ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis
岩溶水库水体总有机碳剖面分布特征及影响机制研究
LI Li1,2, ZHOU Zhongfa1,2,†, ZOU Yan1,2, KONG Jie1,2, WANG Cui1,2, ZHANG Fuqiang1,2, WANG Yanbi1,2
李梨1,2 周忠发1,2,† 邹艳1,2 孔杰1,2 王翠1,2 张富强1,2 王艳碧1,2 1. 贵州师范大学地理与环境科学学院, 贵州师范大学喀斯特研究院, 贵阳 550001; 2. 贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地, 贵阳 550001; † 通信作者, E-mail: fa6897@163.com
摘要 为探究有机碳在深水型水库中的垂向分布特征及影响机制, 以西南喀斯特腹地平寨水库为研究对象,在水体热力分层期间和混合期间采集不同点位和不同水层的水样, 采用数理统计、相关分析和相对水柱稳定性(RWCS)分析等方法, 分析深水型水库热力状况以及水动力差异对总有机碳(TOC)的时空及剖面分布特征的影响。结果表明, 在春季、夏季和秋季3个深水采样点均存在温跃层, 且温跃层厚度因季节而异; TOC浓度变化范围为0.44~5.65 mg/l, 全年均值为2.16±0.99 mg/l, TOC浓度的季节变化特征为夏季>冬季>春季>秋季。平寨水库TOC浓度对水环境的响应存在季节性差异, 夏季外源碳素入库, 秋季降雨稀释, 冬季微生物分解和沉积物再释放以及春季藻类繁殖和生物碳泵效应是导致TOC浓度季节变化的主要原因。不同深水点的TOC浓度及理化因子剖面波动幅度主要受控于3个不同水力特征驱动的水域。RWCS主要影响有机碳等物质的沉降速率, 从而导致TOC浓度和理化因子剖面分布的差异。关键词 总有机碳; 剖面特征; 影响机制; 岩溶水库Distribution Characteristics and Influence Mechanism of Total Organic Carbon Profile in Karst Reservoir 1. College of Geography and Environmental Sciences/karst Research Institute, Guizhou Normal University, Guiyang 550001; 2. The State Key Laboratory Incubation Base for Karst Mountain Ecology Environment of Guizhou Province, Guiyang 550001; † Corresponding author, E-mail: fa6897@163.com
Abstract In order to explore the vertical distribution characteristics and influence mechanism of organic carbon in the deep water reservoir, taking the southwest karst hinterland reservoir (Pingzhai Reservoir) as case study, water samples were collected at different points during thermodynamic stratification and mixing periods, using mathematical statistics, correlation analysis, relative water column stability (RWCS), to analyze the influence of thermal conditions and hydrodynamic differences on the spatiotemporal and cross-sectional distribution on total organic carbon (TOC). The results show that the thermocline is present in spring, summer and autumn, and the thermocline thickness varies by season. TOC concentration is 0.44–5.65 mg/l, and the annual mean value is 2.16± 0.99 mg/l. The seasonal variation pattern of TOC concentration is summer>winter>spring>autumn. There is the seasonal difference of the response between TOC and water environment in Pingzhai Reservoir. Exogenous carbon storage in summer, autumn rainfall dilution, microbial decomposition and sediment release in winter, and algae propagation, biological carbon pump effect in spring are the main causes of the seasonal change of TOC concentration. The fluctuation amplitude of TOC and physicochemical factor profiles in different deep water points are mainly driven by three different hydraulic characteristics. RWCS mainly affects the sedimentation rate of substances such as organic carbon, which results in the difference of TOC concentration and physicochemical factor
profile distribution. Key words total organic carbon; profile features; influence mechanism; karst reservoir
河流和天然湖泊筑坝对自然水资源具有全球性的影响, 大坝和水库在水资源的控制和管理中发挥着重要作用[1–2]。水库的修建使得水体滞留时间增加、养分和沉积物截留, 进而增加初级生产力, 使河流从“河流侵蚀搬运作用”逐渐变成“湖泊沉积作用”[3–5]。碳作为水体中重要的生源要素, 参与水生生态系统中大部分生物地球化学过程[6]。在反映水体碳的生源要素指标中, 总有机碳(TOC)极其重要,是碳循环(尤其是生物碳泵过程)的主要参与者, 能全面地反映水体含碳有机物的污染状况, 水中的有机碳也是生物圈最大的活性有机碳库, 在生物地球化学过程中发挥着主要作用[7–8]。因此, 对TOC浓度变化机制的研究越来越引起人们的重视。目前, 许多学者在不同水域开展了对TOC的研
[9]究。谢琳萍等 在南黄海的研究结果表明, 夏季TOC的浓度受沿岸流影响, 在北部和南部近岸表现
[10]出相反的分布趋势。江志坚等 对大亚湾海水的研究结果表明, TOC浓度的时空分布特征与环境因
[11]子密切相关。张志强等 发现武汉东湖5个湖区TOC浓度的空间分布存在差异, TOC主要来源于外源输入以及内源生产, 其时空分布特征与降雨、生
[12]物活动以及人类活动等因素有关。葛茜等 对巢湖 TOC的研究结果表明, 春夏季节TOC浓度呈逐月递增趋势, TOC浓度与叶绿素a显著正相关。黄明雨等[8]发现, 洱海水体中TOC浓度是径流输入与水体内部生物化学过程动态平衡的结果。Crapart等[13]通过评估近 5000个湖泊和集水区流域中TOC浓度升高的几个主要控制因素, 利用共享社会经济路径(SSP)中两个路径预测2050和 2100年海岸带流域地表径流TOC浓度, 发现 SSP1-2.6路径预测向近岸海域的TOC输出总体上减少, 而 SSP3-7.0路径预测TOC输出增加。于文涛等[14]通过对双台子河口有机碳的研究, 发现其TOC浓度明显高于国内其他河流水体, 且能反映河流有机污染状况。
综上所述, 关于水体中TOC的研究主要集中于海、湖泊和河流的TOC浓度、分布特征以及影响因素, 对水库垂直剖面上迁移转化过程的研究较少。水库作为流域内物质的汇集场所, 汇聚并埋藏着大量的碳, 是全球碳循环中的重要源与汇, 在大坝拦截和水库蓄水的共同作用下, 水库系统的碳循
[15]环机制变得更加复杂 。在深水型水库中常发生水体季节性分层现象, 在库区形成变温层–温跃层–滞温层“三层式”温度垂直分层结构[16–18], 严重地影响有机碳等物质的分布和扩散, 进而影响水质安全。因此, 探究水库系统季节性水温分层和水动力驱动机制下TOC浓度的剖面差异及影响因素尤其重要。
我国西南喀斯特地区水资源丰富, 多峡谷地貌,是水力发电的重要区域, 水库效应显著 。同时,
[19]受地上地下二元结构的影响, 地表营养物质随降水产生的径流和孔隙水经岩溶裂隙等进入河流和水库中, 造成碳素的积累。平寨水库位于中国西南喀斯特腹地, 是典型的深水型季节性分层水库[20], 由于其复杂的地形地貌、不规则的水库调度和多变的上游流量, 其水动力特征非常复杂。因此, 探究平寨水库的热分层状况和水动力驱动机制下TOC浓度分布特征及转化机制, 对揭示水体碳素分布特征、制定有效的水资源保护策略以及丰富水库碳循环机制和碳源汇相关研究具有重要意义。
研究区概况
平寨水库位于贵州省织金县、纳雍县和六枝特区的交界处, 处于长江上游南岸最大支流乌江上游三岔河流域, 是黔中水利枢纽一期工程的源头水库,是贵州省重要的灌溉和饮用水源地之一。平寨水库由 5条河流(纳雍河、水公河、白水河、张维河和扈家河)筑坝蓄水而成, 于2011年河道截流, 2015年下闸蓄水, 具有饮用、发电、防洪和灌溉等功能。水库正常蓄水位为1331 m, 总库容量为10.89亿 m3,平均水深为80 m, 上游流域总面积为684.008 km2。流域内喀斯特地貌极为发育, 峡谷深切, 喀斯特地貌区域面积占流域总面积的74.36%, 岩石类型以二叠系和三叠系灰岩、白云质灰岩和白云岩为主。土地利用类型为耕地和林地, 其次为草地、建设用地和未利用地(图1)。受区域岩性及作物栽培习惯影响, 种植作物以玉米和马铃薯为主, 施用化肥主要为复合肥和尿素。平寨水库以河流径流和降水补给为主, 地下水补给为辅。流域内为亚热带湿润型季风气候, 夏季高温多雨, 冬季温和少雨, 多年平均降水量为1089.6 mm, 年均气温为14℃。
2 材料与方法2.1 采样点布设和样品分析
如图2所示, 在平寨水库的纳雍河段回水区设置NY采样点, 在白水河、张维河和扈家河3条入库河流交汇处设置 SG 采样点, 在坝前水域设置PZ采样点, 分别进行深水采样, 并在入库河流上游和河流交汇处进行水体采样, 以便探究TOC来源。分别于夏季(2019年 7月)、秋季(2019年9月)、冬
季(2020 年 1月)和春季(2020 年 5月)使用卡盖式深水采样器采集垂直剖面水样, 采样深度为 0.5, 10, 20, 30, 40, 50和60 m。采用MULTI 3430便携式多参数水质分析仪器(德国WTW公司)现场同步测定水温(WT)、酸碱度(ph)、电导率(EC)和溶解氧(DO), 测定前校准仪器, 测试精度分别为0.01℃、0.001ph 单位、1 μs/cm 和 0.01 mg/l。采用 TOCLCPH/CPN总有机碳分析仪(日本岛津公司)测定水样
北京大学学报(自然科学版) 第 60 卷 第2期 2024 年3月
的TOC浓度, 检测方法为燃烧氧化–非分散红外吸收法, 检测精度为0.001 mg/l。叶绿素a (Chl-a)依据《水质叶绿素a的测定分光光度法》进行测定和浓度计算。2.2 相对水柱稳定性(RWCS)
RWCS (relative water column stability)是一个无量纲的参数, 表示相对水柱稳定性, 用来反映水体热分层程度和水动力条件[21–24], 计算公式为RWCS=( )/( 5), (1) d2 d1 4式中, ρd2 与 ρd1分别为特定深处水体密度(kg/m3)和表层水体密度(kg/m3), ρ4和 ρ5分别为4℃和5℃时的纯水密度(kg/m3)。在任何给定温度下, 水的密度可以根据式(2)[25]进行计算: T 288.9414 T 1 ( T 3.9863)2 , (2) 508929.2(T 68.1296)式中, T表示实际水温, ρt表示温度为T时水的密度(kg/m3)。3 结果与分析3.1 水库水温热分层与水柱相对稳定性3个采样点的剖面水温季节变化特征相似, 在夏季、秋季和春季均存在明显的温度分层(图 3)。根据现有文献中对温跃层的定义[24,26–27], 水温梯度超过 0.2℃/m的水层为温跃层, 温跃层以上为变温层, 温跃层以下为滞温层。如图3所示, 平寨水库在春季、夏季和秋季存在温跃层, 温跃层厚度因季节而异。夏季温跃层出现在水深10~30 m范围内,水温从水体表层的 25.62 ℃下降到水深30 m处的14.16℃ , 水温梯度为0.382℃ /m, 温跃层厚度为20 m。水体的比热容较大, 温跃层在秋季得以延续,并且厚度增加至30 m。冬季气温下降, 水体表层吸收的热量减少并开始降温, 表层水密度增大并开始下潜, 水体垂向温差缩小, 热分层开始削弱并在冬季完全消退, 上下层水体呈现混合状态。随着春季气温逐渐回暖, 水库表层水体开始受热并逐渐呈现水温分层, 又逐渐形成分层结构, 温跃层出现在水深10~ 20 m范围内, 厚度为10 m。
研究表明, RWCS>50时, 水体存在热分层[22]。为进一步探究平寨水库水体热分层稳定程度, 对其 RWCS进行分析, 结果如图4所示。可以看出,平寨水库3个采样点的RWCS呈现明显的季节差异, 与水温的剖面变化特征相似, RWCS平均值夏季>秋季>春季>冬季。夏季, RWCS平均值最高(266.15±65.03), 表明此时水库分层结构稳定且成熟。秋季, 图4中箱体整体开始下移, 表明水体翻转过程的开始, 但此时水温分层仍较为稳定。冬季,