梯级筑坝下小型山区河流水体碳氮磷的时空特征及富营养化风险

梯级筑坝对河流水环境演化的影响是国内外关注的热点.小型山区河流高密度梯级开发对水体生源要素的空间格局以及水环境演化的累积影响特征尚不清楚.以重庆市五布河为研究对象,对流域内8个“河流—水库—下泄水”交替系统中表层水体理化因子及碳(C)、氮(N)、磷(P)形态组成进行季节性监测,探讨了梯级筑坝对小型河流生源要素空间格局及水体富营养化风险影响的累积特征及驱动机制.结果表明:梯级水电开发对五布河流域水生生境和生源要素空间分配的影响具有潜在的累积效应,各库区水体碳氮磷浓度均呈逐级增加的空间规律;水库段的有机碳及不同形态的氮、磷浓度均高于入库河流,因此水体养分浓度呈现出河段尺度(即单个河流—水库—下泄水系统)和流域尺度(即上游至下游)耦合的空间变异模式.上游水库中溶解性氮、磷的再释放及下泄输移能够补给下游库区,加之下游水库泥沙对氮、磷的吸附—沉积作用的减弱,导致水体氮、磷总量及溶解性氮、磷的占比沿程增加,呈现梯级筑坝对水环境演化的累积影响.梯级筑坝影响下河流碳氮磷总量的相关性减弱,而溶解性养分间的相关性增强,形成了特殊的养分协同演化;水库群之间水力滞留时间的差异与水体碳氮磷浓度具有较好的线性关系,是影响流域养分分配的关键因素.五布河流域水体均为高富营养化风险,由于梯级筑坝下水体溶解性养分的逐级增加,下游水库水华风险更大;水力滞留时间与水体富营养化指数及叶绿素a浓度呈显著正向关,结合氮磷比特征的分析,本研究认为外源磷输入控制及水力滞留时间的调节是五布河梯级水库富营养化防控的有效途径.

乌江梯级筑坝对河流碳酸氢根的影响机制

梯级筑坝显著改变了河流碳的生物地球化学循环。为了了解梯级筑坝对河流HCO3^-的影响,本文对乌江中上游梯级水库的HCO3-浓度、溶解无机碳同位素(δ^13CDIC)及相关的环境参数进行了长时间跨度的分析。乌江中上游梯级水库-河流体系HCO3-浓度为1 42154~3 38752μmol/L,平均值为2 36321μmol/L;δ^13CDIC为-1066‰^-452‰,平均值为-854‰;梯级筑坝导致河流具有下游HCO3-浓度升高的变化趋势。河流筑坝发电,易形成峡谷型深水水库。碳同位素证据和相关性分析表明,上层的光合作用和下层的呼吸作用成为控制发电水库碳循环的主要因素。这导致HCO3-浓度在水库剖面上呈现出由上层至下层逐渐增高的变化规律,再加上水库底层泄水的发电方式,最终导致梯级筑坝河流下游HCO3-浓度逐渐升高。本研究将加深梯级筑坝对河流碳循环影响机理的理解。

梯级筑坝对黑河上游水体氮磷营养盐分布的影响

梯级筑坝会改变河流水文特征与物质迁移转化特征,对水环境质量产生影响。探究梯级筑坝下黑河上游水体氮磷营养盐时空分布及富营养化风险问题对黑河流域生态修复及梯级水资源管理具有一定参考意义。对黑河上游16个主要控制断面10项水体理化指标多年数据进行统计分析。结果表明:黑河上游水体理化性质时空差异显著,水体整体呈弱碱性,自净能力较好,总氮(TN)、总磷(TP)的浓度符合Ⅲ、Ⅱ类水质标准。从时间分布来看,黑河上游水体TN、氨氮(NH_(3)-N)和亚硝酸盐氮(NO_(2)^(-)-N)浓度表现为枯水期>丰水期,TP浓度为丰水期>枯水期。从空间分布来看,单个水库水体营养盐分布具有潜在的累积效应,但梯级水库作用下整体营养盐的分布呈下降趋势,说明梯级筑坝使沿程累积作用在逐渐削弱;NH_(3)-N和NO_(2)^(-)-N主要分布在水库中层,TN、TP下层浓度高于上层,分层现象表明有大量的氮磷蓄积在下层沉积物中。富营养化风险分析表明,梯级筑坝在一定条件下降低了水体富营养化风险,丰水期大部分水体断面处于氮限制,枯水期主要为氮磷共同限制;结合氮磷比特征的分析,本研究认为控制外源氮磷输入是黑河梯级水库富营养化防控的有效途径。

黑河上中游流域梯级库区夏季重金属汇源解析

为探究梯级筑坝对河流重金属空间分布的影响,于2019年8月在黑河上、中游的干、支流河段采集水体、沉积物及岸边土壤样本,测定了8种重金属(Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Cd、Mn、As)的含量,利用反距离加权插值法、主成分分析法等分析了河流重金属的空间分布和来源.结果表明,黑河中上游库区重金属仍处于“汇”阶段,筑坝蓄水主要表现出“拦截效应”,源于各重金属迁移释放能力不同,少量重金属被“拦截”于中部库区.同时,受干支交汇水力特性影响,其富集效应也较明显.主成分分析等指出,As、Cd、Pb、Zn和Cu主要源于矿产开采活动,Mn、Cr、Ni分别源于工业生产、城市排污、自然因素等.Cu含量的空间分布特征还显示,其于沉积物、岸边土壤中的含量能指示断面附近有矿产开采等迹象.研究结果可为我国梯级筑坝河段的重金属控制和有效管理提供参考.

乌江流域颗粒态有机碳的时空分布特征

以乌江为研究对象,采集了乌江干流7座大型水库及猫跳河支流红枫水库的表层水体悬浮颗粒物(total suspended matter,TSM)样品,测定了其表层颗粒态有机碳(particulate organic carbon,POC)和稳定碳同位素(δ13C),并以木质素作为陆源有机质的生物标志物,分析了乌江流域水库有机碳的空间和季节分布特征.结果表明:表层水体TSM质量浓度受季节影响显著,呈现出春夏季高于秋冬季的趋势;POC和木质素含量(∑8和Λ8)差异受季节影响较大,其中秋冬季上游POC含量显著高于下游,体现出梯级筑坝拦截效应;∑8与Λ8呈显著线性相关,都表现出明显的秋冬季高丁春夏季的趋势.表层水体TSM的δ13C值明显偏负,可能是由于陆源植物碎屑和淡水浮游生物更容易存在于表层水体.木质素参数信息反映出流域内的优势植被种群为被了植物,TSM样品的陆源有机质是由多种类型植物共同混合、降解、运输至河流的.TSM样品的降解水平不高,7月、10月个别采样点出现了较高的降解水平.