劉楊, 孫輝,2, 李鑫, 陳玉雯

(1.四川大學 環(huán)境科學與工程系,成都 610065; 2.四川省土壤環(huán)境保護工程技術中心,成都 610065)

水庫作為調(diào)節(jié)、儲存和控制水資源的人工系統(tǒng),有其獨特的水文學特征,水庫蓄水后將產(chǎn)生一系列復雜的連鎖反應。水庫除影響水量年出口率外,還調(diào)節(jié)溶解物和顆粒物部分的相對占比[1],改變河流原有能量場、生物場和化學物質場,干擾庫區(qū)物質循環(huán)[2-3]。近幾十年來,為了滿足日益增長的供水、發(fā)電和防洪需要,世界范圍內(nèi)人工水庫的建設急劇增加,預計到2050年,人工水庫建成面積將以每年1.2%的速度從4×105km2擴大到近1×106km2[4]。已有研究報道,因水庫大壩的攔截滯留效應,世界沿海水域的沉積物流入減少了20%[5]。水庫建設還可能對水質和自然生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力產(chǎn)生一定的負面影響,如水庫大壩在蓄水層中截留分解植被、從沉積物中釋放磷、比典型的天然湖泊擴散污染物的速度慢等[6-7]。很多水庫都因水深、流動性差、點源非點源多相污染物復雜傳輸?shù)?存在一定富營養(yǎng)化或污染問題[8-9]。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,城市化進程的加快,水質性缺水問題日漸突出,水庫已成為我國多數(shù)城市地區(qū)的重要飲用水水源地,是地表飲用水源的重要組成部分,關乎人類健康和社會可持續(xù)發(fā)展。對水源型水庫水質的要求高,但對其開展的系統(tǒng)研究和采取的有效控制措施有限。人類活動產(chǎn)生的污染物隨地表徑流和大氣沉降等方式進入水體,使污染嚴重的水庫不能再繼續(xù)供水。目前，水庫攔截對地表水溶質輸運特征及其生物地球化學循環(huán)過程的系統(tǒng)性研究鮮見報道,然而受到的關注卻日益增強。因此,本文對水庫系統(tǒng)溶質運移的生物地球化學過程進行梳理,以期為水生態(tài)環(huán)境特征的研究、保護和改善水源水質提供理論借鑒。

1 水庫對地表水溶質的沉淀效應

1.1 水庫對重金屬的沉淀效應

由于重金屬普遍具有毒性、污染持久性、生物蓄積性,而使環(huán)境重金屬污染受到人們的廣泛關注[10]。重金屬通過不同的方式和過程(如降水、徑流、大氣沉積、遷移、吸附、點泄漏等)進入地表水,一部分水溶性重金屬被懸浮在水體中的顆粒物所吸附,經(jīng)過一段時間絮凝,然后沉淀累積在底泥中[11]。由于沉積的重金屬在沉積物、沉積物-水界面發(fā)生交換、溶解或者再懸浮,該過程導致底泥中重金屬富集以及向水體的再釋放,這可能影響到一些種類的重金屬在河流中傳輸?shù)倪^程和通量。

水庫對流經(jīng)河流中的重金屬具有沉淀效應。金曉丹等[12]研究發(fā)現(xiàn),水庫區(qū)域水體中As、Fe、Cr、Pb的沉降率分別為41%、79%、47%、23%;在墨西哥的Alzate水庫中,Zn從上游到下游的分布特征是在Lerma河入口濃度最高、壩前附近濃度最低,其他重金屬如Cu、Fe、Cr和Pb的濃度也表現(xiàn)出明顯的沿程下降的特征[13]。這表明水庫對水體輸入重金屬具有自凈效應,一部分重金屬沉降到底泥的過程使水體中重金屬的濃度降低。水體中重金屬的沉積速率隨河流水力情況而變化[14],當上游來水量小或水庫蓄水完成時,水庫流速降低，導致吸附溶解性重金屬的懸移質沉降作用增強,再懸浮作用減弱,從而有利于水體中重金屬濃度降低。盡管因水庫沿程的水動力學特征差異和沉積過程分異,導致從壩前到庫尾的底泥中重金屬含量存在差異,但是底泥(沉積物)不可避免地成為了湖庫水體系統(tǒng)中重金屬的重要“匯”。底泥和上覆水體之間存在溶解和解析等過程,導致底泥中的重金屬再次進入水體,這使得底泥成為上覆水體的潛在重金屬源。盡管底泥中重金屬釋放的強度和通量取決于水庫的水動力學條件、底泥物質生物地球化學過程和水庫環(huán)境條件,但是目前針對重金屬在沉積物(底泥)和上覆水體之間的遷移還缺乏比較系統(tǒng)的定量評估[15]。

1.2 水庫對營養(yǎng)鹽的沉淀效應

水庫是水體中營養(yǎng)物質沉積的重要場所,當河流進入庫區(qū),水流流速減緩,水力停留時間增長,導致河流沖入水庫的大量顆粒態(tài)養(yǎng)分負荷懸浮在地表水中或通過沉淀作用轉移至庫區(qū)沉積物中[16]。由于營養(yǎng)鹽沉降過程的復雜性,而沉積物(底泥)又可通過非生物吸附、生物吸收、有機物分解或還原釋放回水體來保留-釋放營養(yǎng)鹽類物質,因此,水庫中營養(yǎng)鹽總輸出量可能會極大偏離營養(yǎng)鹽總輸入量負荷,從而充當營養(yǎng)鹽物質的“匯”或“源”。

水庫蓄水后水動力條件的改變使營養(yǎng)鹽類物質也會加速沉積。研究顯示,青草沙水庫對長江來水水質有較強的水體自凈功能,其營養(yǎng)鹽中總磷、總反應磷、總非反應磷的沉降率分別為69.28%、80.38%、41.24%,營養(yǎng)鹽中總氮、硝酸氮和氨氮的沉降率分別為43.44%、45.71%和40.00%[12]。上游輸入到鐵門水庫的營養(yǎng)鹽已經(jīng)很少,是水庫內(nèi)部生物和非生物過程對營養(yǎng)鹽的滯留沉淀效應導致下游營養(yǎng)鹽輸出通量的減少,而不是蓄水規(guī)?？刂茽I養(yǎng)鹽的收支[17]。由于水體中顆粒態(tài)磷遠多于可溶性磷,因此磷主要是通過沉積和掩埋作用被去除。水庫中大約60%的磷是通過沉積作用被去除掉的,具體表現(xiàn)為被藻類吸收或被懸浮物質吸附；總磷、無機磷和有機磷的平均沉積速率在水庫進水口處最高,在大壩出水口處最低[18]。

2 水庫對地表水溶質的轉化

2.1 水庫對氮、磷營養(yǎng)鹽的轉化效應

地表水系中的氮、磷營養(yǎng)鹽在輸移過程中,會發(fā)生形態(tài)變化,例如,無機物—有機物與溶解顆粒物之間的轉化,或者從水系中被去除,這些過程對水庫中自養(yǎng)浮游生物、水生植物和異養(yǎng)微生物都有重要作用[19]。一般來說,水庫蓄水后地表水停滯較長時間,營養(yǎng)物質在水體的輸移過程中會經(jīng)物理過程和生物過程轉化,對營養(yǎng)鹽循環(huán)產(chǎn)生干擾[16]。水庫攔截時間越長,營養(yǎng)水平就會逐漸增高,其演化水平也越高[20]。

由于庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育,水體中氮、磷營養(yǎng)鹽將產(chǎn)生一系列連鎖反應,使下游物質輸出量減少。三峽水庫上游輸入的溶解態(tài)無機氮和磷部分被浮游植物通過光合作用轉化為顆粒態(tài)有機氮和磷,據(jù)估算,水庫對溶解態(tài)氮和溶解態(tài)磷的轉化率分別為2%～7%和13%～42%[21]。大量懸沙在被攔截沉降的過程中,使得在三峽庫區(qū)生成的顆粒態(tài)氮、磷,以及由溶解態(tài)氮、磷轉化而來的生物有機態(tài)氮、磷被持留,從而使向海洋輸送的氮、磷營養(yǎng)鹽的通量減少。水庫下游處的硝酸鹽濃度一般都有所降低,雖然大幅降低的情況只發(fā)生在個別水庫[2]。磷在生物新陳代謝過程中起重要作用,對于富營養(yǎng)化的水庫,即使控制了外源污染,也不可能很快恢復到污染前的狀態(tài)。原因在于,水體可溶性磷含量并不高,不同形態(tài)的磷又可以相互轉化,沉積在底泥中的大量磷會釋放到水體中[22]。三峽全庫區(qū)在枯水期和豐水期,泥沙輸運系數(shù)、顆粒磷輸運系數(shù)都小于1,說明兩個時期庫區(qū)輸沙量和顆粒磷因重力或泥沙沉降滯留明顯,也說明庫區(qū)溶解態(tài)磷被泥沙吸附轉化為顆粒磷的作用更強[23]。

2.2 水庫對碳的轉化效應

水庫的建設在區(qū)域尺度上能增加有機質沉降,因此造成的水體碳形態(tài)轉化及庫區(qū)沉積物中有機碳礦化對碳循環(huán)和輸移有強烈的影響。水庫在許多情況下被視為大氣中CO2的人為碳源[24],其單位面積排放的CO2比天然湖泊的多[25],水庫蓄水后淹沒陸地意味著植被光合作用停止,有機碳源在植被淹沒后分解產(chǎn)生大量CO2[26]。影響水庫碳排放量的因素包括:外源有機碳輸入、淹沒土地有機碳的沉積量和類型、水庫的年齡和水溫[24]。

溶解性有機碳含量隨水深的增加而減少,顆粒態(tài)有機碳含量隨水深的增加而增加,向沉積物貢獻大量碳,水庫對碳轉化有重要影響。據(jù)估算,水庫沉積物每年可固定0.16～0.2 pg有機碳,這一數(shù)量可能還被低估了[27-28]。研究顯示,沉積物有機碳礦化和地表水CO2分壓測量值之間存在正相關關系,相比水庫壩尾河流入口及庫中過渡區(qū)域而言,離大壩最近的地方CO2的飽和度最低[29],沉積物中有機碳的礦化約占水庫釋放到大氣中CO2的28%,因此,沉積物的礦化率對水體向大氣排放的CO2量有重要影響。在曼索水庫的3個不同區(qū)域中,有機碳礦化平均速率約100 mg/(m2·d),整個水庫的面積約360 km2,則每年從沉積物向水中釋放的碳約13 Gg[30]。天然湖泊中的CO2分壓與溶解性有機碳(Dissolved Organic Carbon,DOC)濃度之間呈正相關,說明夏季湖泊CO2排放的主要來源是上層湖水中DOC的礦化作用,但在水庫中CO2的主要來源是沉積物而不是湖水[31]。

3 水庫對地表水溶質的傳輸效應

3.1 水庫對氮、磷營養(yǎng)鹽的傳輸效應

水庫的修建極大程度上改變了河流的水文及水動力狀況,導致營養(yǎng)鹽輸運發(fā)生顯著變化。水體中氮、磷營養(yǎng)物質在傳輸過程中的持流和去除主要通過沉積掩埋、初級生產(chǎn)者(藻類及水生植物)的吸附和氮的反硝化作用實現(xiàn);顆粒物攜帶的氮、磷營養(yǎng)鹽則會加速沉積,臨時或永久埋藏在水庫中,可降低水體營養(yǎng)物質的濃度[32]。相反,一些沉積物在生物擾動、水體自身和外界環(huán)境的影響下,也會發(fā)生再懸浮,重新釋放營養(yǎng)鹽到水體中。在水庫庫尾到壩前的連續(xù)水體中,營養(yǎng)鹽負荷率和持留率共同決定其營養(yǎng)鹽的濃度[33],水庫對營養(yǎng)鹽的輸出特征也顯示了上下游營養(yǎng)物質變化和水體輸送之間的關系。

水庫對河流營養(yǎng)鹽具有明顯的稀釋作用,是主要的營養(yǎng)物質庫。資料顯示,在馬恩、塞納、奧布3個水庫中,硝酸鹽、磷酸鹽的持留和消除作用都很明顯,硝酸鹽和磷酸鹽的持留率分別占到輸入通量的40%和60%[34]?？偭?、總溶解性磷、顆粒磷含量從上游河段到下游呈下降趨勢,原因在于隨著流速的下降,顆粒磷沉降導致總磷濃度下降[35]。長江口青草沙水庫水體磷的最高濃度點在庫尾后,庫區(qū)內(nèi)濃度從上游到下游依次下降,最低濃度出現(xiàn)在壩前區(qū)域[12]。磷在水庫的停留時間受沉積物-水界面磷的遷移轉化速率、生物可利用性速率和水體磷沉降過程等的影響,作為“源”和“匯”的沉積物對磷的吸附和釋放能力與環(huán)境條件有密切的關系。顆粒態(tài)磷在輸送過程中,由于物理、化學和生物作用,其賦存形態(tài)發(fā)生變化,鐵錳結合態(tài)磷和鋁氧化合物結合態(tài)磷在氧化還原條件或pH值變化幅度較大環(huán)境下,會與碳酸鈣發(fā)生共沉淀[36-37]。水庫中部分顆粒物在重力作用下隨距離的遷移逐漸沉降,與珠海大境山水庫總磷沉降速率在進口高、出口低的結論相似[18]。對英國伊普斯維奇線型水庫的研究也發(fā)現(xiàn),沿著水流流動方向總磷含量是在下降的[38]。氮在水庫中的傳輸同樣是一個復雜的生物化學過程。硝酸鹽是氮進入水庫的主要形式;水庫對氮也具有水體自凈功能,能降低氮在庫區(qū)的濃度;硝化和反硝化作用是氮遷移和交換的主要形式[39]。

3.2 水庫對碳的傳輸效應

人們一直努力探索水庫的碳循環(huán),然而,碳傳輸?shù)穆窂胶头绞教貏e是與水庫沉積物相關的方面仍不確定,外來碳的流入、輸送與埋藏在水庫沉積物中有機碳礦化的比例關系尚未得到很好的量化[40]。水庫中隨水流進入沉積物的有機碳有3種主要遷移方式:被好氧或厭氧細菌礦化,并以CO2和CH4的形式釋放回水體;在水體中重新懸浮和礦化;永久埋藏在沉積物中,這個過程會影響水庫系統(tǒng)作為溫室氣體的碳凈匯或碳源對大氣的整體作用[41]。水體內(nèi)部生物光合作用、呼吸作用及有機質的降解礦化過程, 也會影響水體碳的輸移循環(huán)。

溶解性無機碳(Dissolved Inorganic Carbon,DIC)是水體中最重要的碳組分,占比最大[30]。由于受到梯級水壩攔截的影響,水流進入庫區(qū)后水勢相對平緩,水量較大,加之水庫內(nèi)部水生植物的光合作用,必將對河流攜帶進來的DIC起到稀釋作用,因此,DIC含量從水庫上游到下游整體上呈減少趨勢。同時,由于水庫內(nèi)部過程的影響,表層水體主要以光合作用為主,使得大量CO2被吸收,而下層水體以呼吸作用為主,導致溶解CO2增加,所以表層水體的DIC含量較下層水體的低,但這一現(xiàn)象會隨著河流遠離庫區(qū)而不斷減弱[42]。

3.3 水庫對重金屬的傳輸效應

在水環(huán)境中,重金屬分布主要表現(xiàn)為水溶性、膠態(tài)、懸浮態(tài)和沉積相,自然分解過程并不能去除重金屬,通常是被生物體或其他化合物富集在沉積物中[43]。然而重金屬不能永遠被固定在沉積物中,隨著水體物理化學特征的變化,部分被固定的重金屬能通過有機質礦化和一系列生物過程重新進入水體[44],導致水體二次污染,降低水體功能,通過食物鏈累積,甚至會產(chǎn)生生物毒性效應。

受庫區(qū)水位周期性漲落的影響,消落區(qū)將呈現(xiàn)夏季出露、冬季覆水的反季節(jié)干濕交替狀態(tài),伴隨水庫消落過程的進行,不同重金屬元素會以不同方式發(fā)生形態(tài)組成的變化,從而影響水庫對重金屬的傳輸。雖然目前對三峽庫區(qū)消落區(qū)水體重金屬含量有較多研究,但對沉積于消落區(qū)的沉積物重金屬遷移轉化還沒有相關報道。消落區(qū)沉積物重金屬具有活化并向水體遷移的趨勢,Cu、Pb、Cd、Cr的平均遷移率分別為30.50%、26.10%、33.50%和11.77%,但消落區(qū)重金屬的輸移尚不足以影響庫區(qū)水質,水體重金屬含量較低[45]。

3.4 水庫對持久性有機污染物的傳輸效應

持久性有機污染物(Persistent Organic Pollutants，POPs)普遍具有致畸、致癌、致突變性效應,在環(huán)境中殘留會對人體健康和生態(tài)系統(tǒng)造成重大負面影響,加之POPs具有較高的生物穩(wěn)定性和脂溶性,極易貯存在生物體內(nèi)的脂肪組織中,可通過食物鏈及生物富集作用進一步擴散和富集,水生生物(如魚類)體內(nèi)的富集倍數(shù)很高,進而威脅到人類[46]。我國持久性有機污染物排放量大面廣,環(huán)境和健康風險突出。

水庫在對持久性有機污染物的傳輸中,一定程度上會起到緩沖稀釋的作用。在對濟南市南部臥虎山水庫水體中含氯POPs(多氯聯(lián)苯和有機氯農(nóng)藥)的研究中發(fā)現(xiàn),豐水期水庫上游含量最低(5.351 5 ng/L),水庫出水口的總殘留量(6.351 1 ng/L)低于水庫中心水樣的(7.039 6 ng/L);枯水期水庫上游的殘留量(1.621 8 ng/L)高于出水口的(1.618 7 ng/L)和高于中游區(qū)域的(1.431 2 ng/L)。豐水期雨水充足,日溫度高,有利于污染物在環(huán)境和水體中的遷移,枯水期水體經(jīng)常處于好氧狀態(tài),所以豐水期POPs的遷移和殘留高于枯水期的[47]。關于水庫中新出現(xiàn)污染物(Emerging Pollutants,EPs)的行為和現(xiàn)狀資料很少,在Guarapiranga水庫中雨季共檢測到31種EPs和農(nóng)藥,旱季共檢測到27種EPs和農(nóng)藥,在水庫中呈梯級變化,從庫尾到壩前濃度逐漸降低,但不同季節(jié)其存在和濃度呈現(xiàn)出不同模式,并不總與人類活動的影響直接相關,其可能原因是水庫水量的季節(jié)性變化等影響擴散源的污染輸入。改變水庫水動力學,及物理、化學和生物過程等也會導致污染物降解或消除速度不同[48]。

4 結論

1)水庫對地表水中溶質運移過程的生物地球化學行為影響顯著,河流中部分重金屬、顆粒態(tài)營養(yǎng)鹽在流經(jīng)水庫的過程中會沉淀下來被持留,部分被持留的會再懸浮重新進入水體,因此會減少河流向下游的物質輸出。水庫中溶解態(tài)氮磷營養(yǎng)鹽、碳、持久性有機污染物在運移過程中會發(fā)生一系列復雜的連鎖反應被轉化或者去除,仍然會減少下游物質的輸出通量,水庫的“源”“匯”角色可能會隨時間發(fā)生變化。

2)人類活動已成為河流物質輸送的重要干擾因素,河流水生態(tài)化學環(huán)境逐步受其嚴重影響,常伴隨水庫污染和富營養(yǎng)化現(xiàn)象。然而,關于水庫如何影響河流營養(yǎng)物質、重金屬等的遷移轉化,從而影響河口、下游的物質流量,這些方面的系統(tǒng)研究甚少。水庫的捕獲轉化機制、沉積物-水界面實際吸附-解析的反應機制復雜,尚待深入研究。