【摘要】：水是自然環(huán)境、人類及水生生態(tài)系統(tǒng)的必要資源。由于人口快速增長、土地使用變化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及氣候變化,全球淡水資源愈發(fā)受到水質(zhì)污染及水資源過度使用的威脅。對大多數(shù)發(fā)展中國家來說,農(nóng)業(yè)等與水相關(guān)的行業(yè)是其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè),水量短缺及水質(zhì)污染問題比較突出。此外,發(fā)展中國家多數(shù)地區(qū),尤其是農(nóng)村地區(qū),使用未經(jīng)處理的河水用作飲用水及其他家庭活動。坦桑尼亞是發(fā)展中國家中面臨水量短缺及水質(zhì)問題的國家之一。潘加尼河流域是坦桑尼亞重要的流域之一,該流域有約600萬人聚居,人們使用潘加尼河水用于農(nóng)業(yè)灌溉、家庭生活、工業(yè)生產(chǎn)及水力發(fā)電。潘加尼河水體營養(yǎng)物質(zhì)的含量呈逐年增加趨勢,而水質(zhì)則逐年下降。另一方面,水量的減少與降雨量的減少有關(guān)。因此,面對氣候變化、人口增長、農(nóng)業(yè)及工業(yè)發(fā)展等當(dāng)前全球性的挑戰(zhàn),人類對水的需求量很可能會增加,而水量短缺及水質(zhì)污染的問題也將更加突出,這也將對人類及水生生態(tài)系統(tǒng)的健康產(chǎn)生影響。為了評估與水量及水質(zhì)相關(guān)的健康風(fēng)險,研究水體營養(yǎng)鹽濃度及水量、水質(zhì)的影響因素顯得尤為重要,這將有助于對水資源進(jìn)行科學(xué)管理、幫助實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。鑒于此,本論文調(diào)查并研究了潘加尼河流域水體中營養(yǎng)鹽、有機(jī)碳、痕量元素的濃度及流域水量和水質(zhì)的影響因素。分別于2014年10月(旱季)、2015年6月(雨季結(jié)束后不久)、2016年5月(雨季)對河流、地下水及河流水體懸浮顆粒物進(jìn)行了取樣調(diào)查,以期獲取有關(guān)河流在旱季-雨季周期變化中的行為信息。此外,本研究采集了流域C3(水稻、草)和C4(玉米、甘蔗)植物的葉片,用于分析其δ~(13)C同位素組成。顆粒有機(jī)碳(POC)、尿素、常量離子、金屬元素、有機(jī)及無機(jī)營養(yǎng)鹽(N,P,C)、溶解硅酸鹽(DSi)、穩(wěn)定同位素δ~(18)O、δ~2H、~(87)Sr/~(86)Sr等參數(shù)在華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點實驗室測定獲得。使用多參數(shù)水質(zhì)儀(Multi 350i Set 5,德國)現(xiàn)場測定水體溫度、鹽度、pH、電導(dǎo)率、溶解氧(DO)濃度等參數(shù)。使用Skalar SAN~(plus)營養(yǎng)鹽自動分析儀測定硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨、磷酸鹽、溶解硅酸鹽濃度。使用UV-VIS分光光度計在520nm波長下分析尿素濃度。使用同位素比值質(zhì)譜儀(DeltaPlus XP,Thermo Finnigan)分析δ~(18)O和δ~2H組成。使用Dionex離子色譜儀(ICS-2000)分析常量離子濃度。使用多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Neptune,Thermo)分析鍶同位素組成。使用元素分析儀(Finnigan EA 1112)分析POC濃度和δ~(13)C組成,使用總有機(jī)碳分析儀(Shimadzu,日本)分析DOC濃度。使用高分辨率電感耦合等離子體質(zhì)譜(Element II,Thermo)分析金屬元素濃度。研究結(jié)果表明,潘加尼河流域淡水電導(dǎo)率≤1500μS/cm,均隨海拔降低而增加。各季節(jié)平均水溫為22.9℃,最高和最低平均水溫分別出現(xiàn)在2016年5月(23.9±4.2℃)和2015年6月(21.1±3.43℃),溫度從低地向高地呈下降趨勢。整體上看,潘加尼河水體pH呈堿性,但2016年pH平均值高于2014年�？臻g分布上,部分采自乞力馬扎羅山和地下水的樣品呈弱酸性,其余站點呈中性至堿性。除Jipe湖、Ruvu河、及Nyumba ya Mungu水庫底層水外,大多數(shù)采樣站位水體溶解氧濃度≥5mg/L。水體δ~(18)O、δ~2H同位素與流量、氣象數(shù)據(jù)關(guān)系穩(wěn)定,表明潘加尼河流域河水水量主要源于降水,而乞力馬扎羅山冰川的貢獻(xiàn)不顯著,因此河流徑流量在雨季增加,在旱季則減少。潘加尼河向印度洋輸出徑流量為8.8-33.2 m~3/s,平均值為15.1 m~3/s,低于印度洋周邊大多數(shù)熱帶河流的徑流量。過去三十年間降雨量的減少是造成潘加尼河流域水量減少的原因之一。評估表明Nyumba Ya Mungu水庫的水體停留時間長達(dá)18個月,氣候資料顯示潘加尼河流域平均蒸發(fā)率約為5.3mm/d。Nyumba ya Mungu水庫較長的水體停留時間、流域高蒸發(fā)率及降雨量的減少是潘加尼河流域水量減少的主要因素。潘加尼河上游水文研究表明,Kikuletwa河是水庫的主要水源,主要來自乞力馬扎羅山的貢獻(xiàn)。Kikuletwa河周邊區(qū)域有大量的灌溉需求,這也是造成潘加尼河徑流量降低的人為因素之一。未來,全球變暖預(yù)計會提高海面溫度,這可能會增加潘加尼河流域的降雨量及相應(yīng)徑流量。盡管如此,人口、農(nóng)業(yè)及工業(yè)活動的增加也將增加用水需求。因此,需要采取管理措施來確保用水的可持續(xù)性,例如在雨季儲存水以便在枯水季節(jié)使用,使用滴灌系統(tǒng)等智能灌溉措施,種植谷類等抗旱植物以減少用水需求,保護(hù)河流、泉水等水源地以確保可持續(xù)性的水供給。通過制定法律來減少用水者之間的沖突,明確各利益相關(guān)方的水資源配額。投資及開發(fā)地下水也有助于減少對地表徑流的依賴。水體常量離子分析結(jié)果表明,潘加尼河流域水體為NaHCO_3型,總?cè)芙夤腆w含量為中等水平。潘加尼河水的化學(xué)組分受巖石風(fēng)化影響為主,大氣與人為輸入影響較小。風(fēng)化速率平均值為57.8 mmol/km~2/yr,旱季和雨季分別為66.1mmol/km~2/yr和49.5 mmol/km~2/yr。旱季風(fēng)化速率高,表明溫度與風(fēng)化速率呈正相關(guān),而降雨量呈負(fù)相關(guān)。海拔高度、pH、地質(zhì)條件也是影響風(fēng)化速率的因素,pH增加將導(dǎo)致風(fēng)化速率增加。盆地形態(tài)對風(fēng)化速率影響較大,高濃度常量離子主要來源于下游的貢獻(xiàn)。下游風(fēng)化速率較高主要與此處地勢平緩及細(xì)粒徑土壤的淋洗有關(guān),而上游陡峭的地形降低了風(fēng)化速率。潘加尼河的風(fēng)化速度比大多數(shù)熱帶河流要低,低徑流量及高穩(wěn)定性的新生火山巖是風(fēng)化速度較低的原因。潘加尼河流域風(fēng)化主要受碳酸鹽風(fēng)化作用影響,其次是硅酸鹽風(fēng)化影響。潘加尼河水體Sr濃度高于全球平均水平,而~(87)Sr/~(86)Sr水平低于全球平均水平。低~(87)Sr/~(86)Sr值表明潘加尼河流域的風(fēng)化主要受火山巖的控制。~(87)Sr/~(86)Sr從上游到河口呈增加趨勢,表明巖石的年齡從上游到河口是在增長的。季節(jié)變化表明,旱季風(fēng)化速率的增加以及蒸發(fā)作用導(dǎo)致枯水期常量離子濃度的增加,雨季風(fēng)化速度降低及稀釋作用導(dǎo)致主要離子水平下降。潘加尼河流域的溶解硅酸鹽平均濃度為615.7μM,高于流域內(nèi)其他無機(jī)營養(yǎng)鹽,也高于世界大多數(shù)熱帶河流營養(yǎng)鹽水平。富含硅酸鹽礦物質(zhì)的火山巖是潘加尼河流域高DSi濃度的主要影響因素之一。潘加尼河流域高濃度的DSi有利于硅藻的生長。營養(yǎng)鹽的空間分布表明,下游比上游營養(yǎng)鹽含量更高。季節(jié)變化表明,氮和磷濃度水平在雨季更高,而DSi則在旱季更高。潘加尼河流域氮、磷濃度水平高于原始水平,表明受到人為輸入的影響。潘加尼河無機(jī)氮、磷含量高于有機(jī)氮、磷含量。高濃度的無機(jī)營養(yǎng)鹽表明大部分營養(yǎng)鹽來自農(nóng)業(yè)化肥的使用、工業(yè)及生活廢水的排放。雨季磷、氮濃度的增加與河水匯集點源及非點源污染物有關(guān)。降雨、溫度、人為活動是調(diào)節(jié)潘加尼河流域營養(yǎng)鹽濃度的主要因素。痕量金屬元素(Pb、Al、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn)分析結(jié)果顯示,其變化趨勢與常量離子、營養(yǎng)鹽的變化趨勢相似,從上游向下游呈增加趨勢。各金屬元素主要以顆粒態(tài)形式存在,巖石是各金屬元素的主要來源。氧化還原反應(yīng)控制的生物地球化學(xué)過程、pH、DOC、電荷作用影響了潘加尼河流域金屬元素的空間分布。沉積物組成包括黏土、粉砂和砂,下游沉積物中粘土和粉砂所占比例高于上游。Nyumba ya Mungu水庫是影響上游到下游水及營養(yǎng)鹽流動的人類活動的產(chǎn)物之一。該水庫截留效率的變化范圍為20%-90%,高截留率及長停留時間導(dǎo)致水庫成為營養(yǎng)鹽、有機(jī)碳及金屬元素的匯,影響這些物質(zhì)從河流上游到下游的正常輸送。Nyumba ya Mungu湖截留營養(yǎng)鹽是水體溶解氧濃度降低的原因之一,水庫表層和底層水體DO濃度分別為7.82和0.78 mg/L。底層水中的缺氧狀況會對水生生物造成不利的影響。有機(jī)碳和碳同位素數(shù)據(jù)表明,該盆地的碳主要來源于外部輸入的C3植物,而湖泊內(nèi)則有自生源的影響。降雨、溫度、土壤及海拔是影響有機(jī)碳空間分布及季節(jié)分布的主要因素。DOC和POC濃度從上游到下游逐漸增大。潘加尼河流域向印度洋輸送營養(yǎng)鹽、有機(jī)碳、金屬元素的通量低于大多數(shù)熱帶河流。低通量與低風(fēng)化速率、低徑流量、水庫截留及低人為輸入有關(guān)。水質(zhì)指標(biāo)表明,潘加尼河流域大部分采樣站位的水質(zhì)情況較好,能滿足人類及水生生態(tài)系統(tǒng)的使用。上游大部分站位的水質(zhì)為好和極好,而下游站點為好和中等,大多數(shù)站位地下水水質(zhì)為好和極好。Maji ya Chai河是唯一一個水質(zhì)差、不符合人類及水生生態(tài)系統(tǒng)使用的站位。盡管大多數(shù)站位水質(zhì)較好,但未來人口增加、流域內(nèi)農(nóng)業(yè)及工業(yè)活動會對水質(zhì)產(chǎn)生影響。本研究建議加強(qiáng)監(jiān)測頻率,以便為管理需求獲取和積累可靠信息。為了降低土壤侵蝕程度及農(nóng)業(yè)區(qū)向河流排放營養(yǎng)鹽的通量,建議減少森林砍伐、不合理的化肥使用及落后的耕作方式。
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X52;X171.1


本文編號：2797904