图1 平寨水库流域土地利用类型
Fig. 1 Land use type diagram in Pingzhai Reservoir Basin
北京大学学报(自然科学版) 第60卷 第2期 2024年3月
Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 60, No. 2 (Mar. 2024)
doi: 10.13209/j.0479-8023.2024.012
国家自然科学基金(42161048)和贵州省科技计划(黔科合基础[2020]1Y154)资助
收稿日期: 2023–03–25;
修回日期: 2023–08–31
摘要 为探究有机碳在深水型水库中的垂向分布特征及影响机制, 以西南喀斯特腹地平寨水库为研究对象, 在水体热力分层期间和混合期间采集不同点位和不同水层的水样, 采用数理统计、相关分析和相对水柱稳定性(RWCS)分析等方法, 分析深水型水库热力状况以及水动力差异对总有机碳(TOC)的时空及剖面分布特征的影响。结果表明, 在春季、夏季和秋季 3 个深水采样点均存在温跃层, 且温跃层厚度因季节而异; TOC 浓度变化范围为 0.44～5.65mg/L, 全年均值为 2.16±0.99mg/L, TOC 浓度的季节变化特征为夏季>冬季>春季>秋季。平寨水库 TOC 浓度对水环境的响应存在季节性差异, 夏季外源碳素入库, 秋季降雨稀释, 冬季微生物分解和沉积物再释放以及春季藻类繁殖和生物碳泵效应是导致 TOC 浓度季节变化的主要原因。不同深水点的 TOC 浓度及理化因子剖面波动幅度主要受控于 3 个不同水力特征驱动的水域。RWCS 主要影响有机碳等物质的沉降速率, 从而导致 TOC 浓度和理化因子剖面分布的差异。
关键词 总有机碳; 剖面特征; 影响机制; 岩溶水库
河流和天然湖泊筑坝对自然水资源具有全球性的影响, 大坝和水库在水资源的控制和管理中发挥着重要作用[1–2]。水库的修建使得水体滞留时间增加、养分和沉积物截留, 进而增加初级生产力, 使河流从“河流侵蚀搬运作用”逐渐变成“湖泊沉积作用”[3–5]。碳作为水体中重要的生源要素, 参与水生生态系统中大部分生物地球化学过程[6]。在反映水体碳的生源要素指标中, 总有机碳(TOC)极其重要, 是碳循环(尤其是生物碳泵过程)的主要参与者, 能全面地反映水体含碳有机物的污染状况, 水中的有机碳也是生物圈最大的活性有机碳库, 在生物地球化学过程中发挥着主要作用[7–8]。因此, 对 TOC 浓度变化机制的研究越来越引起人们的重视。
目前, 许多学者在不同水域开展了对 TOC 的研究。谢琳萍等[9]在南黄海的研究结果表明, 夏季TOC 的浓度受沿岸流影响, 在北部和南部近岸表现出相反的分布趋势。江志坚等[10]对大亚湾海水的研究结果表明, TOC 浓度的时空分布特征与环境因子密切相关。张志强等[11]发现武汉东湖 5 个湖区TOC 浓度的空间分布存在差异, TOC 主要来源于外源输入以及内源生产, 其时空分布特征与降雨、生物活动以及人类活动等因素有关。葛茜等[12]对巢湖 TOC 的研究结果表明, 春夏季节 TOC 浓度呈逐月递增趋势, TOC 浓度与叶绿素 a 显著正相关。黄明雨等[8]发现, 洱海水体中 TOC 浓度是径流输入与水体内部生物化学过程动态平衡的结果。Crapart 等[13]通过评估近 5000 个湖泊和集水区流域中 TOC浓度升高的几个主要控制因素, 利用共享社会经济路径(SSP)中两个路径预测 2050 和 2100 年海岸带流域地表径流TOC 浓度, 发现 SSP1-2.6 路径预测向近岸海域的 TOC输出总体上减少, 而 SSP3-7.0 路径预测 TOC 输出增加。于文涛等[14]通过对双台子河口有机碳的研究, 发现其 TOC 浓度明显高于国内其他河流水体, 且能反映河流有机污染状况。
综上所述, 关于水体中 TOC 的研究主要集中于海、湖泊和河流的 TOC 浓度、分布特征以及影响因素, 对水库垂直剖面上迁移转化过程的研究较少。水库作为流域内物质的汇集场所, 汇聚并埋藏着大量的碳, 是全球碳循环中的重要源与汇, 在大坝拦截和水库蓄水的共同作用下, 水库系统的碳循环机制变得更加复杂[15]。在深水型水库中常发生水体季节性分层现象, 在库区形成变温层–温跃层–滞温层“三层式”温度垂直分层结构[16–18], 严重地影响有机碳等物质的分布和扩散, 进而影响水质安全。因此, 探究水库系统季节性水温分层和水动力驱动机制下 TOC 浓度的剖面差异及影响因素尤其重要。
我国西南喀斯特地区水资源丰富, 多峡谷地貌, 是水力发电的重要区域, 水库效应显著[19]。同时, 受地上地下二元结构的影响, 地表营养物质随降水产生的径流和孔隙水经岩溶裂隙等进入河流和水库中, 造成碳素的积累。平寨水库位于中国西南喀斯特腹地, 是典型的深水型季节性分层水库[20], 由于其复杂的地形地貌、不规则的水库调度和多变的上游流量, 其水动力特征非常复杂。因此, 探究平寨水库的热分层状况和水动力驱动机制下 TOC 浓度分布特征及转化机制, 对揭示水体碳素分布特征、制定有效的水资源保护策略以及丰富水库碳循环机制和碳源汇相关研究具有重要意义。
平寨水库位于贵州省织金县、纳雍县和六枝特区的交界处, 处于长江上游南岸最大支流乌江上游三岔河流域, 是黔中水利枢纽一期工程的源头水库, 是贵州省重要的灌溉和饮用水源地之一。平寨水库由 5 条河流(纳雍河、水公河、白水河、张维河和扈家河)筑坝蓄水而成, 于 2011 年河道截流, 2015 年下闸蓄水, 具有饮用、发电、防洪和灌溉等功能。水库正常蓄水位为 1331m, 总库容量为 10.89 亿 m3, 平均水深为 80m, 上游流域总面积为 684.008km2。流域内喀斯特地貌极为发育, 峡谷深切, 喀斯特地貌区域面积占流域总面积的 74.36%, 岩石类型以二叠系和三叠系灰岩、白云质灰岩和白云岩为主。土地利用类型为耕地和林地, 其次为草地、建设用地和未利用地(图 1)。受区域岩性及作物栽培习惯影响, 种植作物以玉米和马铃薯为主, 施用化肥主要为复合肥和尿素。平寨水库以河流径流和降水补给为主, 地下水补给为辅。流域内为亚热带湿润型季风气候, 夏季高温多雨, 冬季温和少雨, 多年平均降水量为 1089.6mm, 年均气温为 14℃。
图1 平寨水库流域土地利用类型
Fig. 1 Land use type diagram in Pingzhai Reservoir Basin
图2 采样点分布
Fig. 2 Distribution of sampling points
如图 2 所示, 在平寨水库的纳雍河段回水区设置 NY 采样点, 在白水河、张维河和扈家河 3 条入库河流交汇处设置 SG 采样点, 在坝前水域设置PZ 采样点, 分别进行深水采样, 并在入库河流上游和河流交汇处进行水体采样, 以便探究 TOC 来源。分别于夏季(2019 年7 月)、秋季(2019 年 9 月)、冬季(2020 年 1 月)和春季(2020 年 5 月)使用卡盖式深水采样器采集垂直剖面水样, 采样深度为 0.5, 10, 20, 30, 40, 50 和 60m。采用 MULTI 3430 便携式多参数水质分析仪器(德国 WTW 公司)现场同步测定水温(WT)、酸碱度(pH)、电导率(EC)和溶解氧(DO), 测定前校准仪器, 测试精度分别为 0.01℃、0.001pH 单位、1μs/cm 和 0.01mg/L。采用 TOC-LCPH/CPN 总有机碳分析仪(日本岛津公司)测定水样的 TOC 浓度, 检测方法为燃烧氧化–非分散红外吸收法, 检测精度为 0.001mg/L。叶绿素 a (Chl-a)依据《水质叶绿素 a 的测定分光光度法》进行测定和浓度计算。
RWCS(relative water column stability)是一个无量纲的参数, 表示相对水柱稳定性, 用来反映水体热分层程度和水动力条件[21–24], 计算公式为
(1)
式中, ρd2 与 ρd1 分别为特定深处水体密度(kg/m3)和表层水体密度(kg/m3), ρ4 和 ρ5 分别为 4℃和 5℃时的纯水密度(kg/m3)。在任何给定温度下, 水的密度可以根据式(2)[25]进行计算:
(2)
式中, T 表示实际水温, ρT 表示温度为 T 时水的密度(kg/m3)。
3 个采样点的剖面水温季节变化特征相似, 在夏季、秋季和春季均存在明显的温度分层(图 3)。根据现有文献中对温跃层的定义[24,26–27], 水温梯度超过0.2℃/m 的水层为温跃层, 温跃层以上为变温层, 温跃层以下为滞温层。如图 3 所示, 平寨水库在春季、夏季和秋季存在温跃层, 温跃层厚度因季节而异。夏季温跃层出现在水深 10～30m 范围内, 水温从水体表层的 25.62℃下降到水深 30m 处的14.16℃, 水温梯度为 0.382℃/m, 温跃层厚度为 20m。水体的比热容较大, 温跃层在秋季得以延续, 并且厚度增加至 30m。冬季气温下降, 水体表层吸收的热量减少并开始降温, 表层水密度增大并开始下潜, 水体垂向温差缩小, 热分层开始削弱并在冬季完全消退, 上下层水体呈现混合状态。随着春季气温逐渐回暖, 水库表层水体开始受热并逐渐呈现水温分层, 又逐渐形成分层结构, 温跃层出现在水深 10～ 20m 范围内, 厚度为 10m。
研究表明, RWCS>50 时, 水体存在热分层[22]。为进一步探究平寨水库水体热分层稳定程度, 对其 RWCS 进行分析, 结果如图 4 所示。可以看出, 平寨水库 3 个采样点的 RWCS 呈现明显的季节差异, 与水温的剖面变化特征相似, RWCS 平均值夏季>秋季>春季>冬季。夏季, RWCS 平均值最高(266.15±65.03), 表明此时水库分层结构稳定且成熟。秋季, 图 4 中箱体整体开始下移, 表明水体翻转过程的开始, 但此时水温分层仍较为稳定。冬季, 水库 RWCS 平均值最低(26.21±16.16), 上下层水体明显混合, 分层消失。春季 RWCS 明显大于 50, 水体热分层开始形成。
图3 平寨水库水温剖面分布图
Fig. 3 Water temperature profile of Pingzhai Reservoir
图4 平寨水库RWCS的时空变化箱线图
Fig. 4 Boxplot spatial-temporal variation of RWCS in Pingzhai reservoir
平寨水库理化参数剖面特征如图 5 所示。水体pH 值季节变化明显(图 5(a)～(c)), pH值变化范围为7.50～9.03, 均值为 7.9±0.39, 表现为弱碱性。热分层期间, 表层水体 pH 值较高, 随着水深增加到 10m, pH 值呈降低趋势, 最终达到稳定状态。EC 沿水深方向出现明显分层现象(图 5(d)～(f)), 其值变化范围为 268～466μS/cm, 均值为 413±44.34μS/cm, 表层水体 EC 较低, 季节特征表现为秋季>夏季>春季>冬季, 受热分层影响, EC 在春季和秋季热分层稳定时期 10～40m 水深处出现明显波动。DO 浓度变化范围为 0.53～11.37mg/L, 均值为 5.20±2.78mg/L(图5(g)～(i)), DO 浓度剖面呈现季节性分层现象, 除夏季外, 均在深层水体中监测到 DO 浓度低于 5mg/L的标准限值, 会形成厌氧环境[28]。Chl-a 浓度变化范围为 0.06～15.08mg/L, 均值为 3.42±3.27mg/L(图5(j)～(l)), 受水生生物活动及季节变化的影响, Chl-a浓度的垂向分布存在差异, 但整体上呈现随深度增加而波动性降低的趋势, 表明上层水体中生物活动较为强烈, 下层水体中光合作用较弱, 生物活动受到限制。
如图 6 所示, 3 个采样点 TOC 浓度表现出明显的季节性变化, 变化范围为 0.44～5.65mg/L, 全年均值为 2.16±0.99mg/L, TOC 平均浓度为夏季>冬季>春季>秋季。空间上, NY 采样点的 TOC 平均浓度最高, SG 采样点最低。
3 个采样点的 TOC 浓度剖面特征如图 7 所示。从总体上看, 夏秋季节 TOC 浓度变化较大, 此时也是热分层稳定存在的时期。空间上, NY 和 SG 采样点的TOC 浓度在剖面上波动较为剧烈, 位于水库坝前水域的 PZ 采样点除夏季有小幅度波动外, 其余季节TOC 浓度的垂向变化较为平缓。
河流筑坝和水库蓄水增加了水体滞留时间, 改变了原始河流的基本水力特征和流动特性, 最终导致一系列水化学参数的变化[10,12,29–32]。在热分层影响下, TOC 浓度和水化学参数在垂直方向都出现不同程度的分层。为了直观地探究 TOC 浓度的影响因素, 本文将水体中 TOC 与 WT, pH, DO, EC 和 Chl-a 等水化学参数做相关性分析, 结果如表 1 所示。
图5 平寨水库pH, EC, DO和Chl-a的剖面分布
Fig. 5 Distribution of pH, EC, DO, and Chl-a profiles of Pingzhai Reservoir
图6 平寨水库TOC时空分布
Fig. 6 Spatial and temporal distribution of TOC in Pingzhai Reservoir
图7 平寨水库各采样点TOC剖面分布
Fig. 7 Distribution of TOC profile at each sampling point in Pingzhai Reservoir
表1 平寨水库TOC与理化参数的相关性分析
Table 1 Correlation analysis of TOC and physicochemical parameters in Pingzhai Reservoir
理化参数夏季秋季冬季春季rPrPrPrP WT0.1740.4510.3900.0810.5040.0810.8990.000 pH0.2450.2840.5720.0070.4280.0070.8550.000 EC–0.1290.577–0.5200.016–0.2670.016–0.7960.000 DO0.2820.2160.5680.0070.4650.0340.7410.000 Chl-a–0.0560.8110.0450.8480.5610.0080.5760.006
在冬季和春季, TOC 与 WT 正相关。研究表明, WT 通过间接方式影响 TOC 的浓度, WT 的变化可以影响浮游生物初级生产以及有机物分解和腐烂速率, 也可以促进土壤中 TOC 释放进入水体, 导致水体中TOC 浓度增加, 有机碳埋藏速率和矿化速率也随 WT 的升高而增加[15,32–34]。
随着气温升高, 光照变强, WT 升高, 藻类和微生物大量地繁殖[8], 浮游生物通过光合作用直接利用水中的 CO2, 导致表层水体的 pH 值升高, 此时浮游生物通过光合作用将溶解无机碳(DIC=CO2+
)转化为有机碳的过程, 即为生物碳泵效应[30,35–36], 岩溶碳汇过程为 H2O+CaCO3+CO2→ Ca2++
→CaCO3 +x(CO2 +H2O)+(1-x) (CH2O+O2)。随着水深增加, WT 降低, 光照强度减弱, 浮游生物以呼吸作用为主, 产生 CO2, 使 pH 值降低, pH值的变化影响水中有机质的生产和分解等化学过程, TOC 浓度随之变化。因此, 平寨水库春季和秋季水体 pH 值和 TOC 浓度均呈现随水深增加而降低的趋势, 同时 pH 值与 TOC 浓度显著正相关。
水体的 EC 常用来度量水环境中离子的总浓度或含盐量, 与水体类型、离子浓度和离子种类等有关[11,37]。平寨水库作为岩溶型水库, 有着地上地下二元结构的特殊地质构造, 其地表径流、壤中流和地下暗河补给携带较多的溶解性物质, 离子浓度较高, EC 通常表现为高值。平寨水库中阴阳离子种类主要为
和 Ca2+[20]。热分层期间, 表层水体 pH值偏高, 水体中的 CO2 主要以 形式存在, 浮游生物利用 生成有机质和氧气, 降低 EC 和浓度(表层水体中较低的 EC 更适宜浮游植物的生长[38]), 进而增加 TOC 浓度。由于 EC 与 TOC增加的机制相反, 导致 EC 在秋季和春季与 TOC 显著负相关。
Chl-a 是浮游生物进行光合作用的主要色素, 表征水域初级生产者浮游植物的生物量和生产能力[14]。DO 浓度是光合作用强度的敏感指标和有机碳分解的调节器。研究水体时往往采用 Chl-a 和 DO浓度来表征生物量和生物碳泵效应强度[39]。从表 1 可以看出, 本研究中, DO 与 TOC 在秋、冬、春季显著正相关, 表明溶解氧和浮游植物生物量与TOC 浓度相互影响。
水库水体中的 TOC 一般包括内源性 TOC 和外源性 TOC。研究表明, 内源性 TOC 主要来自浮游生物初级生产、细菌光化学以及底泥沉积物中的有机物向水体扩散; 外源性 TOC 来自土壤、肥料、动物粪便、陆生植物、生活和工业污水以及大气降 水[8,11,29–30,33,40]。
从平寨水库表层水体 TOC 浓度的季节分布(图8)可以看出, 纳雍河春季和夏季水体中 TOC 浓度明显高于其他入库河流。从图 1 可以看出, 平寨水库流域的土地利用以耕地和林地为主, 其中耕地占研究区总面积的 43.9%。种植作物主要为玉米和马铃薯, 化肥施用时间集中在 4—7 月。2018 年纳雍河流域化肥施用量为 7840.55t, 占总量的 46.78%, 流域生活污水和畜禽粪尿排放总量分别为 2246.00t和 46.02 万 t, 其中纳雍河流域排放量最多, 分别占排放总量的 46.71%和 36.71%[41]。
由于纳雍河流域建设用地集中, 人口密集, 生活污水和畜禽粪尿污染量相对较高, 加上夏季采样前流域降水较多(图 9), 在降水冲刷作用下, 污水直接流入河道, 使得外源性 TOC 输入量升高, 加上降水淋溶使当地 6 月中下旬玉米追肥等农业过程中残留在土壤中的化肥随地表径流入库, 也会导致水体TOC 浓度升高。受到高浓度外源性 TOC 入库影响,水库 TOC 剖面浓度显著增加, 导致夏季 TOC 与水体内部理化因子无明显的相关性。
秋季, 采样前流域内发生过强降水事件, 水库地表径流和地下水补给较多, 水库稀释作用大于累积作用, 导致 TOC 浓度明显低于其他季节, 这与张志强等[11]、杨平等[15]、李凯等[30]和俞佳等[42]的研究结果一致。
冬季, 浮游生物光合作用固碳能力较弱, 水体处于混合状态, 库区表层水体 TOC 浓度明显低于其他季节, 但 TOC 剖面浓度较高。这是由于水体混合, 表层沉积物上涌, 加上采样时常见枯枝落叶等悬浮物, 细菌微生物分解植物残枝不完全, 向水体释放部分含碳物质[43], 引起部分水层内源性 TOC浓度相对增加。
春季, 气温回暖, 光照变强, 水温分层结构逐渐形成, 表层浮游生物开始大量繁殖导致库面 TOC浓度升高; 深层水体生物活动弱, 地表径流和地下暗河补给少, TOC 剖面浓度较低且稳定。虽然纳雍河上游水体中 TOC 浓度明显升高, 但由于流域人类活动对库区水质污染的影响存在滞后性, 使得春季库区 TOC 浓度主要受控于表层水体的生物碳泵效应, 这与张志强等[11]和张金华等[44]发现 TOC 浓度在春季表层水体中显著增加的研究结果一致。
图8 平寨水库表层水体TOC浓度的季节分布
Fig. 8 Seasonal distribution diagram of TOC concentration in Pingzhai Reservoir
图9 研究期间平寨水库降水量和气温
Fig. 9 Precipitation and air temperature in Pingzhai Reservoir during the study period
平寨水库 NY 和 SG 采样点的 TOC 浓度从表层到底层的波动幅度较为剧烈, 而 PZ 采样点的波动幅度较小, 这表明平寨水库 TOC 浓度的时空变化不仅受内外碳源控制, 还与地理位置有关。
水库从河流入库处到大坝, 一般分为河流区、过渡区和湖泊区 3 个不同水力特征驱动的区域[5]。SG 采样点位于张维河、白水河和扈家河 3 条入库河流交汇的河流区, 水道相对较窄, 水深较浅且流速较快, 使得 SG 采样点水体的理化参数和 TOC 剖面浓度的季节波动较大, TOC 平均浓度最低。NY采样点位于过渡区, 水宽且深, 水体流速较缓, 输入营养盐和 TOC 浓度相对较高, 浮游生物大量繁殖, 生物碳泵效应显著, 导致 TOC 平均浓度高于SG 和 PZ 采样点。PZ 采样点位于水库坝前湖泊区, 水体流速最慢, 在较缓的水动力条件下, TOC 浓度剖面变化趋势较为平缓, 利于有机碳在库区沉降和埋藏。
平寨水库水体季节性热分层会导致水体 RWCS的差异。研究表明, RWCS 越高表明水体越稳定, 水体热分层越强烈; RWCS 越低意味着水体稳定性越差, 水力扰动作用越明显[21–22]。平寨水库春、夏、秋、季 3 个采样点的 RWCS 均表现为高值, 水体热分层结构稳定。在变温层中, 浮游生物通过光合作用固定 DIC 来增加 TOC 浓度。但是, 由于较高的RWCS 阻碍了上下水体的垂直交换, 水体中的密度差使 TOC 在相对深处累积[45], 导致 TOC 在温跃层上界浓度明显增加, 并进行部分矿化分解, 产生DIC。在温跃层中, DO 浓度和 WT 较低, 部分有机质厌氧降解和微生物呼吸会降低 TOC 浓度, 增加DIC 浓度, 反应过程为 CH2O+O2→CO2+H2O。在滞水层中, DO 浓度和 pH 值较低, EC 较高, 说明有机质在缺氧条件下分解产生 DIC 和部分离子, 造成TOC 浓度降低。混合期间, RWCS 最低, 水力扰动作用强烈, 底层水体上涌, 使得表层沉积物再悬浮进入水体, 部分有机质耗氧降解, 反应过程为 C6H12 O6 +6O2→ 6CO2+6H2O。但是冬季 TOC 剖面平均浓度相对较高, 说明沉积物再悬浮释放 TOC 的速率高于 TOC 耗氧降解的速率。
综上所述, 河流筑坝增强了碳的生物地球化学循环, 水库演化形成自身碳固定、沉降和有机碳埋藏模式(图 10)。水库有机碳循环主要由浮游生物光合作用固定无机碳, 在外源碳和营养盐输入影响下, 在水体内部进行迁移转化并沉降。然而, 水库季节性分层和水动力驱动机制差异会直接影响水库有机碳循环模式, 导致 3 个深水点的 TOC 剖面特征和水体理化参数在同一时期表现出不同的状态。在热分层作用下, RWCS 会影响有机碳的沉降速率, 从而导致 TOC 浓度剖面分布差异。
本研究通过数理统计、相关分析和 RWCS 等方法, 分析平寨水库的热状况以及水动力驱动机制下 TOC 浓度的分布特征及转化机制, 阐明季节性分层、理化参数及环境因子对 TOC 浓度剖面特征的控制及影响, 主要结论如下。
图10 筑坝水库碳循环示意图
Fig. 10 Schematic diagram of the carbon cycle of the dam-built reservoir
1)春季、夏季和秋季, 3 个采样点均存在温跃层, 且温跃层厚度因季节而异。TOC 浓度变化范围为 0.44～5.65mg/L, 全年均值为 2.16±0.99mg/L, TOC浓度的季节特征为夏季>冬季>春季>秋季。空间上, NY 和 SG 采样点的 TOC 浓度在剖面上的波动较为剧烈, 而位于水库大坝前端的 PZ 采样点的 TOC 浓度垂向波动较为平缓。
2)夏季外源碳素入库降低了库区水体 TOC 与理化因子的响应程度, 呈现无相关性, 秋季降雨稀释, 冬季微生物分解、沉积物再释放以及春季藻类繁殖、生物碳泵效应是导致 TOC 浓度季节性变化的主要原因。SG, NY 和 PZ 采样点的 TOC 浓度及理化因子剖面波动幅度主要受控于 3 个不同水力特征驱动的水域。
3)水库有机碳循环主要由浮游植物光合作用固定无机碳, 在外源碳和营养盐输入影响下, 在水体内部进行迁移转化并沉降。RWCS 主要影响有机碳等物质的沉降速率, 从而导致 TOC 浓度和理化因子的剖面分布差异。
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Distribution Characteristics and Influence Mechanism of Total Organic Carbon Profile in Karst Reservoir
Abstract In order to explore the vertical distribution characteristics and influence mechanism of organic carbon in the deep water reservoir, taking the southwest karst hinterland reservoir (Pingzhai Reservoir) as case study, water samples were collected at different points during thermodynamic stratification and mixing periods, using mathematical statistics, correlation analysis, relative water column stability (RWCS), to analyze the influence of thermal conditions and hydrodynamic differences on the spatiotemporal and cross-sectional distribution on total organic carbon (TOC). The results show that the thermocline is present in spring, summer and autumn, and the thermocline thickness varies by season. TOC concentration is 0.44–5.65 mg/L, and the annual mean value is 2.16± 0.99 mg/L. The seasonal variation pattern of TOC concentration is summer>winter>spring>autumn. There is the seasonal difference of the response between TOC and water environment in Pingzhai Reservoir. Exogenous carbon storage in summer, autumn rainfall dilution, microbial decomposition and sediment release in winter, and algae propagation, biological carbon pump effect in spring are the main causes of the seasonal change of TOC concentration. The fluctuation amplitude of TOC and physicochemical factor profiles in different deep water points are mainly driven by three different hydraulic characteristics. RWCS mainly affects the sedimentation rate of substances such as organic carbon, which results in the difference of TOC concentration and physicochemical factor profile distribution.
Key words total organic carbon; profile features; influence mechanism; karst reservoir