面向流域水质安全预警的土地开发压力源评估方法及其应用

为适应水环境风险管理中压力源风险的快速识别需求,构建了土地开发压力源评估方法,并以三峡库区为案例区进行应用研究. 土地开发压力源评估方法首先是基于不同土地利用类型的排污参数来确定敏感土地利用类型和不利转移方向,再采用状态和趋势兼顾的原则筛选流域内敏感单元,然后根据各单元的实际特征逐一确定预警指标,以进行压力源评估和预警级别划分. 案例研究结果表明:重庆市辖区控制单元、涪陵区万州区控制单元和澎溪河开县控制单元是库区水质安全预警的3个敏感单元;其中,重庆市辖区控制单元和涪陵区万州区控制单元的预警指标均为敏感土地类型面积比例和发生不利转移的土地面积比例,其中重庆市辖区控制单元的2个预警指标值分别为42.17%、3.43%;涪陵区万州区控制单元分别为32.86%、1.74%;而澎溪河开县控制单元的预警指标仅为敏感土地类型面积比例,其值为32.31%. ③重庆市辖区控制单元、涪陵区万州区控制单元和澎溪河开县控制单元的预警指标最大超标率分别为163%、33%和19%,相应各单元土地开发压力分别为红色预警(重警)、橙色预警(中警)和黄色预警(轻警)级别. 从管理意义上,重庆市辖区控制单元和涪陵区万州区控制单元未来需要从优化当前土地利用方式、合理控制未来土地开发的双重角度来降低压力;澎溪河开县控制单元未来应重点关注和降低当前土地利用状况对水质安全的压力. 研究认为,所提出的面向流域水质安全预警的土地开发压力源评估方法具有可操作性,其案例研究结果可为三峡库区案例区水环境风险管理提供决策支撑.      

蓄水期三峡水库香溪河沉积物-水系统营养盐分布特征

为研究蓄水期香溪河沉积物-水系统中氮磷营养盐的分布特征,于2016年在香溪河布点采样,分析沉积物-水系统氮、磷及有机质含量,探讨沉积物间隙水和上覆水营养盐"源-汇"特征,并对采样点位进行了聚类分析.结果表明,沉积物中ρ(TN)在河口处含量较高,在中下游区域较接近;ρ(TP)在上游区域明显高于中下游及河口;ρ(O.M.)呈现下游高上游低的分布特征,且各采样点在深度10cm的范围内,ρ(O.M.)的最大值超过了临界点(1.5%),存在一定的释放风险.上覆水的分布上,ρ(DTN)和ρ(DTP)均在干支流交汇处最大,且ρ(DTN)从河口至上游沿程递减,ρ(DTP)沿程变化不大,而间隙水中ρ(DTN)和ρ(DTP)的分布和上覆水体相反,在上游处最大,并从上游向河口处递减.研究期间5个采样点位的DTN、NH_4~+-N、DTP(除CJ点位外)均以"源"的方式向上覆水释放营养盐,而NO_3~--N和PO_4~(3-)-P则是一部分点位呈现为"源",一部分点位呈现为"汇",且氮素的"源-汇"过程较磷素更为强烈,这是因为蓄水期底部的氧化环境和干流水体的倒灌潜入深度和方式差异所致.结合聚类分析结果发现对于沉积物-水系统,CJ、1号、2号采样点特征相近,而3号和4号采样点特征相近.     

两种消解法测定沉积物总磷的对比

通过过硫酸钾消解法与HClO₄-H₂SO₄消解法对土壤和水系沉积物的标准物质,以及三峡水库沉积物未知样品中的总磷含量进行测定,并对检测结果进行对比,分析过硫酸钾消解法测定沉积物总磷的可行性。结果表明,在标准样品中,HClO₄-H₂SO₄消解法的检测结果是标准值的83%~100%,并且所有结果均在其不确定度范围之内;过硫酸钾消解法的检测结果仅达到标准值的19%~42%,超出其不确定度范围,不能作为有效数据。在未知样品中,过硫酸钾消解法检测结果也远低于HClO₄-H₂SO₄消解法检测结果,只达到后者的32%~52%。由此可见,过硫酸钾消解法测定沉积物或土壤中总磷,仍需要进一步的研究,以达到符合实际的检测结果。     

钙基聚合硫酸铁对河道富磷底泥固磷脱水的研究

通过n(Ca)/n(Fe)为0.03~0.20的钙基聚合硫酸铁(Calcium-based Polyferric Sulfate,Ca PFS)对武汉某河道富磷底泥(含磷540 mg/kg、含水率97%)进行混凝浓缩脱水,并对固持磷于沉泥之中的过程展开研究。结果表明:对钙铁摩尔比为0.05的Ca PFS,其投加量以铁计为c(Fe)=2.87μg/g时,经混凝沉降静置后其上清液含磷为0.05±0.003 mg/L、沉泥抽滤液含磷为0.41±0.02 mg/L、沉泥滤饼含磷为1 610 mg/kg,底泥中95.64%±1.94%的磷被固持于沉泥之中;而经同样投加量的市售聚合硫酸铁处理后,上清液含磷为0.25±0.02 mg/L、沉泥抽滤液含磷为0.66±0.02 mg/L、底泥仅87.54%±2.14%的磷被固持于沉泥之中。加入钙后的聚合硫酸铁Ca PFS能有效地将底泥中的磷在混凝浓缩脱水时固持于沉泥之中,降低脱出水的含磷量,对有效防止河道底泥生态疏浚余水外排导致水体富营养化具有十分重要的作用。     

澜沧江流域浮游细菌群落结构特征及驱动因子分析

为探究澜沧江流域的浮游细菌群落结构特征及驱动因子,应用16S rRNA高通量测序技术,分析了2017年2月澜沧江流域浮游细菌群落结构特征,并采用Pearson相关性分析(Pearson correlation analysis)和冗余分析(RDA)识别了澜沧江自然河道段和水库段浮游细菌群落结构变化的关键环境因子.结果表明,自然河道段ACE指数和Shannon指数均高于水库段,造成自然河道段和水库段浮游细菌多样性变化的主要环境因子为水温(WT)、溶解氧(DO)、浊度(Tur)、高锰酸盐指数(permanganate index)、p H和总氮(TN).对16S rRNA V3和V4测序,得到用于物种分类的OTU数共26772,涵盖了浮游细菌群落共45门,965属.菌群分类发现,变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和放线菌门(Actinobacteria)为优势门,其中变形菌门(Proteobacteria)含量相对丰富,占细菌群落的36%~94%.澜沧江流域变形菌门(Proteobacteria)主要包括α-变形菌纲(α-Proteobacteria)、β-变形菌纲(β-Proteobacteria)和γ-变形菌纲(γ-Proteobacteria),分别占变形菌门(Proteobacteria)的比例为0.39%~21.56%、0.39%~55.80%和31.09%~99.18%.澜沧江水体浮游细菌群落空间差异明显,影响浮游细菌群落结构变化的环境因子主要为WT、高锰酸盐指数、Tur、DO和TN.自然河道段和水库段影响浮游细菌群落结构的环境因子不同,DO和Tur是影响自然河道段浮游细菌群落结构的关键环境因子,而水库段浮游细菌群落结构主要受WT、高锰酸盐指数和TN的影响.     

西洞庭湖入湖河流磷的污染特征

为识别西洞庭湖长江三口分流来水与洞庭湖水系河流来水磷元素的污染特征,于2016年1-12月在西洞庭湖的主要入湖河流松滋河（三口分流河道）、沅江和澧水（洞庭湖水系河流）开展了水文水质同步调查,研究了入湖河流中磷浓度和组成的时空分布特征,剖析了水文因素对磷污染特征的影响,探究了磷的来源结构.结果表明,3条主要入湖河流流量平均值表现为沅江（1 718 m3/s）>松滋河（935 m3/s）>澧水（884 m3/s）,ρ（TP）平均值表现为沅江（0.070 mg/L） < 澧水（0.077 mg/L） < 松滋河（0.138 mg/L）;沅江的年均入湖磷通量（4 177.26 t/a）对于西洞庭湖磷污染而言仍起主导作用;沅江、澧水与松滋河的磷的形态以DTP（溶解态磷,占比为78.56%~90.19%）为主,并且松滋河DTP占比（90.19%）显著高于沅江和澧水（78.56%~83.34%）.进一步的分析显示,3条河流的磷污染状况受水文因素影响显著,沅江和澧水磷浓度表现为汛期高于非汛期,磷的主要来源为非点源;松滋河的磷浓度表现为非汛期高于汛期,汛期主要取决于长江来水状况,非汛期主要取决于松滋口以下区间的点源污染状况.研究显示,3条河流磷浓度和形态均具有时空差异性,并且年内变化规律差异较大.      

三峡水库汛末175 m试验蓄水过程对香溪河库湾水环境的影响

为研究解决三峡库区支流水华问题,实现三峡水库生态调度,需探明现行三峡水库175 m蓄水方案对库区支流水环境的影响。基于2008~2010年三峡水库开展的汛末175m试验性蓄水工作,及香溪河库湾2008~2010年野外监测数据,从库湾水华暴发程度、营养盐水平及水动力特性方面分析了2008~2010年三峡水库汛末175 m试验性蓄水对香溪河库湾水环境的影响。结果表明：分两阶段蓄水时间提前方案有利于库湾中上游上层水体的交换和紊动,降低库湾中上游水体表层营养盐浓度,破坏了浮游植物赖以生存较稳定的环境,抑制藻类的生长,降低水体表层叶绿素a的浓度,减少水华暴发频次、持续时间以及强度,有利于库湾水环境的改善     

千岛湖溶解氧与浮游植物垂向分层特征及其影响因素

根据2015年9月对千岛湖坝前湖泊区5个监测点的监测数据,分析了千岛湖溶解氧、水温、pH、浊度、电导率和浮游植物等指标垂向分布特征,并讨论了水体中溶解氧特殊分层与浮游植物垂向分布的影响因素.结果表明:(1)溶解氧垂向分布呈现"表层高,底层低"模式,波动范围在1.95~8.25 mg·L~(-1)之间,平均浓度为5.10 mg·L~(-1).低氧区出现在12~20 m水深,最小值在17 m为1.95 mg·L~(-1).0~12 m内维持在较高水平,垂向差异较小,12~20 m内出现突变骤减,甚至出现缺氧状态(4.0 mg·L~(-1));在20~38 m内溶解氧恢复正常水平,38 m以下因水深增大浓度减小.pH垂向分布与溶解氧分布完全一致,突变区域出现在同一水深.(2)浮游植物垂向上生物量差异明显,S1、S2、S3三断面浮游植物生物量呈现中层表层底层,S4、S5两断面浮游植物生物量底层表层中层,浮游植物在20~30 m区域内生长最好.(3)相关性分析发现溶解氧与水温在温跃层内相关性显著,水体垂向层化作用等物理过程以及浮游生物的活动直接或间接决定了千岛湖湖泊区低氧区的范围与程度.浮游植物与溶解氧、pH显著负相关性,浮游植物在表层主要受水体掺混与溶解氧分层的影响,在底层主要受光照强度的影响.     

三峡水库支流神农溪库湾倒灌异重流特征及成因分析

三峡水库蓄水以来，库区干支流水动力变化显著。探明三峡水库支流库湾倒灌异重流的成因对库区水华防控调度十分关键。基于2018年野外观测数据，对神农溪库湾水流速度，水温，浊度等因素进行分析。结果表明：库湾春冬季由于水温变化不大，泥沙含量很低，干支流密度差较小，导致倒灌异重流呈无规律状态；夏秋水温变化较大，泥沙含量大幅升高，水体多以中、底层倒灌形式从干流潜入库湾。库湾在汛期受泥沙含量较高的影响，导致水体密度增大形成异重流，且大部分出现在库湾中底层，其他月份异重流是由水体温差形成的，温差是倒灌异重流的主要成因；汛期6~8月，干支流泥沙含量升高，泥沙含量对水体密度的贡献率增大，最大为75%；其他月份水体密度主要受水温影响，水温对水体密度的贡献程度在各月均超过80%，最大贡献率为95%。     

梯级水库建设对怒江与澜沧江沉积物氮形态分布的影响

为探究梯级水库建设对沉积物氮形态分布的影响,通过分级浸取方法得到沉积物的离子交换态氮（IEF-N）、弱酸提取态氮（WAEF-N）、强碱提取态氮（SAEF-N）以及强氧化剂提取态氮（SOEF-N）,对比研究了有梯级水库建设的澜沧江和干流无水电站建设的怒江沉积物中氮形态的分布特征,分析了可转化态氮的主要影响因素.结果表明,两条流域沉积物赋存环境存在差异,进而使沉积物的理化性质呈现明显的差异,最终导致沉积物可转化态氮的含量及空间分布也不同,澜沧江沉积物可转化态氮的含量高于怒江,且澜沧江的空间变化也大于怒江,怒江IEF-N、WAEF-N、SAEF-N与SOEF-N含量范围分别为1.56~2.55,16.91~46.42,1.83~10.66,486.61~719.27mg/kg,澜沧江IEF-N、WAEF-N、SAEF-N与SOEF-N含量范围分别为1.55~14.35,20.77~83.08,1.36~92.15,562.61~1404.82mg/kg.两条河流的可转化态氮含量大小排列顺序一致,均为SOEF-N > WAEF-N > SAEF-N > IEF-N,怒江与澜沧江上游自然河段可转化态氮含量及空间分布基本一致,但在澜沧江的梯级水库段上,4种可转化态氮空间分布特征发生了较明显的变化,产生这种现象的原因主要是水库的建设导致了沉积物理化性质的改变,总有机碳、粒度、氧化还原电位对可转化态氮的影响不同.