三峡库区沉积物磷及重金属淤积特征与环境效应

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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最大的巨型水库群，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，中部长江一线最低。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，最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，三峡库区内发生的最大地 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。