文章信息
- 焦剑, 郎从, 杨扬, 郑娟娟, 杨俊杰
- JIAO Jian, LANG Cong, YANG Yang, ZHENG Juanjuan, YANG Junjie
- 北京半城子水库水体营养物质表观沉降速率
- Apparent settling velocity of nutrients in Banchengzi Reservoir, Beijing
- 生态学报, 2014, 34(14): 4107-4115
- Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(14): 4107-4115
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201306101627
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文章历史
- 收稿日期:2013-6-10
- 修订日期:2014-4-21
2. 中国水利水电科学研究院, 北京 100048
2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China
北京面临严重缺水,目前密云水库是北京地区最重要的地表饮用水水源地,其水质直接影响到首都人民生活和城市的可持续发展。然而,随着人口增加和经济发展,水库水污染问题逐渐凸显。自20世纪90年代以来,密云水库水体呈自中营养化向富营养化发展趋势[1],水质开始出现恶化。到目前为止,水体富营养化已成为密云水库最主要的水污染问题。研究表明,水土流失过程以及畜禽粪便、农村生活垃圾和污水等不合理排放所产生大量营养物质[2, 3]是诱发密云水库水体藻类增殖的重要原因。自上世纪90年代以来,许多学者对密云水库水体营养物质的季节和年际变化特征及空间分布状况[4, 5, 6]做了详细分析;并分析了水体N、P等营养元素对浮游植物生长和增殖的影响[1, 6]。同时,对于上游河流水体营养物质状况也有所报道和分析[7, 8]。但到目前为止,上述研究尚未建立本区水库水体营养物质浓度和其入库营养物质总量之间的定量联系,使得现有研究成果尚不足以为密云水库水污染防治及其上游地区流域综合治理提供有力的科学支持。因此,明确水库水体营养物质浓度与其上游河流营养物质之间的响应关系,对于模拟水体营养物质运移至关重要。
上游河流水体进入水库后,流速明显减缓,水体中泥沙和胶体颗粒等携带吸附的营养物质易逐步沉积在水库底部。许多流域非点源污染模型都采用了表观沉降速率这一参数,定量描述营养物质通过不同过程,输移进入水库沉积物的净效果[9]。该参数也可用于定量描述水体污染物自河道向水库的迁移过程。本文在位于密云水库上游的半城子水库进行水体营养物质监测,并收集水库水文资料和降雨资料,在了解水库水体营养物质平衡及其季节变化特征的基础上,计算水体营养物质表观沉降速率,并分析其主要影响因素,以定量描述营养物质自河流向水库迁移过程,从而为制订水污染防治对策,保障饮水安全提供理论依据。
1 资料与方法 1.1 资料收集本文研究区位于半城子水库,其位于北京密云水库北侧约10km,处于入库河流之一的牤牛河上游,是以防洪、灌溉、发电为主,兼综合利用的中型水库。水库于1976年建成,总库容1020万m3,正常水面面积0.372 km2。水库呈狭长状(图 1),其所占据河道长度约2100m,宽度为100—300m不等,其深度自上游向下游递增,最大深度约23m,取样期内水库平均水深为11.7m。半城子水库上游流域集水面积为66.1km2。地貌为山地和低山丘陵,海拔250—800m之间,年平均气温10.2℃,年均降水量669mm,约75%集中在6—8月。流域内有5个行政村,人口约2400人,人类活动以农业生产为主。半城子水库入库河流为牤牛河和古石峪,自北而南汇入半城子水库。
本文所收集资料为半城子水库逐日库水位、蓄水量、日平均入库流量和出库流量,以及水库雨量站逐日降水量资料,资料来自北京水务局网站(www.bjwater.gov.cn),其序列为2009—2010年。
1.2 水体营养物质监测所采集样品共分为三类:河流径流样品、大气降水样品和水库水体样品。本文通过河流径流和大气降水样品分析入库水体营养物质状况,通过水库水体样品分析水库自身营养物质状况。
研究自2009年6月至2010年11月采集上述样品。河流径流样品采集点共2个,分别位于半城子水库入库河流——牤牛河和古石峪汇入半城子水库断面上游(图 1),两条入库河流仅在2010年8—12月来水,河流径流样品具体采集时间见图 2。依据入库流量过程线,共采样8次。其中4次处于洪水过程中,4次处于河流水位较为稳定时。由于研究区全年90%以上的降雨处于5—10月,因此每年此段时期在位于半城子水库东南的半城子村采集大气降水样品。本文将水库所在河道等分为五段,从距牤牛河入库断面下游方向400m处开始,每隔400m选取一取样点,共计5个点。并依据取样点的水体深度,自上而下等分为3个水层,分别在每一水层采集水样。水库采样时间为每月的第1天。本文总计采集河流径流样品14个;大气降水样品17个;水库径流样品182个。在采集水库和河流径流样品时,现场测定水温。
1.3 实验分析上述样品采集完毕后,尽快送至北京师范大学地理学教学实验中心实验室,分析水体营养物质含量。检测项目包括:硝态氮(NO-3-N)、铵态氮(NH+4-N)、总氮(TN)、总磷(TP)和高锰酸钾盐指数(CODMn)。具体测定方法为:NO-3-N采用紫外分光光度法[10];NH+4-N采用淀酚蓝比色法[11];TN采用碱性过硫酸钾消解分光光度法[12];TP采用钼酸铵分光光度法[13];CODMn采用高锰酸钾氧化法测定[14]。测定TN、TP和CODMn时,未对水样进行过滤;NO-3-N和NH+4-N则在过滤后测定。
1.4 表观沉降速率计算假设水库水体深度均一,水土界面面积与水体表面积相等(图 3),则水库水体营养物质表观沉降速率可表示如下[9]:
式中,v为表观沉降速率,表示营养物输移进入水库沉积物的净效果(m/day);As为水库水面面积 (m2);c0 为水体中初始营养物质平均浓度 (kg/m3),为各取样点浓度的平均值;dt为时间步长 (d);Msettling 为沉淀损失的营养物质量 (kg),由下式计算获得:
式中,Min为模拟时段内,通过河道径流和降水进入水库水体的营养物质总量(kg)。依据逐日入库流量和逐次监测所得的河流水体中营养物质浓度,获得通过河道径流进入水库的营养物质总量;依据月降雨量(m)和该月内监测所得的各次大气降水中营养物质浓度平均值(kg/m3),乘以水库水面面积(m2),获得逐月通过降水进入水库的营养物质总量。
V0和c0为模拟时段开始时,水库蓄水量(m3)和水体营养物质平均浓度(kg/m3)。其中,水库水体营养物质平均浓度为各取样点测得的营养物质浓度平均值,下同。
Vt和ct为模拟时段结束时,水库蓄水量(m3)和水体营养物质平均浓度(kg/m3)。
Vout和cout为模拟时段内,水库出库水量(m3)和出库水体中营养物质平均浓度(kg/m3)。半城子水库通过其底部的隧洞,经由地下封闭管道将水库水体直接输送至密云水库。其中,底部隧洞直径1.8m,洞底高程244.0m,与水库死水位相同;地下管道总长13.1km。观测期内,半城子水库于2010年11月向密云水库输水308.2m3,相当于输水前蓄水总量的47.0%,日均出库流量1.23m3/s。出库水体营养物质浓度为2010年11月测得的水库中层和深层水体营养物质浓度平均值。
实际上,除了发生沉降和被浮游植物吸收外,水体中N元素也可被反硝化细菌利用,在缺氧条件下,还原硝酸盐,释放出分子态氮(N2)或一氧化二氮(N2O),以气态形式进入大气。但该水库位于华北北部山区,水温较低,反硝化作用较弱[7],因此本文未对反硝化损失的N进行详细探讨。同时,水体中化合价为-3价的N元素主要以NH+4-N的形式存在,且其浓度远未达到饱和,故其不易以氨的形式挥发至大气中,本文未对该过程进行详细探讨。
2 结果分析 2.1 半城子水库水体营养物质时间变化特征半城子水库入库河流牤牛河和古石峪为季节性河流,河道来水持续时间较短。2009年水库上游河道全年无水;其中,古石峪来水时间约4个月,牤牛河来水时间仅3个月。上游来水之前,除NH+4-N外,水库水体各类营养物质浓度均呈逐步下降趋势(图 4)。可见沉降作用和水体浮游植物的吸收对水体营养物质的浓度变化起重要作用。
2 010年8月至12月,水库上游来水期间,入库径流量总计282. 0万m3,相当于来水前水库蓄水量的68.0%。上游河道径流进入水库后,水库水体营养物质浓度发生了显著变化。上游河流水体TN和NO-3-N浓度平均为8.65mg/L和5.97mg/L,明显高于来水前水库水体TN和NO-3-N浓度;致使来水后水库水体TN和NO-3-N浓度显著升高(图 4)。上游河流水体NH+4-N浓度平均为0.24mg/L,仅为来水前水库NH+4-N浓度的49.3%;在上游来水的稀释作用下,水库水体NH+4-N浓度从0.49mg/L降至0.34mg/L。上游河流来水初期,水体TP浓度为0.03mg/L,来水半月后降至0.01 mg/L。水库水体TP浓度在上游来水后明显上升,之后迅速回落,接近来水之前浓度。上游河流水体CODMn浓度平均为2.1mg/L,来水前水库水体CODMn浓度为3.7mg/L,入库后,水库水体CODMn浓度并未因入库水体稀释而下降,反而略有增加,平均为4.0mg/L。主要是因为牤牛河水体中携带的N、P等营养元素促进了藻类的生长繁殖,将水体中的无机营养盐转化为有机物,CODMn浓度相应升高。
2.2 半城子水库水体营养物质平衡分析表 1是2009年11月初至2010年10月底期间半城子水库水体营养物质平衡计算,水库上游流域面雨量为706.0mm,略多于年平均雨量。在该时段内,水库未出水。2009年11月初,水库水体TN总量为4247.8kg;2009年11月初至2010年10月底,通过大气降水和上游河流进入水库 的TN总计22909.9kg,以上两者之和为27157.7kg。
营养物质循环过程
Circulation of nutrients | 营养物质总量/kg
Total amount of nutrients | ||
TN | TP | CODMn | |
*负值表示营养物质发生沉淀,或被浮游植物吸收;正值表示营养物质总量增加 | |||
2009年11月初水库水体营养物质
Nutrients in water body of the reservoir at the beginning of November,2009 | 4247.8 | 37.8 | 14684.2 |
2009年11月至2010年10月大气降水
Nutrients from air precipitation during November,2009 to October,2010 | 1447.3 | 4.7 | 752.4 |
2009年11月至2010年10月上游河流输入
Nutrients from upper rivers during November,2009 to October,2010 | 21462.6 | 19.0 | 5379.5 |
2009年11月至2010年10月沉淀和吸收*
Deposition and absorption for nutrients during November,2009 to October,2010 | -9087.4 | -14.3 | 9972.7 |
2010年10月底水库水体营养物质
Nutrients in water body of the reservoir at the end of October,2010 | 18070.3 | 47.2 | 30788.8 |
而2010年10月底,水库水体TN总量为18070.3kg,相当于前者的66.5%。2009年11月初,水库水体TP总量为37.8kg;2009年11月初至2010年10月底,通过大气降水和上游河流进入水库的TP总计23.7kg,以上两者之和为61.5kg。而2010年10月底,水库水体TP总量为47.2kg,相当于前者的76.7%。2009年11月初,水库水体CODMn总量为14684.2kg;2009年11月初至2010年10月底,通过大气降水和上游河流进入水库的CODMn总计6131.9kg,以上两者之和为20816.1kg。而2010年10月底,水库水体CODMn总量为30788.8kg,比前者增加了47.9%。水库水体CODMn的增加量超过了入库水体中CODMn质量总和。这主要是因为输入水体的N、P等营养元素促进了藻类的增长和繁殖,其将大量的无机养分转化为有机物。
2.3 半城子水库水体营养物质表观沉降速率分析 2.3.1 水体营养物质表观沉降速率由图 5可见,半城子水库水体TN和TP表观沉降速率逐月变化幅度较大。在观测期间,TN表观沉降速率平均为55.5mm/d,TP表观沉降速率为25.2mm/d。本文所指的营养物质表观沉降速率是不同过程输移营养物质进入水库沉积物的净效果,体现了营养物质在水库中沉淀、底泥中营养物质释放和水体生物对其吸收作用的共同结果。
水库水体TN表观沉降速率高于TP。相对于世界其它地区的湖泊水库而言,半城子水库水体营养物质表观沉降速率较慢。以TP为例,Higgins和Kim[15]报道P表观沉降速率在田纳西州的18个水库的变化范围为-246.6—737.0mm/d,其平均值为115.6mm/d。对于美国中西部27个水库,Walker和Kihner[16]报导P表观沉降速率变化范围为-2.7—342.5mm/d,其平均值为34.8mm/d。
Panuska和Robertson[17]归纳了内源磷释放通量高低与湖泊水库TP表观沉降速率的对应关系(表 2)[17],观测期间半城子水库TP表观沉降速率为25.2mm/d,属于内源磷释放通量较低的湖泊。半城子水库底部淤泥中的磷除了来自死亡的藻类外,还来自上游流域的土壤侵蚀过程。半城子水库上游流域位于燕山南麓的迎风坡,夏季降水多以暴雨形式出现;加之地形上坡陡沟深,易在短时期内形成大量地表径流,冲刷地表土壤。例如1976年7月23日,密云北部山区普降大暴雨,日雨量大于200mm的暴雨区达320km2,半城子水库上游洪水最大洪峰流量达745m3/s,使水库河床被泥沙於高,占去库容60万m3,约为总库容的6%[18]。自20世纪90年代中期以来,水库上游地区将坡耕地逐步改种经济林,保护植被,牤牛河径流含沙量逐步降低。但水库泥沙中的内源磷仍在缓慢释放。
内源磷释放通量的高低
Dynamics for net internal phosphorus flux of water bodies | TP表观沉降速率
Range in apparent settling velocity values/(mm/d) |
高 High | <0 |
中 Moderate | 0—13.7 |
低 Low | 13.7—43.8 |
很低 Very low | >43.8 |
半城子水库水体营养物质表观沉降速率的高低受温度和水流条件的共同影响。水库上游来水前,水库TP和TN表观沉降速率均随表层水温的升高而递增(图 6),相对TP而言,TN沉降速率增加趋势更为明显,且与表层水温相关系数更高。TN表观沉降速率与表层水温的相关系数为0.61,明显高于TP的0.15。随着表层水温的增高,藻类数量逐步增加,其生长代谢更加旺盛,对水体N元素吸收相应增加,使其含量降低。
上游河道径流注入水库后,由于水流扰动作用,使得水库底泥再悬浮,释放N、P等营养物质,对其表观沉降速率产生影响。上游来水之前,TN和TP表观沉降速率相对接近;上游来水之后TN表观沉降速率明显高于TP(图 7)。上游来水后,底泥再悬浮产生的P元素进入水体,但其多为难溶的磷酸盐颗粒,易附着于固体或有机物颗粒上,不易被藻类等浮游植物吸收[19, 20, 21];此段时期牤牛河径流多为暴雨径流,其中P元素易以颗粒态形式存在,也不易在短期内被藻类吸收。由图 5可见,2010年8月牤牛河径流进入水库后,TP表观沉降速率为-356.7mm/d,水库内源磷的释放十分显著。之后的9月和10月,随着上游来水量的减少和水库水深的增加,牤牛河径流对底泥的扰动有所减弱,有利于降低内源磷的释放。同时,悬浮的底泥开始逐步沉降,附着于底泥颗粒上的P元素也随之沉降;在这一过程中,底泥颗粒还会吸附水体中溶解态P[22],促进其沉降,使水体中TP含量明显降低。2010年9月和10月,水库水体中TP表观沉降速率显著增加,分别为258.0和124.3mm/d,明显高于上游来水之前的TP表观沉降速率。
上游来水后,TN表观沉降速率约为上游来水前的3倍(图 7)。虽然上游来水会导致底泥扰动,释放内源N,但因湖库底泥中的N主要以有机氮的形式存在[23],其扩散进入水体后,相对颗粒态的P而言,更易被浮游植物吸收;同时,此段时期水库外源N中,有92.7%来自上游河流水体,其中含有大量易被藻类吸收的NO-3-N。2010年8月水库上游来水期间,水体表层温度处于全年最高时段,多在26—28℃之间,藻类生长代谢旺盛,可大量吸收水体中N元素,特别是来自上游河流水体的NO-3-N,致使TN表观沉降速率有所增加。之后的9月,表层水温逐步降低,藻类对营养物质的生物吸收逐步受抑制,致使TN表观沉降速率有所减缓。进入10月,水库水温下降迅速,该月内降低幅度约10℃,使有机氮在水体中溶解度显著降低,部分N元素被析出水体,故TN表观沉降速率有所回升。
3 结论和讨论本文选择半城子水库进行水体营养物质监测,在了解水库水体营养物质平衡及其季节变化的基础上,计算其表观沉降速率,并分析其影响因素,主要得出以下结论:
(1)上游河道来水前,除NH+4-N外,水库水体营养物质浓度均呈逐步下降趋势。上游河道来水后,水库水体TN和NO-3-N浓度因上游河流中两种物质浓度相对较高而升高;水库水体NH+4-N浓度在上游来水的稀释作用下有所降低。水库水体TP浓度在上游来水后明显上升,之后迅速回落,接近来水之前浓度。水库水体CODMn浓度并未因入库水体稀释而下降,反而略有增加。输入水体的N、P等营养元素促进了藻类的增长和繁殖,将大量的无机养分转化为有机物。
(2)半城子水库TN表观沉降速率平均为55.5mm/d,TP表观沉降速率为25.2mm/d,相对于世界其它地区的湖泊水库而言,TP表观沉降速率较慢。
(3)水体营养物质表观沉降速率受表层水温和水流条件的共同影响。TP和TN表观沉降速率均随表层水温的升高而递增,TN表观沉降速率递增趋势更为明显。上游来水后,TN表观沉降速率显著增加,约为来水前的3倍。而水体中P元素则经历了内源磷快速释放,之后快速沉降的变化过程。
本文推算了半城子水库水体营养物质表观沉降速率,并定量描述了水体营养物质自河流向水库迁移过程。此外,本文需对以下两个问题进行说明:
首先,除上游河流集水区外,半城子水库周边集水面积为0.47km2,仅为上游河流集水面积的0.7%。水库周边永久居民点仅有半城子水库管理处(图 1),土地利用类型以林地为主,无点源排污口;且水库周边也没有开垦农田或发展畜禽养殖,营养物质面源输入也十分有限。因此,本文暂未对水库周边营养物质状况进行分析。对于周边农业扰动较为显著的水库,在分析水体营养物质平衡时,应结合坡面尺度非点源污染模型,推算非点源营养物质负荷。
其次,在计算表观沉降速率时,本文将水库视为一个整体,未深入探讨不同深度水体营养物质沉降特征差异。实际上,就水库内部而言,不同深度光照、温度、溶解氧条件的差异,可能使营养物质沉降速率存在差异。此外,本文计算的表观沉降速率是营养物质经历外源输入和内源释放(表观沉降速率为负值)等不同过程,输移进入水库沉积物的净效果。实际上,营养物质在水体中主要有3种存在形态:水体中的溶解态,颗粒表面的吸附态,以及浮游植物形态。今后应加强水体浮游植物生长变化监测,以明确藻类等浮游植物与水体营养物质之间相互作用,从而为水体营养物质模拟进一步提供理论支持。
致谢: 感谢北京师范大学地理学教学实验中心对本文在实验分析给予的帮助。
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[13] | 国家环境保护局. GB 11893—89 水质 总磷的测定 钼酸盐分光光度法.北京: 中国标准出版社, 1989. |
[14] | 国家环境保护局. GB 11892—89 水质 高锰酸钾盐指数的测定. 北京: 中国标准出版社, 1989. |
[18] | 北京市潮白河管理处. 潮白河水旱灾害. 北京: 中国水利水电出版社, 2004: 1-2. |