三峽水庫不同調度期水體氮形態時空分布特征

時 瑤,趙艷民,秦延文,馬迎群,韓超南,張 雷,楊晨晨,劉志超

(1.中國環境科學研究院 環境基準與風險評估國家重點實驗室,北京 100012; 2.中國環境科學研究院 水環境管理研究室,北京 100012;3.南京林業大學 土木工程學院,南京 210037)

氮是重要的營養元素，也是影響和控制水體富營養化的重要因素[1]。氮素通過氨化、硝化和反硝化作用，以多種形態參與生物過程，并逸入大氣發生交換，成為水體初級生產力關鍵的限制性因素之一[2-6]。氮形態在同一水體不同時間、不同水深的變化差異較大，不同形態的氮參與生物地球化學循環的作用不同，對水體富營養化的貢獻亦不同，僅僅研究氮的總量難以判斷氮素對水環境的影響[7-8]。因此，闡明水體氮形態組成特征與時空變化規律，對水體富營養化防治具有重要意義。

三峽工程是我國也是世界上最大的水利樞紐工程，總庫容為393億m3。三峽工程蓄水運行后，長江上游干流重慶江津至湖北宜昌段形成狹長型河道水庫——三峽水庫(105°44′—111°39′E，28°32′—31°44′N)，全長667 km，水域面積1 080 km2，控制流域面積100萬km2。2003年6月，三峽水庫首次蓄水運行，壩前水位為135 m。2006年9月，三峽水庫壩前水位提升至156 m。2008年10月，三峽水庫壩前水位提升至175 m。之后每年2—6月(泄水期)，壩前水位逐漸降至汛限水位145 m；7—8月(低水位期)，壩前水位保持在最低水位145 m；9—10月(蓄水期)，壩前水位逐漸升高至175 m；11月—次年1月(高水位期)，壩前水位保持在最高水位175 m[9-10]。三峽水庫蓄水位每年在145～175 m范圍內周期性調動，呈現“枯水期高水位，豐水期低水位”的反季節調度特征[10]。

1 材料與方法

1.1 斷面設置

本研究分別于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)在三峽水庫開展4次野外采樣調查，在三峽水庫上游入庫河流(長江上游、嘉陵江和烏江)及水庫干流(重慶江津至湖北宜昌段)共設置8個水質采樣監測斷面：朱沱、北碚、武隆、寸灘、清溪場、曬網壩、秭歸、南津關。其中，朱沱、北碚和武隆斷面分別為上游長江、嘉陵江和烏江的入庫斷面，寸灘和清溪場斷面是入庫斷面，曬網壩斷面為庫區中部斷面，秭歸斷面為壩前斷面，南津關斷面是出庫斷面。具體斷面及站點設置見圖1。

圖1 三峽水庫上游入庫河流及水庫干流采樣斷面分布

1.2 樣品采集與處理

采用卡蓋式采水器采集表層水樣，每個斷面采集3個平行樣品。采樣時先放掉少量水樣，混勻后，取一部分水樣立即裝于聚乙烯瓶中，4℃冷藏保存；取一部分水樣立即用0.45 μm醋酸纖維微孔濾膜過濾，濾液裝于聚乙烯瓶中，加入2滴氯仿，4℃冷藏保存。

1.3 分析方法

分別取過濾后水樣和未過濾原水樣，采用堿性過硫酸鉀消解，使用QUAATRO型營養鹽自動分析儀分別測定水樣中總溶解態氮(TDN-N)和總氮(TN-N)的濃度。

(2)水質常規參數測定。采用YSI便攜式多參數水質監測儀(美國YSI6600V2型)，在采樣現場即時監測表層水體的水溫、pH值、溶解氧(DO)和電導率(EC)等水質參數。

1.4 數據收集及處理

收集2015年三峽水庫4個水文站[朱沱、寸灘、清溪場和曬網壩(萬縣)]流速數據，數據資料來源于《中華人民共和國水文年鑒(長江上游干流分冊)》(2010—2016年)[16]。

樣品采集和測定所得全部數據經輸入計算機后，運用Excel 2003和SPSS 16.0等軟件進行統計分析處理。

2 結果與分析

2.1 水文、水質參數基本特征

三峽水庫蓄水以后，形成了庫區河道型水庫與壩下天然河道兩種狀態，其水文水質參數也呈現出不同的變化特征[17]。2015年三峽水庫干流各水文站水體流速分布情況見圖2。可以看出，水體流速總體呈先上升后下降的變化趨勢，1—7月(枯水期—豐水期)逐漸升至最高值(2.54 m/s)；8—12月(豐水期—枯水期)逐漸降至最低值(0.10 m/s)。三峽水庫從庫尾的寸灘站、清溪場至庫中的萬縣站，流速呈逐漸減緩的縱向分布特征。長江上游朱沱站水體流速相對較大，豐水期可達2.54 m/s，平水期和枯水期最小流速為1.01 m/s。而萬縣站和清溪場站流速較小，2月最小流速分別為0.10 m/s(萬縣)，0.21 m/s(清溪場)。可見，水庫水位的反季節變化特征，使得蓄水期和高水位期庫區水體流速減緩，水體滯留時間逐漸延長；泄水期和低水位期庫區水體流速逐漸加快，水體滯留時間逐漸縮短[9]。

圖2 2015年三峽水庫各水文站水體流速變化

三峽水庫4個水庫調度期水質參數統計結果見表1。可以看出，研究區域水溫范圍為10.67～27℃，不同調度期水溫差異明顯。pH值范圍為5.87～8.73，整體處于中性偏堿性水平。EC變化范圍為290.6～488.9 μS/cm，高水位期EC值最高。DO濃度范圍為5.06～9.70 mg/L，存在明顯的季節性變化，高水位期，研究區域水溫低，DO高；低水位期則水溫高，DO低，與冬、夏季日照強度不同導致表層水體復氧能力不同有關[9]。

表1 水質參數統計結果

2.2 水體氮形態含量組成特征

表2 4個水庫調度期不同氮形態濃度 mg/L

圖3 DIN組成百分含量的空間分布

2.3 水體氮形態空間分布特征

從圖4可以看出，由于受到研究區域地形環境、水動力學特征、水體生物活動及污染來源等因素的影響，研究區域不同調度期水體氮形態分布差異較為顯著。

圖4 4個水庫調度期水體氮形態沿程分布

2.4 水體氮形態季節變化特征

圖5 水體氮形態的季節分布

2.5 水體基本理化因子與氮形態分布特征的關系

水體氮形態分布主要受外源性輸入氮素、沉積物內源釋放氮素以及水體生物硝化和反硝化的多重作用影響[34]。氮素輸入后經過復雜的生物地球化學過程，其含量及形態分布受水體理化性質的影響。為此，本研究分析了不同氮形態之間，以及水體主要理化因子(pH值、水溫、DO，EC)與各氮形態之間的相關性，結果見表3。

表3 氮形態與水體環境因子及氮形態之間的相關性分析

3 結 論