面源团队成果 | WR：梯级水库模型研发及氮磷累积滞留评估

水库是开发利用水资源和防治水灾害的重要工程措施之一，对防洪、供水、生态、发电、航运等至关重要，同时也影响下游水生生态系统的稳定。然而，目前研究在关于梯级水库控制养分输送方面的效应仍存在争议，特别是长江流域水库群的高度开发建设情况下。本研究基于氮磷反应的生物地球化学过程，开发了一个新模型 X-NPSRM，用于研究水库和流域尺度梯级水库动态贮存能力。并在嘉陵江涪江流域研究了梯级水库的累积效应及其相关机制。涪江流域的模拟结果显示，梯级水库每年保留了16.3%的氮通量和37.6%的磷通量。下游水库相比上游的磷滞留率更高（平均0.48/d），入流泥沙浓度起主导作用。氮的保留率呈季节性变化：雨季（平均0.21/d）和旱季（平均0.17/d）。相比水库运行阶段、入库氮磷浓度或氮磷比等因素，氮滞留的波动受温度变化的影响更显著。在上游，入库泥沙浓度对磷的汇到源转化起着决定性作用。X-NPSRM耦合模型可用于全球水库运营和流域管理。

一、模型框架

本研究建立了库区氮磷反应的稳态模型（NPSRM）来模拟河流内流经梯级水库的氮磷输送通量。模型利用Michaelis-Menten方程并结合物理化学生物环境影响因子表征库区内的生物地球化学过程，并用作库区水质模拟。模型提供了开放接口，可以与SWAT和HSPF等流域模型耦合（Moriasi et al.， 2015）。研究评价了梯级储层氮磷输运的时空累积效应，为流域水环境与水利项目管理提供了方法和规律。

二、模拟结果

研究计算了涪江流域的从投入到河道出口的各过程氮磷通量及17级梯级水库的氮磷滞留/贡献量。涪江流域以农业发展为主，化肥产生的非点源污染约占氮输入的53.6%，畜禽养殖贡献了磷输入的74.4%。水库中约保留了约16.3%的氮和37.7%的磷，而河流的滞留占氮磷总通量的54.0%和44.3%，最终流域出口有29.7%、18.1%的氮磷输出。图表示随着越来越多的水库建设，水库群内的氮磷滞留通量显着增加。同时氮磷在不同季节和特定水库的滞留强度均不同，梯级水库的建设会导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别为0.23/d、−0.12/d和0.16/d，反硝化作用是雨季主要反应，温度是导致库区反硝化速率增强的主要原因。磷沉积速率为0.40/d，其中沉积作用起决定性作用。磷沉降过程明显受到沉积物浓度和HRT的影响，下游沉积强度显著增加。

三、结论展望

我们还建议，未来的流域管理研究应重视梯级水库的累积效应及其在空间、季节分布上的变化，解释梯级水库群内养分的沉积与释放间的相互关系。例如，全球变暖的作用可能会加速这些水生生态系统内的反硝化速度。随着气候的进一步变化，全球水库系统将承受越来越大的压力，这可能会加剧现有物质循环的不平衡性，从而对现有水库管理策略造成挑战。此外，未来研究应关注水库的建设、维护及拆毁计划。

   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

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李蕾芳 | 供稿

   林永强 | 编辑

      陈磊 | 审核