三峡库区沉积物磷及重金属淤积特征与环境效应

目录
第一章绪论1
1.1研究背景1
1.2三峡库区概况2
1.2.1地理位置及范围2
1.2.2地质、地貌特征3
1.2.3消落带特征5
1.2.4水文特征6
1.2.5气象条件6
1.2.6土壤和植被7
1.2.7社会经济7
1.2.8库运行情况8
第2章长江上游水库群建设对三峡库区水沙环境的影响9
2.1长江上游水电开发现状及趋势9
2.1.1长江水能资源及分布概况9
2.1.2长江上游流域水电开发情况9
2.1.3长江上游流域开发建设趋势16
2.2三峡水库入库水沙概况17
2.2.1入库水沙空间分布17
2.2.2入库水沙时间分布18
2.3三峡水库入库水沙空间变化特征19
2.3.1入库径流地区组成变化20
2.3.2入库泥沙地区组成变化21
2.4长江上游主要干支流径流量变化特征22
2.4.1年际变化特征22
2.4.2年内分配及变化26
2.4.3径流变化原因分析28
2.5长江上游主要干支流输沙量变化特征31
2.5.1年际变化特征31
2.5.2年内变化特征34
2.5.3长江上游主要控制站输沙量变化分析35
2.5.4输沙量变化原因分析38
2.6长江上游水库群建设运行对三峡入库径流的影响39
2.6.1上游水库群蓄水库容分析39
2.6.2上游水库群蓄水过程40
2.6.3上游水库群与三峡同步蓄水库容分析41
2.6.4上游水库群蓄水对三峡入库径流的影响41
2.7本章小结45
第3章三峡水库泥沙游积特征46
3.1三峡水库水沙平衡特征46
3.1.1年际变化46
3.1.2年内变化47
3.1.3三峡水库蓄水后水沙通量变化特征48
3.2三峡水库泥沙淤积数量特征49
3.2.1试验方案49
3.2.2干流河道沉积物数量特征50
3.2.3消落带沉积物量特征53
3.3三峡水库消落带沉积物来源特征58
3.3.1试验方案58
3.3.2沉积物粒径与137Cs活度水平变化特征及其示踪意义58
3.3.3沉积物粒径与137Cs活度高程变化特征及其示踪意义60
3.3.4沉积物粒径与137Cs活度剖面内变化特征及其示踪意义63
3.4三峡水库消落带泥沙淤积的影响因素64
3.4.1试验方案64
3.4.2坡度与坡向67
3.4.3高程与淹没时间68
3.4.4植被与土地利用70
3.4.5人类活动70
3.5本章小结71
第4章沉积物磷游积特征73
4.1沉积物的理化性质73
4.1.1水平变化73
4.1.2垂向变化75
4.2沉积物总磷和磷形态的时空变化78
4.2.12008年以来库区总磚的时间变化78
4.2.2消落带、水下沉积物磚浓度的空间变化79
4.3库区沉积物中磷的蓄积特征84
4.4影响磷时空变化的因素85
4.4.1泥沙微观形态85
4.4.2泥沙理化性质对磷空间分布的影响86
4.4.3消落带干湿变化89
4.5库区沉积物磷的滞留及其环境效应90
4.6泥沙对磷的吸附/解吸特征95
4.6.1泥沙对磷的动力吸附/解吸95
4.6.2泥沙对磷的等温吸附结果拟合96
4.7本章小结97
第5章沉积物重金属淤积特征99
5.1三峡库区沉积物重金属的分布特征100
5.1.1库区沉积物中重金属浓度的时空分布特征102
5.1.2库区干流沉积物中重金属及其可迁移态浓度和储量的空间分布特征111
5.2三峡库区沉积物中重金属分布的影响因素115
5.2.1库区干流沉积物中重金属的来源解析115
5.2.2地形、土地利用等对沉积物中Cd分布的影响123
5.2.3沉积物理化性质与重金属及其可迁移态的关系130
5.3三峡库区沉积物中重金属的污染和风险评价132
5.3.1库区干流沉积物中重金属的污染评价133
5.3.2库区干流沉积物中重金属的生态风险和毒性风险评价139
5.4本章小结142
第6章三峡库区沉积物中微生物初步研究144
6.1三峡库区沉积物中微生物磷脂脂肪酸组成特征145
6.2沉积物微生物生境中碳氮磷和重金属分布148
6.3影响沉积物中营养元素分布原因150
6.4影响沉积物微生物磷脂脂肪酸分布原因151
6.5本章小结153
第7章结论与展望154
7.1主要结论154
7.2研究展望156
参考文献158
索引175

第1章绪论
　　1.1研究背景
　　随着水电开发力度的不断加大，其对流域水沙系统造成的影响日益突出。水库的建成不仅改变了流域的径流时空，还从宏观上改变了河流泥沙的时空分布，库区水位壅高，水深加大，流速降低，泥沙淤积。泥沙是塑造河流形态、维护生态系统健康的重要驱动力，水库拦沙问题的研究是掲示流域内水沙条件变化的关键，也是工程规划、设计以及水库运行调度的基础。目前，长江流域已建水库5.2万座，占全国已建水库数量的53%，总库容3600亿m3，已形成以三峡水库为核心的世界规模**的巨型水库群，在流域防洪、生态保护、供水、发电和航运等方面发挥巨大作用的同时，对流域内的水沙输移特性变化也产生了较大影响。20世纪90年代至今，国内外众多学者针对该问题开展了大量的分析研究，取得了十分丰富的研究成果。然而，近年来，随着气候变化及人类活动的影响，长江上游泥沙输移特性发生了新的变化，特别是2011年以来，金沙江中下游梯级水电站陆续建成运行后，三峡水库的入库泥沙量大幅度减少，在新的环境下，水库群建设对流域内产生拦沙效益方面的研究鲜见报道。近几年的实测资料表明，长江上游水库群的拦沙作用明显大于预期。因此，定量研究长江上游水库的拦沙效应，掌握水库拦沙对流域内泥沙减少的贡献权重，是掲示三峡水库水沙输移特性变化的关键之一。
　　泥沙问题作为三峡水库运行安全的核心问题之一，得到了越来越多的关注。水库蓄水显著改变了河道泥沙的冲淤状态，三峡库区河道冲淤由蓄水前的平均每年冲刷0.5亿t转变为蓄水后平均每年游积1.32亿t，由此产生了泥沙问题中的两大核心：“从哪儿来”和“派在哪儿”。另外，泥沙沉积过程还是消落带生态系统中至关重要的环节之一，它不仅通过提供基础物质直接决定河岸区域的地貌特征及演变过程，同时为水陆界面的污染物(磷、重金属等)迁移过程提供重要载体。
　　河流建库在改变河流泥沙输移的同时，也改变了磷在河流中的地球化学过程。在回水顶托作用下，河流的流速减缓，延长了水的滞留时间，从而导致河流中的悬移质泥沙在水库中不断沉积，颗粒物携带的磷沉积到库底，并通过悬浮颗粒物的絮凝、吸附作用使水中的磷浓度降低(陈锦山等，2011；Wang et al.，2009)。库区泥沙沉积的同时水体透明度增加，有利于河流中浮游藻类的生长，而浮游藻类对磷的吸收有利于水体中溶解态磷浓度的降低，促进磷在水库中的滞留。以往研究发现，三峡水库对磷酸盐的滞留率大约为36%(冉祥滨，2009)。三峡水库的修建使长江中下游的泥沙量减少了91%，总磷和颗粒态磷分别减少了77%和83.5%(Zhou et al.，2013)。2003~2006年，进入三峡库区中的泥沙约有60%滞留在水库中(Xu and Milliman， 2009)。在水环境变化的条件下，沉积物中的磷会重新释 放到水体中，成为内源磷(Cornwell et al.， 2014； Jarvie et al.， 2005； Sondergaard et al.， 2003)。沉积物中磷的二次释放问题受到学者和政府的关注，在磷的外源输入被控制的情况下，内源磷的释放是影响水质的重要原因(秦伯强等，2006)。因此，有必要进行三峡库区泥沙对磷迁移和赋存特征的影响研究。
　　重金属因其毒性、非降解性以及食物链的生物富集作用，对各种生态系统均构成严重威胁，现已成为一个全球性问题(Duanet al.， 2018； Rosado et al.， 2016； ElNemr et al.， 2016； Bai et al.， 2016； Singh et al.， 2005)。在水生生态系统中，除一小部分重金属以溶 解态存在于水体中外，90%以上的重金属都存在于悬浮颗粒和沉积物中(Zahra et al.， 2013； Zheng et al.， 2008)。沉积物是重金属主要的“汇”，被认为是衡量重金属污染的有效指 标(Baborowski et al.， 2012； Viers et al.， 2009)。河流沉积物中重金属可通过水动力扰动、化学和生物过程在不同沉积条件下释放到水体中，对水生生物和人类健康造成潜在威胁(Singh et al.，2005)。沉积环境变化对沉积物中重金属的分布和迁移起着至关重要的作用(Singh et al.，2005)。例如，细颗粒的沉积物不仅能够吸附更多的重金属，而且含有金 属铁/猛氧化物的表面涂层，这将限制沉积物中重金属的移动性和生物可利用性(Bing et al.， 2013； Ip et al.，2007)。因此，有必要全面了解沉积物中重金属的地球化学分布、来 源特征和风险状况的机制，以制订区域水环境管理的污染控制策略。
　　微生物在地球上无处不在，在任何环境适宜的地方都能繁殖，几乎出现在任何有水的地方，例如沉积物中(Yan et al.，2015； Green et al.，2008)。此外，微生物有非常高的多样性和丰富度，它们的生物化学多样性令人叹为观止，这使得它们在生物圈生物地球化学 循环中起着至关重要的作用(Woese，1994)。建造大坝作为一种人为影响河流环境的主要 方式，能显著改变河流的水文过程和沉积条件，把河流转变为半河流或湖泊型环境。另外， 与大坝(或水库)管理相关的人类活动常常导致水体和沉积物的理化性质改变(Fremion et al.， 2016)。因此，沉积物中微生物群落很容易遭受人为或自然胁迫，微生物的变化也会 直接影响沉积物环境中的功能过程，改变其元素循环、生态稳定性、恢复能力和生态服务 (Xie et al.， 2016； Reed and Martiny， 2013)。
　　综上，在全球气候变化和长江上游水电开发的背景下，三峡库区上游来水来沙发生了 巨大变化，直接影响三峡库区泥沙的输送。三峡水库的调蓄过程引起泥沙在库区大量游积， 泥沙淤积改变了污染物(磷、重金属等)在库区的时空分布特征，同时也改变了库区沉积物 中的生物种群特征，进而影响三峡库区的水生态环境。因此，有必要对三峡水库正式运行 以后来水来沙、泥沙淤积、污染物的时空变化和微生物特征进行研究，为三峡水库水生态 环境保护、污染控制和科学运行管理提供科学依据。
　　1.2三峡库区概况
　　1.2.1地理位置及范围
　　三峡库区(28°32'~31°44N，05°44'~111°39'E)东起湖北宜昌，西至重庆江津，全长 667km，面积5.79万km2 (图1.1)。库区主要涉及湖北境内的兴山县、巴东县、秭归县和 夷陵区4个区(县)和重庆的巫山县、巫溪县、奉节县、云阳县、开州区、万州区、忠县、丰都县、石柱县、涪陵区、武隆区、长寿区、渝北区、巴南区、江北区、南岸区、渝中区-沙坪坝区、北碚区、九龙坡区、大渡口区、江津区共22个区(县)。
　　图1.1三峡厍区地理位置及地貌特征
　　1.2.2地质、地貌特征
　　1.地层与地质构造
　　三峡库区以大巴山脉和巫山山脉为骨架，以中山、低山和峡谷等侵蚀地貌景观为主， 自西向东跨越了我国地貌上的第二和第三两个大阶梯。地势中段高，向东、西两侧降低； 南、北两侧髙，中部长江一线**。西邻四川盆地边缘高山峡谷区，东濒长江中下游平原 丘陵区。区内山脉总体走向与大的构造线方向一致。在新构造运动影响下，山体上部有多 级台面发育，显示出峰峦叠嶂的层状地貌景观。该地区在大地构造上属于扬子准地台，基 底主要由早元古一晚元古代变质火山-碎屑岩及侵入其间的岩浆岩组成。
　　三峡地区地层自老至新出露比较全，除缺失志留系上统、泥盆系下统、石炭系上统 和古近系和新近系外，自前震旦系崆岭群至第四系皆有出露(饶开永，2010)。其分布由 东至西自老而新展布。三斗坪至庙河段出露前震旦系结晶岩；庙河至香溪为震旦系至三 叠系至侏罗系地层;牛口至观武镇三叠系中、下统大面积出露;观武镇以西至库尾近400km 的库区，侏罗系地层广布，仅在背斜核部出露三叠系及少量二叠系地层。第四系堆积物零 星分布于河流阶地、剥夷面及斜坡地带。分布比较集中、体积较大的第四系堆积体大都是 崩塌、滑坡体。
　　三峡库区横跨川鄂褶皱带中段和川东弧形褶皱带东段，北为大巴山弧形褶皱带，东南 与长阳东西向构造带相邻，西南有川龄南北向构造带插入，东与准阳山字形构造相接。库区褶皱的特点是自西向东，一系列北北东向弧形褶皱受巴山弧阻隔，向北西外凸，由北东 向转向北东东向，*后以近东西向与秭归向斜相交并嵌入栋归向斜中。褶皱形态以奉节为 界，奉节以东背斜紧闭并伴有倒转现象，向斜为复式褶皱，次级褶曲发育，多沿主槽两侧 呈平行斜列式展布。奉节以西向斜宽缓，背斜紧闭，成“隔挡式”构造。
　　库区内断裂不甚发育。库首段有九湾溪断裂、仙女山断裂、新华断裂。巴东一奉节段 有齐岳山断裂、恩施断裂、郁江断裂、黔江断裂。奉节以西断裂不发育。区内规模较大的 仙女山断裂和新华断裂距库区较远，横穿干流水库的主要断裂仅有九湾溪断裂、牛口断裂、 横石溪断裂、杨家棚断裂、黄草山断裂等，另外建始断裂北延出现的坪阳坝断裂、碚石 断裂与龙船河、冷水溪等支流库段相交。这些断裂规模都不大，均未造成大范围的岩体 破坏。
　　库区内地震水平不高，强度小、频度低。地壳稳定性相对较好，属弱震环境。据国家 地震局《中国地震烈度区划图（1990)》（1:400万，50年超越概率10%)，库区的地震烈 度大多为VI度和小于VI度。自1959年建立三峡地震台网至今，三峡库区内发生的**地 震为1979年5月22日秭归县龙会观的5.1级地震，震中紧靠北岸，震中烈度达VE度；此 外，记录到4.0~4.9级地震8次，3.0~3.9级地震27次，均为浅源地震，震源深度8~ 16km (秦胜伍，2006)。
　　2.地形地貌
　　库区内山地的隆起伴随河流的切割，形成髙耸的壮观山系，高低悬殊，山髙坡陡，河 谷深切。河谷平规、丘陵、山地分别占三峡库区总面积的4.3%、21.7%和74.0%。
　　库区奉节以东，地貌以大巴山、巫山山脉为骨架，形成以震旦系至三叠系碳酸盐岩组 成的川鄂褶皱山地，属于以侵蚀为主兼有溶蚀作用的中山峡谷间夹低山宽谷地貌景观。山 脉总体为近东西向，局部为南北向。长江多斜切或横切，因而河谷多为斜向或横向谷。山 顶高程多为1000~2000m，相对高差1000m左右。河谷狭窄，岸坡陡峭，江面宽一般为 200~300m。山脉走向也受构造控制，大巴山脉呈北西一北西西向耸立于库区之北，主峰 大神农架高程3150m，为长江和汉江的分水岭。巫山山脉呈北东一北东东向绵延于鄂、渝 边境，绿葱坡至云台荒一带，高程1800~2000m，为长江与清江的分水岭。长江河谷深切， 两岸山峰耸立，河谷狭窄，水流湍急，形成了著名的长江三峡。该段地貌的另一特征是层 状地貌明显，自分水岭向长江河谷，呈阶梯状逐级下降过渡，可见两期四级夷平面。长江 两岸支流发育，北岸支流为北西向，南岸支流为北东向。
　　库区奉节以西属四川盆地的东部，以侏罗系碎屑岩为主的低山丘陵宽谷地形；山脉受 构造控制，形成了一系列北东一南西向平行展布的窄条状低山，形成独特的平行岭谷景观。 总体地势自盆地边缘向中心逐渐降低，在奉节一带高程近千米，至长寿附近逐渐降为 300~500m;髙耸突起的带状山梁，由坚硬的石灰岩与砂岩组成，山脊髙程一般为700~ 800m；低缓丘陵则多由砂岩、黏土岩组成，山顶高程一般为300~600m。长江蜿蜒于向 斜谷地，形成开阔平缓的宽谷，局部地段横切背斜时，常形成短小峡谷。
　　库区微地貌形态多种多样，主要为山地受流水地质作用和重力地质作用改造的产物， 如冲沟、洪积扇、倒石堆、滑坡体等。巫山至云阳的长江河谷中可见II~IV级阶地，重庆李永沱一带可见I~VI级阶地。库区局部还发育岩溶地貌，如溶沟、溶槽、岩溶漏斗等。
　　1.2.3消落带特征
　　随着三峡水库蓄水运行，库区受水位涨落的影响而形成不同类型的消落带。

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开　　本：16开

正文语种：中文