澜沧江梯级水库水化学特征及...-气界面CO_2通量的影响_杜琪琪.pdf

地 球 与 环 境 年第 卷第 期，澜沧江梯级水库水化学特征及其对水气界面 通量的影响杜琪琪，李伯根，蔡虹明，邓玥，王雨春（天津大学 地球系统科学学院，天津；云南省水文水资源局，昆明；云南启迪实业发展有限公司，昆明；中国水利水电科学研究院 水生态环境研究所，北京）摘 要：由温室气体排放所造成的气候变化已成为人们最为关注的问题之一，而目前对梯级水库温室气体的源汇关系及其影响因素的系统研究相对较少。为厘清梯级水库水化学特征及其对水体 分压（）及通量的影响，于 年 月对澜沧江 个梯级水库进行定点采样，测定水体理化参数并计算水体离子来源、分压及释放通量（）。结果表明，澜沧江流域水体中的主要离子来源于碳酸盐岩、硅酸盐和蒸发岩的风化，而大气输入的贡献比例相对较低；澜沧江流域梯级水库 的大小受到多方面因素的影响，主要包括生物新陈代谢作用、水动力学条件以及水库库龄等。澜沧江梯级水库 范围为.（）至.（）之间，平均值为.（），总的来说澜沧江梯级水库是一个大气 源。与 值类似，值也呈现出明显的空间变化与季节性变化，具有较强的时空异质性。关键词：澜沧江；梯级水库；水化学特征；分压；通量中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）：.收稿日期：；改回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（、）。第一作者简介：杜琪琪（），女，硕士研究生，主要研究方向为环境科学。：通讯作者：蔡虹明（），男，讲师，主要研究方向为同位素地球化学。：河流作为连接陆地与海洋两大碳储存体系的重要环节之一，已经发展成为科学家研究全球碳循环的重要对象。我国河流众多，河流运输可以占到我国境内输送到太平洋的各种物质总数的，其中，溶质是主要的载体之一。河流物质的主要来源之一是流域内岩石或者土壤风化过程，风化产物可广泛分布于河流溶质、胶体相、悬浮物和河床沉积物中，更为重要的是，风化过程能够消耗大气中的，形成巨大的碳汇。因此，系统研究河流溶质相物质可为研究流域风化速率及其 消耗量提供科学依据。然而，近年来，水利大坝对于河流的阻挡和调蓄已经改变了整个河流的地理和水文状况，由此产生的相应环境问题（如：大坝库区 释放问题等）已引起世界上科学家们的广泛关注。自从工业革命以来，大气 浓度已增加，到 年已达.，大气 浓度的快速增加被认为很大部分是由人类活动导致的。近几年大坝库区温室气体的排放受到许多关注，源于大坝库区的既是“碳源”又是“碳汇”的双重属性，水库中水生生物可通过光合作用固定大气中的，然后生物呼吸、有机质矿化和降解等过程又可将固定的 转化为气态 和 释放。等对全球 个水库的数据进行研究，估计水库以 形式可向大气释放.，以 形式向大气释放.，相当于全球内陆水体碳排放的。水库 释放通量与水气界面分压（）大小密切相关，因此，对水库表层水体 的衡量及其影响因素的探讨能为评估水库温室气体排放对全球气候变化的影响提供基础资料。根据国际大坝委员会的统计，年中国大坝总量超过全球大坝总量的 且呈逐年增多的趋势，国家第十四个五年规划和 年远景目标刚要指出加快西南水电基地建设，建设一批多能互补的清洁能源基地，可以预测未来我国水电水库数量将大幅增长。因此正确衡量我国水电水库 第 期杜琪琪等：澜沧江梯级水库水化学特征及其对水气界面 通量的影响水气界面 分压及其交换通量，有助于确认我国水库在区域碳循环或者全球碳循环中的角色。单级水库和梯级水库对周围区域生态环境的影响范围不同，前者是局部的，后者是流域性的。河流系统中的梯级水库一般呈首尾相连，受上级水库影响的水文情势还未恢复到原先自然河流生态系统的状态下便进入下级水库，因此整个河流系统水文情势将变得十分复杂。例如：根据前人研究，乌江梯级水库自上游到下游，流经水库下泄水的 均有不同程度的增加趋势；另外，三峡大坝和葛洲坝库区水体 从上游到下游也呈现逐渐升高趋势，这表明梯级水库对于水体的影响相对单级水库可能更大。澜沧江是中国西南地区的大型河流之一，在云南境内共规划了 座梯级水电站，形成了首尾相连的超长水库群。已有研究表明，澜沧江流域存在大量的 和 排放，且在梯级水库之间 表 现 出 明 显 的 空 间 异 质 性，功 果 桥 水 库（）中的 比为.，显著高于其他下游水库。但是，水库二氧化碳分压 和排放量可能受气候因素影响而表现出显著的时间变化特征。因此，本文选取澜沧江中下游梯级水库作为研究对象，采集不同月份水库表层水样品进行分析，系统研究澜沧江流域主要离子来源，分析 的时空变化及其影响因素，并计算 的扩散通量，为澜沧江梯级水电水库的调度优化和水资源开发战略提供基础数据支持。材料与方法.研究区概况 澜沧江是一条具有重要国际战略意义的河流，从源头青藏高原自北向南流入中国云南境内。我国境内河长约 ，控制流域面积超过 万，截至 年澜沧江上已经建成 级水电站。澜沧江源区河网纵横、岩性复杂，主要由碎屑岩、碳酸盐岩、硅酸盐和一些变质岩组成，主体地貌表现为高山峡谷相间。本研究选取了澜沧江中下游流域苗尾（，.，.）、功果桥（，.，.）、小湾（，.，.）、漫湾（，.，.）、大 朝 山（，.，.）、糯扎渡（，.，.）个梯级水电站水库作为研究对象，库龄分别为 年、年、年、年、年和 年。对 月各站点收集的表层水样品进行分析，旨在从空间和时间上了解梯级水库水气界面 变化特征及控制因素。图 澜沧江采样点分布图 .样品采集与处理 分别于 年 月沿澜沧江干流共采集 个水库水样（图），采集的水样均为表层水体。取部分水样用于现场分析，采用便携式分析仪测定澜沧江的水质参数，然后将采集到的水样装入提前用采样点水润洗 次的采样瓶中，带回实验室，通过.的滤膜过滤后置于预清洗的聚乙烯瓶中，并在 的环境下冷藏。实验室分析测定水 样 中 的 阳 离 子（、）用酸化水样至 小于，然后使用电感耦合等离子体发射光谱仪（，型，美国）进行测试，仪器检测限为。采用离子色谱仪测试封装水样的阴离子，包括、等（，美国），检测器分辨率.。通过空白间插标和测量重复样控制误差，所有分析的相对标准差均在以内。.二氧化碳分压 的计算在本研究中，基于水体主要水化学参数及离子地 球 与 环 境 年浓度，通过水文地球化学反应计算软件 软件计算得到，计算所采用的数据库为。具体公式为：（）（）其中 为逸度；为逸度系数，对于理想气体，通常为；为 饱 和 指 数，可 通 过 软件计算得到。.水气界面 通量的计算水气界面 扩散通量的大小与水气界面之差、温度以及风速有关，。水气二氧化碳扩散通量计算公式为：（）（）式中，为水气界面 交换通量，（）；为水气界面交换系数，为水体 分压，为大气 分压，为亨利系数；其中，亨利常数可由式（）计算得到：.（）.（）（）式中，表示开尔文温度。值可通过风速的经验函数和 进行计算，选取当天当地气象部门发布的气候要素来确定风速，由式（）（）计算得到：（）（）.（）.（）.（）式中，和 分别为水面与水面上方 处的风速，；本研究的 采用采样点周围最近的气象站（：）当天的平均风速；表示温度为、常数为 时 的标准气体交换系数；与 之间的幂率关系根据 与 的研究得出，当 不大于.时，取，反之 取；为 的 常数；为表层水体温度，。结果与分析.澜沧江梯级水库的水化学特征 水质参数的时空变化可反映水体的理化性质的动态变化。澜沧江梯级水库表层水体各月水温在.之间，平均值为.，从上游到下游呈现明显上升趋势，夏季和秋季平均温度分别为.和.，高于春季（.），呈现较为明显的季节性变化（图）。水库表层水体 变化范围为.（图），平均值为.，在空间上 的变化呈现明显降低的趋势，均在尾库 最低，月 平均值为.，明显低于上游水库 平均值（.）。是反映水体中光合与呼吸作用的重要指标之一。澜沧江梯级水库水体溶解氧（）范围为.，平均值为.，在空间上，从上游到下游未呈现出明显的变化趋势（图），在时间上，从 月到 月份，澜沧江梯级水库水体 整体上呈现逐渐降低的趋势，春季较高，而夏季和秋季相对较低。图 澜沧江梯级水库水温（）、（）、溶解氧（）变化图 （），（），（）澜沧江梯级水库水体主要离子的组成特征如图 所示。结果表明：水库水体阳离子浓度，是澜沧江的主要阳离子，浓度变化范 围 为.，占 总 阳 离 子 的.，而 和 分 别 占.和 第 期杜琪琪等：澜沧江梯级水库水化学特征及其对水气界面 通量的影响图 澜沧江流域水体 三线图 .。水库水体阴离子浓度，变化范围为.，占总阴离子的.，由于河水 在.之间，因此河水中 的贡献可以忽略不计。总体而言，澜沧江河水水化学类型主要以 为主，与以往研究结果类似。.的时空变化 月澜沧江梯级水库水体 范围在.之间，平均值为.，大于大气中的（），表明澜沧江水库整体表现为大气 源。从空间上看，个水库从上游到下游，各个月份 整体呈上升趋势（图），在 水库 明显增大，最高可达到.（月份）。从时间上看，澜沧江流域水库 呈现一定的季节性变化（图），月期间 个水库 的平 均 值 分 别 为：.、.、.、.、.、.、.，月、月和 月水库 值更高，而 月、月、月和 月水库 值则偏低。其中，水库 季节性变化趋势最为明显，月 水库 值分别为：.、.、.、.、.、.和.，呈现枯水期高，丰水期低的特点，而、和 水库未表现出明显的季节性变化。.的扩散通量的时空变化 月澜沧江梯级水库水体 释放通量范围在.（）之间，平均值为.（），表明除个别季节的水库外，整体上澜沧江流域梯级水库都在向大气排放。与 值类似，值也呈现出明显的空间变化与季节性变化。从首库 到尾库，值逐渐上升，各水库 月平均交换通量变化范围为.（）（）.（）（），表现出较大的空间性变化，最下游水库 站点水体的 显著高于其它水库（图）。从 月到 月期间，水库表层 水 体 平 均 值 分 别 为：.、.、.、.、.、.和.（），总体上丰水期低，枯水期高（图）。讨论.澜沧江河水中主要离子来源分析 岩石风化（硅酸盐和碳酸盐岩等）是大气 的一个重要的汇，同时又是河水中主要离子的重要来源，因此研究河水水化学特征，不仅可以量化河流主要离子来源，还可以为评估全球 排放通量提供科学依据。然而，河水离子浓度往往受到地 球 与 环 境 年图 澜沧江梯级水库（和）和（和）变化图 （）（）稀释作用影响，不能准确指示离子来源，利用离子浓度比值，可去除稀释作用等的影响，如：和 的比值可以反映不同岩石风化的混合作用，追踪潜在的风化过程。所应用的具体方程式见文献，。图 中硅酸盐端元为 .，.，.；碳酸盐岩端元为 ，；蒸 发 岩 的 端 元 分 布 范 围 广，、值最低。澜沧江样品点 比值介于.之间，平均值为.，比值介于.之间，平均值为.，而 比值介于.之间，平均值为.，所有样品点均位于硅酸盐、碳酸盐岩和蒸发岩端元之间，因此澜沧江流域水体主要离子来源于碳酸盐岩、硅酸盐和蒸发岩的风化。为了量化不同来源的相对贡献，采用基于质量平衡的正演方法，假设雨水和蒸发岩校正后剩余的 都来自硅酸盐，而通过雨水校正后河流中溶解的 都来自硅酸盐，并且具有最低 的样品完全从大气输入中获得其所有溶解的，河水中剩余 全部来自蒸发岩。估算结果显示：硅酸盐、石膏、岩盐和碳酸盐岩溶解对河流阳离子的平均贡献比例分别为.、.、.和.，另外，大气输入的贡献比例为.，碳酸盐岩溶解是澜沧江河水中最主要的物质来源，与前人研究结果总体类似。本研究中碳酸盐岩和硅酸盐贡献比例略高，而盐岩和石膏贡献比例略低于前人结果，这可能与季节性差异或水库调蓄有关。以往研究发现，季节性差异和水库调蓄都可能影响水体中离子的浓度，进而影响岩石风化贡献比例计算。综上所述，澜沧江流域水体离子的主要来源是碳酸盐岩、硅酸盐和蒸发岩的风化，而大气输入贡献比例较低。因此，在评估澜沧江流域 总体排放通量和源汇关系时，系统研究流域岩石风化过程消耗的 总量至关重要。.影响澜沧江河流水体表层 的环境因子大气与表层水体之间的 交换是全球碳循 第 期杜琪琪等：澜沧江梯级水库水化学特征及其对水气界面 通量的影响图 澜沧江混合图 环的一个重要环节，水气之间 交换的方向和通量主要受大气和水体 的控制。本研究中澜沧江流域水库表层水体中的 平均值均大于大气中的（），表