三峡水库营养盐分布特征与滞留效应研究

摘要

随着社会经济的发展，流域内各种人类活动强烈地冲击着河流原有的生物地球化学过程，其中尤以水利工程的影响最为人们关注。长江三峡水利工程是当今世界最大的水利枢纽工程，其产生的“水库效应”不仅影响了三峡水库的物质循环，还可能对长江中下游、河口乃至近海生态系统产生深远的影响。本文以三峡水库为研究对象，系统研究了蓄水后三峡水库典型水域营养盐的分布特征、三峡水库干、支流水体混合过程等，并在此基础上，分析了蓄水前后三峡水库营养盐 收支与滞留效率。主要结论如下： (1)135m蓄水后，三峡水库坝前水域营养盐浓度的季节变化明显，硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、磷酸盐浓度在平水期高、丰水期低；而溶解硅浓度在丰水期高、平水期低。坝前水域水化学参数分布均一，没有分层现象，控制其分布的主要机制为水动力学因素。 (2)135m蓄水后，对悬浮颗粒物中磷的赋存形态分析表明，经过三峡水库后，水体悬浮颗粒物中磷的赋存形态及其含量发生了一定的变化，表现为弱吸附态磷、有机磷以及铁结合态磷等生物可利用的磷含量升高，而碎屑磷灰石磷以及非活性有机磷含量降低。悬浮颗粒物中磷的赋存形态组成的变化将改变颗粒态营养盐的输送规律。水库“淤粗排细”作用对悬浮颗粒物粒径产生显著影响，这可能是控制其变化的主要因素。 (3)156m蓄水后，三峡水库营养盐垂向差异较小，没有分层现象；沿水流方向，溶解硅、颗粒态氮、颗粒态磷浓度有明显的降低趋势。平水期，硝酸盐是总氮主要组成部分，其次是溶解有机氮，颗粒氮所占份额较小；磷则以磷酸盐为主要组成部分，其次为溶解有机磷，颗粒态磷对总磷的贡献量不大。 (4)三峡水库入库水体中亚硝酸盐、氨氮、溶解有机氮、磷酸盐浓度普遍高于出库水体，而硝酸盐、溶解有机磷浓度普遍低于出库水体；入库、出库硅酸盐浓度差异不大，且存在明显的季节变化规律。在2007年，输入到水库中的氮、磷及溶解硅总量分别为8.14×105t、1.34×104t和1.24×105t：自水库向下游输送的氮、磷及溶解硅总量分别为6.83×105t、1.01×104t和1.25×103t。受流量控制，入库、出库营养盐通量的60％左右是在丰水期输送的，通量季节变化明显。 (5)对三峡水库进行了营养盐收支及滞留效应研究。结果表明，135m蓄水前总氮、总磷入库负荷与出库负荷相当：135m蓄水后，约18％的总氮、15％的总磷和10％溶解硅滞留于水库中，分别占长江入海总量的6％、4％、5％左右。156m蓄水后，三峡水库对亚硝酸盐、氨氮、溶解有机氮、溶解总氮、磷酸盐存在滞留现象，其表观滞留量分别为3.2×103t、6.39×103t、0.63×105t、0.21×105t、0.5×103t，对应滞留效率分别为62％、43％、31％、3％、30％。考虑水库内支流输入、点源排放等的贡献，对156m蓄水后滞留效率进行校正后，三峡水库对亚硝酸盐、氨氮、溶解有机氮、颗粒氮、总氮、磷酸盐和总磷实际滞留效率分别为67％、50％、37％、71％、16％、36％和7％。由于三峡水库的滞留效应导致的长江磷酸盐、溶解硅、总氮、总磷入海通量减少18％、2％、8％和4％。除磷酸盐外，三峡水库对长江入海营养盐通量影响有限。 (6)对库区典型支流库湾的研究表明，常量离子在干、支流的混合过程中表现为保守，可以有效地指示库湾混合过程。干流水体的逆向“顶托”是控制支流库湾水体理化性质的主要物理机制。在库湾(香溪河库湾和大宁河库湾)混合过程中，生源要素表现出不保守的特征，其中硅酸盐、硝酸盐、磷酸盐表现为移出，而亚硝酸盐、氨氮表现为加入。支流库湾出现明显的富营养化现象。

目录

文摘

英文文摘

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第一章文献综述

1.1河流营养元素生物地球化学循环过程

1.1.1氮循环

1.1.2磷循环

1.1.3硅循环

1.1.4河流营养元素的物质来源和归宿

1.2筑坝河流营养元素滞留效应研究进展

1.2.1筑坝对河流营养元素输送通量的影响

1.2.2影响水库营养元素滞留效应的主要因素

1.2.3水库营养元素滞留效率的估算方法

1.2.4主要认识与讨论

1.3长江及三峡水库生源要素研究

1.3.1长江生源要素研究

1.3.2三峡水库生源要素研究现状

1.4研究工作总体思路

1.4.1研究目的

1.4.2研究思路

第二章二期蓄水(135m)后三峡水库营养盐时空分布特征

2.1样品采集与分析

2.1.1站位布设

2.1.2样品采集与分析

2.2温度、溶解氧、pH和浊度分布特征

2.2.1温度

2.2.2溶解氧

2.2.3 pH

2.2.4浊度

2.3营养盐分布特征

2.3.1溶解无机氮

2.3.2磷酸盐

2.3.3溶解硅

2.3.4颗粒态氮、磷

2.3.5影响营养盐分布的主要因素

2.4三峡水库悬浮颗粒物中磷的赋存形态研究

2.5三峡水库沉积物中磷的赋存形态研究

2.6本章小结

第三章三期蓄水(156m)后三峡水库营养盐时空分布特征

3.1样品采集与分析

3.1.1站位布设

3.1.2样品采集和分析

3.2悬浮颗粒物和常量离子分布特征

3.2.1悬浮颗粒物分布特征

3.2.2常量离子分布特征

3.3三峡水库营养盐分布特征

3.3.1氮

3.3.2磷

3.3.3硅

3.3.4营养盐结构

3.3.5三峡水库关键断面营养盐分布特征

3.4三峡水库入库、出库营养盐季节变化规律

3.4.1氮

3.4.2磷

3.4.3硅

3.4.4营养盐结构

3.5本章小结

第四章三峡水库营养盐收支计算与水库滞留效应分析

4.1三峡水库营养盐收支计算方法

4.1.1研究区域

4.1.2数据来源

4.1.3收支模式

4.2三峡水库入库、出库营养盐通量计算方法

4.3蓄水前三峡江段营养盐收支计算结果(1997～2002年)

4.3.1蓄水前三峡江段营养盐收支

4.3.2蓄水前三峡江段营养盐滞留效率

4.4二期蓄水后(135m)三峡江段营养盐收支计算结果(2004～2006年)

4.4.1水量平衡计算

4.4.2氮、磷

4.4.3硅

4.4.4二期蓄水后(135m)三峡水库营养盐滞留效率

4.5三期蓄水(156m)后三峡水库入库、出库营养盐通量与水库滞留效应(2007年)

4.5.1径流变化规律

4.5.2溶解态氮输送规律及滞留效应

4.5.3溶解态磷输送规律及滞留效应

4.5.4硅酸盐输送规律及滞留效应

4.5.5颗粒态氮、磷与颗粒态硅、生物硅滞留效应

4.5.6滞留效应季节性差异的原因分析

4.5.7三峡水库滞留效率的修正

4.6三峡江段不同时期营养盐滞留效率对比分析

4.7本章小结

第五章三峡水库支流库湾营养盐生物地球化学过程研究

5.1样品采集与分析方法

5.1.1站位布设

5.1.2样品采集和分析

5.2三峡水库支流库湾营养盐的分布特征

5.2.1香溪河库湾营养盐分布特征

5.2.2大宁河库湾营养盐分布特征

5.2.3小江库湾营养盐分布特征

5.2.4乌江营养盐分布特征

5.3常量离子对库湾水体混合的指示作用

5.3.1香溪河库湾常量离子的特征分析

5.3.2大宁河库湾常量离子的特征分析

5.3.3库湾水化学组成及来源

5.3.4常量离子作为水团混合指示性参数的有效性

5.4水库干流水体对支流的顶托作用

5.5支流库湾营养盐的生物地球化学行为

5.6三峡水库蓄水后支流库湾可能引发的生态环境问题

5.7本章小结

结论

论文的创新点

参考文献

附录

致谢

博士学位期间以完成论文