水庫(kù)是開(kāi)發(fā)利用水資源和防治水災(zāi)害的重要工程措施之一，對(duì)防洪、供水、生態(tài)、發(fā)電、航運(yùn)等至關(guān)重要，同時(shí)也影響下游水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。然而，目前研究在關(guān)于梯級(jí)水庫(kù)控制養(yǎng)分輸送方面的效應(yīng)仍存在爭(zhēng)議，特別是長(zhǎng)江流域水庫(kù)群的高度開(kāi)發(fā)建設(shè)情況下。本研究基于氮磷反應(yīng)的生物地球化學(xué)過(guò)程，開(kāi)發(fā)了一個(gè)新模型 X-NPSRM，用于研究水庫(kù)和流域尺度梯級(jí)水庫(kù)動(dòng)態(tài)貯存能力。并在嘉陵江涪江流域研究了梯級(jí)水庫(kù)的累積效應(yīng)及其相關(guān)機(jī)制。涪江流域的模擬結(jié)果顯示，梯級(jí)水庫(kù)每年保留了16.3%的氮通量和37.6%的磷通量。下游水庫(kù)相比上游的磷滯留率更高（平均0.48/d），入流泥沙濃度起主導(dǎo)作用。氮的保留率呈季節(jié)性變化：雨季（平均0.21/d）和旱季（平均0.17/d）。相比水庫(kù)運(yùn)行階段、入庫(kù)氮磷濃度或氮磷比等因素，氮滯留的波動(dòng)受溫度變化的影響更顯著。在上游，入庫(kù)泥沙濃度對(duì)磷的匯到源轉(zhuǎn)化起著決定性作用。X-NPSRM耦合模型可用于全球水庫(kù)運(yùn)營(yíng)和流域管理。

一、模型框架

本研究建立了庫(kù)區(qū)氮磷反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)模型（NPSRM）來(lái)模擬河流內(nèi)流經(jīng)梯級(jí)水庫(kù)的氮磷輸送通量。模型利用Michaelis-Menten方程并結(jié)合物理化學(xué)生物環(huán)境影響因子表征庫(kù)區(qū)內(nèi)的生物地球化學(xué)過(guò)程，并用作庫(kù)區(qū)水質(zhì)模擬。模型提供了開(kāi)放接口，可以與SWAT和HSPF等流域模型耦合（Moriasi et al.， 2015）。研究評(píng)價(jià)了梯級(jí)儲(chǔ)層氮磷輸運(yùn)的時(shí)空累積效應(yīng)，為流域水環(huán)境與水利項(xiàng)目管理提供了方法和規(guī)律。

二、模擬結(jié)果

研究計(jì)算了涪江流域的從投入到河道出口的各過(guò)程氮磷通量及17級(jí)梯級(jí)水庫(kù)的氮磷滯留/貢獻(xiàn)量。涪江流域以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主，化肥產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染約占氮輸入的53.6%，畜禽養(yǎng)殖貢獻(xiàn)了磷輸入的74.4%。水庫(kù)中約保留了約16.3%的氮和37.7%的磷，而河流的滯留占氮磷總通量的54.0%和44.3%，最終流域出口有29.7%、18.1%的氮磷輸出。圖表示隨著越來(lái)越多的水庫(kù)建設(shè)，水庫(kù)群內(nèi)的氮磷滯留通量顯著增加。同時(shí)氮磷在不同季節(jié)和特定水庫(kù)的滯留強(qiáng)度均不同，梯級(jí)水庫(kù)的建設(shè)會(huì)導(dǎo)致流域出口氮磷比的升高。

氮沉降、固氮和反硝化的平均速率分別為0.23/d、?0.12/d和0.16/d，反硝化作用是雨季主要反應(yīng)，溫度是導(dǎo)致庫(kù)區(qū)反硝化速率增強(qiáng)的主要原因。磷沉積速率為0.40/d，其中沉積作用起決定性作用。磷沉降過(guò)程明顯受到沉積物濃度和HRT的影響，下游沉積強(qiáng)度顯著增加。

三、結(jié)論展望

我們還建議，未來(lái)的流域管理研究應(yīng)重視梯級(jí)水庫(kù)的累積效應(yīng)及其在空間、季節(jié)分布上的變化，解釋梯級(jí)水庫(kù)群內(nèi)養(yǎng)分的沉積與釋放間的相互關(guān)系。例如，全球變暖的作用可能會(huì)加速這些水生生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的反硝化速度。隨著氣候的進(jìn)一步變化，全球水庫(kù)系統(tǒng)將承受越來(lái)越大的壓力，這可能會(huì)加劇現(xiàn)有物質(zhì)循環(huán)的不平衡性，從而對(duì)現(xiàn)有水庫(kù)管理策略造成挑戰(zhàn)。此外，未來(lái)研究應(yīng)關(guān)注水庫(kù)的建設(shè)、維護(hù)及拆毀計(jì)劃。

   文章信息

Li, L., Chen, L., Chen, S., et al. (2024). The cumulative effects of cascade reservoirs control nitrogen and phosphorus flux: Base on biogeochemical processes. Water Research, 252, 121177.

   DOI:

https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121177

點(diǎn)擊閱讀原文直達(dá)

李蕾芳 | 供稿

   林永強(qiáng) | 編輯

      陳磊 | 審核