最高(0.20 mg·L-1)，并呈沿程下降趋势，由TJ8水库的0.38 mg·L-1下降至TJ20水库的0.19 mg·L-1，下降50.16%。TN质量浓度在中游自然河段最高(1.16 mg·L-1)，并超出功能区目标限值的1.2倍，上游筑坝河段次之(0.54 mg·L-1)，并呈逐渐增加趋势。

单因素ANOVA分析表明，水体TP浓度在上游支流河段与上游筑坝河段呈显著的空间差异(Sig.值<0.01)，水体TN浓度在中游自然河段与上游支流河段、中游自然河段与上游筑坝河段间均存在显著差异(Sig.值<0.05、Sig.值<0.01)。水体NH3-N和NO2-N质量浓度均值分别为0.12和0.006 mg·L-1，NH3-N浓度显著高于NO2-N，表明水体中溶解性无机氮主要为NH3-N。但水体TN与NO2-N浓度之间呈现相似的波动特征，相关性分析表明TN与NO2-N浓度之间高度相关，相关系数达0.744。

2.3 黑河干流沉积物氮磷含量的空间分布特征

黑河干流沉积物氮磷含量的沿程变化如图5所示。沉积物TP含量变化范围为28.44～1 078.11 mg·kg-1，平均值为224.83 mg·kg-1；TN含量变化范围为56.00～644.00 mg·kg-1，平均值为235.67 mg·kg-1。在各河段中，沉积物TP含量在上游筑坝河段最低(95.68 mg·kg-1)，上游支流河段次之(134.51 mg·kg-1)，中游自然河段最高(325.55 mg·kg-1)，且在各河段无明显的沿程变化趋势。沉积物TN含量在上游筑坝河段最高(270.59 mg·kg-1)，并呈增加趋势，增加量为140.00 mg·kg-1。

方差分析表明，TP含量在中游自然河段与上游支流河段、上游筑坝河段均存在显著差异(Sig.值<0.01)，TN含量在各河段的差异性不显著。沉积物NH3-N和NO3-N含量均值分别为36.36和54.55 mg·kg-1，NO3-N含量高于NH3-N，表明沉积物中溶解性无机氮主要为NO3-N。同时，沉积物TN与NO3-N含量之间的波动特征较为相似，相关性分析表明TN与NO3-N含量的相关性较为显著(r=0.557)。

3 讨论

3.1 水体及沉积物氮磷空间变化特征分析

筑坝蓄水后，强水动力条件下的河流搬运作用将逐渐演变为弱水动力条件下的湖泊沉积作用，进而导致水库对河流沉积物、营养盐颗粒等物质的沉积滞留效应增强，筑坝蓄水河段氮磷分布特征发生显著变化[23-24]。此次调查结果显示，黑河流域上游筑坝河段水体TP浓度远大于中游自然河段与上游支流河段，并与上游支流河段存在较为明显的差异，主要原因是筑坝蓄水会形成较大面积的库区，这在增加水体滞留时间的同时也截留了大量营养物质，提高了磷素的滞留能力，进而对磷素形成了一定的“滞留效应”，使得上游筑坝河段的水体磷浓度显著升高[25]。但筑坝蓄水对磷素的“滞留效应”并未在上游筑坝河段的沉积物中体现，其沉积物磷素含量仅为95.68 mg·kg-1，且显著低于中游自然河段沉积物磷素含量(Sig.值<0.01)，这可能与库区水体水温、DO浓度的分层有关。研究表明，稳定的热分层结构易使得库区水-沉积物界面处于厌氧状态，而厌氧状态下的磷素难以与氧化性物质结合被沉积物所吸附[26-27]。在此次调查中，DO浓度仅在水深较大的库区随水深的增大而降低，黑河干流各水库中TJ8水库水深最大，库区DO浓度分层最为明显，水-沉积物界面长期处于还原状态；同时TJ8水库位于干流梯级水库的最上游，因支流八宝河金属矿开采、冶炼及支流野牛沟过度放牧产生的大量磷素被滞留于库区[28-29]，但水-沉积物界面的缺氧状态使得磷素难以被沉积物所吸附，因而其水体磷素浓度较高。相比于TJ8水库，其他水库水深较浅，底层水体DO浓度比上层更高，进而使得水-沉积物界面还原性物质被氧化，磷素也易与氧化性物质结合形成絮状物在库区沉淀[30]。

水温、盐度与水体TP浓度呈显著正相关关系，这也表明沿程降低的水温、盐度在一定程度上促进了水体磷素的沉降(r=0.734、0.722)，因而水体TP浓度表现出明显的沿程下降趋势[31-32]。但上游筑坝河段的沉积物TP含量并没有表现出明显的沿程变化趋势，这可能与沿程的沉积物粒径不同有关。有观点认为，沉积物粒径大小对污染物的吸附、解吸及迁移存在一定的影响，不同粒径的沉积物因比表面积及离子交换活性不同，对磷素的吸附能力也不同[33-34]。黑河流域梯级水库的建设使得库区沉积物粒径较自然河段明显减小，坝下游河段较自然河段粒径粗化显著，水库回水区沉积物粒径介于自然河段和坝下游河段之间，沉积物粒径沿程变化趋势变得更为复杂[35]，进而影响到其对磷素的吸附作用，造成沉积物TP含量无明显的变化趋势。

与磷素变化不同，氮素在上游筑坝河段沉积物中的含量最高，中游自然河段和支流河段的含量较低。同时研究区水体及沉积物TN都与TOC含量呈显著正相关关系(r=0.530、0.443)，表明水体及沉积物氮素主要来源于河床有机质的分解，河床有机质含量与水-沉积物界面的氨化、硝化作用是氮素含量变化的主要影响因素。筑坝蓄水改变了河流的搬运作用，使得大量有机质及营养盐颗粒在库区沉降，沉积物TN及TOC含量都较高，夏季热分层效应阻碍了有机质的分解，也在一定程度上降低了水体氮素含量。随着海拔的不断降低，DO浓度也逐渐升高，河床有机质分解加速，因此从TJ8水库段起水体及沉积物氮素含量都出现了一定的增长。而中游自然河段受筑坝蓄水影响较小，工农业活动及生活污水排放是造成其水体及沉积物氮素含量较高的主要原因[36]。但相比其他采样点，ZR21采样点(黑河湿地公园)水体及沉积物TN含量均异常增加，这是因为湿地公园动植物种类、数量较多，大量动植物残骸及有机质易被微生物分解为无机氮[14,37]，故水体及沉积物氮素含量均较高。

3.2 氮磷营养盐空间差异的影响机理分析

相关性分析表明，上游筑坝河段水体的TN、TP浓度都与盐度呈显著相关关系(r=-0.734、0.722)，但在中游自然河段的相关性不显著(r=0.442、0.285)，原因可能是筑坝蓄水降低了水体盐度，使其在上游筑坝河段与中游自然河段的差异性(Sig.值=0.002)显著高于上游支流河段与中游自然河段的差异性(Sig.值=0.048)，进而引起沉积物NO3-N释放量的降低及Fe-P释放量的增加，对沉积物与水体之间的氮磷交换产生了一定影响[38-39]。一般认为，沉积物和水体间的营养盐交换是水体中营养盐来源和归趋的重要过程[40]。当水体和沉积物中的营养盐存在浓度差时，浓度梯度的驱动将会引起营养盐的扩散转移[41]。以往研究表明，沉积物中有机质经微生物矿化作用产生NH3-N并向水体释放的过程，是沉积物氮素对水体氮素供给的一个重要机制[42-43]。而在笔者研究中，这种供给机制仅在中游自然河段有较为明显的体现，在上游筑坝河段不明显。这是因为筑坝蓄水引起水动力条件改变，影响了水流对沉积物表层的剪切作用及微生物的氨化-硝化作用，进而导致沉积物对水体氮磷营养盐的吸附/解吸特性发生变化，使得沉积物营养盐对水体营养盐的供给机制在筑坝河段不明显[44-45]。而中游自然河段受筑坝蓄水活动的影响较小，故水体与沉积物中的TN、TP含量(图6)，以及TOC与水体及沉积物氮素含量均呈显著的相关关系(r>0.700，表5)。同时，水体TN与盐度的相关性较弱，与水温、pH值相关性较强(r=0.631、-0.619)。

根据上述分析及近30 a水文资料，确定黑河流域汛期为6—9月，非汛期为10—次年5月，在保证防洪安全的前提下，建议采用预泄调度方式(即洪峰前加大机组过流量以降低水位，洪峰过后水位上升)，增加库区水位变幅，使水体垂向循环更为频繁，水体DO浓度增加，避免因库区水温分层造成水质恶化。

4 结论

(1)黑河上中游水体TP质量浓度变化范围为0.01～0.38 mg·L-1，均值为0.15 mg·L-1；TN质量浓度变化范围为0.21～4.22 mg·L-1，均值为0.72 mg·L-1；TN、TP质量浓度均符合Ⅲ类水质标准。氮素含量水平略高于磷素含量，其中水体氮素主要以NH3-N的形式存在，沉积物氮素主要以NO3-N的形式存在。就空间分布而言，上游支流河段水体氮磷质量浓度较低(0.47、0.06 mg·L-1)；上游筑坝河段沉积物氮素含量较高(270.59 mg·kg-1)，但水体氮素质量浓度较低(0.54 mg·L-1)；中游自然河段沉积物的氮磷含量均较高(276.00、325.55 mg·kg-1)。

(2)方差分析表明，水体TN、沉积物TP含量在上游筑坝河段与中游自然河段的差异性显著(Sig.值<0.01)，水体TP浓度在上游筑坝河段与支流河段的差异性显著(Sig.值<0.01)。同时，水体及沉积物中的氮磷营养盐在上游筑坝河段主要与水温、盐度、DO等理化因子呈显著相关；在中游自然河段主要与COD、水温、pH值等理化因子呈显著相关。

(3)研究表明，畜牧养殖、矿物开采及工农业污水排放是黑河水体及沉积物氮磷营养物质的主要来源，而筑坝蓄水的滞留效应及其引起的环境因子变化是造成氮磷空间分布不均的主要原因。同时，筑坝蓄水活动也改变了沉积物营养盐对水体营养盐的供给机制，使得筑坝河段水体及沉积物氮磷营养盐的相关性较弱。此外，温度、海拔、库容等环境因子也是影响氮磷空间分布的重要因素。