臺風強降雨輸入水源水庫的泥沙沉降模擬分析

姚玲愛 ，趙學敏，馬千里，梁榮昌，夏北成，茍婷

1. 環境保護部華南環境科學研究所，廣東 廣州 510655；2. 中山大學環境科學與工程學院，廣東 廣州 510275

臺風是沿海地區常見的自然災害，除了具有強大的風力，還常常帶來急劇的降雨（Furuichi et al.，2018；Zhou et al.，2012）。臺風強降雨作用能夠導致湖泊生態系統發生系列變化，如水體中懸浮泥沙含量升高、水體營養鹽濃度改變、透明度降低、藻類生長受到影響等（James et al.，2008；Danz et al.，2013）。懸浮泥沙是水生態環境的重要組成部分，人類活動與極端氣候影響可以導致水體中的懸浮泥沙含量升高（Herbeck et al.，2011）。由于泥沙本身含有相當數量的黏土礦物和膠體物質，可以對水環境中的營養物質產生吸附沉淀作用（Liu et al.，2013；Ye et al.，2013），進而對水體的物理、化學及生態特性產生重要影響（Mamun et al.，2018；Bilotta et al.，2008）。降雨后隨地表徑流沖刷進入水體的懸浮泥沙含量隨降雨強度的增大而增大（Li et al.，2015）。有研究表明，水體泥沙含量增大后懸浮泥沙膠體的吸附沉降作用可以限制水體氮磷濃度的升高（張智等，2007），使水體濁度降低，透明度增大，改變水體的氮磷比等水質變化，甚至對藻類生長產生抑制作用（Zhao et al.，2013；Reichwaldt et al.，2012；李云等，2011），從而有助于延緩水體富營養化的發展進程（孫小靜等，2007）。目前關于水體中懸浮泥沙靜態沉降的研究主要集中在正常條件下（薛爽等，2017；張智等，2006），有關極端氣候臺風強降雨后泥沙自然沉降過程對水質的影響研究還相對較少。因此，進行臺風強降雨輸入水源水庫的泥沙靜態沉降實驗研究，對于分析識別極端氣候條件對水源水庫水質和富營養化的影響具有重要意義。

高州水庫是中國粵西沿海地區重要的水源水庫，集水區為鑒江流域上游山地，地處北熱帶和南亞熱帶過渡的季風區，也是一座頻繁受到臺風強降雨影響的水庫（周文婷等，2018）。2010年9月受強臺風“凡亞比”影響，高州水庫集水區內出現持續強降雨并引發特大山洪與泥石流（周文婷等，2018；肖文等，2011），短時間內強降雨造成大量地表徑流和泥沙匯入水庫，對水環境質量、水體富營養化和浮游藻類群落結構的變化產生影響（姚玲愛等，2018；陳修康等，2014）。此外，近年來高州水庫水質下降趨勢明顯，已呈現輕度富營養化（李思陽等，2013）。本研究通過模擬臺風強降雨期間水庫含沙原水自然沉降過程中水體氮、磷濃度等水質變化情況及其與泥沙含量的變化關系，研究臺風強降雨輸入的泥沙沉降對高州水庫水質的影響，以期為受極端氣候影響的水源水庫富營養化控制與水環境改善提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2015年10月3 —6日，強臺風“彩虹”登陸中國粵西沿海地區，期間高州水庫日均降雨量最高達138 mm，強降雨沖刷導致大量泥沙進入水庫。本次實驗使用高州水庫臺風強降雨期間的含沙原水，樣品采自高州水庫最大入庫支流朋情河匯入石骨庫區的斷面S1采樣點（圖1）。采集的樣品置于恒溫箱內，當天帶回實驗室分析。

圖1 高州水庫采樣點示意圖Fig. 1 Sampling site in Gaozhou Reservoir

1.2 實驗方法

制備6根高2.2 m，內徑14 cm，壁厚0.4 mm，管壁不透光的聚乙烯取樣柱，由上至下設置5個取樣口（圖2）。將高州水庫含沙原水混合均勻后分別裝入6個取樣柱中，水位為2.1 m，取樣柱均露天放置，模擬高州水庫臺風強降雨后原水自然靜沉過程。其中5根取樣柱用于取樣分析，每隔3天取1個樣柱的5個水層樣品進行分析，另1根作為對照柱僅用于每次取水樣時測定透明度和溶解氧。

圖2 取樣柱示意圖Fig. 2 The diagram of sampling column

水溫和pH使用哈希（HACH）HQ11d pH計測定；電導率（Cond）使用雷磁 DZB-712電導率儀測定；溶解氧（DO）使用哈希（HACH）HQ30d溶解氧測定儀測定；透明度（SD）使用塞氏透明度盤測定；濁度（Turb）使用哈希（HACH）2100N型濁度計測定；泥沙含量使用重量法 GB11901—1989分析方法測定；總氮（TN）使用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法 HJ 636—2012分析方法測定；總磷（TP）使用鉬酸銨分光光度法GB/T 11893—1989分析方法測定；高錳酸鹽指數（CODMn）和葉綠素 a（Chl.a）參考《水和廢水監測分析方法》（第4版）（國家環境保護總局水和廢水監測分析方法編委會，2002）中的分析方法測定。

1.3 評價方法

選取SD、TN、TP、CODMn和Chl.a為評價指標，根據湖庫富營養化評價方法及分級標準計算綜合營養狀態指數（Trophic Level Index，TLI）并進行富營養化評價，對高州水庫營養狀態進行分級，TLI＜30 為貧營養，30～50 為中營養，50～100 為富營養（王明翠等，2002）。在同一營養狀態下，指數值越高，其營養程度越高。

1.4 數據分析

數據分析和圖形處理分別運用 SPSS 19.0和Origin 9.0完成。泥沙沉降對水質指標的影響采用單因素方差分析（ANOVA）進行比較，P＜0.01表示差異顯著；對葉綠素a與水質因子進行回歸分析。

2 結果與分析

2.1 pH、電導率和溶解氧的變化

靜沉期間，各水層 pH、電導率和溶解氧的變化如表1所示。實驗期間，隨沉淀時間延長，各水層pH日均值逐漸降低，前12天從7.57顯著降低至 6.45（P＜0.001），第 12天后趨于穩定，實驗第15天，pH降低至6.42。隨時間變化各水層電導率日均值呈先降低后升高再降低趨勢，實驗前9天，電導率逐漸降低，第 12天，電導率上升到 57.7 μS·cm-1，第 15 天，電導率又下降到 56.7 μS·cm-1。隨時間變化各水層溶解氧日均值逐漸降低，變化范圍為7.96～0.56 mg·L-1，實驗前9天各水層溶解氧日均值從 7.96 mg·L-1顯著降低至 0.61 mg·L-1（P＜0.001），實驗后期變化波動較小。在不同水層深度的取樣口，pH和電導率變化均不顯著（P=1.000）；溶解氧濃度隨水層深度的增加而降低。

2.2 透明度、濁度和泥沙含量的變化

圖3 泥沙沉降過程透明度的變化Fig. 3 Changes of transparency during the suspended solids precipitation

圖4 泥沙沉降過程泥沙含量和濁度變化Fig. 4 Changes of suspended solids concentration and turbidity during the suspended solids precipitation

表1 泥沙沉降對水體pH、電導率和溶解氧的影響Table 1 The effect of suspended solids precipitation on pH, conductivity and dissolved oxygen of the water samples

靜沉期間，隨沉降時間的延長，對照柱透明度逐漸增大（圖3），各水層濁度和泥沙含量日均值逐漸降低（圖4）。第1～15天透明度增加0.9 m，其中前3天透明度上升幅度最大，從0.4 m上升到0.9 m，實驗第9天透明度恢復至穩定水平。實驗前6天各水層濁度日均值下降明顯（P＜0.001），從27.0 NTU逐漸降低到1.4 NTU，第6～15天各水層濁度日均值變化不顯著（P=1.000）；各水層泥沙含量日均值實驗前6天顯著降低（P＜0.001），前3天下降幅度最大，從 33.5 mg·L-1下降到 5.0 mg·L-1，到第 6 天下降到2.7 mg·L-1，第6～15天各水層泥沙含量日均值變化不顯著（P=1.000）。隨著時間的推移，透明度在實驗9天后穩定，泥沙含量和濁度在實驗6天后穩定。因此，根據實驗推測，臺風強降雨后9天透明度可恢復至臺風前水平，臺風后6天泥沙含量和濁度達到臺風前水平。在不同水層深度的取樣口，濁度和泥沙含量變化均不顯著（P=1.000）。

2.3 氮磷濃度和氮磷比的變化

靜沉期間，隨沉淀時間的延長，氮磷濃度呈降低趨勢，各水層之間氮磷濃度變化不顯著（P=1.000）（圖5）。實驗前3天各水層氮濃度日均值變化不顯著（P=1.000），第 3～15天水體各水層氮濃度日均值顯著降低（P＜0.001），從0.818 mg·L-1降低到0.194 mg·L-1，降低幅度為76%；各水層磷濃度日均值前9 天顯著降低（P＜0.001），從 0.050 mg·L-1降低到0.011 mg·L-1，降低幅度為78%，第9～15天各水層磷濃度日均值變化不顯著（P=1.000）。

圖5 泥沙沉降過程氮磷濃度變化Fig. 5 Changes of nitrogen and phosphorus concentration during the suspended solids precipitation

隨時間變化各水層氮磷比呈先增加后降低趨勢（圖6），前9天氮磷比日均值從16.8顯著增高到 60.2（P＜0.001），第 9～15天，氮磷比日均值顯著降低（P＜0.001），從60.2降低到17.0。

2.4 葉綠素a和綜合富營養化指數的變化

圖6 泥沙沉降過程氮磷比變化Fig. 6 Changes of N/P ratio during the suspended solids precipitation

圖7 泥沙沉降過程Chl.a含量變化Fig. 7 Changes of chlorophyll a during the suspended solids precipitation

圖8 泥沙沉降過程TLI值變化Fig. 8 Changes of TLI during the suspended solids precipitation

高州水庫含沙原水靜沉期間，不同取樣口葉綠素a濃度日均值呈先降低后保持平穩的趨勢（圖7），綜合營養狀態指數TLI呈逐漸降低趨勢（圖8），各水層之間Chl.a和TLI無顯著變化差異（P=0.999）。實驗前3天各水層Chl.a日均值從1.45 mg·m-3顯著降低至 0.42 mg·m-3（P＜0.001），3 天之后基本平穩在0.23 mg·m-3，根據實驗推測臺風強降雨后3天，Chl.a恢復至臺風前水平；實驗第12天，1號取樣口Chl.a濃度突變為0.38 mg·m-3，之后又降低；各水層綜合營養狀態指數TLI日均值由中營養水平的41.6顯著降低至貧營養水平的23.4（P＜0.001）。

2.5 相關性分析

對Chl.a與水質指標進行回歸分析，結果表明，Chl.a與濁度、泥沙含量、總磷、pH和溶解氧呈顯著正相關（P＜0.001），且與濁度的相關系數最高（r=0.941，P＜0.001）；Chl.a與透明度呈顯著負相關（P＜0.001），Chl.a與總氮、電導率、CODMn濃度的相關性未達到顯著水平（P＞0.01）（圖9）。

3 討論

在自然界中，水體pH值影響泥沙顆粒表面微生物的生理活動，也會促進或者抑制顆粒表面活性基團的離解，影響泥沙的絮凝沉降（張壘等，2015；劉啟貞，2007）。實驗期間，隨沉淀時間延長各水層pH日均值逐漸降低，說明泥沙沉降過程對水體pH值產生影響。電導率反映水體中各種離子的總含量（鄧培雁等，2015），在一定條件下，泥沙含量與水體的電導率呈線性關系（戴茜等，2011）。研究結果顯示，電導率與泥沙含量變化趨勢并不相同，說明電導率變化除了受泥沙沉降的影響，還受泥沙粒徑等因素的綜合影響。在三峽庫區泥沙沉降研究中也發現，水體電導率變化與懸浮泥沙含量并不顯著相關（黃海強，2008）。水體溶解氧變化受到浮游藻類光合作用、呼吸作用、大氣復氧過程、生化需氧量和沉積物耗氧等因素的綜合影響（唐詩等，2013）。研究表明，懸浮泥沙含有較高濃度的有機物發生原位降解容易引起水體溶解氧降低（Bilotta et al.，2008）。這一結果可能與懸浮泥沙含有的有機物降解及水體復氧能力較低有關。沉降作用使水中重的顆粒如懸浮泥沙和黏土一類的無機物質首先沉降，使水體的泥沙含量驟然下降，而水中較輕的顆粒，主要是動植物及其殘骸浮于水中，使泥沙含量保持在一個很低的水平（Chen et al.，2001）。懸浮泥沙對水體透明度、濁度等光學性質及水生生態條件產生直接影響（梅長青等，2008），水體透明度能夠直接影響到浮游藻類的初級生產力狀況（王書航等，2014）。研究表明，泥沙含量的變化影響水體混濁度與真光層的深度，進而影響水體浮游藻類的生物量變化（欒青杉等，2007）。高州水庫原水泥沙沉降引起水體透明度增大、濁度降低，且在原水靜沉前期，隨泥沙含量的快速降低，濁度下降、透明度增加較快，泥沙含量是影響透明度和濁度的主要因素。根據實驗結果，推斷臺風后約9 d時間，水體pH、電導率、溶解氧、透明度、濁度和泥沙含量可以恢復至正常水平。由于臺風強降雨輸入的泥沙在水庫里發生靜沉作用影響水體渾濁度和透明度，也會間接影響高州水庫浮游藻類生物量的變化。

圖9 葉綠素a與水質指標之間的回歸分析Fig. 9 Regression analysis between chlorophyll a and water quality indicators

強降雨、溫度等氣象條件是誘發水體富營養化的外因（王麗平等，2013），氮磷營養鹽是水體富營養化的主要影響因素（Paerl et al.，2011）。氮作為水體富營養化的重要元素，主要以水溶態存在，與泥沙顆粒的結合能力較弱（王曉燕等，2003）。且在懸浮物-水界面氮交換過程中，氮濃度主要表現為由懸浮物向水中釋放（劉德鴻等，2016）。靜沉前期，隨著泥沙含量的快速降低，水體氮含量下降緩慢，說明氮含量的變化與泥沙沉降作用無直接聯系，與方芳等（2013）的研究結果在水體中泥沙沉降對總氮的攜帶效果不存在明顯的線性關系的結論較為一致。靜沉前期，磷含量下降明顯，且導致氮磷比升高。水體中磷大多是以顆粒態形式存在的，而泥沙對顆粒磷的吸附作用極強（王曉燕等，2003），使得泥沙在沉降過程中水體磷濃度下降明顯（王圣瑞等，2005），氮磷比升高。氮磷比是考察營養鹽結構的主要指標（陳曉玲等，2013）。氮磷比與藻類生長密切相關，若氮磷比值大于16，說明磷為藻類生長的限制因子；若氮磷比值小于16，則說明氮為限制因子（曲麗梅等，2006）。含沙原水靜沉期間，水體氮磷比均大于16，說明高州水庫原水磷為藻類生長的限制因子（姚玲愛等，2011）。模擬實驗結果說明，臺風強降雨輸入高州水庫的泥沙在沉降過程中將會首先影響水體磷營養鹽濃度，影響氮磷比的變化，進而影響水體富營養化程度，泥沙沉降作用抑制了高州水庫限制性營養鹽磷含量的升高，因而對富營養化發生具有一定的抑制作用（張智等，2006）。

葉綠素 a是反映浮游藻類現存量的重要指標（趙帥營等，2002），是水體理化性質動態變化的綜合反映指標，常被作為評價水體富營養化狀況的主導因子（Lürling et al.，2013）。模擬實驗期間，隨著沉淀時間的延長，葉綠素a呈先降低后保持平穩的趨勢，這可能是因為本實驗在臺風強降雨后進行，且高州水庫原水為磷限制型水體，隨著臺風強降雨后總磷濃度的快速降低，雖然透明度增大、光合作用增強，但受極端氣候和磷限制原因藻類生物量降低，葉綠素a濃度降低。以上結果與長江水體泥沙正常沉降條件下葉綠素a含量先升高后降低的研究結論不同（張智等，2007），這可能因為長江水體為正常條件下沉降水體，且為既非氮也非磷限制型水體（曹承進等，2008），泥沙沉降中營養鹽充足，透明度降低為水體中藻類提供了充足的光合作用，使得葉綠素a濃度增加。沉降后期，隨著泥沙沉降作用，水中的懸浮顆粒物以藻類為主，浮游藻類的生物量成為影響水體濁度、泥沙含量和透明度的關鍵因素，隨著磷營養鹽含量的降低，藻類生物量降低，水體濁度和泥沙含量降低，透明度持續升高。根據模擬試驗相關性分析結果，葉綠素a濃度與濁度、泥沙含量、總磷、pH和溶解氧呈顯著正相關，與透明度呈顯著負相關；透明度與葉綠素a濃度相互制約，透明度逐漸增大，葉綠素a濃度逐漸降低。綜合營養狀態指數TLI實驗表明，隨著沉淀時間延長，TLI呈逐漸降低趨勢，說明高州水庫泥沙沉降作用有利于減緩水體富營養化。

2004—2010 年間，高州水庫富營養狀況逐年加重，逐漸由中營養向富營養化發展（周楊等，2011），并于2009年和2010年春季相繼出現大規模藍藻水華（姚玲愛等，2011）；研究發現2010年9月因強臺風“凡比亞”強降雨洪水后大量泥沙等顆粒物進入高州水庫，次年春季枯水期水體氮磷營養鹽濃度降低，藻類細胞密度降低且無水華現象發生（陳修康等，2014）。由此推測，臺風強降雨輸入后，高州水庫懸浮泥沙發生自然沉降作用，濁度和泥沙含量降低，透明度升高，氮磷營養鹽濃度降低，葉綠素a濃度降低，水體綜合富營養化指數降低，對高州水庫水質有一定的改善作用。因此，進行臺風強降雨輸入水源水庫的泥沙靜態沉降實驗研究，對掌握臺風強降雨后水源水庫水質和富營養化的進程是十分必要的，值得做進一步深入分析。

4 結論

本研究通過對臺風強降雨輸入水源水庫的泥沙進行靜態沉降實驗研究，得到以下主要研究結論：

（1）隨泥沙沉降時間延長，水體透明度逐漸增大，pH、溶解氧、濁度和泥沙含量日均值逐漸降低；泥沙沉降作用降低了水體磷營養鹽和葉綠素 a濃度，使得綜合營養狀態指數 TLI由中營養水平的41.6降低至貧營養水平的23.4。

（2）泥沙沉降模擬過程中，水體葉綠素a濃度與濁度、泥沙含量、總磷、pH和溶解氧呈顯著正相關（P ＜0.001），且與濁度的相關系數最高；葉綠素 a與透明度呈顯著負相關（P＜0.001）；葉綠素 a與總氮、電導率、CODMn的相關性未達到顯著水平（P＞0.01）。

（3）根據實驗結果，推斷臺風后約9 d時間，水體 pH、電導率、溶解氧、透明度、濁度和泥沙含量可以恢復至正常水平。

（4）臺風強降雨輸入的泥沙沉降作用有利于減緩高州水庫水體富營養化進程。

致謝：本實驗的現場采樣和室內分析工作由李思陽、李坤瑩、周文婷、易波等協助完成，在此表示感謝！