三峡水库香溪河库湾底泥氮磷释放通量及规律研究

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自三峡水库蓄水以来,库区水位抬升、水体流速减缓,延长了污染物在水体中的滞留时间,增加了泥沙的沉降。沉降在库底的泥沙富集了大量的营养盐,成为水体中污染物发生迁移和转化的重要场所,在水生态系统中充当着“源”或“汇”的角色,随着沉积物水系统中环境条件的变化,其源汇关系发生转化,影响库湾水体中营养盐浓度变化及水华生消过程。  本文以三峡库区香溪河库湾为研究对象,通过野外监测和室内分析,采集不同水位运行期的沉积物和上覆水,通过室内实验测定系统中沉积物、上覆水和间隙水中的氮磷赋存形态及时空分布特征,利用分子扩散模型法计算香溪河库湾沉积物-水界面氮磷氮磷释放通量,同时研究氮氮磷通量时空分布规律及其影响机制,揭示了氮磷在沉积物-水界面的源汇转化规律。为库区沉积物的内源氮磷控制提供数据参考。主要工作及认识如下:  (1)库湾水动力特性与水环境因子的响应关系。枯水运行期干流水体主要以表中层倒灌潜入香溪河库湾,上游来流主要以底部顺坡异重流的形式流入库湾;汛前消落期的倒灌方式与枯水运行期大致相似,潜入范围和倒灌强度比上一时期大;汛期和蓄水期,干流水体均以中下层倒灌异重流的形式潜入库湾,上游来流与之形成对峰,从中上层流向下游。不同的倒灌方式对底部环境因子的时空分布也有一定的影响:枯水运行期和汛前消落期的倒灌方式为表中层倒灌,底部DO和pH在空间上的变化趋势较小,下游和上游处的DO和pH均大于中游区域,而枯水运行期和汛前消落期香溪河库湾底部水体垂向差异较大,库湾电导率整体呈现下游高、上游低的趋势。在汛期和蓄水期,干流水体以中下层倒灌的方式潜入库湾,沿河口下游至上游,底部DO、pH和电导率均呈逐渐上升的趋势。  (2)不同水位运行期香溪河库湾沉积物氮,枯水运行期香溪河库湾沉积物 TN含量整体上从下游至上游沿程呈上升趋势;汛前消落期香溪河库湾沉积物TN含量沿程表现为“两头低中间高”的变化趋势;汛期香溪河库湾沉积物TN含量整体上表现为从河口下游至上游沿程呈逐渐上升趋势;蓄水期香溪河库湾沉积物TN含量空间分布呈现下游低、上游高的变化趋势。四个水位运行期沉积物TN平均含量分别为578.59,680.12,845.09,240.01mg/kg,可以看出蓄水期的沉积物TN平均含量明显小于其它时期,表明蓄水期沉积物氮元素储存能力相对较弱。四个水位运行期沉积物不同氮形态在垂向上的分布规律均无明显的变化趋势,且沉积物中NH4+-N含量较NO3--N含量高出一个数量级,说明沉积物氮素主要以氨态氮的形式存在。  (3)枯水运行期香溪河库湾各点沉积物 TP含量整体上相当,沿程无明显的变化趋势;汛前消落期香溪河库湾沉积物TP含量沿程表现为“两头低中间高”的变化趋势;汛期香溪河库湾沉积物TP含量整体上表现为“两头高中间低”的变化趋势;蓄水期香溪河库湾沉积物TP含量空间分布同样呈现“两头高中间低”的变化趋势。不同水位运行期香溪河库湾沉积物TP中无机磷含量较OP含量高出一个数量级,主要是以无机磷的形态存在。沉积物TP的变化趋势呈现季节性变化,水位较高的蓄水期及枯水运行期TP含量平均值较大,而汛前消落期和汛期的TP含量平均值相对较低。绝大部分数据差异性较小,表明平均值对整体数据具有代表性。  (4)香溪河沉积物—水系统不同氮磷形态的相关关系。枯水运行期上覆水和孔隙水不同氮形态并无显著的相关关系,相关水平低,这并不能说明香溪河沉积物间隙水中营养盐含量的高低对其上覆水营养盐含量没有影响,只能说明在间隙水营养盐含量远高于上覆水的状态下,充足的间隙水营养盐不是其上覆水营养盐含量的决定因素;汛前消落期和汛期,上覆水NO3--N和间隙水NH4+-N之间呈显著的负相关;而在蓄水期间隙水TN与间隙水NO3--N呈较好的负相关性(r=-0.984),表明蓄水期间隙水氮向上覆水体迁移不是以硝态氮,而是以其他氮形态传递营养盐。产生这种季节性不同氮形态相关关系普遍较低现象的原因,是因为在香溪河库湾内沉积物-水界面间营养盐的迁移并不是单纯的由浓度梯度扩散来控制的。  (5)香溪河库湾沉积物—水界面氮磷的释放通量。枯水运行期香溪河库湾沉积物总体上表现为DTP的“汇”,DTP扩散通量的范围为-0.0692~-0.0047mg·(m2·d)-1,汛前消落期,汛期和蓄水期香溪河库湾沉积物总体上表现为DTP的“源”,释放通量范围分别为0.1472~0.2747、-0.0401~0.0665、-0.0042~0.0193mg·(m2·d)-1;不同水位运行期香溪河库湾沉积物总体上表现为水NH4+-N的“源”。枯水运行期、汛前消落期、汛期、蓄水期四个不同水位运行期的释放通量范围分别为4.3292~4.5502、1.9818~3.4095、0.1720~1.4686、0.3569~3.0599mg·(m2·d)-1;不同水位运行期香溪河库湾沉积物总体上表现为NO3--N的“汇”,枯水运行期、汛前消落期、汛期、蓄水期四个不同水位运行期的释放通量范围分别为-0.9225~-0.5696、-1.1794~-0.4345、-1.6012~0.1637、-1.2943~-0.3273mg·(m2·d)-1。  (6)枯水运行期不同氮磷形态的释放通量与各环境因子的相关性较弱;汛前消落期NH4+-N、NO3--N的释放通量与DO和电导率呈一定的负相关,与pH呈显著正相关。DTP的释放通量与DO和pH呈负相关,与电导率呈显著正相关;汛期和蓄水期不同氮磷形态的释放通量与各环境因子具有一定的相关性,但相关性不显著。
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