文献分享 | WR：富营养化河流集水区沉积物磷衰减和释放的时空动力学研究

磷在水生生态中起着至关重要的作用。当前仍不清楚三峡大坝下游河湖系统中磷运移过程是如何受到影响的。该系统经历了严重的河道退化及主支流之间复杂的水-沙-磷交换。本研究提出了一种磷收支计算方法确定不同来源对磷恢复的贡献，建立了包含水流、非均质泥沙和磷输运三个模块的综合模型。在长江中游（MYR）955 km河段的应用表明，三峡工程运行后，长江中游磷输运形态由颗粒态转向溶解态。此外，基于所提出的综合模型，研究了泥沙输移不均匀性和河床粗化对研究区磷输移的影响。

1.水动力和非均匀输沙模块：

2.考虑河道侵蚀、支流汇合和人为排放的磷输运模块：

Fig. 1. Temporal distributions of P: (a) monthly average TP concentrations and the proportions of PP flux at YC before and after the TGP operation; (b) annual TP concentration after the TGP operation. 

图1 P的时间分布:（a）YC站点在三峡工程运行前后月均总磷（TP）浓度和颗粒态磷（PP）通量的占比；（b）三峡工程运行后的TP年浓度

Fig. 2. Spatial variations in TP concentration and TP flux along the MYR in 2009–2018. 

图2 2009-2018年研究区TP浓度和TP通量的空间变化

Fig. 3. Mean phosphorus budgets in the MYR during the period 2009–2018. 

图3 2009-2018年研究区平均磷收支

Fig. 4. Temporal variations in the contributions of different sources to the TP recovery. 

图4 不同来源对TP恢复贡献的时间变化

Fig. 5. Relationship between particle size and phosphorus adsorption capacity of sediment.

图5 泥沙粒度与磷吸附能力的关系

Fig. 6. Comparisons between the calculated and measured fractional sediment concentration hydrographs at different stations in 2015. 

图6 2015年不同站点泥沙粒径浓度曲线计算值与实测值的比较

Fig. 7. Comparisons between the calculated and measured fractional sediment concentration hydrographs at different stations in 2016. 

图7 2016年不同站点泥沙粒径浓度曲线计算值与实测值的比较

Fig. 8. Comparisons of the calculated and measured TP concentration hydrographs in 2015 at different stations of: (a) ZC; (b) JL; (c) LS; (d) HK. 

图8 2015年不同站点TP浓度曲线计算值与实测值比较:（a）ZC；（b）JL；（c）LS；（d）HK

Fig. 9. Errors between the calculated and measured TP concentrations at different stations in the years of: (a) 2015; (b) 2016. 

图9 （a）2015年；（b）2016各站点TP浓度计算值与实测值的误差

Fig. 10. Spatiotemporal changes in sediment discharges for different fractions of: (a) fine sediment; (b) medium sediment; (c) coarse sediment; (d) proportion.

图10 不同组分泥沙量时空变化特征:（a）细沙；（b）中等沉积物；（c）粗沙；（d）占比

Fig. 11. Grain-size distributions of bed material at different stations of: (a) ZC; (b) JL; (c) LS; (d) HK. 

图11 不同站点河床粒度分布：（a）ZC；（b）JL；（c）LS；（d）HK

Fig. 12. Comparisons of the PP fluxes between the cases with or without bed-material coarsening.

图12 河床粗化与未粗化情况下颗粒态磷通量的比较

1. 提出了一种评估不同来源对河段TP通量恢复的贡献的方法。基于养分投入产出质量平衡计算磷收支，确定河道侵蚀、支流汇流和人为排放的总磷量。估算结果表明，三峡工程运行后进入长江中游的总磷浓度大幅下降，形态由PP转向 TDP。然而观察到TP通量的显著纵向恢复，2009-2018年长江中游年平均通量从1.42 kg/s增加到3.22 kg/s。此外，研究区输出的TP通量主要来自长江上游，占44%；12%、18%和26%的TP通量分别来自河道侵蚀、支流汇合和人类排放。

2. 建立了包含非均匀输沙、河床变形和磷输运三个模块的综合模型。模型考虑了河道变形过程中泥沙吸附和解吸不均匀的影响，以及河床与水体之间的磷交换。采用该模型，长江中游TP输运过程的模拟精度提高了0.5 ~ 3.1%；与均匀泥沙输运模式相比，模拟的PP浓度降低了约20%，表明级配沉积物的粒径在PP输运过程中起着重要作用。此外，由于三峡工程运行后的河床粗化过程，2015年模拟平均PP通量将减少13 ~ 1457 t/a。

1.模型改进方面，该研究考虑水-沙-污染物综合作用下的磷输移过程，包括水、沙和河床之间磷的对流-扩散、吸附-解吸过程，结合泥沙粒径效应，抓住关键因子，对沉积物吸附率、泥沙沉积和再悬浮引起的总磷在水与河床之间的交换速率、由沉积物吸附或解吸引起的溶解态和颗粒态之间的磷交换质量进行参数概化。三者耦合的数值模拟方法对于关注水土视角下不同磷形态迁移过程量化可提供参考。

2.模型应用方面，研究了沉积物对磷输移的粒径效应，发现床层粗化过程对颗粒态磷通量的影响，未来可研究长时间序列及暴雨事件影响下的河床质粒径演变，及其对磷输运过程的影响，探究是否存在床质粒径粗化阈值或阶段性变动规律。  

   文章信息

Zhou M, Xia J, Deng S, et al. Modelling of phosphorus and nonuniform sediment transport in the Middle Yangtze River with the effects of channel erosion , tributary confluence and anthropogenic emission[J]. Water Research, 2023, 243: 120304.

   DOI:

https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120304

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蒲宇 | 供稿

   林永强 | 编辑

      陈磊 | 审核