清水江河道深潭—急流—河滩系统水质差异

郭春祥，王震洪，刘立波,3，王庆鹤

(1.贵州大学 林学院，贵州 贵阳550025；2.贵州大学 生命科学学院 贵州 贵阳550025；3.凯里学院 环境与生命科学学院，贵州 凯里 556011)



清水江河道深潭
—急流—河滩系统水质差异

郭春祥1，王震洪2，刘立波2,3，王庆鹤2

(1.贵州大学 林学院，贵州 贵阳550025；2.贵州大学 生命科学学院 贵州 贵阳550025；3.凯里学院 环境与生命科学学院，贵州 凯里 556011)

摘要：指出了天然河流是由深潭-急流-河滩不断重复出现构成的系统，深潭-急流-河滩是河流的基本结构单元。在清水江上、中、下游选取9个基本结构单元为对象，测定水质指标、模拟底质氮磷释放，分析了山区典型河道基本结构单元与水质变化之间的关系。研究表明：深潭和急流水体中各指标浓度TN(0.90>0.84)、NO3--N(0.50>0.45)、NH4+-N(0.225>0.195)、TP(0.0172>0.0148)、DO(8.50<10.54)、BOD5(1.36<2.67)和COD(11.30<11.35)，F检验除-N差异性不显著外，其余均显著。用蒸馏水模拟河水，底质氮磷释放量小于原河水模拟河水氮磷释放量，并且见光模拟释放要小于避光条件模拟释放。河流形态结构变化影响着水环境质量，深潭-急流-河滩不断重复出现使河流水质得到改善，在河道生态修复中需要遵循河流形态结构规律以提高河流的自净能力。

关键词：河道；深潭-急流-河滩；水质；释放；清水江

1引言

河道水体的污染通常是由于水中氮、磷等营养元素含量过多或有机污染物超标造成的藻类异常繁殖[1]。国内外学者对河道中浮游植物群落结构，河道水体流速对水中污染物的影响，河流形态多样性对河流生态系统多样性、功能、机制的影响，利用水动力模型模拟河流形态与粗糙度关系等方面进行了大量研究[2，3]。通过调查发现，由于河道在水动力过程的长期作用下，天然河道在一定距离内形成了“急流-深潭-河滩”这一基本的结构单元，并且随着河流上下延伸会不断的重复出现，因此河道中的水质不仅会因上下游不同河段环境的差异而变化，而且河水在“急流-深潭-河滩”这个交替单元中也会有所差异[4～7]。阶梯-深潭系统则是大坡度山区河道演变中十分重要的河床形态，常由一段陡坡和一段缓坡加上深潭相间连接而成，在河道纵向呈现一系列阶梯状[8]。然而，随着河道向下游发展，阶梯-深潭系统变成了急流-深潭-河滩系统。急流水浅、流速快，常处于河流中间位置，河床基质贫营养，没有水草等水生植物。深潭是一个类似碗状结构，底质较多，有许多细沙甚至淤泥，适宜于多种水生生物的栖息。河滩是由砾石和泥沙构成，是河流与陆地之间的过渡带。不同流速、不同深浅的急流和深潭组合为水生动物创造了多样的栖息地，这有利于河流生态系统保持较高的生物多样性。

流域生态学包括河网间带、河网和湖泊系统，河网间带和湖泊从小尺度揭示规律已经很深入了，而河网的河流生态研究长期停留在河流整体格局上，急流-深潭-河滩系统作为整体河流尺度下的基本结构和功能单位的确立，将使河网系统的生态研究深入到更小尺度，和其他两个亚系统同步，这样就完善了流域生态学的理论。在目前天然河流已很少的情况下，本研究选取天然性好的清水江为研究对象，一是因为清水江是贯穿贵州喀斯特和非喀斯特地区的重要河流，并且具有典型河道深潭-急流-河滩系统结构，二是20世纪工农业发展，河流污染比较严重，21世纪初，随着经济发展及城镇化建设加快，清水江水环境污染加剧，自2008年，省水利厅和省环保厅联合颁布《贵州清水江流域污染防治规划(2008～2010年)》，对清水江的污染加强治理，取得良好效果[9]。本文在此基础上通过对清水江不同水期上、中、下游河段急流-深潭-河滩系统形态结构及对流域生态环境影响的相关指标测定，认识河流基本结构单元形态结构与功能， 收集相关数据，获得的研究结果可以直接支撑河流生态工程的开展，也可以为其他河流的生态修复提供理论依据。

2材料与方法

2.1研究河段概况

清水江是沅江的主源，发源于贵州省都匀市谷江乡西北，是长江流域上游重要支流之一，是贵州省第二大河流，发源于贵州省都匀市谷江乡西北，主要流经都匀市、凯里市、锦屏县，在天柱县流出省境，出省河口海拔216 m。整条河流的走自西向东，海拔逐渐降低。流经的地区大部分为少数民族地区，河道蜿蜒曲折，森林植被茂密。清水江在贵州省境内长459 km，流域面积17157 km2[10]，集雨面积6700 km2，年产水量124亿m3，流域内有16个县市。本研究分别选取都匀(N26°11′59″，E107°42′30″，海拔809 m)、凯里(N26°32′36″，E107°52′41″，海拔621 m)、锦屏(N26°6′29″，E108°7′10″，海拔357 m)河段作为清水江上、中、下游河段对结构单元中水质进行分析(图1)。

2.2样品采集和测定

2.2.1样品的采集

在每个河段，逆着水流方向，依次选定3个急流及深潭，在每个急流和深潭中，根据面积大小，确定3个等距离的采样点，在水面下0.5 m处用有机玻璃采样器采集水样，然后立即装入聚乙烯塑料瓶内密封，水样用浓硫酸固定，置于4 ℃下保存。每个急流和深潭中的3个水样测定结果的平均值反映该深潭或急流的水质状况。每个河段设置6个采样点，上、中、下游共18个采样点。水样采样频率为枯水期、丰水期各一次。

在相同的采样点按顺序在每个河段确定3个相连的深潭-急流-河滩系统，分别对每个系统的底泥或底质采样，由于其形态结构不同导致的地址差异，急流底质为卵石、漂石，深潭底质为黏粒、粉砂、河滩底质为砂粒、砾石，共9个连续的深潭-急流-河滩系统共27个采样位，且对每个样位选择5个采样点的样品进行混合形成混合样。具体地，采集沉积物表层0～15 cm的新鲜底泥，平均每个样品至少采集同一典型河段3个不同的点的样进行混合，使样品具有代表性。

2.2.2样品的测定

底质样品带回实验室后，将上游、中游和下游3个河段对应的深潭(ST)、急流(JL)和河滩(HT)的9个底质分三组分别置于1000 mL量筒，保持通气状态。一组加入原河水(Y)为上覆水，一组加入蒸馏水(Z)为上覆水进行实验对比，同样水土比为5∶1，做3组平行样；避光(B)一组将黑色塑料袋包裹于整个实验装置完全避光，光照一组则不包裹将实验装置置于25 ℃培养箱24 h光照培养。每隔两天利用注射器小心的吸取靠近底质界面的上覆水过0.45 μm滤膜对其进总氮的测定。

2.2.3清水江底泥释放总氮、总磷释放通量

由公式(1)计算氮磷的释放通量：

式中:K为一定条件下沉积物总氮/总磷的释放速率(mg/(m2·d));Cj,C0,Cj-1为第j次、初始和j-1次采样时总氮/总磷的浓度(mg/L);C′为添加水样总氮/总磷的浓度(mg/L);V为试验上覆水体积(L);V′为每次采样的体积(L);A′为试验上覆水与沉积物的接触面积(m2);t为释放时间。每次采样得出的K的平均值即为氮/磷的释放通量。

3结果与分析

3.2不同水期急流-深潭水体溶解氧(DO)、五日生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(COD)浓度比较

图3表明，清水江在枯水期和丰水期的DO及BOD5均表现为深潭<急流，COD在枯水期表现为深潭>急流，而在丰水期则表现为深潭<急流。DO在枯水期的差异性显著(n=9，F=0.176，P<0.05)，丰水期差异性极显著(n=9，F=0.328，P<0.01)；BOD5在枯水期(n=9，F=0.027，P<0.05)和丰水期(n=9，F=0.071，P<0.05)均为差异性显著；COD在枯水期差异性极显著(n=9，F=0.793，P<0.01)，在丰水期则差异性显著(n=9，F=0.640，P<0.05)。通过分析，DO与BOD5在丰水期水量较大条件下，急流水体流速快，有利于氧溶于水。枯水期虽然水流缓慢，但深潭中水生植物不多，对水体供氧能力不高，溶解氧浓度也小于急流。除以上原因外，水中盐度、有机物分解、气压、生物呼吸也可能是影响因素[12]。对于COD，枯水期深潭中有机物容易富集，而且水生植物不多，不利于生物降解。丰水期深潭中有机污染程度低于急流，其原因可能是急流水体流动中自身扰动较强，有机颗粒物质进入水体，测定值较高。

图2　不同水期急流-深潭水体总氮(TN)、硝酸盐氮氨氮总磷(TP)浓度比较

图3　不同水期急流-深潭水体溶解氧(DO)、五日生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(COD)浓度比较

图4　上、中、下游不同处理总氮释放

图5　上、中、下游不同处理总磷释放

3.3不同条件对氮磷释放的影响

3.3.1不同上覆水以及不同光照条件下的氮释放

在水-沉积物体系中,沉积物中部分无机氮的溶出和有机氮的矿化使其中的氮释放到间隙水中,再通过扩散作用进入上覆水,导致上覆水氮浓度增加；而发生在水-沉积物界面的吸附过程又使上覆水氮浓度降低,因而,上覆水中氮浓度的变化反映了沉积物—上覆水之间氮的交换过程[13]。这些过程受水中溶解氧浓度、温度、pH及沉积物性质等因素的影响[14]。通过分析，不同上覆水以及不同光照条件下的总氮释放规律在上、中、下游相似，均有两个释放高峰和一个释放低谷，释放高峰分别出现在第12天和第18天，释放低谷出现在第15天。从释放通量上看：蒸馏水166.84 mg/(m2·d)>原河水避光101.12 mg/(m2·d)>原河水见光93.77 mg/(m2·d)，上游123.15 mg/(m2·d)>中游121.37 mg/(m2·d)>下游117.21 mg/(m2·d)。见图4。

3.3.2不同上覆水以及不同光照条件下的磷释放

上覆水磷浓度与上覆水-底泥系统中发生的沉淀-溶解、吸附-解吸及有机磷的矿化等过程有关。土壤淹水后上覆水磷浓度受氧气扩散的影响产生波动。不同处理条件下的上覆水中磷浓度也会有所差异。研究结果表明：不同上覆水以及不同光照条件下的总磷释放规律在上、中、下游相似，均有两个释放高峰和一个释放低谷。释放高峰分别出现在第18 d和第24 d，释放低谷出现在第21 d。从释放通量上看：蒸馏水1.8984 mg/(m2·d)>原河水避光1.5398 mg/(m2·d)>原河水见光1.2739 mg/(m2·d)，下游2.4298 mg/(m2·d)>上游1.1522 mg/(m2·d)>中游1.1299 mg/(m2·d)。见图5。

4结语

河流沉积物是河流氮、磷蓄积的主要形式，在排入河流的营养物质减少后，沉积物中的氮、磷会逐步释放，成为河流富营养化的主导因子。氮、磷释放的差异间接体现出水质的变化，因此，研究沉积物中的氮、磷释放对水质影响有重要意义[17]。光照对氮磷释放有抑制作用，但是同在见光条件下，蒸馏水比原河水更能促进氮磷释放，就变化趋势而言，变化的幅度因不同条件而异[18～22]。在通气培养前期，底泥中的有机质会受到好氧微生物的好氧分解，总氮中的N被分解成NH3，使上覆水中NH3的浓度迅速增加出现波峰，后期随着有机质的消耗，NH3释放量降低，出现波谷，可能与NH3被胶粒吸附、沉淀有关[23]。在相同条件下，好氧微生物的好氧分解使不溶性的有机磷变成无机磷，易于释放出来。大量实验研究表明pH对沉积物释磷有重要影响，pH值在中性左右释磷量最低，pH值升高或者降低都会使释磷量倍增[24]。有研究者发现，对富含有机物的沉积物好氧条件比厌氧条件更有利于沉积物中磷的释放[25]。

急流-深潭-河滩系统和河流生态修复设计施工在尺度上是相似的，研究数据直接可以应用。 建立急流-深潭-河滩系统形态结构与功能模型，完善流域生态学体系的范畴。如果研究证明了水流会塑造出形态结构上呈某种比例和大小的急流-深潭-河滩系统，物理化学环境和生态功能会对急流-深潭河滩系统形态结构做出响应，并获得形态结构比例关系和各种生态功能数据，那么研究工作可建立该条河流一定流域面积和来水来沙条件的急流-深潭-河滩系统优化的形态结构-功能模型，为河流修复提供参照。

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收稿日期：2016-04-25

基金项目：贵阳市科技专项(编号：筑科农第3-042)

作者简介：郭春祥(1989—)，男，贵州大学林学院硕士研究生。 通讯作者：王震洪(1966—)，男，教授，博士，主要从事小流域综合治理、湖泊面源污染控制生态工程、数字流域系统的理论和技术研究。

中图分类号：X52

文献标识码：A

文章编号：1674-9944(2016)12-0080-06

Evaluations on the Difference of Water Quality of the Riffle-deep Pool-benchland Systems in Watercourses of Qingshuijiang River

Guo Chunxiang1, Wang Zhenhong2,Liu Libo2,3,Wang qinghe2

(1.CollegeofForestry.GuizhouUniversity,Guiyang550025,China;2.Collegeoflifescience,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China;3.CollegeofEnvironmentandLifeScience,KailiUniversity,Kaili,Guizhou, 556011,China)

Abstract:A river is a continual system composed of the repetitively occurring basic structural units, i.e. the “riffle-deep pool-benchland”systems in a river. In the study，we selected nine of the “riffle-deep pool-benchland” systems respectively in the upstream，midstream and downstream of Qingshuijiang River to test water quality indicators and simulate nitrogen and phosphorus release from a substratum collected from the riverbeds of these systems. The results indicated that the concentrations of water quality indicators in deep pool and riffle were respectively as follows: TN(0.90>0.84), -N(0.50>0.45), -N(0.225>0.195),TP(0.0172>0.0148),DO(8.50<10.54),BOD5(1.36<2.67)and COD(11.30<11.35). Using distilled water to simulate the river water, the phosphorus and nitrogen releases from the substratum was relatively less than the original water used, and the releases of nitrogen and phosphorus with sunlight was also less than without the sunlight. F-tests present the differences of these results between deep pools and riffles except for -N. River morphology significantly affected water quality of river and the repetitive emergence of the riffle-deeppool-benchland systems was helpful for river water environments improved. The changes of the river structures into primitive forms, i.e., “riffle-deep pool-benchland” systems, were not only beautiful in rive landscape but also significant in ecosystem functioning in river system restoration.

Key words:watercourse；riffle-deep pool-benchland systems；water quality；release；Qingshuijiang River