吳 巍，王嘉瑋，劉 挺，王 浩，李 琛，周孝德

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048;2.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710024)

1 研究背景

水電能源是一種清潔、低碳、可再生能源，河流的梯級(jí)水電開發(fā)可充分發(fā)揮防洪發(fā)電、供水灌溉、景觀旅游、改善氣候等綜合效益[1-2]。然而，河流大規(guī)模梯級(jí)開發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響日益顯著。梯級(jí)水電開發(fā)改變了河流下游水體和生源物質(zhì)的流動(dòng)輸移方式，從而影響了生物地球化學(xué)循環(huán)和河流生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡，阻斷了河流沿程水體中生物和養(yǎng)分的輸移及物質(zhì)能量交換。因此，生態(tài)環(huán)境如何受到河流梯級(jí)水電開發(fā)的影響成為重點(diǎn)關(guān)注的問題。

溶解性有機(jī)碳(dissolved organic carbon,DOC)作為一項(xiàng)重要生源物質(zhì)，其理化性質(zhì)較敏感，在遷移過程中的不穩(wěn)定性(易發(fā)生轉(zhuǎn)化)影響著河流中的物質(zhì)和能量循環(huán)，故成為天然水體水質(zhì)的重要參數(shù)之一[3]。另外，溶解性有機(jī)碳(DOC)是大部分水體中最大的還原性碳庫(kù)，對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)十分敏感。盧曉漩等[4]通過對(duì)貴州省五里峽水庫(kù)DOC分布特征的研究，得出庫(kù)區(qū)水體受碳酸鹽巖風(fēng)化作用的控制，處于中營(yíng)養(yǎng)級(jí)狀態(tài)。Parks等[5]通過對(duì)Verde河上雙水庫(kù)系統(tǒng)DOC的來(lái)源和遷移的研究，得出兩個(gè)水庫(kù)產(chǎn)生了整個(gè)上游流域41%的DOC。因此認(rèn)識(shí)水體中DOC的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化對(duì)監(jiān)測(cè)水體碳循環(huán)有著重要意義。

黃河上游有著極具環(huán)境特異性與敏感性的脆弱生態(tài)系統(tǒng)，水電工程梯級(jí)開發(fā)將會(huì)在一定程度上改變河道結(jié)構(gòu)，影響河流物質(zhì)能量輸送和生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能，產(chǎn)生的負(fù)面生態(tài)環(huán)境效應(yīng)具有累積性、放大性、潛在性等特點(diǎn)。其中，黃河上游以龍羊峽水庫(kù)為首的河段是開發(fā)最早、格局最完善的梯級(jí)水電站群。之前的研究大多集中在黃河的入海通量估算，比如Wang等[6]計(jì)算了2009年黃河POC(particulate organic carbon)和DOC的年入海通量分別為3.89×1011和3.20×1010g C/a。Zhang等[7]總結(jié)了黃河從上游至下游DOC的遷移特征，研究表明黃河干流中的DOC含量比其他河流少得多，其原因是黃土高原流域降水少、植被覆蓋率低、有機(jī)質(zhì)含量小，極高的總懸浮固體(total suspended solids,TSS)含量使DOC被吸附在顆粒上而導(dǎo)致低DOC濃度。然而，聚焦于黃河上游梯級(jí)開發(fā)河段DOC的通量估算的研究則較少。因此，亟需對(duì)黃河上游梯級(jí)開發(fā)河段DOC的輸移特征和通量展開研究。

本研究選取黃河上游梯級(jí)開發(fā)河段即龍羊峽-劉家峽段為研究區(qū)域，以DOC為主要研究對(duì)象。采用采樣監(jiān)測(cè)方法，分析DOC以及常規(guī)理化指標(biāo)的時(shí)空分布特征?；陟o態(tài)箱式算法模型構(gòu)建黃河上游梯級(jí)開發(fā)河段DOC通量模型，定量估算各水庫(kù)DOC輸移通量，解析梯級(jí)水庫(kù)段對(duì)于DOC的攔截和輸移過程，評(píng)估梯級(jí)開發(fā)河段DOC的源匯效應(yīng)。以期為梯級(jí)水電開發(fā)河段的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究提供新的數(shù)據(jù)資源和支撐。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況及樣品采集

黃河是中國(guó)第二大河，發(fā)源于青藏高原地區(qū)的巴顏喀拉山脈。黃河上游流域?yàn)辄S河主要產(chǎn)流區(qū)，占年總徑流量的53.9%，年平均降水量約為520 mm，年平均氣溫為-5～2 ℃。本研究根據(jù)黃河上游梯級(jí)水電開發(fā)規(guī)劃及現(xiàn)狀，選取黃河上游中段影響程度高的龍羊峽、拉西瓦、李家峽、公伯峽和劉家峽5座典型水庫(kù)(龍-劉段)進(jìn)行采樣工作。

課題組于2019年11月冬季(非汛期)和2020年7月夏季(汛期)對(duì)5座水庫(kù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)樣品采集，分別在各個(gè)水庫(kù)的庫(kù)尾、庫(kù)區(qū)、壩前和壩下布設(shè)采樣點(diǎn)(采樣點(diǎn)布置和具體信息如圖1和表1所示)，采集水庫(kù)表層水和壩前分層水，同時(shí)監(jiān)測(cè)水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)。在5個(gè)水庫(kù)內(nèi)共布設(shè)橫向斷面點(diǎn)位18個(gè)，包括壩前垂向點(diǎn)位共計(jì)35個(gè)。采用有機(jī)玻璃采水器在水深為0.5 m處采集表層水樣，同步采用丹麥KC-Denmark公司的Niskin分層采水器在斷面垂線上沿水深分層采集水樣(間隔為5～10 m，視水深和水溫分層狀況加密)，在現(xiàn)場(chǎng)采用0.45 μm醋酸纖維素濾膜對(duì)水樣過濾，再按實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行預(yù)處理，所有樣品保存于2～4 ℃的冷藏環(huán)境中并及時(shí)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析測(cè)試。

圖1 黃河上游梯級(jí)開發(fā)河段(龍羊峽-劉家峽段)概況及采樣點(diǎn)布置

表1 水樣采樣點(diǎn)具體信息

采用ADCP-M9聲學(xué)多普勒測(cè)流儀配合YSI EXO2多參數(shù)水質(zhì)儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定流速、流向等水文參數(shù)以及水溫(T)、溶解氧(dissolved oxygen,DO)、pH、電導(dǎo)率(electric conductivity,EC)、氧化還原電位(oxidation-reduction potential,ORP)、堿度(tatal alkalinity,TALK)等主要常規(guī)理化指標(biāo)。

2.2 溶解性有機(jī)碳(DOC)與理化指標(biāo)分析

2.3 溶解性有機(jī)碳(DOC)通量估算

本研究對(duì)各水庫(kù)有機(jī)碳輸移通量的計(jì)算采用生源物質(zhì)穩(wěn)態(tài)箱式算法模型。模型原理如圖2所示。

圖2 DOC通量箱式模型示意圖

水庫(kù)DOC凈通量為水庫(kù)入庫(kù)DOC通量與出庫(kù)DOC通量之差，具體計(jì)算如以下公式所示。

FDOC=∑Finput-∑Foutput

(1)

FDOC=Vinput·Cinput-Voutput·Coutput

(2)

式中：FDOC為DOC凈通量，kt；Finput和Foutput分別為水庫(kù)中DOC的輸入通量和輸出通量，kt。Vinput和Voutput分別為水庫(kù)入庫(kù)水量和出庫(kù)水量，m3；Cinput和Coutput分別為DOC的入庫(kù)濃度和出庫(kù)濃度，mg/L。若FDOC值為正，則筑壩對(duì)河流有機(jī)碳具有攔截滯留效應(yīng)，水庫(kù)為有機(jī)碳的“匯”；若FDOC值為負(fù)，則筑壩對(duì)河流有機(jī)碳具有隨流輸送效應(yīng)，水庫(kù)為有機(jī)碳的“源”，凈通量與輸入通量之比為水庫(kù)效應(yīng)對(duì)有機(jī)碳的攔截率或輸送率。

在本研究中，研究區(qū)出、入庫(kù)流量資料來(lái)源于水利部黃河水利委員會(huì)網(wǎng)站(http://www.yrcc.gov.cn/)，主要為研究時(shí)段內(nèi)一個(gè)水文年的資料，即在2019年8月至2020年7月這一時(shí)間段內(nèi)的資料，后根據(jù)公式(3)計(jì)算各水庫(kù)的出、入庫(kù)水量。各水庫(kù)的出、入庫(kù)水量如表2所示。

表2 研究時(shí)段內(nèi)各水庫(kù)河流月出、入庫(kù)水量 109 m3

V=Q·t

(3)

式中：V為各水庫(kù)出、入庫(kù)徑流量，m3；Q為流量，m3/s；t為時(shí)間，s。

2.4 數(shù)據(jù)分析

采用IBM SPSS Statistics 25和Origin pro 9等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，通過Pearson相關(guān)分析研究DOC濃度與常規(guī)理化指標(biāo)的關(guān)系，并進(jìn)行線性回歸擬合分析。在所有分析中，P<0.05被認(rèn)為是所測(cè)試因子的關(guān)系在統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著相關(guān)。

3 結(jié)果與分析

3.1 DOC濃度與常規(guī)理化指標(biāo)沿程時(shí)空分布特征及相關(guān)性

圖3 黃河上游梯級(jí)開發(fā)龍-劉段各理化指標(biāo)沿程時(shí)空分布

由圖4可以看出，在汛期與非汛期DOC濃度總體呈現(xiàn)波動(dòng)變化的趨勢(shì)。在汛期，DOC濃度的沿程分布可分為2個(gè)波動(dòng)式減小區(qū)間，第1個(gè)區(qū)間為龍羊峽庫(kù)尾至李家峽庫(kù)區(qū)，第2個(gè)區(qū)間為李家峽壩前至劉家峽壩下。在非汛期，DOC濃度的沿程分布可分為3個(gè)變化區(qū)間，第1個(gè)區(qū)間為自龍羊峽至拉西瓦呈波動(dòng)減小趨勢(shì)，第2個(gè)區(qū)間為自李家峽至公伯峽呈減小趨勢(shì)，第3個(gè)區(qū)間為自公伯峽至劉家峽呈增大趨勢(shì)，但在壩前處濃度降低(受洮河影響)。沿程各測(cè)點(diǎn)的DOC平均濃度均為汛期高于非汛期，汛期DOC濃度最高值出現(xiàn)在龍羊峽水庫(kù)庫(kù)尾，即唐乃亥水文站處，非汛期DOC濃度最高值出現(xiàn)在劉家峽水庫(kù)的洮河匯入口處。

圖4 黃河上游梯級(jí)開發(fā)龍-劉段DOC濃度沿程時(shí)空分布

對(duì)汛期和非汛期的DOC濃度與各理化指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果如表3、4所示。

表3 汛期DOC濃度與各理化指標(biāo)之間相關(guān)性分析

表4 非汛期DOC濃度與各理化指標(biāo)之間相關(guān)性分析

3.2 DOC濃度與常規(guī)理化指標(biāo)垂向時(shí)空分布特征

選取黃河上游龍-劉段的3個(gè)主要調(diào)節(jié)水庫(kù)(龍羊峽、李家峽、劉家峽水庫(kù))，對(duì)其壩前深水區(qū)域的理化指標(biāo)DO濃度、水溫T和DOC濃度沿水深進(jìn)行垂向檢測(cè)分析，結(jié)果如圖5所示。

對(duì)圖5中3個(gè)水庫(kù)壩前的DO濃度、水溫T和DOC濃度垂向分布特征分析如下：

圖5 黃河上游龍羊峽水庫(kù)、李家峽水庫(kù)、劉家峽水庫(kù)DO濃度、T和DOC濃度壩前垂向分布

在汛期，龍羊峽水庫(kù)壩前DO濃度在水深0～30 m范圍內(nèi)隨水深不斷減小，在水深30～100 m范圍內(nèi)隨水深不斷增大，變化曲線呈“側(cè)V”形狀，DO濃度在30 m水深處達(dá)到極小值，為6.80 mg/L；李家峽水庫(kù)壩前DO濃度在30 m水深處出現(xiàn)最高值9.56 mg/L，整體表現(xiàn)為深部DO濃度略高于表層；劉家峽水庫(kù)壩前DO濃度隨水深呈波動(dòng)減小趨勢(shì)，在水深0～30 m范圍內(nèi)DO濃度從9.59 mg/L減小到9.07 mg/L，直至底層水體的DO濃度依然較小。在非汛期，3個(gè)水庫(kù)壩前的DO濃度沿水深變化不大，表現(xiàn)出均勻混合狀態(tài)。

在汛期，龍羊峽水庫(kù)水溫從表層至底層呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，存在明顯的水溫分層現(xiàn)象，水體表、底溫差達(dá)到12 ℃；李家峽水庫(kù)表層水體溫度高于底層，水溫隨水深呈降低趨勢(shì)，但未出現(xiàn)明顯的水溫分層，水體表、底溫差為1.6 ℃；劉家峽水庫(kù)水溫垂向無(wú)明顯差別。在非汛期，3個(gè)水庫(kù)垂向水溫均無(wú)分層，呈現(xiàn)均勻混合狀態(tài)。

3座水庫(kù)的壩前DOC濃度總體表現(xiàn)為汛期比非汛期高的特征，這與DOC濃度在龍-劉段的沿程分布特征一致。從空間分布上看，龍羊峽水庫(kù)壩前水體DOC濃度汛期在5.69～6.40 mg/L之間，非汛期在2.90～3.73 mg/L之間；兩個(gè)水期的壩前水體DOC濃度隨水深的增加總體均呈波動(dòng)減小趨勢(shì)，汛期在水深0～10 m內(nèi)呈緩慢減小趨勢(shì)，在水深10～30 m內(nèi)降幅急劇增大，在30 m水深以下呈波動(dòng)變化；非汛期DOC濃度在水深0～10 m內(nèi)呈波動(dòng)變化，在水深10～80 m內(nèi)呈增大趨勢(shì)，在80 m水深以下呈減小趨勢(shì)。在李家峽水庫(kù)壩前水體中，汛期DOC濃度在5.85～7.00 mg/L之間，非汛期在3.43～5.56 mg/L之間；汛期在水深0～30 m內(nèi)DOC濃度呈減小趨勢(shì)，在水深30～100 m內(nèi)略有增加；非汛期在水深0～5 m內(nèi)DOC濃度呈減小趨勢(shì)，而在水深5～10 m內(nèi)急劇增大達(dá)到峰值，在水深10～80 m內(nèi)又持續(xù)減小，在水深80～100 m內(nèi)略有回升。劉家峽水庫(kù)壩前水體的DOC濃度汛期在5.37～6.44 mg/L之間，非汛期在3.68～4.12 mg/L之間，受采樣點(diǎn)位數(shù)量的限制，其垂向分布的規(guī)律性不顯著。

3.3 梯級(jí)水庫(kù)(龍-劉段)DOC輸運(yùn)量時(shí)空特征

本研究對(duì)采樣年黃河上游梯級(jí)開發(fā)龍-劉段各水庫(kù)的DOC輸入與輸出通量按汛期和非汛期分別進(jìn)行了估算，結(jié)果如圖6所示。黃河上游枯水期在每年的1-4月及11-12月，豐水期在5-10月，故圖6中以2019年11月和2020年7月的DOC含量分別代表黃河上游龍-劉段非汛期和汛期DOC的各月含量。

圖6 黃河上游梯級(jí)開發(fā)龍-劉段不同水期DOC的輸入與輸出通量(單位：kt)

由圖6可以看出，在非汛期，龍羊峽、拉西瓦水庫(kù)的DOC輸出通量大于輸入通量，公伯峽水庫(kù)的DOC輸入通量與輸出通量相等，李家峽和劉家峽水庫(kù)的DOC輸出通量小于輸入通量；在汛期，只有李家峽水庫(kù)的DOC輸出通量大于輸入通量，其余各水庫(kù)均為輸出通量小于輸入通量。在非汛期，黃河上游梯級(jí)開發(fā)(龍-劉段)DOC輸入通量為28.1 kt，輸出通量為37.6 kt，表明在非汛期梯級(jí)水庫(kù)段對(duì)DOC無(wú)截留；在汛期，黃河上游梯級(jí)開發(fā)(龍-劉段)DOC輸入通量為230.4 kt，輸出通量為154.6 kt，表明在汛期梯級(jí)水庫(kù)段的DOC截留量較高。在采樣期的完整水文年里，黃河上游梯級(jí)開發(fā)(龍-劉段)DOC年輸入通量為258.5 kt，輸出通量為192.2 kt，表明2019-2020年梯級(jí)水庫(kù)段對(duì)DOC截留總量較高。

4 討 論

水電站大壩的修筑阻斷了天然河流的連續(xù)性，使水庫(kù)逐漸轉(zhuǎn)型為湖泊的環(huán)境條件，但水電站的水資源調(diào)節(jié)作用又使其不同于天然湖泊?！昂訉W(xué)反應(yīng)”是河流-水庫(kù)環(huán)境與天然河流環(huán)境間存在的差異，水庫(kù)中水體的季節(jié)性分層現(xiàn)象造成了垂向剖面上水體物化特性的不同，從而影響河流-水庫(kù)中輸移物質(zhì)的水化學(xué)過程，最終水庫(kù)效應(yīng)對(duì)下游河流的直接影響表現(xiàn)為物質(zhì)通量的變化。已有研究表明，河流主要生源物質(zhì)碳、氮、磷在河流-水庫(kù)體系中呈不穩(wěn)定形態(tài)，水庫(kù)使河流生源要素的賦存特征和輸移通量發(fā)生改變[8]。

本研究中，在采樣年份內(nèi)，各水庫(kù)對(duì)DOC的攔截率及輸送率，如圖7所示。

圖7 各水庫(kù)對(duì)DOC的攔截率及輸送率

由圖7可以看出，自上游至下游，龍羊峽水庫(kù)對(duì)DOC的攔截率為40.2%，呈現(xiàn)顯著的攔截效應(yīng)；拉西瓦水庫(kù)和李家峽水庫(kù)對(duì)DOC的輸送率分別為4.7%和2.8%，呈現(xiàn)輸送效應(yīng)；公伯峽水庫(kù)和劉家峽水庫(kù)對(duì)DOC的攔截率分別為6.4%和6.0%，呈現(xiàn)攔截效應(yīng)。相比而言，龍羊峽水庫(kù)對(duì)DOC的攔截效應(yīng)最顯著，拉西瓦水庫(kù)對(duì)DOC的輸送效應(yīng)最顯著。梯級(jí)水庫(kù)對(duì)河流主要生源物質(zhì)的輸移通量均會(huì)產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為筑壩后水庫(kù)可大量攔截有機(jī)物質(zhì)，通過物理沉降和生物吸收作用使其在庫(kù)內(nèi)累積，導(dǎo)致河流通量下降。黃河上游梯級(jí)水庫(kù)總體表現(xiàn)為該區(qū)域河流-水庫(kù)體系DOC的“匯”，即梯級(jí)水庫(kù)作用過程中攔截了輸入河流-水庫(kù)體系的DOC，5個(gè)梯級(jí)水庫(kù)的總攔截率為25.6%。尤其是成熟期和有效庫(kù)容大的水庫(kù)，庫(kù)內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)過程逐漸接近于天然湖泊，其攔截效應(yīng)更為顯著，如龍羊峽水庫(kù)對(duì)于DOC的攔截率達(dá)40.2%。

表5 國(guó)內(nèi)主要河流-水庫(kù)系統(tǒng)DOC年輸出通量對(duì)比

分析表5中不同研究區(qū)域的DOC年輸出總量數(shù)據(jù)認(rèn)為，在河流-水庫(kù)體系中，本文的研究對(duì)象為黃河上游流域的梯級(jí)水庫(kù)群，區(qū)別于黃河中下游的干流水體，上游的泥沙含量相對(duì)較少，顆粒態(tài)有機(jī)碳(POC)含量相對(duì)較低，使DOC的輸出通量處于相對(duì)較高的水平。另外，梯級(jí)水庫(kù)的沉降作用使庫(kù)區(qū)內(nèi)形成一個(gè)獨(dú)立完整的水環(huán)境體系，水庫(kù)內(nèi)的水溫、微生物的降解作用、光解作用和POC的沉淀作用都會(huì)導(dǎo)致庫(kù)區(qū)內(nèi)DOC的累積[16-17]，之后DOC會(huì)隨著水庫(kù)泄洪進(jìn)入下游河流。與黃河中游三門峽水庫(kù)的DOC輸出通量相比，上游水庫(kù)的DOC輸出通量仍較高，這可能有以下幾個(gè)原因：(1)本文研究區(qū)域黃河上游處于高海拔、日照輻射強(qiáng)的地理位置；(2)黃河源區(qū)凍土中經(jīng)凍融循環(huán)后有大量的DOC釋放到河流中；(3)黃河上游流經(jīng)多放牧的草原和草甸，沿岸林區(qū)和灌木枯落物中的DOC釋放進(jìn)入河流等。

通過本文的研究可以認(rèn)為，河流的梯級(jí)開發(fā)改變了原有DOC的輸移過程，針對(duì)此類情況，在未來(lái)的大壩建設(shè)中應(yīng)充分考慮其對(duì)DOC和養(yǎng)分循環(huán)的影響，在梯級(jí)開發(fā)規(guī)劃階段應(yīng)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)水庫(kù)各個(gè)階段物質(zhì)的生物地球化學(xué)過程，并對(duì)水力停留時(shí)間、水庫(kù)熱分層等因素與DOC遷移轉(zhuǎn)化之間的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步的論證分析，從而盡可能地減少河流梯級(jí)開發(fā)對(duì)DOC等物質(zhì)通量的影響。

5 結(jié) 論

本文選取黃河上游水利工程梯級(jí)開發(fā)河段(龍-劉段)為研究區(qū)域，以溶解性有機(jī)碳(DOC)為研究對(duì)象。分析了梯級(jí)水庫(kù)水體中DOC濃度及常規(guī)理化指標(biāo)的沿程以及垂向時(shí)空分布特征。采用生源物質(zhì)穩(wěn)態(tài)箱式算法模型估算了不同水庫(kù)的DOC物質(zhì)通量。通過解析不同水庫(kù)對(duì)DOC物質(zhì)的攔截和輸送，評(píng)估了黃河上游梯級(jí)開發(fā)(龍-劉段)對(duì)DOC的源匯效應(yīng)。具體結(jié)論如下：

(2)垂向時(shí)空分布表明：在汛期，龍羊峽水庫(kù)存在水溫分層現(xiàn)象，DO濃度呈現(xiàn)“側(cè)V”分布。李家峽和劉家峽水庫(kù)表層至底層水溫?zé)o明顯差別，DO濃度逐漸降低。在非汛期，龍羊峽、李家峽和劉家峽水庫(kù)水溫和DO濃度垂向上均無(wú)明顯差異，呈現(xiàn)均勻混合狀態(tài)。該3座水庫(kù)的DOC濃度總體均表現(xiàn)為汛期比非汛期高的特征。

(3)DOC輸移通量估算結(jié)果表明：在采樣期的完整水文年里，DOC在黃河上游梯級(jí)開發(fā)河段(龍-劉段)年輸入通量為258.5 kt，年輸出通量為192.2 kt，總攔截率為25.6%。呈現(xiàn)攔截效應(yīng)的水庫(kù)為龍羊峽、公伯峽和劉家峽，呈現(xiàn)輸送效應(yīng)的水庫(kù)為拉西瓦和李家峽。