2019, Vol. 39
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2. 东莞理工学院生态环境工程技术研发中心, 东莞 523808;
3. 河北师范大学分析测试中心, 石家庄 050024;
4. 北京师范大学环境学院, 北京 100088
2. Research Center for Eco-Environmental Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808;
3. Instrumental Analysis Center, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050024;
4. School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100088
大型河流上的水坝工程改变了河流的水文节律和沉积物的迁移速率, 对水生生物和河流生态系统产生了复杂而深远的影响(Nillsson et al., 2005; 王超, 2017).梯级水电开发相比单一水坝工程虽然在河流水能水资源的高效利用、防洪和改善航运条件等方面具有明显的优势, 但其对河流生态连通性的影响远大于单一水坝工程, 生态影响具有复杂性、累积性、潜在性和系统性的特点(翟红娟等, 2007; Fang et al., 2011; 王超, 2017).沉积物作为河流及水生态系统的重要组成部分, 水坝工程对其具有显著的拦截效应, 因泥沙淤积全球水库每年损失约0.5%~1.0%的库容, 对全球陆地和海洋之间沉积物的迁移速率具有显著影响(Kummu et al., 2010; Zhai et al., 2010; Yang et al., 2015).受水坝工程拦截效应的影响, 水体中的重金属、营养盐和有机污染物在沉淀、吸附和生物吸收作用下大部分富集于水库沉积物中(王妙等, 2014; 李晓明等, 2016).沉积物不仅可作为重金属、营养盐和有机污染的储存库, 在一定条件下也会成为污染源使污染物重新进入水体中, 形成二次污染, 从而对水环境质量、水生生物、水生态系统和人类健康产生危害(程先等, 2016; 董世魁等, 2016).因此, 水坝工程影响下的水体沉积物污染特征及其分布成为目前全球广泛关注的水环境和水生态保护热点问题(Zhao et al., 2011; Zhang et al., 2014; 李晋鹏等, 2018).
当前, 国内外学者针对大型河流的水坝工程, 如长江三峡(Gao et al., 2016; Bing et al., 2016; 郑飞燕等, 2018)、黄河三门峡(周伟立等, 2018)、澜沧江漫湾(Wang et al., 2012; 赵晨等, 2014)、印度河曼格拉(Saleem et al., 2018)等建坝后库区沉积物重金属和营养盐污染特征开展了大量研究, 但对大型河流梯级水电开发条件下的上、下游库区沉积物重金属和营养盐的含量变化、分布格局及累积效应研究相对较少(傅开道等, 2016).此外, 大型河流生态系统的稳定性、库区污染防治和生态调度日益成为河流生态系统健康关注的热点问题(王超, 2017).澜沧江中、下游作为我国重点开发的水电基地之一和典型生态脆弱区, 规划完成2库8级的梯级水电开发, 其中, 漫湾(1995年)和大朝山(2003年)作为澜沧江干流最早投入运行的两个梯级水坝, 经过多年运行, 沉积物淤积显著, 并受上游小湾(2010年)水坝的运行调节, 其库区水文、水动力、水环境和沉积条件亦保持相对稳定的状态(Dore et al., 2004; 李晋鹏等, 2018).基于上述分析, 本研究于2016年在澜沧江干流漫湾和大朝山梯级水坝库区开展沉积物调查, 分析库区沉积物重金属和营养盐的含量及空间分布, 进行重金属和营养盐污染的定量生态风险评价, 以揭示重金属与营养盐污染的相互作用关系, 阐明梯级水坝重金属和营养盐污染的累积和拦截效应, 从而为大型河流梯级水库的水生态系统管理、生态调度和库区污染治理提供科学依据.
2 研究区域与研究方法(Study area and methods) 2.1 研究区域概况以澜沧江中、下游干流2库8级梯级水电开发中先后投入运行的第3级漫湾(1995年)和第4级大朝山(2003年)梯级水坝库区为研究区(陈丽晖等, 2000) (图 1).漫湾水坝高132 m, 正常蓄水位994 m, 水库面积23.6 km2, 总库容10.6×108 m3, 装机容量150×104 kW, 干流回水70 km至上游小湾水坝(2011年)附近(王忠泽等, 2000).大朝山水坝高111 m, 正常蓄水位899 m, 水库面积26.25 km2, 总库容9.4×108 m3, 装机容量135×104 kW, 干流回水91 km至上游漫湾水坝附近, 其下游为糯扎渡水坝(2014年)(欧阳慧等, 2010; 贾志翔, 2011).研究区位于我国西南高山峡谷区, 为亚热带低纬度山地季风气候, 5—10月受西南季风影响为雨季, 11月—次年4月受大陆西风影响为旱季.
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| 图 1 澜沧江漫湾和大朝山梯级水坝库区沉积物采样点位置 Fig. 1 Location of the Manwan and Dachaoshan cascading dams and the sampling sites of sediment in Lancang River |
本研究于2016年开展漫湾和大朝山梯级水坝库区沉积物调查, 参照两库区生境条件的划分结果(李晋鹏等, 2018), 共设置12个采样点, 每个库区设置6个采样点(图 1).各采样点涵盖了两库区各种生境类型, 包括静水区、过渡区(高水位为静水区, 低水位为河流区)和河流区.其中, 漫湾库区M1和M2样点位于静水区, M3和M4样点位于过渡区, M5和M6样点位于河流区；大朝山库区D1、D2和D3样点位于静水区, D4和D5样点位于过渡区, D6样点位于河流区.每个采样点分别于旱季(4月, 高水位)和雨季(10月, 低水位)开展2期定点沉积物调查.
沉积物调查及测试过程中, 采用开口面积为1/50 m2的Peterson采样器采集12个采样点的表层沉积物, 每个采样点采集3个重复样品, 等量混合后冷冻干燥, 去除杂质后研磨过筛(100目)待测.沉积物样品经HF-HNO3-HClO4消解后(张伯镇等, 2016), 采用ICP-MS进行As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn含量的测定(陈明等, 2015).此外, 总氮(TN)的测定采用元素分析仪(Vario EI, 德国Elementar公司), 总有机碳(TOC)的测定采用重铬酸钾法(程先等, 2016).每个样品测定3次取其均值, 采用试剂空白、重复样和水系沉积物成分分析标准物质GBW07309在测试过程中进行质量控制, 各重金属元素的回收率为85%~115%, 符合质量控制要求(董世魁等, 2016).
2.3 数据处理 2.3.1 潜在生态风险指数采用潜在生态风险指数(RI)(Hakanson, 1980)法对漫湾和大朝山梯级水坝库区沉积物重金属的生态风险进行评价.计算方法如下：
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(1) |
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(2) |
式中, Er为单个重金属元素的潜在生态风险系数, Tr为该重金属元素相应的毒性响应系数, Cr为该重金属元素含量实测值；Bref为该重金属元素含量的参考值, RI为多种重金属元素的综合潜在生态风险指数.
本研究选取As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn共6种重金属元素进行沉积物重金属生态风险评价, 参照Hakanson(1980)的研究, Tr值分别取10、30、2、5、5和1；Bref分别为15、1.0、90、50、70和175 mg·kg-1.单个重金属潜在生态风险系数、综合潜在生态风险指数与生态风险评价分级标准见表 1.
| 表 1 潜在生态风险指数(RI)与生态风险分级标准 Table 1 Potential ecological risk index (RI) and classification standard of ecological risk |
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采用有机指数(OI)评价漫湾和大朝山库区沉积物的营养盐污染状况, 有机氮百分数(ONP)评价沉积物氮的污染状况(邱祖凯等, 2016).其计算过程如下：
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(3) |
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(4) |
式中, w(TOC)为总有机碳质量分数, w(ON)为有机氮质量分数, w(TN)为总氮质量分数.有机指数与有机氮百分数评价分级标准见表 2.
| 表 2 有机指数(OI)与有机氮百分数(ONP)分级标准 Table 2 Classification standard of organic index (OI) and organic nitrogen percentage (ONP) |
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选取各采样点沉积物单因子重金属潜在生态风险系数(Er)、综合潜在生态风险指数(RI)、有机指数(OI)、总有机碳(TOC)和有机氮百分数(ONP)进行Pearson相关性分析(SPSS18.0), 计算其相似性系数.
3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 沉积物重金属和营养盐污染状况澜沧江漫湾和大朝山梯级水坝库区各采样点的沉积物重金属、TOC和TN含量测定结果表明(表 3), 沉积物重金属As、Cd、Zn的平均含量为上游漫湾库区高于下游大朝山库区, 而Cr、TOC和TN的平均含量则表现为下游大朝山库区高于上游漫湾库区.从季节动态来看, 沉积物重金属Cd、Cu、Pb、Zn和TOC在两库区各采样点的平均含量均表现为旱季高于雨季, 而TN的平均含量则表现为雨季高于旱季.从库区生境条件划分来看, 沉积物重金属和营养盐污染的空间分布表现为坝前静水区相对较高, 其次为过渡区, 河流区相对较低.
| 表 3 漫湾(M)和大朝山(D)梯级水坝库区沉积物重金属和营养盐污染 Table 3 The heavy metals and nutrients pollution in sediments of Manwan (M) and Dachaoshan (D) cascading dams |
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漫湾和大朝山梯级水坝库区各采样点沉积物重金属单因子潜在生态风险危害系数(Er)的评价结果表明(图 2), Cd的生态风险最大, 其中, 漫湾库区静水区采样点M1和M2在旱季达到Ⅲ级(较高风险), 河流区采样点M6和过渡区采样点D4在雨季为Ⅰ级(低风险), 两库区其余采样点均为Ⅱ级(中风险)；As的生态风险次之, 两库区静水区采样点达到Ⅱ级(中风险), 其余采样点均为Ⅰ级(低风险)；其余重金属Cu、Cr、Pb和Zn的生态风险较小, 均为Ⅰ级(低风险).
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| 图 2 漫湾(M)和大朝山(D)梯级水坝库区沉积物重金属单因子潜在生态风险系数(Er)(A:2016-04; B:2016-10) Fig. 2 Single factor potential ecological risk index (Er) of sediment heavy metals in Manwan (M) and Dachaoshan (D) cascading dams |
各采样点沉积物重金属综合潜在生态风险指数(RI)评价结果表明(图 3), 上游漫湾库区重金属污染程度总体高于下游大朝山库区.其中, 漫湾库区静水区采样点M1和M2旱季的生态风险达到Ⅲ级(较高风险), 雨季为Ⅱ级(中风险), 过渡区采样点M3和M4为中风险, 河流区M6采样点生态风险最低, 为低风险.大朝山库区静水区采样点D1、D2和D3的生态风险均为Ⅱ级(中风险), 过渡区采样点D4雨季的生态风险为Ⅰ级(低风险), 其余采样点均为Ⅱ级(中风险).各采样点沉积物重金属综合潜在生态风险主要来源于Cd, 其次为As, 这两种重金属元素合计占各采样点RI值的80%以上.
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| 图 3 漫湾(M)和大朝山(D)梯级水坝库区沉积物重金属潜在生态风险指数(RI)(A:2016-04；B:2016-10) Fig. 3 Potential ecological risk index (RI) of sediment heavy metals in Manwan (M) and Dachaoshan (D) cascading dams |
漫湾和大朝山梯级水坝库区各采样点沉积物有机指数(OI)及有机氮百分数(ONP)评价结果表明(图 4), 下游大朝山库区营养盐污染程度总体高于上游漫湾库区.其中, 有机指数(OI)评价结果表明, 漫湾库区除静水区采样点M1旱季为Ⅱ级(较清洁), 采样点M2为Ⅱ级(较清洁)外, 其余各采样点均为Ⅰ级(清洁).大朝山库区除静水区采样点D3旱季和过渡区采样点D4雨季为Ⅰ级(清洁)外, 库区其余采样点均为Ⅱ级(较清洁).有机氮百分数(ONP)评价结果表明, 上游漫湾库区静水区采样点M1旱季、采样点M2和过渡区采样点M3旱季为Ⅲ级(尚清洁), 过渡区采样点M4旱季为Ⅰ级(清洁), 其余各静水区、过渡区和河流区采样点均为Ⅱ级(较清洁).而下游大朝山库区有机氮污染相对较重, 其中, 静水区采样点D1和D2雨季达到Ⅳ级(有机污染), 旱季为Ⅲ级(尚清洁), 其余静水区和过渡区采样点均为Ⅲ级(尚清洁).
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| 图 4 漫湾(M)和大朝山(D)梯级水坝库区沉积物有机指数(OI)及有机氮百分数(ONP)(A:2016-04；B:2016-10) Fig. 4 Organic index (OI) and organic nitrogen percentage (ONP) of sediments in Manwan (M) and Dachaoshan (D) cascading dams |
根据相关研究, 水体沉积物的C/N通常用来分析沉积物中有机质的来源, 水生生物的C/N为2.8~3.4, 浮游植物和浮游动物为6~13, 藻类为5~14, 高等植物为14~23, 陆生维管束植物的通常大于20, C/N较高表明有机质来源为陆源有机质, 较低为水体自身产生(邱祖凯等, 2016).上游漫湾库区各采样点沉积物的TOC/TN差异相对较大, 介于0.17~18.43之间(表 4), 总体分布表现为坝前静水区最高, 过渡区次之, 河流区最小.其中, 坝前静水区M1采样点在雨季最高为18.43, 表明该区域雨季有机质来源主要为陆源, 库区其余采样点年内均低于14, 表明库区有机质来源主要为水库水体自身.下游大朝山库区沉积物TOC/TN差异则相对较小, 介于0.12~10.10之间, 表明该库区有机质来源为水体自身, 总体分布表现为旱季过渡区采样点D5最高, 其次为坝前静水区采样点D1, 最低值为雨季过渡区采样点D4.
| 表 4 漫湾(M)和大朝山(D)梯级水坝库区沉积物营养盐比值 Table 4 The nutrient ratio of sediments in Manwan (M) and Dachaoshan (D) cascading dams |
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漫湾和大朝山梯级水坝库区沉积物重金属潜在生态风险指数(RI)、有机指数(OI)、总有机碳(TOC)、有机氮百分数(ONP)和TOC/TN的Pearson相关分析表明(表 5), RI与EAs(r=0.920, p＜0.01)、ECd(r=0.982, p < 0.01)、ECu(r=0.837, p < 0.01)、EZn(r=0.945, p < 0.01)显著正相关；TOC与ECr(r=0.614, p < 0.01)、ECu(r=0.577, p < 0.05)、OI(r=0.911, p < 0.01)、ONP(r=0.721, p < 0.01)显著正相关；OI与ONP显著正相关(r=0.893, p＜0.01)；TOC/TN与ECu(r=0.643, p < 0.01)、Ecr(r=0.544, p < 0.05)、TOC(r=0.740, p < 0.01)显著正相关.
| 表 5 漫湾(M)和大朝山(D)梯级水坝库区沉积物重金属与营养盐污染的Pearson相关系数 Table 5 The Pearson correlation coefficient between ecological risk of heavy metals and nutrient pollutions in Manwan (M) and Dachaoshan (D) cascading dams |
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澜沧江漫湾和大朝山河段建坝前, 自然河流穿行于高山峡谷, 主要为基岩河床, 水体流速较快, 悬移质不易沉积(陈荣等, 2007).漫湾和大朝山梯级水坝为利用原有天然河道蓄水后形成的树枝状水库, 库区狭长, 且均为径流式水坝, 库容相对较小, 蓄水后急流生境转变为静水区、过渡区和河流区相间的梯级库区生境类型(Perbiche-neves et al., 2011).水坝蓄水降低了水体的流速, 增加了沉积物停留时间并导致悬移质在库区特别是静水区大量沉积(Bing et al., 2016).据2016年的调查, 漫湾坝前水深为40~45 m, 大朝山坝前为50~60 m, 坝前水体流速降低到0.1 m·s-1, 悬移质在库区大量淤积, 且上游梯级漫湾库区淤积速率高于下游大朝山梯级(陈荣等, 2007; 李晋鹏等, 2018).
与河流和湖泊相比, 水坝工程因具有较高的沉积速率, 对吸附于悬移质的重金属和营养盐具有显著的富集和拦截效应, 并成为水库沉积物的组成部分(王妙等, 2014; 赵晨等, 2014; 傅开道等, 2016).与库区生境条件划分和悬移质沉积过程相关, 梯级库区重金属和营养盐污染的空间分布表现为坝前静水区相对较高, 其次为过渡区, 河流区相对较低的格局.此外, 研究表明, 沉积物有机污染对重金属Cd、As具有吸附作用, 对重金属污染具有的明显的放大作用(王妙等, 2014).因此, 澜沧江漫湾和大朝山梯级水坝库区重金属以Cd的生态风险最大, As次之, 这一研究成果与2012年漫湾库区和全国大多数水库沉积物重金属调查结果相同(赵晨等, 2014; 程先等, 2015; 傅开道等, 2016).
4.2 梯级水坝库区重金属和营养盐污染的累积效应及空间来源的差异性澜沧江漫湾和大朝山梯级水坝的运行对于重金属和营养盐污染具有累积和拦截效应.时间上的累积效应具体表现为与2012年漫湾库区调查结果相比, 坝前静水区采样点生态风险较大的重金属Cd和As含量上升明显(表 6).空间上的累积效应表现为上游梯级漫湾库区沉积物重金属As、Cd和Zn的含量及生态风险高于下游梯级大朝山库区.结合相关研究可知, 澜沧江沉积物重金属As、Cd和Zn主要来源于较高的流域地质背景值和上游铅锌矿开采活动(傅开道等, 2016).此外, 澜沧江中、下游梯级大坝对河流的阻隔效应可导致沉积物重金属污染的片段化趋势(张继来等, 2014).
| 表 6 漫湾(M)水坝库区M1样点沉积物重金属和营养盐污染变化 Table 6 Variation of the heavy metals and nutrient pollutions in sediments of M1 site of Manwan (M) dams |
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与重金属空间来源相比, 营养盐污染具有一定的差异性, 具体表现为下游大朝山梯级沉积物营养盐污染程度高于上游漫湾的空间分布格局.这与大朝山库尾右岸有较大的支流罗扎河汇入, 而该支流上游为云县和凤庆县建成区, 人类活动强烈, 以及大朝山库区对营养盐污染具有显著的拦截效应有关.本研究表明, TOC、TN和重金属Cr、Cu具有相似的来源, 主要污染来源于农业面源和人类活动.
5 结论(Conclusions)1) 澜沧江漫湾和大朝山梯级水坝库区沉积物重金属和营养盐污染在库区的分布格局表现为沿着河流纵向梯度, 坝前静水区相对较高, 其次为过渡区, 河流区较低.
2) 沉积物重金属潜在生态风险指数(RI)评价结果表明, Cd的生态风险最大, As的生态风险次之, 上游漫湾库区重金属污染程度总体高于下游大朝山库区.
3) 沉积物营养盐污染评价结果表现为下游大朝山库区高于上游漫湾库区的分布格局.
4) 营养盐比值分析表明, 漫湾库区沉积物有机质主要由水库水体产生, 坝前部分静水区雨季有机质来源主要为陆源, 而大朝山库区沉积物有机质则主要由水体产生.
5) Pearson相关分析表明, 澜沧江漫湾和大朝山梯级水坝库区沉积物重金属生态风险与营养盐污染的来源具有一定的空间差异性.
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