梯级筑坝对黑河上游水体氮磷营养盐分布的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00044

摘要/Abstract

摘要：

梯级筑坝会改变河流水文特征与物质迁移转化特征，对水环境质量产生影响。探究梯级筑坝下黑河上游水体氮磷营养盐时空分布及富营养化风险问题对黑河流域生态修复及梯级水资源管理具有一定参考意义。对黑河上游16个主要控制断面10项水体理化指标多年数据进行统计分析。结果表明：黑河上游水体理化性质时空差异显著，水体整体呈弱碱性，自净能力较好，总氮（TN）、总磷（TP）的浓度符合Ⅲ、Ⅱ类水质标准。从时间分布来看，黑河上游水体TN、氨氮（NH₃-N）和亚硝酸盐氮（NO $2 -$ -N）浓度表现为枯水期>丰水期，TP浓度为丰水期>枯水期。从空间分布来看，单个水库水体营养盐分布具有潜在的累积效应，但梯级水库作用下整体营养盐的分布呈下降趋势，说明梯级筑坝使沿程累积作用在逐渐削弱； NH₃-N和NO $2 -$ -N主要分布在水库中层，TN、TP下层浓度高于上层，分层现象表明有大量的氮磷蓄积在下层沉积物中。富营养化风险分析表明，梯级筑坝在一定条件下降低了水体富营养化风险，丰水期大部分水体断面处于氮限制，枯水期主要为氮磷共同限制；结合氮磷比特征的分析，本研究认为控制外源氮磷输入是黑河梯级水库富营养化防控的有效途径。

关键词: 梯级筑坝, 氮磷营养盐, 时空分布, 富营养化评价, 黑河

Abstract:

Cascade dams alter the hydrological characteristics along with material transport and transformation patterns of rivers， thereby influencing water environment quality. Therefore， exploring the spatio-temporal distribution impact of nitrogen （N） and phosphorus （P） nutrients in the upper reaches of Heihe River under cascade dams and analyzing eutrophication risks is of certain reference significance for ecological restoration and cascade water resources management in Heihe River Basin. This study conducted statistical analysis on multi-year data of 10 water physicochemical indicators at 16 major monitoring sections in the upper reaches of Heihe River. The results demonstrate that there were significant spatio-temporal differences in the physicochemical properties of the water in the upper reaches of Heihe River. The overall water quality is weakly alkaline with good self-purification capacity， and the concentrations of total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） comply with Class III and Class II water quality standards. For temporal distribution， the concentrations of TN， ammonia nitrogen （NH₃-N）， and nitrite nitrogen （NO $2 -$ -N） in the upper reaches of Heihe River are higher during the dry season than the flood season， while TP concentration is higher during the flood season than the dry season. In terms of spatial distribution， the distribution of nutrient salts in individual reservoirs exhibits potential cumulative effects， but under the action of cascade reservoirs， the overall distribution of nutrient salts shows a decreasing trend， indicating that the cumulative effect along the river is gradually weakening. Furthermore， NH₃-N and NO $2 -$ -N are primarily distributed in the middle layer of the reservoir， while TN and TP have higher concentrations in the lower layer than the upper layer， indicating a stratification phenomenon with a large amount of N and P accumulating in the lower layer sediment. This study highlights the necessity for the implementation of management strategies aimed at mitigating eutrophication risks.

Key words: cascade damming, nitrogen and phosphorus nutrients, spatio-temporal distribution, eutrophication assessment, Heihe River

中图分类号:

P342

王昱, 先锋云, 陈吉平, 张英, 卫芸, 范逸扬, 田苗. 梯级筑坝对黑河上游水体氮磷营养盐分布的影响[J]. 中国沙漠, 2024, 44(5): 73-83.

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图/表 10

表1 黑河上游水电开发情况

Table 1 Hydropower development in the upper reaches of the Heihe River

电站名称	装机容量/万kW	年发电量/(亿kW·h)	总库容/亿m³	海拔/m	建设时间
黄藏寺电站	4.90	1.43	3.67	2 590.00	在建
宝瓶河电站	12.30	4.10	2.15	2 528.90	2012-07
三道湾电站	11.20	4.00	0.05	2 239.00	2009-05
二龙山电站	5.05	1.74	0.81	—	2007-09
大孤山电站	6.50	2.01	1.41	2 112.90	2009-07
小孤山电站	10.20	3.91	0.01	1 970.50	2006-07
龙首二级电站	15.70	5.28	0.86	1 974.30	2004-08
龙首一级电站	5.20	1.98	0.13	1 716.00	2002-04

图1 研究区采样点分布示意图注：基于甘肃省地理信息公共服务平台标准地图（审图号：GS（2023）336号）制作，底图边界无修改

Fig.1 Schematic diagram of sampling point distribution in the research area

表2 水质监测分析方法

Table 2 Water quality monitoring and analysis methods

监测指标	方法	最低检出率/（mg·L^-1）	参考国标
TN	碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法	0.050	GB 1194—89
TP	钼酸铵分光光度法	0.010	GB 11893—89
NO $2 -$ -N	重氮耦合分光光度法	0.001	GB 7493—87
NH₃-N	纳氏试剂分光光度法	0.025	GB 7479—87

表2 水质监测分析方法

Table 2 Water quality monitoring and analysis methods

监测指标	方法	最低检出率/（mg·L^-1）	参考国标
TN	碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法	0.050	GB 1194—89
TP	钼酸铵分光光度法	0.010	GB 11893—89
NO $2 -$ -N	重氮耦合分光光度法	0.001	GB 7493—87
NH₃-N	纳氏试剂分光光度法	0.025	GB 7479—87

图2 水体理化因子时空分布

Fig.2 Spatiotemporal distribution of physical and chemical factors in water bodies

图3 水体氮磷浓度时空分布

Fig.3 Temporal and spatial distribution of nitrogen and phosphorus concentrations in water bodies

图4 黑河上游5座梯级水库枯水期氮磷营养盐垂向分布注：根据TP进行水质划分时采用《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）湖、库栏标准值

Fig.4 Vertical distribution of nitrogen and phosphorus nutrients during dry season in five cascade reservoirs in the upper reaches of the Heihe River

表3 丰水期水体理化指标相关关系

Table 3 Correlation between physical and chemical indicators of water during high water season

丰水期	pH	WT	DO	EC	SAL	TN	TP	NH₃-N	NO $2 -$ -N
pH	1.000
WT	0.030	1.000
DO	0.278	-0.183	1.000
EC	0.033	-0.177	-0.562^*	1.000
SAL	0.438	-0.092	-0.088	0.597^*	1.000
TN	-0.133	0.234	-0.264	-0.055	0.039	1.000
TP	-0.059	-0.540^*	-0.339	-0.174	0.027	0.099	1.000
NH₃-N	0.098	-0.183	-0.010	0.077	0.248	-0.304	0.333	1.000
NO $2 -$ -N	0.072	0.152	-0.149	0.058	-0.031	0.080	0.294	0.086	1.000

表3 丰水期水体理化指标相关关系

Table 3 Correlation between physical and chemical indicators of water during high water season

丰水期	pH	WT	DO	EC	SAL	TN	TP	NH₃-N	NO $2 -$ -N
pH	1.000
WT	0.030	1.000
DO	0.278	-0.183	1.000
EC	0.033	-0.177	-0.562^*	1.000
SAL	0.438	-0.092	-0.088	0.597^*	1.000
TN	-0.133	0.234	-0.264	-0.055	0.039	1.000
TP	-0.059	-0.540^*	-0.339	-0.174	0.027	0.099	1.000
NH₃-N	0.098	-0.183	-0.010	0.077	0.248	-0.304	0.333	1.000
NO $2 -$ -N	0.072	0.152	-0.149	0.058	-0.031	0.080	0.294	0.086	1.000

表4 枯水期水体理化指标相关关系

Table 4 Correlation between physical and chemical indicators of water bodies during dry season

枯水期	pH	WT	DO	EC	SAL	TN	TP	NH₃-N	NO $2 -$ -N
pH	1.000
WT	0.210	1.000
DO	0.196	-0.075	1.000
EC	0.201	0.013	-0.259	1.000
SAL	0.264	-0.110	0.540^*	-0.167	1.000
TN	0.493	-0.383	0.344	0.044	0.638^**	1.000
TP	-0.237	0.635^**	-0.212	-0.105	-0.107	-0.291	1.000
NH₃-N	0.475	-0.301	0.368	0.521^*	0.086	0.388	0.523^*	1.000
NO $2 -$ -N	-0.378	-0.004	0.312	-0.134	0.562^*	0.255	0.272	0.188	1.000

表4 枯水期水体理化指标相关关系

Table 4 Correlation between physical and chemical indicators of water bodies during dry season

枯水期	pH	WT	DO	EC	SAL	TN	TP	NH₃-N	NO $2 -$ -N
pH	1.000
WT	0.210	1.000
DO	0.196	-0.075	1.000
EC	0.201	0.013	-0.259	1.000
SAL	0.264	-0.110	0.540^*	-0.167	1.000
TN	0.493	-0.383	0.344	0.044	0.638^**	1.000
TP	-0.237	0.635^**	-0.212	-0.105	-0.107	-0.291	1.000
NH₃-N	0.475	-0.301	0.368	0.521^*	0.086	0.388	0.523^*	1.000
NO $2 -$ -N	-0.378	-0.004	0.312	-0.134	0.562^*	0.255	0.272	0.188	1.000

图5 黑河水体TN∶TP和水体富营养化指数

Fig.5 TN∶TP and eutrophication index of Heihe River water body

表5 湖、库富营养化指标“参照值” cj0

Table 5 "Reference values" cj0 of lake and reservoir eutrophication indicators

状态	TP/(μg·L^-1)	TN/(mg·L^-1)	COD_Mn/(mg·L^-1)	DO/(mg·L^-1)	NH₃-N/(mg·L^-1)	NO $2 -$ -N/(mg·L^-1)
极贫（c_j₀）	1.0	0.02	0.12	40	0.01	0.01

表5 湖、库富营养化指标“参照值” cj0

Table 5 "Reference values" cj0 of lake and reservoir eutrophication indicators

状态	TP/(μg·L^-1)	TN/(mg·L^-1)	COD_Mn/(mg·L^-1)	DO/(mg·L^-1)	NH₃-N/(mg·L^-1)	NO $2 -$ -N/(mg·L^-1)
极贫（c_j₀）	1.0	0.02	0.12	40	0.01	0.01

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