雅砻江-安宁河并流段水沙及养分空间差异分析

庞海熔， 张志昊， 刘承邦， 敬 佩， 程家园， 叶志鑫， 梁心蓝

(1.四川农业大学水利水电学院，四川 雅安 625014；2.四川农业大学机电学院，四川 雅安 625014)

流域水沙问题是目前研究流域水土保持、径流特征、水文水质的关键问题之一。但河流水沙的形成和演化，是一个受众多因素影响的综合过程。长期以来，国内外学者对河流泥沙含量变化特征及影响因素开展了广泛研究，降水量、气候变化等自然因素对河流含沙量分布的影响弱于植被覆盖、土地利用及人类活动等因素的影响。

连运涛等关于流域水沙输移趋势及水土流失综合治理等研究表明，水土流失是流域含沙量增加的重要原因。在农业方面，流域水沙变化使得养分与污染物在河流水体中的输移发生相应的变化。地表径流易使农业生产活动中的氮、磷元素等营养物质进入附近河流水体，从而造成严重生态问题。在长江及沱江流域，卓海华等研究表明，氮磷易溶于水中、易吸附于悬浮泥沙并进行长途迁移，且其时空分布主要受到区域内城镇化水平等因素的影响。因此，针对水体泥沙变化及氮磷时空分布特征的研究具有重要意义。

Batista等对巴西格兰德河上游土壤流失和产沙的空间分布进行了研究，模拟了格兰德河流域土壤流失和产沙情况，对流向该盆地2个主要水库的泥沙量进行了量化；Zak等研究了综合缓冲区对农业径流氮磷去除的影响认为，综合缓冲区是一种有价值的改良干缓冲带，能减轻农田高养分负荷对水环境的不利影响。目前，国内流域内水沙沿程分析和氮磷时空变化分析的研究主要集中在黄河流域和其他湖泊河流，且对于含沙量与养分空间分布的相关性研究较少。

雅砻江流域面积约13.6×10km，位于青藏高原东部，流域内地形地势变化悬殊。安宁河发源于四川省冕宁县北部，是雅砻江最大的支流，其所在区域属于河谷地貌，以宽谷为主，水环境情况复杂。安宁河谷内人口众多，是凉山彝族自治州最重要的农业区和核心区域，人类活动对河流生态系统产生了很大影响。随着安宁河谷内城市化进程的不断加快，其工农业活动也逐渐频繁，导致流域内部水体、水质特征随之产生显著变化，进而使得雅砻江—安宁河并流段泥沙含量、氮磷元素含量产生明显的空间变化特征。并列于牦牛山水平最小距离18 km处的雅砻江并流段，工农业进程也逐步推进，空间水平距离较小区域内气候、地质、地形特征等应无显著差异，但实际情况显示，安宁河与雅砻江并流段的水文泥沙情势及养分特征分布截然不同。针对雅砻江—安宁河并流段水沙及养分空间分布及其变化特征对人类活动的响应机制尚未展开研究。

鉴于此，本研究以雅砻江—安宁河并流段为研究对象，通过对河流样品现场收集和试验测定，结合泥沙及水文特点，分析雅砻江—安宁河并流段水体含沙量、氮磷等指标的空间分布特征，从人类活动对泥沙含量、氮磷元素含量作用的角度，探讨影响雅砻江—安宁河并流段泥沙及养分空间分布差异的主要因素，以期为雅砻江—安宁河并流段河流水资源的综合治理提出科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

雅砻江发源于巴颜喀拉山南麓，于攀枝花市汇入金沙江，干流全长1 571 km，其中棉沙镇至桐子林站段(101°51′—101°85′E，26°43′—28°20′N)与其最大支流安宁河并行南下。研究区海拔987.5～1 437.5 m，气候属南亚热带半干旱季风气候，多年平均气温20.3 ℃。流域主要土壤类型为草地、耕地、水域、沼泽，主要有常绿林、灌木林、落叶林等植被。

安宁河位于四川省西昌市境内(101°51′—102°48′E，26°38′—28°53′N)，是雅砻江的最大支流，发源于冕宁县东小相岭记牌山，流经冕宁、西昌、德昌3个县市，于米易县得石镇(盐边县桐子林水电站)汇入雅砻江，流域面积11 150 km，干流长度约为303 km，海拔992～4 750 m，属于典型羽状水系。安宁河流域属于亚热带季风季候，年均气温16～17 ℃，年降水量在1 000 mm以上，多年平均流量为41.5 m/s(安宁河水文站)，是四川西南部多沙河流，多年平均含沙量为1.41 kg/m，而雅砻江干流含沙量较少。

1.2 断面设置及样品采集

综合考虑研究区水文特征，结合城镇分布和河道特征等因素，在雅砻江—安宁河并流段依次从上游至下游沿河段(各河段分别为雅砻江棉沙镇至金沙镇段，雅砻江金沙镇至桐子林站段，雅砻江桐子林站至下游段，安宁河老堡子至安宁河大桥段，安宁河大桥至桐子林站段，安宁河桐子林站至下游段)选取棉沙镇、金河镇、桐子林(雅砻江)段、老堡子、安宁河大桥和桐子林(安宁河)段共6个采样断面(图1)进行取样。沿每一断面横向从左至右设置3条垂线，每条垂线沿断面纵向从上至下设置3个采样点，共9个采样点，每个采样点取3个重复样。用深水采样器进行分层采集水样。

图1 雅砻江-安宁河并流段监测断面

于2020年10月对雅砻江—安宁河并流段进行样品采集，采样断面坐标见表1。每个断面分别选取表层、中层和底层，每层取左、中、右3个测点进行采样，每个断面共9个采样点，每个采样点采取水样1 000 mL，装入采样瓶中密封并带回实验室进行分析。将水样静置24 h，提取上层清液进行水体养分分析，并对下层泥沙进行烘干、称重、记录数据。

1.3 样品检测及测定

水样静置24 h后，滤去上层清液，放入烘箱，在105 ℃条件下，烘干24 h以上，得到单位体积浑水内所含干沙的质量即含沙量，计算公式为：

=-=-·=-(-)

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：为清水密度(kg/m)，本文中为1.0×10kg/m；为标准泥沙比重(kg/m)，为2.65×10kg/m；为水沙混合样品体积(cm)；为沙体积(cm)。

表1 水样采样断面坐标

为进一步分析雅砻江—安宁河并流段水体中总氮(TN)、总磷(TP)浓度空间分布的差异，对水样品进行了总氮、总磷检测。TN、TP采用分光光度法检测。

1.4 数据处理

试验数据采用SPSS 22.0和Excel 2019软件进行整理、统计和分析，采用Excel 2019和Origin 9.1软件作图。

2 结果与分析

2.1 水文特征差异性分析

2.1.1 雅砻江—安宁河并流段环境参数 雅砻江—安宁河并流段的环境参数见表2。沿河流“上游—中游—下游”纵向梯度，同一时段内雅砻江的流速、水深、气温均无明显相关变化；安宁河从上游至下游流速、水深和气温均呈上升趋势。

表2 雅砻江-安宁河并流段监测环境参数

2.1.2 泥沙空间分布特征 2020年10月4—8日雅砻江—安宁河并流段从上游至下游6个断面处含沙量情况见表3。将棉沙镇至桐子林站段各河段分别记为雅砻江并流段上、中、下游，老堡子至桐子林站段各河段分别记为安宁河上、中、下游。雅砻江并流段含沙量从上游至下游逐渐增加，安宁河中游含沙量最大，下游次之，上游含沙量最小。安宁河总体含沙量远大于雅砻江并流段，其中上游差异较小，中下游差异较大。安宁河中下游含沙量处于较高水平，且显著大于雅砻江并流段中下游的含沙量，安宁河中游含沙量最大，约为上游的15倍，下游含沙量约为上游的9倍。由此可见，2条河流含沙量均呈现出中下游大于上游的趋势。

表3 雅砻江-安宁河并流段含沙量分布 单位：kg/m3

雅砻江—安宁河并流段含沙量呈现上述沿程变化规律。一方面，由于河道特征引起的水流条件不同而导致含沙量不同，雅砻江河谷呈“V”形，岸坡稳定，河道下切至岩层，河床已基本抵达侵蚀基准面，且两岸多为坚硬岩石，整个河段含沙量较低；而安宁河河谷呈“U”形，岸坡稳定性较差，两岸多为土壤层，河床位于侵蚀基准面以上，受冲刷较严重，且在中游河段出现明显淤积，为下游提供了泥沙来源，导致安宁河中、下游含沙量较高；另一方面，人类活动如工农业发展、城镇分布等人为因素的不同导致不同河流含沙量呈现显著差异，雅砻江棉沙镇至桐子林站段人口密度较小，人类活动不频繁，对自然环境扰动较少，植被覆盖较高，蓄水保土能力较强，而安宁河老堡子至桐子林站段人口密度较大，农业耕作活动频繁，城镇化较高，人类对自然环境的扰动较大，植被覆盖相对较低，土壤侵蚀严重，安宁河流域含沙量显著高于雅砻江并流段。可见，自然因素与人类活动共同作用的不同影响会导致区域不同河流的含沙量呈现不同的沿程变化趋势。

具体到各河段，雅砻江并流段上、中、下游最大含沙量分别为平均含沙量的2.0，1.5，2.5倍，而同时期安宁河上、中、下游的最大含沙量则为平均含沙量的5.0，2.4，3.6倍。可知，雅砻江由于含沙量较小，所以各测点含沙量波动不大，而安宁河含沙量约为雅砻江并流段含沙量的5～14倍，其数值相对较大，各测点含沙量波动也较大。

2.1.3 河流泥沙断面均匀性 河流的泥沙断面均匀性能反映其水沙条件、流速、流态、植被覆盖、人类活动等因素对河流泥沙的影响。本文从断面垂向和横向2个方面来分析雅砻江—安宁河并流段的泥沙断面均匀性。

由图2可知，雅砻江并流段与安宁河存在显著差异。雅砻江断面垂向表、中、底层含沙量均远小于安宁河，雅砻江泥沙断面分层现象不明显，中层和底层含沙量略大于表层，安宁河具有非常明显的泥沙断面分层现象，上、中、下游含沙量均呈现出底层>表层>中层的规律，其中下游各层泥沙分布差异最大，其极差为0.21 kg/m，中游次之，其极差为0.13 kg/m，上游最小，其极差为0.035 kg/m。2条河流在泥沙断面分层现象上呈现如此大的差异，究其原因是雅砻江并流段植被覆盖度较高，河岸蓄水保土能力较好，两侧山体多为坚硬岩石，泥沙源较少，河水冲刷作用趋于平衡。因此，即使在雅砻江河谷呈“V”形且下切较深，水流流速较大的情况下，由于水体含沙量总体居于极低水平，其断面含沙量仍未表现出明显的分层现象。安宁河上游河岸多为紫色土和水稻土，有一定的侵蚀现象，但河道纵比降较小，水流流速小于雅砻江并流段，所以泥沙断面分层情况与雅砻江并流段上游接近，不甚明显。但安宁河中下游由于河谷呈“U”形，两侧河岸多为宽谷，有冲积锥、洪积扇及河流阶地，河槽宽而浅，河中有沙洲、心滩，水流分散，岸坡不稳，因此，在中游流速大于雅砻江并流段，下游流速与雅砻江并流段下游流速接近的情况下，其泥沙断面分层现象均较为显著。

图2 观察期内雅砻江-安宁河并流段主要控制断面上垂向和横向含沙量

由图2可知，雅砻江并流段上、中、下游及安宁河上游均表现出相同的典型右侧分布现象，即中泓<左垂线<右垂线，雅砻江并流段上、中、下游右垂线含沙量分别为中泓的220%，160.6%，147.6%。雅砻江并流段上、中、下游的监测断面均处在顺直河道区域，各断面左垂线、中泓、右垂线水流流速、挟沙能力及冲淤情况均无显著差异，但在实地观测中，右岸仍存有少量薄层土壤，而左岸为坚硬岩石，使得右岸泥沙源大于左岸，泥沙随径流汇入河道，右垂线含沙量明显大于中泓及左垂线。安宁河上游右垂线含沙量为中泓的123.3%，可能是安宁河上游测量断面所处位置为一河流弯道处，转弯角度约45°，右侧为凹岸，水流流速较大，挟沙能力较强，右垂线悬移质含量最大。

安宁河中下游含沙量断面横向分布特征与上游及雅砻江并流段相反，为典型左侧分布现象，即中泓<右垂线<左垂线。由于安宁河自中游至下游，干流左岸人口分布密集，耕地面积较大，土壤侵蚀严重。安宁河中下游沿程接纳自左岸汇入的支流数量大于自右岸汇入的支流数量，且自左岸汇入的支流如孙水河、海河等沿岸多为河谷平原，受人类活动影响较大，泥沙含量较大，而自右岸汇入的支流如茨达河属于高山峡谷型河流，与雅砻江相似，其含沙量较小。因此，安宁河中下游泥沙断面横向分布才会呈现出明显的左侧分布现象。

综上，雅砻江并流段为高山峡谷型，受人类活动影响较小，而安宁河为平原河谷型，受人类活动影响较大，侵蚀严重，无论是断面垂向还是断面横向，雅砻江并流段泥沙断面均匀性均优于安宁河。

此外，从河流断面含沙量的标准差(表4)来看，雅砻江并流段的标准差总体上小于安宁河，其各断面含沙量分布的离散程度小于安宁河，进一步说明雅砻江并流段泥沙断面均匀性较好，而安宁河泥沙断面均匀性较差。原因是雅砻江并流段河道两岸为坚硬岩体，受雨水冲刷与河水冲刷效应较小，水体受下泄水流“搅动”“干扰”作用小，各测点与各垂线间差异也较小。安宁河各测段可明显观察到泥沙垂向分层和横向侧向分布的特征，下游为河谷城镇，属人群高度集中区域，且多分布冲刷平原与江心洲，河水受人类影响、河水自然下泄、冲刷作用较大，因此，安宁河含沙量在各测点与垂线间差异显著。河流泥沙断面均匀性总体变化特征为沿纵向梯度下游大于上游、断面垂向底层大于表层、断面横向沿岸大于中泓。

表4 观察期内雅砻江-安宁河并流段断面含沙量标准差

2.2 雅砻江-安宁河并流段TN、TP浓度分布特征

2.2.1 雅砻江-安宁河并流段TN、TP空间分布 由图3可知，雅砻江并流段从上游至下游断面垂向TN、TP浓度极差分别为0.408，0.049 mg/L，平均浓度分别为1.109，0.102 mg/L，安宁河从上游至下游断面垂向TN、TP浓度极差分别为0.845，0.035 mg/L，平均浓度分别为3.124，0.228 mg/L。

雅砻江并流段TN、TP浓度均呈现明显的垂向分层现象，上中下游TN浓度均表现为底层>表层>中层。TP则表现为表层、中层、底层浓度依次增大的趋势。安宁河TN、TP浓度总体也呈现出一定的垂向分层现象，上下游TN表现为表层、中层、底层浓度依次增大的趋势，中游TN浓度表现为底层>表层>中层，上中下游TP浓度表现为底层>表层>中层。

雅砻江并流段与安宁河的TN、TP浓度在断面垂向上呈现出不同的分层现象，说明2个流域的TN、TP垂向分布有所差异。首先，安宁河全流域TN、TP浓度均显著大于雅砻江并流段，说明人类的生产生活排放了大量的N和P，并随着径流汇入河道。其次，2个流域的TN浓度垂向分布与TP呈现截然相反的趋势，说明这2个流域N和P的使用程度不同，雅砻江并流段人烟稀少，水体养分情况接近于天然，即底层N、P浓度大于表层和中层，这是由于水体养分随着水深及沉积物深度的增加而增加。安宁河沿岸工农业发达，城镇化程度高，虽然N和P浓度的总体趋势是随水深及沉积物深度的增加而增加，但在中游断面表层TN浓度大于中层，是由于该断面位于城市中心，接收城市径流、工农业废水及生活污水较多，其表层TN浓度反而大于中层。

由图3可知，雅砻江并流段从上游至下游断面横向TN、TP浓度极差分别为0.433，0.006 mg/L，平均浓度分别为1.060，0.086 mg/L；安宁河从上游至下游断面横向TN、TP浓度极差分别为0.965，0.058 mg/L，平均浓度分别为2.735，0.221 mg/L。

雅砻江并流段TN、TP浓度均呈现明显的侧向分布现象，雅砻江并流段上中下游的TN、上中游TP均表现为右垂线>左垂线>中泓，而雅砻江并流段下游则表现为左垂线>右垂线>中泓。安宁河全段TN、TP浓度侧向分布也呈现相同规律，即全流域TN和上中游TP浓度均为右垂线最大，左垂线居中，中泓最小，但下游TP浓度情况相反，左垂线大于右垂线。

养分的横向分布方面，雅砻江并流段与安宁河TN、TP浓度分布呈现相同规律，且与水体含沙量的横向分布规律基本一致。可见，作为载体，径流与河流泥沙的横向分布规律能直接影响水体养分的横向分布特征。

综上，雅砻江并流段TN、TP浓度在断面垂向和断面横向分布上波动较为平稳，沿程变化不大，主要是因为山区水体的自净能力及上游布设的二滩水利工程对磷素的吸附作用较显著。而安宁河由于地处平原河谷，耕地面积远大于雅砻江并流段，周围人类活动频繁，氮素、磷素排放较多，其TN、TP浓度在断面垂向和断面横向分布上波动剧烈，沿程变化较大。

图3 雅砻江-安宁河并流段水体TN、TP浓度断面垂向-横向分布

2.2.2 雅砻江、安宁河及其他河流TN、TP浓度变化范围 据实际测量资料统计，雅砻江并流段TN和TP浓度变化范围分别为0.512～1.638，0.021～0.164 mg/L，平均浓度分别为0.828，0.093 mg/L。安宁河从上游至下游TN和TP浓度分别为0.629～3.638，0.136～0.473 mg/L，平均浓度分别为2.035，0.204 mg/L。安宁河TN浓度远超过地表水Ⅲ类水质浓度限值。

雅砻江—安宁河并流段的TN、TP浓度变化范围与国内其他主要河流情况基本相似。韩谞等对黄河氮磷负荷时空分布的研究表明，黄河干流从源区至河口养分浓度整体呈逐渐上升的趋势，TN、TP浓度变化范围分别为0～6，0～2 mg/L。杨盼等对长江干流氮、磷浓度变化趋势的分析表明，在长江干流中沿程TP浓度变化为0.10～0.14 mg/L，且各断面TP浓度都较高，呈沿程上升趋势，受人类活动影响较大。雅砻江并流段TN浓度明显低于黄河与长江干流，而TP浓度远低于黄河，与长江干流接近，安宁河TN浓度低于黄河，与长江干流接近，而TP浓度低于黄河又高于长江干流。

2.2.3 水体含沙量与TN、TP浓度的关系 泥沙是水体中污染物的主要载体之一，绝大多数污染物在水体中的输移与泥沙运动密切相关。因此，分析TN、TP浓度与含沙量关系对于揭示泥沙对水环境的影响及水环境对泥沙作用的响应机制具有重要意义。

由图4可知，雅砻江—安宁河并流段TN、TP浓度均随含沙量的增大而增大，且TN的增大幅度明显大于TP。雅砻江各断面TN、TP浓度均与含沙量呈线性正相关，且断面横向的拟合度明显大于断面垂向，断面横向TN、TP回归方程的决定系数分别为0.879 7和0.541 1，表明TN与含沙量的相关性高于TP。安宁河各断面除断面横向的TP外,其余均与含沙量呈正相关，与雅砻江相反，安宁河断面垂向拟合度大于断面横向。断面垂向TN、TP回归方程的决定系数分别为0.633 3和0.643 1，TP与含沙量的相关性略高于TN。水体中的TN、TP等养分浓度的变化是多种因素共同作用的结果，雅砻江—安宁河并流段TN、TP浓度与含沙量关系的差异主要是人类活动造成的，雅砻江从上游至下游未存在频繁农业活动与人类活动，其含沙量虽逐渐增大但TN、TP浓度呈现较稳定的波动，而在安宁河流域中—下游河段含沙量大量增加，TN、TP浓度呈大幅度增加趋势，中下游城镇生活污染大，工农业生产高度发展，受养分污染干扰更大。

图4 雅砻江-安宁河并流段断面TN、TP浓度与含沙量的关系

3 讨 论

本研究中，在纵向上，同一河流含沙量沿程逐渐增加；在横向上，支流泥沙变化强度大于干流泥沙变化强度。雅砻江—安宁河并流段河道比降较大区域水流流速快，这与何灼伦的研究结果相似。河流泥沙的产生与输移受河势变化、水流流速等影响，在不同河段，断面泥沙的垂向和横向分布均有所不同。黎铮模拟了不同水动力条件下的泥沙浓度垂向分布情况得出，悬沙浓度随水体深度增大而增大，这与本研究结论相吻合。

受上游水库影响，雅砻江并流段TN在水中的滞留程度远远小于TP，农业生产活动产生的累积效应与滞留作用，使得下游TN、TP浓度大于上游，且在径流中TN、TP浓度主要受水土流失作用。雅砻江—安宁河并流段TN浓度与含沙量呈正相关关系，而TP浓度与含沙量无显著相关性，这进一步验证了张丽萍等的研究结果。农业生产活动是流域水土流失、氮磷养分差异的主要原因，采取保护性耕作措施、实施水土保持工程等，能有效减少泥沙和氮磷等养分进入地表水体。

不同流域水沙及养分空间分异的影响因素主要包括自然作用下的水土流失与人类活动导致的养分输出。已有研究表明，流域总磷时空变化呈沿程规律与断面差异性。在此基础上，本研究还发现，流域水体含沙量及TN也呈现相同规律。此外，在河流流动过程中，人类活动带来的“城镇—农业”点面污染使河流氮磷浓度呈现出显著的空间差异性，外部污染物的汇入会导致下游氮磷浓度高于上游，在空间分布上，垂向—纵向氮磷浓度分布情况较相似，氮磷沿干流流向向下游呈不断上升趋势，支流氮磷污染较为严重，且对干流养分浓度产生影响，这与周晓雯等关于山区河流氮磷时空分布研究结果一致。说明雅砻江并流段受人类活动干扰较小，氮磷含量相对较低，而安宁河地理位置靠近山区而又属人类活动频繁区域，中游为全河段最发达地区，区域内河流氮磷主要来源于城市污水、农业生产污染，下游地区不仅农业发达且近年来工业、矿业及城镇化发展迅速，因此，河流氮磷浓度主要受人类活动造成的工农业面源污染影响。

本研究以雅砻江—安宁河并流段为例，初步探讨了水沙及养分空间差异的主要因素，以6个监测断面的数据进行研究分析，未进行更复杂的长时段、多断面的监测。在后续研究中，可延长监测时长，增加时间序列上水体泥沙及养分的动态变化，并增加采样断面数，以期进一步分析雅砻江流域水沙及养分的时空分布特征。

4 结 论

(1)安宁河含沙量整体上远大于雅砻江并流段，2条河流含沙量均呈中下游大于上游，总体沿程增加的趋势。在泥沙断面分布方面，垂向上雅砻江分层现象不明显，安宁河分层现象明显，全流域均表现为含沙量底层>表层>中层；横向上雅砻江表现为右侧分布，安宁河除上游为右侧分布外，中下游均为左侧分布。此外，雅砻江并流段泥沙断面均匀性优于安宁河。

(2)雅砻江并流段TN和TP浓度整体均显著小于安宁河流域。在养分断面分布方面，垂向上雅砻江及安宁河底层TN浓度均大于表层和中层。雅砻江TP浓度为随水深增大而增大，安宁河TP浓度中层最小，底层最大。横向上2条河流的TN及上中游TP浓度均为中泓最小，右垂线最大，二者的下游TP浓度则为中泓最小，左垂线最大。

(3)雅砻江并流段TN、TP浓度与含沙量呈线性正相关，断面横向拟合度优于断面垂向，且TN与含沙量的相关性高于TP；安宁河则是断面垂向拟合度优于断面横向，TP与含沙量的相关性高于TN。