梯级水电开发下黄河上游龙-刘河段DOC时空分布特征及通量研究

吴 巍，王嘉玮，刘 挺，王 浩，李 琛，周孝德

(1.西安理工大学 西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048;2.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710024)

1 研究背景

水电能源是一种清洁、低碳、可再生能源，河流的梯级水电开发可充分发挥防洪发电、供水灌溉、景观旅游、改善气候等综合效益[1-2]。然而，河流大规模梯级开发对生态环境造成的影响日益显著。梯级水电开发改变了河流下游水体和生源物质的流动输移方式，从而影响了生物地球化学循环和河流生态系统的动态平衡，阻断了河流沿程水体中生物和养分的输移及物质能量交换。因此，生态环境如何受到河流梯级水电开发的影响成为重点关注的问题。

溶解性有机碳(dissolved organic carbon,DOC)作为一项重要生源物质，其理化性质较敏感，在迁移过程中的不稳定性(易发生转化)影响着河流中的物质和能量循环，故成为天然水体水质的重要参数之一[3]。另外，溶解性有机碳(DOC)是大部分水体中最大的还原性碳库，对环境变化的响应十分敏感。卢晓漩等[4]通过对贵州省五里峡水库DOC分布特征的研究，得出库区水体受碳酸盐岩风化作用的控制，处于中营养级状态。Parks等[5]通过对Verde河上双水库系统DOC的来源和迁移的研究，得出两个水库产生了整个上游流域41%的DOC。因此认识水体中DOC的时空动态变化对监测水体碳循环有着重要意义。

黄河上游有着极具环境特异性与敏感性的脆弱生态系统，水电工程梯级开发将会在一定程度上改变河道结构，影响河流物质能量输送和生态系统的结构功能，产生的负面生态环境效应具有累积性、放大性、潜在性等特点。其中，黄河上游以龙羊峡水库为首的河段是开发最早、格局最完善的梯级水电站群。之前的研究大多集中在黄河的入海通量估算，比如Wang等[6]计算了2009年黄河POC(particulate organic carbon)和DOC的年入海通量分别为3.89×1011和3.20×1010g C/a。Zhang等[7]总结了黄河从上游至下游DOC的迁移特征，研究表明黄河干流中的DOC含量比其他河流少得多，其原因是黄土高原流域降水少、植被覆盖率低、有机质含量小，极高的总悬浮固体(total suspended solids,TSS)含量使DOC被吸附在颗粒上而导致低DOC浓度。然而，聚焦于黄河上游梯级开发河段DOC的通量估算的研究则较少。因此，亟需对黄河上游梯级开发河段DOC的输移特征和通量展开研究。

本研究选取黄河上游梯级开发河段即龙羊峡-刘家峡段为研究区域，以DOC为主要研究对象。采用采样监测方法，分析DOC以及常规理化指标的时空分布特征。基于静态箱式算法模型构建黄河上游梯级开发河段DOC通量模型，定量估算各水库DOC输移通量，解析梯级水库段对于DOC的拦截和输移过程，评估梯级开发河段DOC的源汇效应。以期为梯级水电开发河段的生态环境效应研究提供新的数据资源和支撑。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况及样品采集

黄河是中国第二大河，发源于青藏高原地区的巴颜喀拉山脉。黄河上游流域为黄河主要产流区，占年总径流量的53.9%，年平均降水量约为520 mm，年平均气温为-5～2 ℃。本研究根据黄河上游梯级水电开发规划及现状，选取黄河上游中段影响程度高的龙羊峡、拉西瓦、李家峡、公伯峡和刘家峡5座典型水库(龙-刘段)进行采样工作。

课题组于2019年11月冬季(非汛期)和2020年7月夏季(汛期)对5座水库进行现场样品采集，分别在各个水库的库尾、库区、坝前和坝下布设采样点(采样点布置和具体信息如图1和表1所示)，采集水库表层水和坝前分层水，同时监测水库现场环境参数。在5个水库内共布设横向断面点位18个，包括坝前垂向点位共计35个。采用有机玻璃采水器在水深为0.5 m处采集表层水样，同步采用丹麦KC-Denmark公司的Niskin分层采水器在断面垂线上沿水深分层采集水样(间隔为5～10 m，视水深和水温分层状况加密)，在现场采用0.45 μm醋酸纤维素滤膜对水样过滤，再按实验目的进行预处理，所有样品保存于2～4 ℃的冷藏环境中并及时运回实验室进行分析测试。

图1 黄河上游梯级开发河段(龙羊峡-刘家峡段)概况及采样点布置

表1 水样采样点具体信息

采用ADCP-M9声学多普勒测流仪配合YSI EXO2多参数水质仪现场测定流速、流向等水文参数以及水温(T)、溶解氧(dissolved oxygen,DO)、pH、电导率(electric conductivity,EC)、氧化还原电位(oxidation-reduction potential,ORP)、碱度(tatal alkalinity,TALK)等主要常规理化指标。

2.2 溶解性有机碳(DOC)与理化指标分析

2.3 溶解性有机碳(DOC)通量估算

本研究对各水库有机碳输移通量的计算采用生源物质稳态箱式算法模型。模型原理如图2所示。

图2 DOC通量箱式模型示意图

水库DOC净通量为水库入库DOC通量与出库DOC通量之差，具体计算如以下公式所示。

FDOC=∑Finput-∑Foutput

(1)

FDOC=Vinput·Cinput-Voutput·Coutput

(2)

式中：FDOC为DOC净通量，kt；Finput和Foutput分别为水库中DOC的输入通量和输出通量，kt。Vinput和Voutput分别为水库入库水量和出库水量，m3；Cinput和Coutput分别为DOC的入库浓度和出库浓度，mg/L。若FDOC值为正，则筑坝对河流有机碳具有拦截滞留效应，水库为有机碳的“汇”；若FDOC值为负，则筑坝对河流有机碳具有随流输送效应，水库为有机碳的“源”，净通量与输入通量之比为水库效应对有机碳的拦截率或输送率。

在本研究中，研究区出、入库流量资料来源于水利部黄河水利委员会网站(http://www.yrcc.gov.cn/)，主要为研究时段内一个水文年的资料，即在2019年8月至2020年7月这一时间段内的资料，后根据公式(3)计算各水库的出、入库水量。各水库的出、入库水量如表2所示。

表2 研究时段内各水库河流月出、入库水量 109 m3

V=Q·t

(3)

式中：V为各水库出、入库径流量，m3；Q为流量，m3/s；t为时间，s。

2.4 数据分析

采用IBM SPSS Statistics 25和Origin pro 9等软件进行数据处理和图表绘制，通过Pearson相关分析研究DOC浓度与常规理化指标的关系，并进行线性回归拟合分析。在所有分析中，P<0.05被认为是所测试因子的关系在统计学上显著相关。

3 结果与分析

3.1 DOC浓度与常规理化指标沿程时空分布特征及相关性

图3 黄河上游梯级开发龙-刘段各理化指标沿程时空分布

由图4可以看出，在汛期与非汛期DOC浓度总体呈现波动变化的趋势。在汛期，DOC浓度的沿程分布可分为2个波动式减小区间，第1个区间为龙羊峡库尾至李家峡库区，第2个区间为李家峡坝前至刘家峡坝下。在非汛期，DOC浓度的沿程分布可分为3个变化区间，第1个区间为自龙羊峡至拉西瓦呈波动减小趋势，第2个区间为自李家峡至公伯峡呈减小趋势，第3个区间为自公伯峡至刘家峡呈增大趋势，但在坝前处浓度降低(受洮河影响)。沿程各测点的DOC平均浓度均为汛期高于非汛期，汛期DOC浓度最高值出现在龙羊峡水库库尾，即唐乃亥水文站处，非汛期DOC浓度最高值出现在刘家峡水库的洮河汇入口处。

图4 黄河上游梯级开发龙-刘段DOC浓度沿程时空分布

对汛期和非汛期的DOC浓度与各理化指标进行Pearson相关性分析，结果如表3、4所示。

表3 汛期DOC浓度与各理化指标之间相关性分析

表4 非汛期DOC浓度与各理化指标之间相关性分析

3.2 DOC浓度与常规理化指标垂向时空分布特征

选取黄河上游龙-刘段的3个主要调节水库(龙羊峡、李家峡、刘家峡水库)，对其坝前深水区域的理化指标DO浓度、水温T和DOC浓度沿水深进行垂向检测分析，结果如图5所示。

对图5中3个水库坝前的DO浓度、水温T和DOC浓度垂向分布特征分析如下：

图5 黄河上游龙羊峡水库、李家峡水库、刘家峡水库DO浓度、T和DOC浓度坝前垂向分布

在汛期，龙羊峡水库坝前DO浓度在水深0～30 m范围内随水深不断减小，在水深30～100 m范围内随水深不断增大，变化曲线呈“侧V”形状，DO浓度在30 m水深处达到极小值，为6.80 mg/L；李家峡水库坝前DO浓度在30 m水深处出现最高值9.56 mg/L，整体表现为深部DO浓度略高于表层；刘家峡水库坝前DO浓度随水深呈波动减小趋势，在水深0～30 m范围内DO浓度从9.59 mg/L减小到9.07 mg/L，直至底层水体的DO浓度依然较小。在非汛期，3个水库坝前的DO浓度沿水深变化不大，表现出均匀混合状态。

在汛期，龙羊峡水库水温从表层至底层呈现逐渐降低的趋势，存在明显的水温分层现象，水体表、底温差达到12 ℃；李家峡水库表层水体温度高于底层，水温随水深呈降低趋势，但未出现明显的水温分层，水体表、底温差为1.6 ℃；刘家峡水库水温垂向无明显差别。在非汛期，3个水库垂向水温均无分层，呈现均匀混合状态。

3座水库的坝前DOC浓度总体表现为汛期比非汛期高的特征，这与DOC浓度在龙-刘段的沿程分布特征一致。从空间分布上看，龙羊峡水库坝前水体DOC浓度汛期在5.69～6.40 mg/L之间，非汛期在2.90～3.73 mg/L之间；两个水期的坝前水体DOC浓度随水深的增加总体均呈波动减小趋势，汛期在水深0～10 m内呈缓慢减小趋势，在水深10～30 m内降幅急剧增大，在30 m水深以下呈波动变化；非汛期DOC浓度在水深0～10 m内呈波动变化，在水深10～80 m内呈增大趋势，在80 m水深以下呈减小趋势。在李家峡水库坝前水体中，汛期DOC浓度在5.85～7.00 mg/L之间，非汛期在3.43～5.56 mg/L之间；汛期在水深0～30 m内DOC浓度呈减小趋势，在水深30～100 m内略有增加；非汛期在水深0～5 m内DOC浓度呈减小趋势，而在水深5～10 m内急剧增大达到峰值，在水深10～80 m内又持续减小，在水深80～100 m内略有回升。刘家峡水库坝前水体的DOC浓度汛期在5.37～6.44 mg/L之间，非汛期在3.68～4.12 mg/L之间，受采样点位数量的限制，其垂向分布的规律性不显著。

3.3 梯级水库(龙-刘段)DOC输运量时空特征

本研究对采样年黄河上游梯级开发龙-刘段各水库的DOC输入与输出通量按汛期和非汛期分别进行了估算，结果如图6所示。黄河上游枯水期在每年的1-4月及11-12月，丰水期在5-10月，故图6中以2019年11月和2020年7月的DOC含量分别代表黄河上游龙-刘段非汛期和汛期DOC的各月含量。

图6 黄河上游梯级开发龙-刘段不同水期DOC的输入与输出通量(单位：kt)

由图6可以看出，在非汛期，龙羊峡、拉西瓦水库的DOC输出通量大于输入通量，公伯峡水库的DOC输入通量与输出通量相等，李家峡和刘家峡水库的DOC输出通量小于输入通量；在汛期，只有李家峡水库的DOC输出通量大于输入通量，其余各水库均为输出通量小于输入通量。在非汛期，黄河上游梯级开发(龙-刘段)DOC输入通量为28.1 kt，输出通量为37.6 kt，表明在非汛期梯级水库段对DOC无截留；在汛期，黄河上游梯级开发(龙-刘段)DOC输入通量为230.4 kt，输出通量为154.6 kt，表明在汛期梯级水库段的DOC截留量较高。在采样期的完整水文年里，黄河上游梯级开发(龙-刘段)DOC年输入通量为258.5 kt，输出通量为192.2 kt，表明2019-2020年梯级水库段对DOC截留总量较高。

4 讨 论

水电站大坝的修筑阻断了天然河流的连续性，使水库逐渐转型为湖泊的环境条件，但水电站的水资源调节作用又使其不同于天然湖泊。“湖沼学反应”是河流-水库环境与天然河流环境间存在的差异，水库中水体的季节性分层现象造成了垂向剖面上水体物化特性的不同，从而影响河流-水库中输移物质的水化学过程，最终水库效应对下游河流的直接影响表现为物质通量的变化。已有研究表明，河流主要生源物质碳、氮、磷在河流-水库体系中呈不稳定形态，水库使河流生源要素的赋存特征和输移通量发生改变[8]。

本研究中，在采样年份内，各水库对DOC的拦截率及输送率，如图7所示。

图7 各水库对DOC的拦截率及输送率

由图7可以看出，自上游至下游，龙羊峡水库对DOC的拦截率为40.2%，呈现显著的拦截效应；拉西瓦水库和李家峡水库对DOC的输送率分别为4.7%和2.8%，呈现输送效应；公伯峡水库和刘家峡水库对DOC的拦截率分别为6.4%和6.0%，呈现拦截效应。相比而言，龙羊峡水库对DOC的拦截效应最显著，拉西瓦水库对DOC的输送效应最显著。梯级水库对河流主要生源物质的输移通量均会产生影响，表现为筑坝后水库可大量拦截有机物质，通过物理沉降和生物吸收作用使其在库内累积，导致河流通量下降。黄河上游梯级水库总体表现为该区域河流-水库体系DOC的“汇”，即梯级水库作用过程中拦截了输入河流-水库体系的DOC，5个梯级水库的总拦截率为25.6%。尤其是成熟期和有效库容大的水库，库内的生态系统过程逐渐接近于天然湖泊，其拦截效应更为显著，如龙羊峡水库对于DOC的拦截率达40.2%。

表5 国内主要河流-水库系统DOC年输出通量对比

分析表5中不同研究区域的DOC年输出总量数据认为，在河流-水库体系中，本文的研究对象为黄河上游流域的梯级水库群，区别于黄河中下游的干流水体，上游的泥沙含量相对较少，颗粒态有机碳(POC)含量相对较低，使DOC的输出通量处于相对较高的水平。另外，梯级水库的沉降作用使库区内形成一个独立完整的水环境体系，水库内的水温、微生物的降解作用、光解作用和POC的沉淀作用都会导致库区内DOC的累积[16-17]，之后DOC会随着水库泄洪进入下游河流。与黄河中游三门峡水库的DOC输出通量相比，上游水库的DOC输出通量仍较高，这可能有以下几个原因：(1)本文研究区域黄河上游处于高海拔、日照辐射强的地理位置；(2)黄河源区冻土中经冻融循环后有大量的DOC释放到河流中；(3)黄河上游流经多放牧的草原和草甸，沿岸林区和灌木枯落物中的DOC释放进入河流等。

通过本文的研究可以认为，河流的梯级开发改变了原有DOC的输移过程，针对此类情况，在未来的大坝建设中应充分考虑其对DOC和养分循环的影响，在梯级开发规划阶段应评价预测水库各个阶段物质的生物地球化学过程，并对水力停留时间、水库热分层等因素与DOC迁移转化之间的关系进行进一步的论证分析，从而尽可能地减少河流梯级开发对DOC等物质通量的影响。

5 结 论

本文选取黄河上游水利工程梯级开发河段(龙-刘段)为研究区域，以溶解性有机碳(DOC)为研究对象。分析了梯级水库水体中DOC浓度及常规理化指标的沿程以及垂向时空分布特征。采用生源物质稳态箱式算法模型估算了不同水库的DOC物质通量。通过解析不同水库对DOC物质的拦截和输送，评估了黄河上游梯级开发(龙-刘段)对DOC的源汇效应。具体结论如下：

(2)垂向时空分布表明：在汛期，龙羊峡水库存在水温分层现象，DO浓度呈现“侧V”分布。李家峡和刘家峡水库表层至底层水温无明显差别，DO浓度逐渐降低。在非汛期，龙羊峡、李家峡和刘家峡水库水温和DO浓度垂向上均无明显差异，呈现均匀混合状态。该3座水库的DOC浓度总体均表现为汛期比非汛期高的特征。

(3)DOC输移通量估算结果表明：在采样期的完整水文年里，DOC在黄河上游梯级开发河段(龙-刘段)年输入通量为258.5 kt，年输出通量为192.2 kt，总拦截率为25.6%。呈现拦截效应的水库为龙羊峡、公伯峡和刘家峡，呈现输送效应的水库为拉西瓦和李家峡。