三峽水庫(kù)干、干支流對(duì)支流庫(kù)灣水動(dòng)力學(xué)特性的影響

三峽水庫(kù)干、干支流對(duì)支流庫(kù)灣水動(dòng)力學(xué)特性的影響

氮磷養(yǎng)分是水華藻類(lèi)光合作用所消耗的主要養(yǎng)分，是評(píng)價(jià)水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要指標(biāo)。氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物在水體中過(guò)量累積且在外部條件適宜時(shí),容易導(dǎo)致藻類(lèi)大面積瘋長(zhǎng),形成“水華”。三峽水庫(kù)蓄水后,在多條支流庫(kù)灣曾多次爆發(fā)不同程度的“水華”,對(duì)庫(kù)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(wèn)題,其中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度偏高是其物質(zhì)基礎(chǔ)。針對(duì)庫(kù)區(qū)支流庫(kù)灣水體營(yíng)養(yǎng)鹽的來(lái)源已開(kāi)展了大量研究,指出入庫(kù)河流水體中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽主要來(lái)自農(nóng)田徑流、城市污水、城市徑流、淹沒(méi)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(duì)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(kù)灣營(yíng)養(yǎng)鹽的重要來(lái)源。但是,干流倒灌支流現(xiàn)象及其對(duì)支流庫(kù)灣營(yíng)養(yǎng)鹽分布的影響在整個(gè)三峽水庫(kù)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(guò)對(duì)三峽庫(kù)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(cè),分析了干流與4條支流庫(kù)灣水動(dòng)力特性以及營(yíng)養(yǎng)鹽分布情況,以期揭示庫(kù)區(qū)支流庫(kù)灣水動(dòng)力特性及其對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽分布影響的普遍規(guī)律,為進(jìn)一步揭示三峽水庫(kù)富營(yíng)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(kù)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(shí),受回水影響的支流主要是萬(wàn)州以下的各條支流。其中,庫(kù)區(qū)秭歸縣至萬(wàn)州區(qū)域內(nèi)流域面積最大、回水長(zhǎng)度最長(zhǎng)的XXH、DNH、MDX、XJ均為典型的深水河道型庫(kù)灣,并多次發(fā)生水華,對(duì)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(duì)象(研究河流見(jiàn)表1),于2010年4-12月對(duì)支流水文水質(zhì)進(jìn)行野外監(jiān)測(cè)。1.2監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距和間距根據(jù)支流地形地貌特征、水體的富營(yíng)養(yǎng)化時(shí)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(cè)點(diǎn)。以XXH為例,從河口至上游回水末端高陽(yáng)鎮(zhèn)共設(shè)11個(gè)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(cè)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(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距較下游小,依次為XXH07~XXH11。同理,在DNH布設(shè)7個(gè)點(diǎn),依次記為DNH01~DNH07;MDX布設(shè)6個(gè)點(diǎn),依次記為MDX01~MDX06;XJ布設(shè)9個(gè)點(diǎn),依次記為XJ01~XJ09。另外,干流上對(duì)應(yīng)于各支流匯入處,在靠近河流中央布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),以CJXX、CJDN、CJMD、CJXJ表示。河流位置見(jiàn)圖1。1.3挪威outicdoppgerdector測(cè)量主要監(jiān)測(cè)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(cè),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(cè)量精度為測(cè)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(cè)與分析》測(cè)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(kù)灣縱剖面流速動(dòng)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(zhǎng)度表示流速大小。由圖2可見(jiàn),4條支流庫(kù)灣均存在水流異向分層流動(dòng)的現(xiàn)象。2010年5月9日在XXH庫(kù)灣,長(zhǎng)江水體由中層倒灌進(jìn)入庫(kù)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(kù)灣,亦出現(xiàn)干流水體從中層倒灌進(jìn)入庫(kù)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(kù)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(kù)灣水流流速較小,平均速度均為厘米級(jí),倒灌水流速度及厚度均沿河口至庫(kù)灣上游逐漸減小,這與黃程等對(duì)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(duì)香溪河水動(dòng)力特性的研究結(jié)果相符。水庫(kù)干流水體倒灌進(jìn)入支流庫(kù)灣的現(xiàn)象可以用倒灌異重流來(lái)表征,倒灌異重流的存在是支流庫(kù)灣主要的水動(dòng)力特性。2.24庫(kù)灣內(nèi)tp濃度的變化情況如圖3所示,總體上,4條支流庫(kù)灣各監(jiān)測(cè)點(diǎn)TN濃度均小于對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)江干流監(jiān)測(cè)點(diǎn)TN濃度,且呈現(xiàn)下游高,上游低的變化趨勢(shì)。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(cè)點(diǎn)CJDN和CJMD的TN濃度分別為0.605mg/L和1.204mg/L,與支流庫(kù)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(kù)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(kù)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(guò)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(cè)點(diǎn)(CJXX)TP濃度與XXH08持平,為0.153mg/L。DNH庫(kù)灣TP濃度分布規(guī)律與TN保持一致(如圖3(b)),表現(xiàn)為庫(kù)灣內(nèi)TP濃度低于干流TP濃度,庫(kù)灣內(nèi)下游高,上游低,DNH05和DNH06處TP濃度均低于0.02mg/L。MDX庫(kù)灣內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP濃度變化波動(dòng)不大,維持在0.057~0.069mg/L范圍內(nèi),低于干流監(jiān)測(cè)點(diǎn)CJMD的0.101mg/L(如圖3(c))。XJ庫(kù)灣內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP濃度均低于干流監(jiān)測(cè)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(cè)點(diǎn)(如圖3(d))?？傮w上,4條支流庫(kù)灣所有監(jiān)測(cè)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(guò)國(guó)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(guò)國(guó)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(cè)點(diǎn)TN、TP濃度均超過(guò)臨界值;干流所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)TN濃度均高于支流庫(kù)灣內(nèi)水體TN濃度;XXH庫(kù)灣內(nèi)除XXH09、XXH10、XXH11監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP濃度高于干流CJXX監(jiān)測(cè)點(diǎn)外,其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP濃度低于干流,XJ、MDX、DNH3條支流庫(kù)灣內(nèi)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP濃度均低于相應(yīng)干流監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP濃度。結(jié)合張晟、羅專溪等的研究成果,4條支流庫(kù)灣上游部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度偏低的現(xiàn)象可能與支流庫(kù)灣上游區(qū)水體同時(shí)受上游來(lái)流輸入和回水的共同作用影響更大有關(guān)。3xj庫(kù)灣水體tp分布特性如圖4所示,2010年8月16日,在XXH庫(kù)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(kù)灣水體由底部流向河口(如圖4(a))。在4月24日,XJ庫(kù)灣出現(xiàn)底部倒灌異重流,倒灌范圍至距河口約35km處,庫(kù)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(kù)灣,使得XXH庫(kù)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(shì),在縱向上,表現(xiàn)為庫(kù)灣下游TN濃度高上游TN濃度低的分布趨勢(shì),以庫(kù)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(shí)段,XXH庫(kù)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(kù)灣且上游水體以底部異重流形式流向河口的水動(dòng)力背景下,由于干流水體TP濃度低于庫(kù)灣上游水體TP濃度,使得整個(gè)庫(kù)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(shì),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(shì),同樣以庫(kù)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(kù)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(kù)灣各監(jiān)測(cè)點(diǎn)表層、中層、底部TN、TP濃度分布趨勢(shì)如圖6所示。由于干流水體TN、TP濃度均高于XJ庫(kù)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(kù)灣時(shí),庫(kù)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(shì);以XJ02監(jiān)測(cè)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(kù)灣下游TN、TP濃度高,上游TN、TP濃度低的分布趨勢(shì),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(cè)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(kù)灣TP分布特性表現(xiàn)一致。因此,干流倒灌對(duì)支流庫(kù)灣營(yíng)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(duì)于整個(gè)支流庫(kù)灣而言,當(dāng)其營(yíng)養(yǎng)鹽濃度低于干流水體時(shí),干流水體倒灌對(duì)支流庫(kù)灣營(yíng)養(yǎng)鹽起到補(bǔ)給作用,反之則起到稀釋作用。4條支流庫(kù)灣中,除XXH庫(kù)灣TP外,庫(kù)灣主要營(yíng)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(chǔ)量3157億t,儲(chǔ)量大,品質(zhì)好,是中國(guó)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(shí)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(gè)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(yíng)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(kù)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(shí),重慶主城區(qū)以下支流均受回水影響,因此無(wú)論干流以何種形式進(jìn)入支流庫(kù)灣,支流受干流水體倒灌都是必然的。對(duì)XXH、DNH、MDX及XJ的研究表明,水庫(kù)干流營(yíng)養(yǎng)鹽濃度普遍高于支流庫(kù)灣;張晟等對(duì)不同蓄水時(shí)期水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)鹽分布特性的分析也表明,干流TN、TP含量均超過(guò)水體富營(yíng)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(zhǎng)江上游來(lái)水營(yíng)養(yǎng)鹽輸入遠(yuǎn)大于三峽庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)其他污染源輸入負(fù)荷。因此,隨著支流庫(kù)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(yíng)養(yǎng)鹽的補(bǔ)給作用。三峽水庫(kù)干流倒灌支流進(jìn)而影響支流庫(kù)灣營(yíng)養(yǎng)鹽分布的現(xiàn)象將普遍存在。針對(duì)三峽水庫(kù)蓄水后氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽狀態(tài)及水體富營(yíng)養(yǎng)化的研究有很多。李松對(duì)嘉陵江營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)行了研究,指出水體氮、磷主要來(lái)自于面源污染,嘉陵江全年TN、TP通量分別達(dá)到三峽庫(kù)區(qū)67個(gè)主要城市污水口排放量的33.2、27.9倍;張晟對(duì)三峽水庫(kù)成庫(kù)后13條主要支流入庫(kù)斷面營(yíng)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(duì)三峽水庫(kù)營(yíng)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(yíng)養(yǎng)鹽水體倒灌進(jìn)入支流庫(kù)灣,對(duì)支流庫(kù)灣進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)鹽補(bǔ)給,支流庫(kù)灣營(yíng)養(yǎng)鹽組成已不再是簡(jiǎn)單的由點(diǎn)、面源的匯入以及對(duì)干流的輸出所決定,干流對(duì)支流庫(kù)灣營(yíng)養(yǎng)鹽的反補(bǔ)同樣起到重要的影響作用,這對(duì)治理支流庫(kù)灣水體富營(yíng)養(yǎng)化,控制支流水華提供了新的研究思路。4水體營(yíng)養(yǎng)鹽分布特性(1)三峽水庫(kù)蓄水后,支流庫(kù)灣普遍存在干流水體以異重流形式倒灌進(jìn)入支流庫(kù)灣的現(xiàn)象。(2)4條支流庫(kù)灣中,DNH、MDX、XJ庫(kù)灣水體TN、TP濃度低于干流水體,支流庫(kù)