三峽水庫干、干支流對支流庫灣水動力學(xué)特性的影響

三峽水庫干、干支流對支流庫灣水動力學(xué)特性的影響

氮磷養(yǎng)分是水華藻類光合作用所消耗的主要養(yǎng)分，是評價(jià)水體富營養(yǎng)化的重要指標(biāo)。氮、磷等營養(yǎng)物在水體中過量累積且在外部條件適宜時,容易導(dǎo)致藻類大面積瘋長,形成“水華”。三峽水庫蓄水后,在多條支流庫灣曾多次爆發(fā)不同程度的“水華”,對庫區(qū)水質(zhì)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅,成為亟待解決的熱點(diǎn)問題,其中氮、磷營養(yǎng)鹽濃度偏高是其物質(zhì)基礎(chǔ)。針對庫區(qū)支流庫灣水體營養(yǎng)鹽的來源已開展了大量研究,指出入庫河流水體中氮、磷營養(yǎng)鹽主要來自農(nóng)田徑流、城市污水、城市徑流、淹沒土壤的釋放、工業(yè)廢水以及少量的生活垃圾和船舶廢水等。然而,對香溪河和大寧河的研究表明,干、支流以倒灌異重流形式進(jìn)行水體交換,干流倒灌輸入補(bǔ)給亦是支流庫灣營養(yǎng)鹽的重要來源。但是,干流倒灌支流現(xiàn)象及其對支流庫灣營養(yǎng)鹽分布的影響在整個三峽水庫支流中是否具有普適性,目前研究成果尚少,還需要進(jìn)一步深入研究。本文通過對三峽庫區(qū)支流香溪河(XXH)、大寧河(DNH)、磨刀溪(MDX)、小江(XJ)及其出口處干流水流水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測,分析了干流與4條支流庫灣水動力特性以及營養(yǎng)鹽分布情況,以期揭示庫區(qū)支流庫灣水動力特性及其對營養(yǎng)鹽分布影響的普遍規(guī)律,為進(jìn)一步揭示三峽水庫富營養(yǎng)化及水華暴發(fā)機(jī)理提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1受回水影響的干流及各條自按照三峽水庫調(diào)度方案,在正常蓄水175m情況下,重慶主城區(qū)以下的各河流都受到回水影響;當(dāng)水位在175~156m變化時,受回水影響的支流主要是萬州以下的各條支流。其中,庫區(qū)秭歸縣至萬州區(qū)域內(nèi)流域面積最大、回水長度最長的XXH、DNH、MDX、XJ均為典型的深水河道型庫灣,并多次發(fā)生水華,對流域水環(huán)境造成的影響最為突出。因此,本文選取該4條具有代表性的支流作為研究對象(研究河流見表1),于2010年4-12月對支流水文水質(zhì)進(jìn)行野外監(jiān)測。1.2監(jiān)測點(diǎn)間距和間距根據(jù)支流地形地貌特征、水體的富營養(yǎng)化時空特性,以及采樣的可行性,從支流河口至回水末端沿河道中泓布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。以XXH為例,從河口至上游回水末端高陽鎮(zhèn)共設(shè)11個點(diǎn),依次記為XXH01~XXH11。由于XXH下游河道走向變化平緩,多為直線河道,因此布點(diǎn)較稀疏,監(jiān)測點(diǎn)間距較大,依次為XXH01~XXH06,峽口鎮(zhèn)以上河道走向變化頻繁,因此布點(diǎn)較密集,并盡量選取直線河道布設(shè)監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測點(diǎn)間距較下游小,依次為XXH07~XXH11。同理,在DNH布設(shè)7個點(diǎn),依次記為DNH01~DNH07;MDX布設(shè)6個點(diǎn),依次記為MDX01~MDX06;XJ布設(shè)9個點(diǎn),依次記為XJ01~XJ09。另外,干流上對應(yīng)于各支流匯入處,在靠近河流中央布設(shè)1個監(jiān)測點(diǎn),以CJXX、CJDN、CJMD、CJXJ表示。河流位置見圖1。1.3挪威outicdoppgerdector測量主要監(jiān)測指標(biāo):流速、水深、總氮(TN)、總磷(TP)。流速及水深利用聲學(xué)多普勒三維點(diǎn)式流速儀6MHz“Vector”ADV(AcousticDopplerVector)(NortekAS,挪威)進(jìn)行監(jiān)測,其采樣體積為883~3533mm3(直徑為15mm、高為5~20mm的圓柱體,在探頭前方0.15m處),內(nèi)部采樣頻率最大為250Hz,最大輸出頻率為64Hz,測量精度為測量值的(0.5±0.1)%cm/s;TN、TP濃度參考《水和廢水分析方法》(第4版)和《湖泊生態(tài)調(diào)查觀測與分析》測定。2結(jié)果與分析2.14干流水體倒灌速度、厚度及流變學(xué)特性如圖2所示為2010年XXH、DNH、MDX、XJ四條支流庫灣縱剖面流速動態(tài)分布圖。圖2中黑色矢量表示由河口流向支流,白色矢量表示由支流流向河口,矢量長度表示流速大小。由圖2可見,4條支流庫灣均存在水流異向分層流動的現(xiàn)象。2010年5月9日在XXH庫灣,長江水體由中層倒灌進(jìn)入庫灣,最大倒灌速度為0.088m/s,倒灌范圍達(dá)到距離河口約20km(如圖2(a)),倒灌水層最大厚度約38m;2010年4月22日在DNH庫灣,亦出現(xiàn)干流水體從中層倒灌進(jìn)入庫灣的現(xiàn)象,最大倒灌速度為0.159m/s,倒灌范圍最遠(yuǎn)至距河口32km處,倒灌水層最大厚度約36m(如圖2(b));2010年11月29日在MDX(如圖2(c))和30日在XJ(如圖2(d))均出現(xiàn)干流水體從底部倒灌進(jìn)入庫灣的現(xiàn)象,最大倒灌速度分別為0.099m/s和0.091m/s,倒灌范圍分別至距河口30km和50km處,倒灌水層最大厚度分別為43m和51m?？傮w上,支流庫灣水流流速較小,平均速度均為厘米級,倒灌水流速度及厚度均沿河口至庫灣上游逐漸減小,這與黃程等對大寧河回水區(qū)水流流速的研究結(jié)果以及紀(jì)道斌、馬駿等對香溪河水動力特性的研究結(jié)果相符。水庫干流水體倒灌進(jìn)入支流庫灣的現(xiàn)象可以用倒灌異重流來表征,倒灌異重流的存在是支流庫灣主要的水動力特性。2.24庫灣內(nèi)tp濃度的變化情況如圖3所示,總體上,4條支流庫灣各監(jiān)測點(diǎn)TN濃度均小于對應(yīng)的長江干流監(jiān)測點(diǎn)TN濃度,且呈現(xiàn)下游高,上游低的變化趨勢。CJXX的TN濃度為1.257mg/L,是上游XXH11的13.9倍(如圖3(a))。DNH和MDX相應(yīng)干流監(jiān)測點(diǎn)CJDN和CJMD的TN濃度分別為0.605mg/L和1.204mg/L,與支流庫灣回水末端(DNH06、MDX06)TN濃度之比分別達(dá)到了3.25和6.16,(如圖3(b)、(c))。XJ庫灣內(nèi),上游XJ06至XJ09段TN濃度保持在0.69~0.76mg/L范圍內(nèi),相比干流CJXJ以及近河口處的XJ01和XJ02要低,僅為干流濃度的0.5倍(如圖3(d))。與TN分布規(guī)律相反,XXH庫灣TP濃度從河口至回水末端沿程增加(如圖3(a)),上游XXH09~XXH11段TP濃度最高,超過0.2mg/L,XXH11處達(dá)到0.246mg/L,XXH01~XXH07段TP濃度變化范圍維持在0.107~0.118mg/L之內(nèi),干流監(jiān)測點(diǎn)(CJXX)TP濃度與XXH08持平,為0.153mg/L。DNH庫灣TP濃度分布規(guī)律與TN保持一致(如圖3(b)),表現(xiàn)為庫灣內(nèi)TP濃度低于干流TP濃度,庫灣內(nèi)下游高,上游低,DNH05和DNH06處TP濃度均低于0.02mg/L。MDX庫灣內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)TP濃度變化波動不大,維持在0.057~0.069mg/L范圍內(nèi),低于干流監(jiān)測點(diǎn)CJMD的0.101mg/L(如圖3(c))。XJ庫灣內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)TP濃度均低于干流監(jiān)測點(diǎn),亦呈現(xiàn)下游高上游低的分布規(guī)律,XJ06~XJ08段TP濃度均低于0.02mg/L,而在上游XJ09處,TP濃度突然增大到0.075mg/L,但仍遠(yuǎn)低于TP濃度高達(dá)0.219mg/L的CJXJ監(jiān)測點(diǎn)(如圖3(d))?？傮w上,4條支流庫灣所有監(jiān)測點(diǎn)中,TN濃度僅XXH上游XXH09、XXH10、XXH11、DNH上游DNH06和MDX上游MDX06未超過國際公認(rèn)的發(fā)生水華的單因子閾值0.2mg/L,TP濃度僅DNH上游DNH05、DNH06和XJ上游XJ06、XJ07、XJ08未超過國際公認(rèn)的發(fā)生水華的單因子閾值0.02mg/L;干流所有監(jiān)測點(diǎn)TN、TP濃度均超過臨界值;干流所有監(jiān)測點(diǎn)TN濃度均高于支流庫灣內(nèi)水體TN濃度;XXH庫灣內(nèi)除XXH09、XXH10、XXH11監(jiān)測點(diǎn)TP濃度高于干流CJXX監(jiān)測點(diǎn)外,其他監(jiān)測點(diǎn)TP濃度低于干流,XJ、MDX、DNH3條支流庫灣內(nèi)所有監(jiān)測點(diǎn)TP濃度均低于相應(yīng)干流監(jiān)測點(diǎn)TP濃度。結(jié)合張晟、羅專溪等的研究成果,4條支流庫灣上游部分監(jiān)測點(diǎn)營養(yǎng)鹽濃度偏低的現(xiàn)象可能與支流庫灣上游區(qū)水體同時受上游來流輸入和回水的共同作用影響更大有關(guān)。3xj庫灣水體tp分布特性如圖4所示,2010年8月16日,在XXH庫灣出現(xiàn)表層倒灌異重流,倒灌水層最大厚度約60m,隨潛入距離增加而逐漸減小,影響范圍至距河口約26km處,庫灣水體由底部流向河口(如圖4(a))。在4月24日,XJ庫灣出現(xiàn)底部倒灌異重流,倒灌范圍至距河口約35km處,庫灣水體由表層流向干流(如圖4(b))。受到干流倒灌的影響,TN濃度高的干流水體以表層異重流形式倒灌進(jìn)入XXH庫灣,使得XXH庫灣內(nèi)水體TN濃度在垂向上表現(xiàn)為表層向底部由高到低的分布趨勢,在縱向上,表現(xiàn)為庫灣下游TN濃度高上游TN濃度低的分布趨勢,以庫灣下游XXH01、中游XXH06、上游XXH09為例,表層水體TN濃度分別為1.407、1.336、0.091mg/L,中層水體TN濃度分別為1.225、1.131、0.723mg/L,底部水體TN濃度分別為1.120、0.848、0.440mg/L(如圖5(a))。同一時段,XXH庫灣內(nèi)水體TP濃度的分布也受到倒灌異重流的影響,在干流水體由表層進(jìn)入庫灣且上游水體以底部異重流形式流向河口的水動力背景下,由于干流水體TP濃度低于庫灣上游水體TP濃度,使得整個庫灣水體TP濃度在垂向上表現(xiàn)為表層向底部由低到高的分布趨勢,在縱向上表現(xiàn)為下游TP濃度低,上游TP濃度高的分布趨勢,同樣以庫灣下游XXH01、中游XXH06、上游XXH09為例,表層水體TP濃度分別為0.052、0.088、0.205mg/L,中層水體TP濃度分別為0.118、0.126、0.207mg/L,底部水體TP濃度分別為0.241、0.204、0.225mg/L(如圖5(b))。同樣,XJ庫灣內(nèi)水體TN、TP濃度分布也受到干流倒灌的影響。2010年4月24日,XJ庫灣各監(jiān)測點(diǎn)表層、中層、底部TN、TP濃度分布趨勢如圖6所示。由于干流水體TN、TP濃度均高于XJ庫灣內(nèi)水體TN、TP濃度,當(dāng)干流水體以底部異重流形式倒灌進(jìn)入XJ庫灣時,庫灣下游水體TN、TP濃度表現(xiàn)為表層低,中層、底部高的分布趨勢;以XJ02監(jiān)測點(diǎn)為例,表層、中層、底部水體TN濃度分別為1.126、1.559、2.094mg/L(如圖6(a));TP濃度分別為0.150、0.189、0.188mg/L(如圖6(b))。在縱向上,以XJ05為分界點(diǎn),呈現(xiàn)出庫灣下游TN、TP濃度高,上游TN、TP濃度低的分布趨勢,以XJ01、XJ05、XJ08為例,TN和TP平均濃度分別為1.415、0.761、0.804和0.207、0.050、0.013mg/L。特別的,XJ09監(jiān)測點(diǎn)表層TP濃度為0.075mg/L,高于上游其他各點(diǎn),在未受到倒灌水層影響的情況下,與XJ庫灣TP分布特性表現(xiàn)一致。因此,干流倒灌對支流庫灣營養(yǎng)鹽分布規(guī)律影響顯著,倒灌異重流在不同水層出現(xiàn),將改變TN、TP垂向分布規(guī)律。對于整個支流庫灣而言,當(dāng)其營養(yǎng)鹽濃度低于干流水體時,干流水體倒灌對支流庫灣營養(yǎng)鹽起到補(bǔ)給作用,反之則起到稀釋作用。4條支流庫灣中,除XXH庫灣TP外,庫灣主要營養(yǎng)鹽均受到干流倒灌的補(bǔ)給。香溪河流域礦產(chǎn)資源豐富,其中磷礦儲量3157億t,儲量大,品質(zhì)好,是中國三大富磷礦區(qū)之一。磷化工是當(dāng)?shù)氐闹еa(chǎn)業(yè),同時也使香溪河受到較嚴(yán)重的磷污染,平邑口至峽口河段分布著兩個黃磷廠,由于磷化工和生活污水的排放,三峽大壩蓄水前的香溪河已接近富營養(yǎng)化污染嚴(yán)重的武漢東湖湖水的總磷含量。TP濃度本底值偏高是蓄水后XXH庫灣TP濃度高于干流倒灌水體TP濃度的主要原因。正常蓄水位175m時,重慶主城區(qū)以下支流均受回水影響,因此無論干流以何種形式進(jìn)入支流庫灣,支流受干流水體倒灌都是必然的。對XXH、DNH、MDX及XJ的研究表明,水庫干流營養(yǎng)鹽濃度普遍高于支流庫灣;張晟等對不同蓄水時期水庫營養(yǎng)鹽分布特性的分析也表明,干流TN、TP含量均超過水體富營養(yǎng)化產(chǎn)生的濃度值,且濃度值較高,垂向分布均勻,并指出長江上游來水營養(yǎng)鹽輸入遠(yuǎn)大于三峽庫區(qū)范圍內(nèi)其他污染源輸入負(fù)荷。因此,隨著支流庫灣受干流倒灌的影響,回水區(qū)內(nèi)的支流河段都將受到干流高濃度營養(yǎng)鹽的補(bǔ)給作用。三峽水庫干流倒灌支流進(jìn)而影響支流庫灣營養(yǎng)鹽分布的現(xiàn)象將普遍存在。針對三峽水庫蓄水后氮、磷營養(yǎng)鹽狀態(tài)及水體富營養(yǎng)化的研究有很多。李松對嘉陵江營養(yǎng)鹽進(jìn)行了研究,指出水體氮、磷主要來自于面源污染,嘉陵江全年TN、TP通量分別達(dá)到三峽庫區(qū)67個主要城市污水口排放量的33.2、27.9倍;張晟對三峽水庫成庫后13條主要支流入庫斷面營養(yǎng)鹽季節(jié)性變化進(jìn)行了初步研究,指出13條支流不同季節(jié)排放TN、TP的范圍分別為249~922和9.97~50.5g/s,強(qiáng)調(diào)支流對三峽水庫營養(yǎng)鹽的輸入應(yīng)該引起足夠重視。然而,從本文的研究結(jié)果可以看出,由于倒灌異重流的普遍存在,干流高濃度營養(yǎng)鹽水體倒灌進(jìn)入支流庫灣,對支流庫灣進(jìn)行營養(yǎng)鹽補(bǔ)給,支流庫灣營養(yǎng)鹽組成已不再是簡單的由點(diǎn)、面源的匯入以及對干流的輸出所決定,干流對支流庫灣營養(yǎng)鹽的反補(bǔ)同樣起到重要的影響作用,這對治理支流庫灣水體富營養(yǎng)化,控制支流水華提供了新的研究思路。4水體營養(yǎng)鹽分布特性(1)三峽水庫蓄水后,支流庫灣普遍存在干流水體以異重流形式倒灌進(jìn)入支流庫灣的現(xiàn)象。(2)4條支流庫灣中,DNH、MDX、XJ庫灣水體TN、TP濃度低于干流水體,支流庫