金沙江中游梯级水库泥沙对氮磷营养盐的影响_唐鸿琴.pdf

金沙江中游梯级水库泥沙对氮磷营养盐的影响唐鸿琴，丁文翔，王进*（长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局，重庆400025）摘要：梯级水库蓄水后，库区各项水文要素及氮磷营养盐含量发生了显著变化。为了了解梯级水库蓄水对氮磷营养盐的影响，以金沙江石鼓水文站、攀枝花水文站20112021年实测水文、水质资料为基础，对比分析梯级水库蓄水前后悬移质泥沙、氮磷营养盐浓度的变化，建立了含沙量与氮磷浓度的相关关系，总结了氮磷营养盐以及泥沙淤积的时空分布特征。结果表明：蓄水后石鼓站、攀枝花站氮盐浓度显著增高（统计量T=35），攀枝花站丰、平、枯水期总磷浓度分别降低60.4%、63.0%和73.5%。氮盐受水期影响较小，总磷和亚硝酸盐氮都与含沙量正相关，当含沙量降低时，总磷和亚硝酸盐氮浓度也降低，但这一相关趋势对总磷为极显著（P0.01），而对亚硝酸盐氮显著（P0.05）；金沙江中游泥沙淤积主要在石鼓-金安桥区间，氮磷浓度与泥沙淤积沿程变化也表现出正相关特点，泥沙淤积量大，则氮磷浓度大。研究结果可为金沙江中游泥沙对河流富营养化等环境影响提供参考。关键词：总磷；硝氮；氨氮；泥沙淤积中图分类号：X832文献标志码：A文章编号：2096-2347（2023）01-0043-07收稿日期：2022-09-06作者简介：唐鸿琴，工程师，主要从事悬移质泥沙、水环境监测研究。E-mail:*通信作者：王进，高级工程师，主要从事水文勘测、水文水资源规划等研究。E-mail:引用格式：唐鸿琴，丁文翔，王进.金沙江中游梯级水库泥沙对氮磷营养盐的影响J.三峡生态环境监测，2023，8（1）：43-49.Citation format:TANG H Q,DING W X,WANG J.Effects of sediment on nitrogen and phosphorus nutrients in cascade reservoirs in the middlereach of Jinsha RiverJ.Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges，2023，8（1）：43-49.Effects of Sediment on Nitrogen and Phosphorus Nutrients in CascadeReservoirs in the Middle Reach of Jinsha RiverTANG Hongqin,DING Wenxiang,WANG Jin*(Upper Changjiang River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey,Bureau of Hydrology,Changjiang Water ResourcesCommission,Chongqing 400025,China)Abstract:In order to understand the effects of water storage in cascade reservoirs on nitrogen and phosphorus nutrient salts,basedon the hydrological and water quality data measured from 2011 to 2021 at Shigu and Panzhihua Hydrological Stations of Jinsha River,the changes in the concentrations of suspended sediment together with those of nitrogen and phosphorus nutrient salts beforeand after the storage of water in cascade reservoirs were compared and analyzed.The correlation between sand content and the nutrient concentrations was established,their spatial and temporal distribution characteristics were summarized.The results showedthat the nitrogen salt concentrations in Shigu and Panzhihua increased significantly after water storage(T=35),and the total phosphorus concentrations in the abundant,flat and dry periods of Panzhihua Station decreased by 60.4%,63.0%and 73.5%,respectively.Nitrogen salts are less affected by the water period,both total phosphorus(TP)and nitrite nitrogen were positively correlatedto the sand content.When the sand content reduced,the TP and nitrite nitrogen concentrations also reduced,more significantly forthe TP(P0.01)and slightly weakly for nitrite nitrogen(P0.05).The sediment silt accumulation in the middle reaches of the Jinsha River was mainly in the Shigu-Jin anqiao section,and the changes in nitrogen and phosphorus concentration along the rivercourse were similar to those in sediment silt accumulation,showing a trend of increasing nitrogen and phosphorus concentrationsDOI：10.19478/ki.2096-2347.2023.01.06三峡生态环境监测Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges2023年3月Mar.2023第8卷第1期Vol.8No.1水生态研究三峡生态环境监测http:/ increasing sediment silt accumulation.The results can provide a reference for monitoring the environmental impact of sedimentin the middle reaches of Jinsha River.Key words:total phosphorus;nitro nitrogen;ammonia nitrogen;silt accumulation金沙江属于山区峡谷型河流，河道狭窄。流域内不同区间来水来沙变化特征差异大，流域水沙在地区分布上具有明显的水沙异源特性 1-4。与下游相比，中游流域为中度产沙区 5，攀枝花以下流域则为多沙区 6。泥沙是污染物的载体，其输移过程和吸附作用等都会对库区水质造成一定的影响 7。与其相关联的氮、磷等营养物质是多数淡水水体中藻类生长的关键因子。目前，研究大多侧重于金沙江下游水沙情势变化 1-5，7-8。同时，一些学者对金沙江低矿化度重碳酸镁型水质 9 和蓄水前后的主要污染物种类、浓度、时间和空间变化等进行了分析 10-13，对认识库区的水质现状有一定的意义。但研究成果尚未涉及金沙江中游梯级水库运行对氮、磷营养盐的影响。金沙江中游梯级水库氮、磷营养盐的滞留将会对珍稀鱼类的保护、下游生态效应带来重大影响。因此，开展金沙江中游梯级水库泥沙对氮、磷营养盐影响的研究是有必要的。本文利用中游梯级水电站投入运行前后的水文、泥沙和水质资料，从悬移质泥沙粒径变化，氮、磷浓度水质特征变化，建立了氮磷浓度与含沙量的相关关系，总结泥沙淤积及氮磷营养盐的时空分布，以期为金沙江中游泥沙对河流富营养化等环境影响提供参考。1材料与方法1.1研究区域概况金沙江流域石鼓以上为上游、石鼓至攀枝花市雅砻江与金沙江汇口区间为金沙江中游，攀枝花以下则为金沙江下游，研究区域位于金沙江中游。金沙江中游西起云南丽江石鼓镇，东至攀枝花市的雅砻江口，长564 km，落差838 m。河段分十级开发，自上而下依次为虎跳峡、两家人、梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉、观音岩、金沙和银江水电站，全梯级总装机容量2.058107kW，多年平均年发电量8.8331010kWh，金沙江中游河谷地带逐渐形成一系列相互衔接的水库群。在中游水电站群的上下游金沙江干流的石鼓水文站、攀枝花水文站开展悬移质泥沙监测、干流水质分析。两站均建于20世纪60年代，资料系列有较好的连续性和代表性。石鼓水文站作为中游梯级水库的入库控制站，位于石鼓镇上游3 km处的金沙江右岸大同村，处在长江第一湾的上半边，距离梨园电站约180 km。攀枝花水文站为中游出口控制断面，位于攀枝花市城区，金沙江弯道顺直段，顺直约1 400 m，断面呈“W”形。上距金沙江中游十级水电站规划的第九级金沙电站约11 km，下距在建的银江水电站约10.4 km。研究区域位置见图1。图1研究区域图Fig.1Study area map1.2数据来源及研究方法本文采用的水沙和水质数据来自长江委上游水文水资源勘测局历年整编成果。悬移质泥沙采用调压积时式取样，颗粒级配采用马尔文激光粒度分度仪（MS2000）分析计算，采用输沙率断面平均法整编。水质监测采用缆道取样，取水文断面的左中右三条垂线，每条垂线在水面下0.5 m布设1个测点，监测频率为每月一次。氮、磷营养盐采用自然澄清30 min后，取上层水样后存放到专用容器，加保存剂并冷藏，24 h 内送达实验室分析。其中总磷浓度采用钼酸铵分光光度法分梨园电站阿海电站金安桥电站金安桥中江龙开口电站观音岩电站攀枝花银江电站（地建）三堆子金沙电站石鼓鲁地拉电站沙金江雅砻江N图 例水质断面电站坝址河流流向第8卷第1期45析（GB 1189389），检出限为 0.01 mg/L；总氮浓度采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法分析（HJ 6362012），检出限为0.05 mg/L；亚硝酸盐氮浓度采用分光光度法分析（GB 749387），检出限为0.003 mg/L；硝酸盐氮浓度采用紫外分光光度法分析（SL 841994），检出限为0.08 mg/L；氨氮浓度采用纳氏试剂分光光度法分析（HJ 5352009），检出限为0.025 mg/L。1.3数据分析方法（1）金沙江中游由上至下共建有6个梯级电站，在20112014年相继建成运行。分别是梨园电站（2014年11月）、阿海电站（2011年12月）、金安桥电站（2010年11月）、龙开口电站（2012年11月）、鲁地拉电站（2013年4月）、观音岩电站（2014年10月），因此，本文将20112021年共10年的研究时段，划分为梯级水库蓄水前（20112014年）、梯级水库蓄水后（20152021年）。（2）根据金沙江中游各个水文站实测多年平均流量与月平均流量比值（k），将k1.5划分为丰水期（79 月），0.5kT临界值（上限）或TT临界值（下限）说明变化趋势显著，反之则不显著。（4）采用输沙量法计算区间泥沙淤积量，用SPSS 软件进行单因素方差分析，通过方差齐性检验后，对蓄水前后含量变化进行差异性分析，P氨氮浓度亚硝酸盐氮浓度，金沙江中游水体无机氮的主要组成部分为硝酸盐氮；攀枝花站无机氮浓度高于石鼓站，无机氮浓度一般下游高于上游；蓄水后，石鼓站、攀枝花站无机氮浓度略高于蓄水前；总磷浓度分别降低31.6%和65.6%。表1蓄水前后氮、磷年平均浓度Table 1Averaged annual concentrations of nitrogen and phosphorus before and after water storage石鼓站攀枝花站蓄水前/（mgL-1）氨氮0.0350.037亚硝酸盐氮0.0040.007硝酸盐氮0.410.44总磷0.0570.061蓄水后/（mgL-1）氨氮0.0360.044亚硝酸盐氮0.0050.008硝酸盐氮0.470.51总磷0.0390.021由于部分年份未对金沙江中游总氮进行检测，故选择金沙江水体中无机氮的主要组成部分硝酸盐氮、氨氮、总磷进行年际年内变化分析（图3）。由图3（a）可见，蓄水前，攀枝花站总磷浓度高于石鼓站，2013年鲁地拉水电站运行后，浓度骤减。2015年梯级水库运行后，在石鼓站总磷含量为0.0320.057 mg/L变化情况下，攀枝花站总磷含量逐年降低50%，年际变化明显。蓄水后，石鼓站、攀枝花站硝氮浓度均高于蓄水前。采用Spearman秩和检验法 15 评价两站蓄水前后硝氮、总磷浓度变化。经检验，T临界值（上限）=33，T临界值（下限）=17，石鼓站统计量T硝氮=35，T氨氮=35，T总磷=26；攀枝花站统计量T硝氮=35，T氨氮=35，T总磷=35，说明两站氮盐浓度均显著增高；石鼓站蓄水前后总磷浓度无显著变化，攀枝花站总磷浓度显著降低。由于地表水体中磷易与细颗粒泥沙结合形成不溶于水的化合物，长江磷元素主要以颗粒态（PP）形式存在 16，蓄水后，随着库区流速的减缓，大量颗粒态的磷沉积到河底，故攀枝花站总磷浓度大幅度降低。蓄水前后，攀枝花站硝氮浓度均高于石鼓站8%，氨氮浓度均高于石鼓站15%，说明污染量相对固定，其大小基本不受流量影响，应从源头控制氮盐污染。图3（b），图3（c）分别为石鼓站、攀枝花站总磷、氨氮、硝氮年内变化图。可见蓄水前后两站总磷浓度均为丰水期平水期枯水期，年内浓度随水期变化趋势明显。梯级水库蓄水后，攀枝花站丰水期、平水期、枯水期总磷浓度分别降低60.4%、63.0%和73.5%。两站硝氮、氨氮浓度随水期变化不明显。2016 年开始石鼓至攀枝花段陆续增加格里坪（2016）、老火房（2016年）、金安桥（2020年）、阿海（2020年）四个断面监测水质情况，但监测频率较少。因此，采用2020年均值研究蓄水后沿程变化，图3（d）为总磷、总氮浓度沿程变化图。可见，金安桥总氮、总磷浓度均处于较高状态，石鼓-金安桥段总磷浓度升高，金安桥至攀枝花段总磷浓度降低，而总氮浓度整体呈升高趋势。整体来看，蓄水后攀枝花站总磷浓度总体明显低于石鼓站，沿程呈降低趋势；总氮浓度略高于石鼓站。第8卷第1期47图3氮、磷浓度年际、年内、沿程变化Fig.3Interannual,intra-year,and along river variations of nitrogen and phosphorus concentrations2.3氮磷浓度与泥沙的关系近10年来攀枝花站营养盐指标（亚氮、硝氮、总磷、氨氮）及含沙量之间共72个数据的相关性分析结果见表2，含沙量与总磷含量呈极显著正相关（P0.01），相关关系式为y=1.7557x+2.510-2；与亚硝酸盐氮含量呈显著正相关（P0.05），相关关系式为 y=6.4046x+5.410-2；攀枝花断面硝氮、氨氮与含沙量有一定的相关性，但相关性不显著。通过图3（a）可知，石鼓站蓄水前后总磷浓度无显著变化；攀枝花站总磷浓度显著降低。上述结果表明，金沙江中游梯级水库泥沙对总磷的吸附性较好，相关性较强；泥沙对硝酸盐氮、氨氮、表2氮磷营养盐及含沙量的相关性分析Table 2Correlation of sediment content with nitrogen and phosphorus nutrients亚氮硝氮总磷氨氮含沙量亚氮10.561*0.235*0.1850.272*硝氮1-0.0520.1920.078总磷1-0.0170.513*氨氮10.169含沙量1注：n=72，*表示显著相关，P0.05；*表示极显著相关，P平水期枯水期，蓄水后攀枝花站丰、平、枯水期总磷浓度分别降低60.4%、63.0%和73.5%。氮盐浓度受水期影响较小。（3）金沙江中游梯级水库泥沙对总磷的吸附性较好，呈极显著相关（P0.01）；泥沙对硝酸盐氮、氨氮、亚硝酸盐氮虽有一定的吸附性，但吸附性较弱，呈现不出明显相关性。（4）金沙江中游泥沙淤积主要在石鼓-金安桥区间，氮磷浓度沿程变化特点与泥沙淤积变化相似，均表现为泥沙淤积量大，则氮磷浓度大。参考文献1 潘久根.金沙江流域的河流泥沙输移特性J.泥沙研究，1999（2）：46-49.PAN J G.Characteristics of sediment transportation in Jinsha River basinJ.Journal of Sediment Research，1999（2）：泥沙淤积累计量/（108t）3.02.52.01.51.00.50.0石鼓-金安桥金安桥-攀枝花年份20112012201320142015 201620172018201920202021第8卷第1期4946-49.（in Chinese）2 张信宝，文安邦.长江上游干流和支流河流泥沙近期变化及其原因J.水利学报，2002，33（4）：56-59.ZHANG X B,WEN A B.Variations of sediment in upperstream of Yangtze River and its tributaryJ.Journal of Hydraulic Engineering，2002，33（4）：56-59.（in Chinese）3 陈松生，张欧阳，陈泽方，等.金沙江流域不同区域水沙变化特征及原因分析J.水科学进展，2008，19（4）：475-482.CHEN S S,ZHANG O Y,CHEN Z F,et al.Variationsof runoff and sediment load of the Jinsha RiverJ.Advancesin Water 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