2020, Vol. 50
2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋生态与环境科学功能实验室, 山东 青岛 266237
随着社会经济的发展，河流的自然性质和作用过程受到流域内不断加强的人文活动的强烈冲击[1]，其中，大坝对河流的拦截调蓄对河流及流域生态系统的影响最为显著和重要。大坝的修建极大地改变了陆地水循环和水环境状况，“水库效应”日益受到人们的重视[2-3]。所谓水库效应是指河流水体被大坝拦截后形成滞水区，水动力减弱、水体垂直交换受阻以及水体透明度增加使得水库具有了不同于河流的环境要素特征，特别是水库建成后出现的季节性热分层现象阻碍了水体的物质迁移和能量交换，对水、沙及其赋存的溶解氧、营养盐、碳等物质的分布、循环产生影响，进而影响河流入海物质组成和通量，并可能改变河口和近海生态系统[4-6]。
黄河是中国第二大河，就输沙量而言曾居世界第二[7]。近年来，受流域自然因素和人类活动的强烈影响，黄河入海水沙量急剧减少[8-9]，造成下游功能性断流、河床抬高、河槽萎缩及河口三角洲沉积环境发生重大变化[10]。小浪底水库是黄河最后一个峡谷河段水库，控制了黄河90%的径流和绝大多数泥沙[11]。关于小浪底水库水体环境要素的研究目前已有相关报道。例如，陈昂等[12]根据小浪底水库蓄水前后的水温监测资料及相关研究成果认为蓄水后库区水体出现水温分层现象。赵一慧等[13]通过利用环境流体动力学模型对丰水年、平水年和枯水年中小浪底水库坝前水温进行模拟，发现小浪底水库在11月至次年3月期间坝前无明显的水温分层现象，4—10月水库水温出现分层现象且在7月上下层水温温差达到最大。针对小浪底水库的水温分层现象，肖翔群等[14]建立了立面二维水质模型对小浪底2013—2014年黄河调水期出库水质进行预测，结果表明该时期出库氨氮含量已超标。
尽管已经有了一些初步的认识，但目前对于小浪底水库水体环境要素的季节变化特点及河流水动力条件的变化对其影响了解还较少。小浪底水库在一个水文年内随季节不断调整运行方式，上游来水和来沙情况复杂多变，水库水体环境也随之不断变化。要了解黄河入海物质的变化，首先必须了解小浪底水库内物质循环的变化，而水温、DO、pH、叶绿素a等关键水体环境要素是反映水体水质情况的主要水质参数，也是水体内部生化反应的基本控制条件，是了解物质循环变化的基础。本研究从2017年6月—2018年9月对小浪底水库库区进行了多次现场调查，调查时间对应不同的蓄排水周期，获得了多个断面的水温、pH、叶绿素a、溶解氧和悬浮颗粒物浓度等水体环境参数的剖面分布，系统研究了不同季节和不同运作方式下小浪底水库关键水体环境要素的特征，并讨论了影响其季节变化的主要因素，以期深入了解在黄河这种高泥沙含量的河流上修建的水库在自然过程和人为调控下水体环境的变化特点，以更好地认识黄河入海物质源汇和生态影响，并为水库污染防治、优化运行管理提供参考和依据。
1 材料与方法 1.1 小浪底水库简介小浪底水库位于黄河中游豫晋两省交界处的王屋山、太行山和崤山余脉之间的峡谷地段，属典型的峡谷河道型水库(见图 1(a))。小浪底水利枢纽工程1991年9月开始施工，2001年底建成，是以“防洪、防凌、减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电”为目标的大型水利工程[11]。库区河谷上窄下宽，水库总库容126.5亿m3; 库区主要支流有12条，其中原始库容大于1亿m3的9条, 支流库容占总库容的41.3%。库区支流来水来沙量较少, 支流来水或淤积的方式主要为干流倒灌[15]。水库所属气候区为温带季风气候, 该气候特点为四季分明、雨热同期。
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图 1(a) 黄河流域示意图 Fig. 1(a) The Yellow River Basin and location of the Xiaolangdi Reservoir |
为研究小浪底水库水体环境要素的季节变化特点及其影响因素，分别于2017年6月14—15日(水库放水末期)、2017年11月30日—12月2日(水库蓄水的末期)、2018年5月2—4日(水库放水中期)和2018年9月1—2日(水库蓄水初期、洪水调控期)对小浪底水库进行了观测和取样(见图 1(b), (c))。2017年是黄河的一个特枯年，下游利津站年入海径流量为89.6亿m3，仅为1952—2015年间黄河多年入海径流量均值的30%，而2018年汛期黄河上中游接连发生洪水事件，入海径流量相比2017年有大幅度增加。2018年7和8月利津入海径流量分别为42.11和67.44亿m3，分别是2017年同时期利津入海径流量的5和7倍。在小浪底水库共设置了11个断面，其中2017年6、12月和2018年9月采集了35断面(距小浪底大坝约56 km)至坝前的样品; 2018年5月采集了50断面(距大坝约88 km)至坝前的样品。坝前1断面为四次采样中水库水深最大处，距离大坝约3.1 km，本研究中坝前1断面水深最大达到了76 m，采样时间为2017年12月，该时期水库已完成蓄水，处于蓄水末期。坝前1断面水深最小为42.5 m，采样时间为2018年9月，该时期黄河中上游接连发生暴雨洪水事件，小浪底水库处于洪水调控期。
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(卫星图取自Earth Resources Observation and Science(EROS)Center(http://glovis.usgs.gov/)[16]。The sensed Landasat data was acquired by the Earth Resources Observation and Science(EROS)Center(http://glovis.usgs.gov/[16].)) 图 1(b) 小浪底水库采样站位图 Fig. 1(b) Distribution of sampling sites in the Xiaolangdi Reservoir |
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图 1 (c) 采样期间小浪底水库蓄水量及下泄流量(2017年1月1日—2018年10月1日) Fig. 1 (c) Variation of the discharge and storage of the Xiaolangdi Reservoir from January 1, 2017 to October 1, 2018 |
调查依托黄河水利委员会黄河监测船。使用GARMIN Fishfinder 240测深仪测定现场水深，通过在水库各断面下放多参数水质分析仪(RBR maestro)进行水温的剖面测定，并根据水温确定采水层次。使用Niskin采水器采集水样，在现场采用Winkler法进行溶解氧(DO)滴定(GB12157—2007)，并使用pH计(Thermo ORION A211—8157BNUMD)进行水样pH的测定，其余水样带回岸上实验室进行过滤以测定悬浮颗粒物(SPM)和叶绿素a含量。SPM分析采用重量差减法，将部分水样经预先称重的醋酸纤维膜过滤(直径47 mm，孔径0.45 μm)，滤膜置于-20 ℃的冰柜中冷冻保存，带回实验室后在45 ℃的条件下烘干，将烘干后的滤膜称重，与滤膜本身的质量差减，除以过滤体积后得到SPM含量。另取一部分水样用玻璃纤维滤膜过滤(GF/F, 直径47 mm, 孔径0.7 μm)，置于-20 ℃的冰柜中冷冻保存，带回实验室后用90%丙酮萃取，用荧光分光光度法(Hitachi F-4500)进行叶绿素a含量的测定，使用叶绿素a标准(Sigma C6144 1MG)配置工作曲线进行外标法定量。
1.4 水文数据的获取蓄水量及流量数据获取自黄河水利委员会官网(http://www.yellowriver.gov.cn/)和2017年黄河泥沙公报。
1.5 数据处理与分析数据图表绘制及统计分析采用Excel 2016、Origin 8.0和SPSS 22软件完成，站位图及剖面图采用Ocean Data View(ODV)软件绘制。由于SPM含量和叶绿素a浓度在四次采样中不存在正态分布，其与环境因子的相关性分析采用Spearman秩相关[17]。
2 结果 2.1 小浪底水库蓄/排水的季节变化规律2017年1月1日—2018年7月1日小浪底水库经历了两轮蓄水-放水的完整过程，蓄水——放水的时间段与黄河下游农业灌溉和流域雨季时期基本对应。其中，2017年1—3月、2017年8月—2018年3月、2018年8—10月为蓄水阶段，2017年4—7月和2018年3—7月为放水阶段。2017年6月和2018年5月的采样时间处于水库放水期，最大蓄水量分别为29×108和52.1×108 m3，最大下泄流量分别为990和1 730 m3/s。2017年12月为水库蓄水末期，此时蓄水量达到这一年中的最大水平(75×108 m3)，下泄流量为735 m3/s。蓄水量最小(~5×108 m3)的时期为2018年9月，此时下泄流量为1 540 m3/s，受黄河上中游洪水影响，小浪底水库在该时期大量泄水(见图 1(c))。
2.2 小浪底水库颗粒物含量和水温的时空分布2017年6月，即水库放水末期, 入库水体SPM含量较高，35~25断面水体SPM分布呈现垂向上随水深的增加而增加的现象, 该区域水体SPM平均为25和50 mg/L，从35断面到坝前水体SPM含量不断降低，至5断面SPM含量已降低至4.76 mg/L，但1、3断面SPM平均含量又上升至6.94 mg/L(见图 2(a))。在水库蓄水末期(2017年12月)，水体SPM整体分布均匀，含量接近方法的检出限(2.00 mg/L)，无SPM逐渐降低的分布现象(见图 2(f))。2018年5月处于水库放水中期，入库水体SPM含量随着距坝越近逐渐降低，25断面至坝前SPM分布趋于均匀，该时期库区水体SPM的平均含量为7.55 mg/L(见图 2(k))。2018年9月(洪水调控期)入库水体含沙量较高，最大达到了7 894.70 mg/L，纵向上35~20断面SPM随水深的增加而增大，横向上SPM含量随着距坝越近逐渐降低，至10断面处SPM含量已降低至9.16 mg/L(见图 2(p))。
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图 2 小浪底库区SPM、水温、DO、pH和叶绿素a的时空变化 Fig. 2 Spatial-temporal variation of SPM, water temperature, DO, PH and Chl-α in the Xiaolangdi Reservoir |
2017年6月，水库放水末期库区水温存在明显的分层分布的现象(见图 2(b))。在水深小于10 m的30~35断面区域水温较高(-24 ℃)且分布较均匀，随着距坝越近，水深增加，水温在水深7和35 m附近发生较显著变化，7 m以上、7~25 m以及25 m以下水体平均温度分别为25.2、23.2和17.2 ℃，表底层温差最大达到了10.0 ℃。2017年12月，水库蓄水末期水温整体分布较均匀，水体温度为四次调查中最低(见图 2(g))，平均只有12.5 ℃，水库下游(15~35断面)水体有微弱的分层现象，但表底层温差最大只有3.9 ℃。2018年5月，水库放水中期库区水温也出现了分层分布的现象，水温分层自40断面开始至坝前，水深小于7、7~23和23 m以下平均水温分别为20.1、13.9和9.2 ℃，表底层温差最大为12.4 ℃(见图 2(l))。2018年9月，水库水温分布较为均匀，平均水温为26.8 ℃(见图 2(q))，是四次调查中水温最高的时期。
2.3 小浪底水库DO、pH和叶绿素a的时空分布2017年6月，DO平均值为6.36 mg/L(见图 2(c))，最大值(11.7 mg/L)出现在坝前水体表层，DO的层化现象较显著，表层至底层DO最大相差8.01 mg/L。2017年12月DO整体上分布较均匀，平均值为7.56 mg/L，水库下游(15~35断面)DO有微弱的分层分布现象(见图 2(h))，该区域底层水体DO略高于表层。2018年5和9月DO分布较均匀(见图 2(m), (r))，无明显层化现象, 平均值分别为8.10和6.13 mg/L。
2017年6月pH的分布情况与DO较为一致(见图 2(d))，平均值为8.38，层化现象较显著，水深10 m以上水体pH平均为8.58，10 m以下水体pH平均为8.02，由表层至底层pH最大相差0.85；2017年12月水体pH分布较为均匀(见图 2(i))，平均值为8.02。2018年5月水体pH分布与该季节水温分布较类似，50~35断面pH分布较均匀，平均为7.80，由35~15断面水体pH出现分层现象，随着距坝越近分层现象逐渐减弱(库区1~10断面pH数据缺失)(见图 2(n))。2018年9月高含沙量区(20~35断面)水体pH分布较均匀(见图 2(s))，平均为8.02，坝前SPM含量较低(1~10断面)的区域pH较高，最大值为8.27，垂向上该区域pH随水深的增加逐渐降低。
2017年6月库区叶绿素a平均值为1.83 μg/L，水深小于10 m的区域水体叶绿素a含量较高，平均为2.55 μg/L，水深10 m以下叶绿素a浓度分布较均匀，平均为0.53 μg/L(见图 2(e))。2017年12月库区水体叶绿素a含量偏低且分布较均匀，平均含量仅为0.70 μg/L(见图 2(j))。2018年5月35~50断面水体叶绿素a分布较均匀，平均含量为3.48 μg/L，从35~5断面叶绿素a呈现微弱的分层现象，该区域水深10 m以上叶绿素a的平均含量为3.75 μg/L，水深10 m以下叶绿素a的平均含量为0.66 μg/L，1~5断面叶绿素a从表层至底层并没有呈现单一的递减趋势，而是在水面以下10 m处附近达到高值(~3.2 μg/L)(见图 2(o))。2018年9月叶绿素a高值集中在SPM较低的1~10断面的表层，最大值达到了10.50 μg/L，垂向上该区域叶绿素a随水深的增加逐渐降低，高SPM区(20~35断面)叶绿素a含量较低且分布均匀，该区域叶绿素a的平均含量为1.49 μg/L(见图 2(t))。
3 讨论 3.1 小浪底水库SPM的时空变化及影响因素大坝的拦截造成水体流动性变差，小浪底库区水体中的悬浮颗粒物受重力影响不断发生沉降。2017年6月和2018年9月采样期间，小浪底水库35~20断面的SPM在横向上都呈现了距坝越近逐渐降低、纵向上随水深增加逐渐增大的特点(见图 2(a), (p))。这可能是因为水流减缓导致上游输运而来的泥沙发生沉积，并沿底层运动造成的[18-19]，也可能是由于水库35~20断面水动力相对较强，底层悬浮颗粒物在该区域发生再悬浮引起的。对于同时期的1~15断面，SPM含量较低且分布较均匀, 是水库的“湖泊区”。2018年5月库区SPM平均含量有所降低，但在50~45断面也出现SPM含量逐渐降低的现象。2017年12月由于入库流量较小、水动力相对较弱，入库水体含沙量较低，库区水体SPM平均含量较低，库区未出现显著的SPM逐渐降低的分布现象，水库SPM的时空分布变化受上游来水及水库调控运行模式的双重影响。
3.2 小浪底水库水温的时空变化及影响因素水温分层是深水湖库共有的湖沼学特征，河流筑坝拦截后，形成片段化河流，随着水位抬升，流速减缓，由于湖泊/水库表层水温与地区气温基本上同步变化、高度相关，太阳辐射的加强使表底层温差加大，造成密度差异较大的表底层水体在垂向上交换困难从而形成分层结构[20]。本研究中，小浪底水库在2018年5月和2017年6月期间水温呈现分层分布的特点(见图 2(b), (l))，且分层区水深大于10 m，表明水的深浅也是热分层是否能够形成的重要决定因素。在2018年9月采样期间，受水库调控洪水的影响，该时期库区水体混合均匀，无明显热分层现象(见图 2(q))，水库运行方式的调整是影响该时期水库水温结构的主要因素。
3.3 小浪底水库DO和pH的时空变化及影响因素DO是湖泊、水库生态系统生化条件改变的敏感指标[21]。对于具有热分层特性的深水湖库，热分层是影响DO垂向分布的关键因素[22]。此外，在富营养的水体中藻类数量对DO的含量和分布也存在显著影响[23]。2017年6月小浪底水库形成了稳定的热分层，DO也在该时期呈现显著的分层分布，该时期DO与叶绿素a、水温之间存在一定相关性(见图 3(b), (c)))，因此光合作用增氧和水体热分层是影响2017年6月库区水体DO分布的主要因素。同时，该时期底层DO的浓度达到了四个采样时间段内最低水平，这可能是由于热分层期间底层水体和沉积物消耗的氧不能得到及时补充，造成底层溶解氧降低[17, 24-26]。对于洪水调控期(2018年9月)，坝前水体特别是1~5断面，DO随着水温升高有增加的趋势(见图 3(c))，这与2017年6月库区水体DO随水温的变化趋势相似，与此相反，在20断面后的高含沙量的水体中，DO随水温的升高而降低(见图 3(c))，这是由于水温升高，O2的溶解度降低[27]。因此，在洪水调控期，在水库不同区域影响DO的主要因素不同，坝前低含沙量水体DO主要受光合作用等过程控制，而高含沙量区域物理因素是影响该时期高含沙量水体DO的主要因素[27]。水库热分层消失后(2017年12月)，上下水体的掺混作用使底层DO含量迅速增加，表、底层DO含量基本一致，且均维持在较高水平。水体DO随水温的升高而降低(见图 3(c))，物理因素应是影响该时期水体DO的主要原因[27]。
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图 3 小浪底水库关键环境因子之间的关系 Fig. 3 Relationship on the key environmental parameters in the Xiaolangdi Reservoir |
表观耗氧量(AOU)是由DO的理论值与实测值差减得来的。AOU < 0时，表示DO处于过饱和的富氧状态，反之，AOU>0时表示DO处于氧亏损的贫氧状态。它与生物耗氧循环变化、水体垂直/水平交换等有关[28]。本研究中利用饱和DO浓度的公式计算出DO的理论值[29]，再与实测值进行差减得出AOU值。结果表明，2017年6月时库区的表层水体已达富氧状态，2018年5月表层水体基本达到饱和，除此之外库区水体都处于贫氧的状态(见图 2(f))。2017年6月和2018年5月AOU与叶绿素a呈现了较显著的负相关关系，这主要是因为浮游植物的光合作用产氧造成水体中DO含量较高从而使得AOU逐渐偏负；2017年12月和2018年9月AOU都大于0并且变化范围较小，AOU与叶绿素a的相关性也不明显，特别是2018年9月坝前叶绿素a含量最大值超过了10 μg/L，但该时期库区水体DO平均饱和度只有76%，说明水体中还有更强的DO消耗因素，可能是因为这两个时期水体混合较均匀，水温较高，促进了有机质氧化分解，消耗了水体中的DO[30]。
四次采样时段库区水体pH具有明显的时空分布特征，变化范围在7.47~8.85，该范围与前人报道的黄河流域河水pH值变化范围较一致[31-32]。由于黄河水体中的泥沙主要来自黄土高原，黄土偏碱性是水体pH偏碱性的主要原因[33]。河流体系的化学组成因受到流域的气候、岩性、土壤、植被等自然因素及工农业等人为因素的综合影响，其水体环境复杂多变，pH与叶绿素a的关系也呈多样化[34]。2017年6月小浪底水库pH与叶绿素a呈现较显著的正对数相关(见图 3(a))，可能是因为浮游植物在该季节温暖适宜的水温下生长旺盛造成水体CO2大量被消耗导致pH升高[35]。2018年5月和9月随叶绿素a浓度的升高pH大致呈现逐渐增大的趋势(见图 3(a))，说明pH随浮游植物数量的增多呈一定比例的增加[35]，但对于冬季(2017年12月)来说，pH与叶绿素a的相关性较差，说明该时期影响水体pH的因素较多、较复杂(见图 3(a))。
3.4 小浪底水库叶绿素a的时空变化及影响因素叶绿素a作为浮游植物现存量的重要指标[36-37]，一般会受到物理化学和生物等环境因子的制约[38]。研究表明，水温会影响藻类细胞内酶反应速率、植物新陈代谢速率，是影响叶绿素a的主导环境因子[36]；而悬浮颗粒物浓度对光合作用的影响则主要是通过判别是否构成了光限制。2017年6月和2018年9月随着水温的上升，叶绿素a含量呈幂函数式上升(见图 3(e))，说明在这两次采样阶段内水温对藻类生长的制约作用是比较明显的。而对于2018年5月来说，水温对水库内储存的“旧水”影响更大(见图 3(e))，这体现了水库不同于天然湖泊的具有水体受到上游来水影响的特点。研究表明，当水库内水体滞留时间少于5天时，浮游植物将无法有效利用水体中的营养盐[39]，浮游植物的生长会因此受到限制，2018年9月小浪底水库处于洪水调控期，水库内部水体滞留时间相对于其他采样时段变短，但该时期坝前叶绿素a含量最大值超过了10 μg/L，表明洪水调控并未影响到坝前水体的保留时间，这种现象在库容较大且人工干预较多的水库中较常见[40]。除此之外在洪水调控期(2018年9月)库区叶绿素a含量与SPM含量呈明显的幂函数形式(见图 3(d))，这是因为当水体中悬浮颗粒物浓度达到一定水平，悬浮颗粒物会改变光的水下传递, 导致水下光照不足从而影响浮游植物生长[41]。
4 结语受上游来水、水库调控和水体自身理化、生物因素的影响，小浪底水库水体环境具有鲜明的时空变化特征。受大坝的拦截作用，水体中的SPM含量在入库后不断沉降，受上游来水、SPM含量和流量控制。小浪底水库在春季开始出现热分层现象，在夏季受洪水影响进行的水库调控会破坏热分层，而在冬季蓄水时期水温较低且分布均匀。DO受热分层、大气复氧和光合作用的多重影响，在热分层结构更加稳定的6月水库底层处于低氧状态。pH分层分布现象也主要发生在6月，春夏季坝前区域pH较高，与叶绿素a分布相对应，两者均受水温，即季节变化控制。总的来说，小浪底水库内理化环境因子时空分布复杂、变化剧烈，是气候变化、人为控制和水库内过程等多重因素作用的结果，其对下游河流物质输运的影响也因此具有高度的动态性，在今后研究黄河入海物质通量和过程时应考虑小浪底水库的影响。
致谢: 郑州市黄河水利委员会在样品采集等方面提供了大力帮助，中国海洋大学田宇宸、张欣然和张珂茹协助野外采样，任景玲和张洪海在叶绿素a，葛田田在溶解氧测定中给予了帮助，在此一并表示感谢。
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