三峡水库不同调度期水体氮形态时空分布特征

时 瑶,赵艳民,秦延文,马迎群,韩超南,张 雷,杨晨晨,刘志超

(1.中国环境科学研究院 环境基准与风险评估国家重点实验室,北京 100012; 2.中国环境科学研究院 水环境管理研究室,北京 100012;3.南京林业大学 土木工程学院,南京 210037)

氮是重要的营养元素，也是影响和控制水体富营养化的重要因素[1]。氮素通过氨化、硝化和反硝化作用，以多种形态参与生物过程，并逸入大气发生交换，成为水体初级生产力关键的限制性因素之一[2-6]。氮形态在同一水体不同时间、不同水深的变化差异较大，不同形态的氮参与生物地球化学循环的作用不同，对水体富营养化的贡献亦不同，仅仅研究氮的总量难以判断氮素对水环境的影响[7-8]。因此，阐明水体氮形态组成特征与时空变化规律，对水体富营养化防治具有重要意义。

三峡工程是我国也是世界上最大的水利枢纽工程，总库容为393亿m3。三峡工程蓄水运行后，长江上游干流重庆江津至湖北宜昌段形成狭长型河道水库——三峡水库(105°44′—111°39′E，28°32′—31°44′N)，全长667 km，水域面积1 080 km2，控制流域面积100万km2。2003年6月，三峡水库首次蓄水运行，坝前水位为135 m。2006年9月，三峡水库坝前水位提升至156 m。2008年10月，三峡水库坝前水位提升至175 m。之后每年2—6月(泄水期)，坝前水位逐渐降至汛限水位145 m；7—8月(低水位期)，坝前水位保持在最低水位145 m；9—10月(蓄水期)，坝前水位逐渐升高至175 m；11月—次年1月(高水位期)，坝前水位保持在最高水位175 m[9-10]。三峡水库蓄水位每年在145～175 m范围内周期性调动，呈现“枯水期高水位，丰水期低水位”的反季节调度特征[10]。

1 材料与方法

1.1 断面设置

本研究分别于2014年10月(蓄水期)、2015年1月(高水位期)、2015年7月(低水位期)和2016年4月(泄水期)在三峡水库开展4次野外采样调查，在三峡水库上游入库河流(长江上游、嘉陵江和乌江)及水库干流(重庆江津至湖北宜昌段)共设置8个水质采样监测断面：朱沱、北碚、武隆、寸滩、清溪场、晒网坝、秭归、南津关。其中，朱沱、北碚和武隆断面分别为上游长江、嘉陵江和乌江的入库断面，寸滩和清溪场断面是入库断面，晒网坝断面为库区中部断面，秭归断面为坝前断面，南津关断面是出库断面。具体断面及站点设置见图1。

图1 三峡水库上游入库河流及水库干流采样断面分布

1.2 样品采集与处理

采用卡盖式采水器采集表层水样，每个断面采集3个平行样品。采样时先放掉少量水样，混匀后，取一部分水样立即装于聚乙烯瓶中，4℃冷藏保存；取一部分水样立即用0.45 μm醋酸纤维微孔滤膜过滤，滤液装于聚乙烯瓶中，加入2滴氯仿，4℃冷藏保存。

1.3 分析方法

分别取过滤后水样和未过滤原水样，采用碱性过硫酸钾消解，使用QUAATRO型营养盐自动分析仪分别测定水样中总溶解态氮(TDN-N)和总氮(TN-N)的浓度。

(2)水质常规参数测定。采用YSI便携式多参数水质监测仪(美国YSI6600V2型)，在采样现场即时监测表层水体的水温、pH值、溶解氧(DO)和电导率(EC)等水质参数。

1.4 数据收集及处理

收集2015年三峡水库4个水文站[朱沱、寸滩、清溪场和晒网坝(万县)]流速数据，数据资料来源于《中华人民共和国水文年鉴(长江上游干流分册)》(2010—2016年)[16]。

样品采集和测定所得全部数据经输入计算机后，运用Excel 2003和SPSS 16.0等软件进行统计分析处理。

2 结果与分析

2.1 水文、水质参数基本特征

三峡水库蓄水以后，形成了库区河道型水库与坝下天然河道两种状态，其水文水质参数也呈现出不同的变化特征[17]。2015年三峡水库干流各水文站水体流速分布情况见图2。可以看出，水体流速总体呈先上升后下降的变化趋势，1—7月(枯水期—丰水期)逐渐升至最高值(2.54 m/s)；8—12月(丰水期—枯水期)逐渐降至最低值(0.10 m/s)。三峡水库从库尾的寸滩站、清溪场至库中的万县站，流速呈逐渐减缓的纵向分布特征。长江上游朱沱站水体流速相对较大，丰水期可达2.54 m/s，平水期和枯水期最小流速为1.01 m/s。而万县站和清溪场站流速较小，2月最小流速分别为0.10 m/s(万县)，0.21 m/s(清溪场)。可见，水库水位的反季节变化特征，使得蓄水期和高水位期库区水体流速减缓，水体滞留时间逐渐延长；泄水期和低水位期库区水体流速逐渐加快，水体滞留时间逐渐缩短[9]。

图2 2015年三峡水库各水文站水体流速变化

三峡水库4个水库调度期水质参数统计结果见表1。可以看出，研究区域水温范围为10.67～27℃，不同调度期水温差异明显。pH值范围为5.87～8.73，整体处于中性偏碱性水平。EC变化范围为290.6～488.9 μS/cm，高水位期EC值最高。DO浓度范围为5.06～9.70 mg/L，存在明显的季节性变化，高水位期，研究区域水温低，DO高；低水位期则水温高，DO低，与冬、夏季日照强度不同导致表层水体复氧能力不同有关[9]。

表1 水质参数统计结果

2.2 水体氮形态含量组成特征

表2 4个水库调度期不同氮形态浓度 mg/L

图3 DIN组成百分含量的空间分布

2.3 水体氮形态空间分布特征

从图4可以看出，由于受到研究区域地形环境、水动力学特征、水体生物活动及污染来源等因素的影响，研究区域不同调度期水体氮形态分布差异较为显著。

图4 4个水库调度期水体氮形态沿程分布

2.4 水体氮形态季节变化特征

图5 水体氮形态的季节分布

2.5 水体基本理化因子与氮形态分布特征的关系

水体氮形态分布主要受外源性输入氮素、沉积物内源释放氮素以及水体生物硝化和反硝化的多重作用影响[34]。氮素输入后经过复杂的生物地球化学过程，其含量及形态分布受水体理化性质的影响。为此，本研究分析了不同氮形态之间，以及水体主要理化因子(pH值、水温、DO，EC)与各氮形态之间的相关性，结果见表3。

表3 氮形态与水体环境因子及氮形态之间的相关性分析

3 结 论