貴州高原紅楓湖水庫季節(jié)性分層的水環(huán)境質(zhì)量響應(yīng)

夏品華,林 陶,李存雄,薛 飛,張邦喜,蔣 瑤 (貴州師范大學(xué)貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護重點實驗室,貴州 貴陽 550001)

貴州高原紅楓湖水庫季節(jié)性分層的水環(huán)境質(zhì)量響應(yīng)

夏品華,林 陶,李存雄*,薛 飛,張邦喜,蔣 瑤 (貴州師范大學(xué)貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護重點實驗室,貴州 貴陽 550001)

為了揭示貴州高原深水水庫水體的垂直分層結(jié)構(gòu)及其水環(huán)境質(zhì)量響應(yīng)特征,于2008年8月～2009年10月對紅楓湖水庫5個采樣點進行了 45次采樣,對水文、營養(yǎng)鹽等湖沼學(xué)變量季節(jié)動態(tài)和分布進行了分析,探討了季節(jié)性水質(zhì)惡化事件的發(fā)生機制.結(jié)果表明,紅楓湖水庫水體呈單循環(huán)混合模式,在4～9月形成分層,但沒有典型分層湖泊的溫躍層變化,這種不顯著的分層導(dǎo)致了水化學(xué)的分層.葉綠素a、總磷、總氮和氨氮平均值分別為13.6mg/m3,0.063mg/L,1.22mg/L,0.347mg/L;透明度為1.9m.指示該水庫處于中-富營養(yǎng)狀態(tài).分層期底層溶解氧在0.3～6.9mg/L之間、平均為2.6mg/L,氮磷質(zhì)量比在8～104之間,表明紅楓湖水庫是一個底層滯留帶季節(jié)性缺氧的高氮、磷限制型水庫.貴州高原深水水庫季節(jié)性水質(zhì)惡化事件與水體分層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)有關(guān),是富營養(yǎng)化水庫在氣溫驟降時發(fā)生“翻湖”所導(dǎo)致的結(jié)果,也是貴州高原深水水庫富營養(yǎng)化的另一種表現(xiàn)形式.

水體分層；水質(zhì)惡化；富營養(yǎng)化；紅楓湖水庫；貴州高原

通常水庫的建成會對水環(huán)境系統(tǒng)會產(chǎn)生多方面的影響[1].水庫中水文情勢的改變,使水庫環(huán)境性質(zhì)及作用過程逐漸表現(xiàn)為自然湖泊的特征,發(fā)生水體分層等所謂“湖沼學(xué)反應(yīng)”.但由于水庫還具有水量人為調(diào)節(jié)等特點,因此有研究者提出了流域水環(huán)境研究的“水庫湖沼學(xué)”概念[2].湖沼學(xué)特征是水庫保護與管理政策制定的基礎(chǔ)依據(jù)

[3-5].水體熱分層等所謂“湖沼學(xué)反應(yīng)”控制著水體中諸多生物、化學(xué)和物理的過程[6].

目前,水庫生態(tài)學(xué)還未能形成較為系統(tǒng)的理論,已有的水庫生態(tài)學(xué)僅在歐洲高緯度地區(qū)有相對完善的研究.水庫水質(zhì)管理主要是借用高緯度地區(qū)湖泊研究的結(jié)果與管理經(jīng)驗[7].在水庫/湖泊環(huán)境研究方面,多數(shù)研究者主要關(guān)注藻華形成的原因、沉積物中氮磷和藻毒素的時空分布等[8-16].關(guān)于湖泊水庫突發(fā)性水質(zhì)惡化事件的研究鮮見報道[17].為探究貴州高原深水水庫分層結(jié)構(gòu)與高緯度地區(qū)是否存在明顯的差異,水體分層對水環(huán)境質(zhì)量有何影響,本研究以建成運行了50余年的貴州高原紅楓湖水庫為對象,考察該水庫的水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀、水體熱分層結(jié)構(gòu)特征、探討水體分層與水質(zhì)突發(fā)性惡化的關(guān)系,以期弄清貴州高原水庫周期性水質(zhì)惡化的發(fā)生過程與機制,為水庫水質(zhì)管理提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 水庫概況和采樣點

紅楓湖水庫(26°26′～26°36′N, 106°19′～106°28′E)地處貴州高原中部烏江支流貓?zhí)由嫌?水面面積 57.2km2,最大水深 45m,平均水深10.52m,總庫容6億m3,滯留時間為0.325a,補給系數(shù)26.1,流域面積1551km2.該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候帶,年均氣溫14.06℃,無霜期達287d,年均降雨量1176mm.該水庫承擔(dān)著城市飲用水、發(fā)電、灌溉、防洪等多種功能,也是國務(wù)院批準(zhǔn)的國家級風(fēng)景名勝區(qū)[8].20世紀(jì) 90年代初以來,紅楓湖水庫水質(zhì)就由初期的II類變?yōu)镮II～V類,出現(xiàn)藍(lán)藻水華等富營養(yǎng)化現(xiàn)象,常發(fā)生季節(jié)性的水質(zhì)惡化事件.

2008年8月至2009年10月,在紅楓湖水庫設(shè)置5個采樣點(圖1),分別為南湖主要來水河流匯合處南湖湖心S1(26°28′607″N, 106°23′521″E)、水深約 10m;原網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)和電廠排水匯合處南湖后午S2(N26°29′265″N, 106°24′668″E)、水深約15m;南湖與北湖交界處花魚洞 S3(26°31′474″N, 106°25′388″E)、 水 深 約 25m;水 庫 大 壩S4(26°32′997″N, 106°25′327″E)、水深約30m;北湖主要河流入口 1256島 S5(26°32′891″N, 106°23′688″E),水深約 10m.逐月多次采樣,每個采樣點分(表層(0.5m),中層(6～10m)和底層(0.5m)取樣.氣象和水位數(shù)據(jù)分別由清鎮(zhèn)市氣象局與貴陽市兩湖一庫環(huán)境保護監(jiān)測站提供.

圖1 紅楓湖水庫采樣點示意Fig.1 Map of sampling sites in Hongfeng Reservoir

1.2 樣品分析方法

理化指標(biāo)按文獻[18]方法測定[18].透明度(SD)用塞氏羅盤現(xiàn)場測定、溶解氧(DO)和溫度(T)用溶氧儀測定(HQ30,美國哈希);玻璃電極法測定pH值;納氏試劑比色法測定氨氮(NH4+-N);鉬酸銨分光光度法測定總磷(TP);堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定總氮(TN).葉綠素a采用改進的反復(fù)凍融、丙酮浸提測定[19].變溫層水溫以0.3℃/m降低的標(biāo)準(zhǔn)進行熱分層結(jié)構(gòu)劃分[20].

1.3 富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算

富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)采用修正的卡爾森指數(shù)方法進行計算[18],加權(quán)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)式為:

式中:TLI(Σ)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重,TLI(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù).以Chl-a的TLI參數(shù)為基準(zhǔn)修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)式為:TSIM(Chl-a)= 10× (2.46+lnChl-a/ln2.5).總氮、總磷和透明度與葉綠素a之間的經(jīng)驗公式來自于對廣東省20座大中型水庫的調(diào)查結(jié)果[21-22].

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

采用Spss13.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計.

2 結(jié)果與分析

2.1 紅楓湖水庫水文動力特征

調(diào)查期間降雨量為 1327mm,各月變化較大,在16.1～294.3mm之間(圖2).2008年的8～11月和2009年4～7月降雨量占全年的89.1%,月均降雨量在90mm以上,最大值為8月;其他月份月均降雨量小于30mm,最低值出現(xiàn)在1月.

調(diào)查期間水位在海拔 1235～1240m之間,最大落差約5m(圖2).2009年2～8月處于低水位期,水位在1235～1238m上下波動,最低為6月;2008年8月至翌年1月運行高水位,在1238～1240m之間,11月水位最高.水量變化與水位一致.受人為調(diào)控的影響,豐水期蓄水量較少,而枯水期蓄水量多.可見水庫水位、水量變化與天然湖泊截然不同,具有反季節(jié)的特征.

圖2 紅楓湖水庫降雨量、水位和水量的變化Fig.2 Variation of precipitation,water level and capacity

2.2 紅楓湖水庫水溫、水化學(xué)的季節(jié)變化與分層

2.2.1 水溫季節(jié)變化與熱分層結(jié)構(gòu) 紅楓湖水庫水溫年內(nèi)季節(jié)變化小.調(diào)查期間S3樣點上層水溫在9.8～25.6℃之間(圖3),平均18.9℃;中層水溫在 9.6～25℃之間,平均 18.1℃;下層水溫在9.7～23.4℃之間,平均 16.73℃.表層水溫較高(＞28

℃)是南美洲、非洲和亞熱帶多數(shù)湖泊和水庫永恒的特征[23].紅楓湖水庫表層水溫變化與氣溫變化基本一致,全年水溫變化較小,這與貴州高原亞熱帶氣候溫和,全年氣溫變化不大有關(guān).

圖3 S3站點水溫的時空分布Fig.3 Spatio-temporal distribution of water temperature

紅楓湖水庫水柱(水體剖面)在4～9月分層,呈單循環(huán)混合模式.從圖3可知,4月至9月,隨著氣溫的升高,上層和下層水溫出現(xiàn)差異,此間水柱溫度維持上高下低的分層結(jié)構(gòu),上下層溫度差在 3～7℃,最大值在 7月,其次為 6月(5.2

℃),再次為9月(3.7℃),顯然這種分層結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)熱帶地區(qū)深水湖泊/水庫的溫躍層分布特征;10月至翌年 3月,水體為混合狀態(tài),上下層水溫?zé)o明顯差異.可見,紅楓湖水庫在 4～9月為分層期,7月分層最穩(wěn)定,10月發(fā)生混合,水體分層消失.這種分層結(jié)構(gòu)與亞熱帶水庫分層具有相似性.同時區(qū)別于其他地區(qū)的雙混合型或全年穩(wěn)定分層的水庫[24],但與我國南亞熱帶水庫相比分層較弱,廣東流溪河水庫溫躍層溫差在初期已達5℃,最大時期高達10℃,且形成顯著的溫躍層[7].這可能是由貴州高原的氣候和水庫庫盆形態(tài)與水文動力的影響所致.根據(jù)變溫層水溫以0.3℃/m降低的標(biāo)準(zhǔn)進行熱分層結(jié)構(gòu)的劃分,紅楓湖水庫沒有形成顯著的溫躍層;水體1年內(nèi)發(fā)生1次的分層與混合,為單循環(huán)混合水體.

2.2.2 DO的季節(jié)變化與垂直分層 紅楓湖水庫DO具有顯著的季節(jié)性分層特征.由圖4可知,熱分層期(2009年4月～2009年9月)上層DO在4.9～11.5mg/L之間、均值為9.4mg/L,中層DO在4.2～8.3mg/L之間,均值為 6.4mg/L,下層 DO在0.6～6.9mg/L之間、均值為3.0mg/L;混合期(2008年10月～2009年3月)上、中、下層DO分別為7.9,7.3,6.8mg/L,差異不顯著(P＞0.05),平均7.3mg/L.可見,紅楓湖水庫 DO與水溫一樣具有顯著的分層,下層滯水帶處于季節(jié)性的缺氧或厭氧狀態(tài).

兩個年度結(jié)果均表明,9月 DO具有上層高下層低的分布特征,且較10月份高,10月DO最低,且上下層幾乎一致,2008年 10月 DO低至2.6mg/L,而2009年10月則為0.3mg/L. 每年度10月份水中DO與溫度同時表現(xiàn)出混合均勻的特征,可以推斷貴州高原水庫在秋季,由于水體發(fā)生垂直交換,還原性物質(zhì)消耗了水中的 DO,以及下層缺氧水體上浮,耗氧大于復(fù)氧,使 DO降低,嚴(yán)重時達到缺氧狀態(tài).

圖4 溶解氧的時空分布Fig.4 Spatio-temporal distribution of dissolved oxygen

2.2.3 pH值的季節(jié)變化與垂直分層 紅楓湖水庫水體 pH值具有顯著的季節(jié)性分層特征.由圖5可知,紅楓湖水庫水體為偏堿性水體,具有典型喀斯特水化學(xué)特征.周年pH值表層在7.7～9.1之間,平均 8.6,最大值和最低值分別出現(xiàn)在水體分層最穩(wěn)定的7月和水體開始混合的10月;中層在7.7～8.9之間,平均8.3;下層在7.7～8.5之間,平均8.0.熱分層期上層pH在7.7～9.1之間、均值為8.7;中層pH值在7.8～8.6之間、均值為8.3;下層pH在7.3～8.0之間、均值為7.8.混合期上、中、下層 pH 值分別為 8.3,8.2,8.1,差異不顯著(P＞0.05),平均8.2.可見,紅楓湖水庫pH值也具有季節(jié)性的分層特征,水體 pH值呈季節(jié)性的上高下低分層分布.pH值降低會加快沉積物物質(zhì)的釋放,進而影響水質(zhì).

圖5 pH值的時空分布Fig.5 Spatio-temporal distribution of pH

2.2.4 水體氮磷營養(yǎng)鹽的季節(jié)變化與垂直分層 由圖6可見, 2008年8月～2009年7月上層總磷(TP)濃度在 0.020～0.079mg/L之間,年平均為0.051mg/L;中層TP濃度在0.022～0.086mg/L之間,年平均為 0.047mg/L;下層 TP濃度在0.013～0.109mg/L之間,年平均為 0.065mg/L.季節(jié)變化上表層、中層和下層最高值分別為7月、9月和8月,而最低值均出現(xiàn)在4月.分層期上、中、下各層TP分別為0.047,0.041,0.082mg/L,具有上低下高的分布特征;混合期上、中、下各層TP分別為0.056,0.052,0.056mg/L,混合均勻.分層期表層 TP比混合期低,說明水體的分層阻隔了底層較高磷濃度水體的交換,而分層期下層TP濃度較高則是受分層期下層溶解氧和pH值影響的原故.可見,TP也呈季節(jié)性的分層分布.

2008年8月～2009年7月期間,上層總氮(TN)濃度在0.81～1.41mg/L之間,年平均為1.15mg/L;中層 TN濃度在 0.90～1.44mg/L之間,年平均為1.19mg/L;下層TN濃度在0.87～1.69mg/L之間,平均為1.34mg/L.季節(jié)變化上層和中層均為8月最高,7月最低;下層5月最高,10月最低.分層期上中下各層TN分別為1.12,1.16,1.42mg/L;混合期上中下各層TN分別為1.18,1.23,1.26mg/L.分層期上層 TN比混合期低,說明水體的分層阻隔了底層較高氮濃度水體的交換,而分層期下層 TN濃度較高則是由于沉積物釋放的原故.可見,水溫分層期TN也分層.

圖6 總磷、總氮和氨氮的時空分布Fig.6 Spatio-temporal distribution of TP, TN and NH4+-N

2008年 8月～2009年 7月期間,上層氨氮(NH4+-N)濃度在 0.141～0.461mg/L之間,年平均為 0.28mg/L;中層 NH4+-N 濃度在 0.158～0.464mg/L 之間,年平均為 0.31mg/L;下層NH4+-N濃度在 0.168～0.584mg/L之間,平均為0.35mg/L.季節(jié)變化上表層 10月最高,4月最低;中層的季節(jié)變化與上層一致;下層9月最高,4月最低.分層期上中下各層 NH4+-N分別為 0.214, 0.231,0.457mg/L;混合期上中下各層 NH4+-N分別為0.313,0.332,0.347mg/L.分層期表層NH4+-N比混合期低,說明水體的分層阻隔了底層較高NH4+-N濃度水體的交換,而分層期下層NH4+-N濃度較高則是由于分層期下層DO和pH值的原故.NH4+-N具有明顯的季節(jié)性分層.

圖7 葉綠素a和透明度的分層與季節(jié)性變化Fig.7 Spatio-temporal distribution of chlorophll-a and Secchi disk depth

2.2.5 浮游植物生物量(以葉綠素 a計)和透明度(SD)的季節(jié)變化與垂直分層 紅楓湖水庫葉綠素a具有顯著的季節(jié)性分層特征.葉綠素a是表征浮游植物生物量的重要指標(biāo).上層葉綠素 a濃度在5.7～52.6mg/m3之間,年平均為21.3mg/m3;中層葉綠素a濃度在4.6～22.7mg/m3之間,年平均為 12.1mg/m3;下層葉綠素 a濃度在 3.6～10.6mg/m3之間,年平均為 7.4mg/m3.季節(jié)變化為上層9月最高,1月最低;中層與上層一致;下層2月最高,8月最低.分層期上中下各層葉綠素a分別為24.6,16.2和7.6mg/m3;混合期上中下各層葉綠素a分別為14.6,10.8和8.4mg/m3.混合期氮磷營養(yǎng)鹽濃度較高,但并沒引起浮游植物生物量的升高,這可能是受水溫較低的影響.

SD變化在 0.5～3.9m之間,年均值為 2m.11月至翌年1月,透明度最高,均大于3m,6～9月最低,均值為1m.大量的浮游生物(主要是浮游植物)可能是使透明度降低的主要物質(zhì),另外,雨季通常輸入大量懸浮顆粒物,從而使水庫透明度下降,如南美洲委內(nèi)瑞拉水庫[4]、中國的三峽水庫等[25].紅楓湖水庫透明度與葉綠素 a呈極顯著線性負(fù)相關(guān)(r=-0.561, P＜0.01).浮游植物增多可能是影響透明度變化的主要原因.

2.3 紅楓湖水庫水體營養(yǎng)狀態(tài)

利用5個采樣點氮、磷、透明度和葉綠素a的月平均值計算,得出調(diào)查期間紅楓湖水庫營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)在36～53之間,絕大多數(shù)時期在40以上,指示水庫處于中-富營養(yǎng)狀態(tài).富營養(yǎng)化指數(shù)季節(jié)變化明顯,夏季分層期營養(yǎng)指數(shù)高于冬季混合期.

2.4 紅楓湖水庫周期性水質(zhì)惡化

1994年以來,在每年的初秋9月/10月,紅楓湖水庫周期性發(fā)生水質(zhì)惡化事件(貴州高原多座水庫均有類似現(xiàn)象),主要感官表現(xiàn)為水體變黑、伴有刺激性異味的氣泡產(chǎn)生、魚類及其他水生生物死亡;理化指標(biāo)表現(xiàn)為 DO極低(＜3mg/L,嚴(yán)重時DO＜0.5mg/L①)、氮磷含量升高,湖水pH值下降、呈還原性,硫化物濃度升高.持續(xù)時間在10～30d不等,該類事件使網(wǎng)箱養(yǎng)殖遭受重大損失,對水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響,并對水庫供水安全造成威脅.由于水體通常在一夜間變黑,又俗稱為“黑潮”[26].

3 討論

調(diào)查結(jié)果表明,紅楓湖水庫水體水溫在 4～9月形成較弱的分層.主要受以下3方面的影響:第一,貴州高原氣侯溫和,四季變化不大,導(dǎo)致了水溫的變化較小.第二,紅楓湖水庫為典型的峽谷型河道水庫,湖水滯留時間較短,夏季分層期人工調(diào)節(jié)使得湖水的滯留時間更短.第三,風(fēng)力擾動等因素的影響.但是,這種水溫的弱分層結(jié)構(gòu),使水化學(xué)和生物的垂直剖面變化十分顯著,尤其是 DO的分層明顯(圖 3～圖 7).分層期下層水體處于缺氧或厭氧狀態(tài),這加大了沉積物-水界面物質(zhì)釋放的風(fēng)險,從而影響水環(huán)境質(zhì)量.

水體中 DO的來源主要是水中浮游藻類和水生植物光合作用釋放的氧氣,在水溫較高的晴天, DO甚至可達到20mg/L以上,形成過飽和狀態(tài),其次是水體交換帶入氧氣和空氣中氧氣溶于水中, DO在水體中的分子擴散速率較低,水體交換是水庫中溶解氧傳輸?shù)闹饕绞?正常情況下,水體中 DO濃度不會超過當(dāng)時條件下的氧溶解度.水庫水體中的耗氧,主要是水生生物呼吸耗氧、有機物降解耗氧和底泥耗氧,其中底泥耗氧是水中溶解氧消耗的主要因素.紅楓湖水庫水較深,水生植物分布較少,浮游藻類光合作用是水體溶氧的主要來源.因此,浮游藻類的多寡與分布對溶解氧分布影響顯著(r=0.461, P＜0.01).

紅楓湖水庫缺氧水體的形成是水體復(fù)氧和耗氧失衡的結(jié)果.上層水體的氣體交換和中上層浮游植物的光合作用為上層水體提供了溶解氧,而深層的湖水則由于沉積物有機質(zhì)的礦化降解和大量有機體死亡下沉分解消耗大量水體中的DO.如果上下層水體能夠充分交換.水體“耗氧”可以得到“復(fù)氧”的補償.反之,如果水體交換受限制,下層水體耗氧遠(yuǎn)超過復(fù)氧,下層水體逐漸發(fā)展為缺氧或低氧狀態(tài)[26].紅楓湖水庫在4～9月形成的水溫弱分層結(jié)構(gòu),限制了上下層水體的交換,從而阻斷了下層水體DO的輸入.從圖4和圖7a可知,入春以來,隨著水溫的升高,浮游植物快速增殖,光合作用釋放大量的氧而使表層水體DO劇增,甚至出現(xiàn)過飽和,而下層水體與之相反,由于真光層藻類死亡下沉與雨季流域有機質(zhì)輸入,有機質(zhì)分解耗氧,水體中 DO降低,形成缺氧水體,紅楓湖下層DO從1月的9.2mg/L降至9月的0.6mg/L.

紅楓湖水庫水溫的弱分層導(dǎo)致了水化學(xué)的顯著分層.從圖6可知,營養(yǎng)鹽的季節(jié)性分層與溫和DO的變化規(guī)律一致.通常分層期下層的營水養(yǎng)鹽高于上層.這是由于下層的厭氧環(huán)境加快了沉積物中營養(yǎng)鹽的釋放,使下層營養(yǎng)鹽較高[27],從4月至9月,隨下層厭氧環(huán)境的逐漸形成,下層營養(yǎng)鹽含量呈現(xiàn)逐漸增高的趨勢.同樣由于水溫分層的阻隔作用,限制了上下層水體的交換而使沉積物釋放的營養(yǎng)鹽富集在下層,另外,中上層顆粒態(tài)營養(yǎng)鹽的沉降也是下層營養(yǎng)鹽較高的一個原因,紅楓湖水庫對河流來水中磷的滯留率達90%以上,而 70%的以活性磷富集在沉積物懸浮層中[28].

紅楓湖水庫近年出現(xiàn)的季節(jié)性水質(zhì)惡化事件,可能是水體季節(jié)性分層的結(jié)果.對貴州高原包括紅楓湖水庫在內(nèi)的多座水庫水質(zhì)惡化事件的調(diào)查發(fā)現(xiàn),水質(zhì)惡化事件發(fā)生的時間通常在初秋的9月或10月,且發(fā)生水域多數(shù)遠(yuǎn)離排污口.可見,水質(zhì)惡化事件并非排污事故.探究貴州高原深水水庫為何在初秋季節(jié)總是發(fā)生水質(zhì)惡化事件,其可能原因如下:

貴州高原初秋遇冷空氣的影響,通常會發(fā)生氣溫驟降10℃以上(圖8),突發(fā)水質(zhì)惡化事件總是在在氣溫突降的1～2d內(nèi)發(fā)生.2009年9月全月平均氣溫為21.3℃,最高氣溫24.9℃,10月10日日平均氣溫12.6℃.11日調(diào)查發(fā)現(xiàn)紅楓湖水質(zhì)惡化,DO幾乎為零,水體發(fā)臭,魚蝦死亡.此時的水溫分層結(jié)構(gòu)消失,上下層水溫混合均勻,DO、pH值和營養(yǎng)鹽的分層也消失,表明此間發(fā)生了上下層水體的垂直對流.氣溫驟降,使上層水隨之降溫,水體密度增大,變重下沉,上層水與中層水發(fā)生交換混合,中層(斜溫層)的阻隔作用消失,當(dāng)上下層水之間的水溫和密度差消失而上重下輕時,在陰冷秋風(fēng)的攪動下,水柱發(fā)生垂直對流混合,使水體水溫幾乎呈均一的“等溫對流”狀態(tài).可見水質(zhì)惡化事件與氣溫的突變之間必然有著內(nèi)在的聯(lián)系.氣溫突降是水質(zhì)惡化事件發(fā)生的誘因,而水體的分層是發(fā)生的條件,富營養(yǎng)化提供物質(zhì)基礎(chǔ).

貴州高原深水水庫季節(jié)性水質(zhì)惡化事件發(fā)生的過程可概括為:在初秋季節(jié),由于氣侯的驟變,破壞水體的分層結(jié)構(gòu),上下層水體發(fā)生等溫對流,下層富集的還原性物質(zhì)及營養(yǎng)鹽向上遷移,厭氧產(chǎn)物硫化物使水體發(fā)黑,還原性物質(zhì)氧化消耗水中DO,使水體缺氧,在缺氧和H2S等有毒物質(zhì)的作用下,導(dǎo)致魚蝦等水生生物的死亡.2010年 10月10日～24日的水質(zhì)惡化期間,多為陰雨連綿天氣,氣溫較低,約 13℃,加上上浮水體中藻類生物量低(葉綠素 a＜10mg/m3),藻類的光合作用減弱,水體復(fù)氧受到限制,使表層水體一直處于缺氧狀態(tài),24日后,隨著氣溫的升高和水中還原物質(zhì)的耗盡,水體溶解氧逐漸升高,水質(zhì)逐漸恢復(fù).

圖8 2009年9～10月日均氣溫變化Fig.8 Variation of average daily temperature from September to October in 2009

資料表明,紅楓湖水庫從20世紀(jì)60年代建庫至80年代末,水質(zhì)較好,多為II類水質(zhì).90年代初期,由于流域工業(yè)的興起和大面積投餌網(wǎng)箱養(yǎng)殖的發(fā)展,水體受到嚴(yán)重的污染,出現(xiàn)藍(lán)藻水華等富營養(yǎng)化的現(xiàn)象,并于1994年首次發(fā)生了突發(fā)性的水質(zhì)惡化事件,導(dǎo)致大面積網(wǎng)箱魚死亡,至今類似事件不斷發(fā)生[26].縱觀多年的水質(zhì)狀況發(fā)現(xiàn),10余年來,紅楓湖水庫一直處于中富營養(yǎng)-富營養(yǎng)的狀態(tài).需要特別指出的是該水庫為深水水庫,湖水的污染要遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于沉積物的污染(這與太湖等淺水湖不同,淺水湖沉積物污染與湖水具有同步效應(yīng)).也就是說,當(dāng)紅楓湖水庫沉積物中富集有大量的有機質(zhì)、氮磷等營養(yǎng)鹽時,湖水水質(zhì)可能較好.調(diào)查期間水質(zhì)多數(shù)時期為中營養(yǎng)狀態(tài).而沉積物調(diào)查發(fā)現(xiàn),紅楓湖水庫沉積物厚度在20～70cm,堆積沉積物干重約3×106t,表層沉積物中TP約0.3%,TN約0.7%,有機碳約6%,沉積物中有機污染達到嚴(yán)重的程度[29].分層期沉積物中的大量物質(zhì)在缺氧狀態(tài)下更易釋放,從圖6可知,通常分層期下層水體中氮磷較其他時期高,由于受水溫分層的阻隔,未對上層水體產(chǎn)生嚴(yán)重影響.可是,當(dāng)初秋發(fā)生水體垂直對流時,大量物質(zhì)向上遷移則嚴(yán)重影響水質(zhì).水體富營養(yǎng)化(沉積物污染)對季節(jié)性水質(zhì)惡化的影響更為直接.

消除紅楓湖水庫突發(fā)性水質(zhì)惡化的根本措施需控制水庫水體的富營養(yǎng)化.紅楓湖流域工業(yè)污染已基本得到控制,城市污水、農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源污染與流域巖溶生態(tài)退化水土流失是加劇紅楓湖水體富營養(yǎng)化的主要成因.紅楓湖水庫氮磷質(zhì)量比在8～104之間,磷是紅楓湖水庫的限制因子,控制磷的污染是關(guān)鍵.水體富營養(yǎng)化藍(lán)藻水華不是簡單的氮磷化學(xué)物質(zhì)超標(biāo)的環(huán)境污染問題,而是一個水生生態(tài)系統(tǒng)退化的表現(xiàn).恢復(fù)重建健康清潔流域,提高流域水源涵養(yǎng)能力,削減流域氮磷有機質(zhì)的入湖負(fù)荷,合理利用與保護水庫資源是紅楓湖水庫富營養(yǎng)化控制的基本目標(biāo).對紅楓湖等深水水庫實施底泥生態(tài)疏?？刂苾?nèi)源污染需慎重考慮.國內(nèi)外廣泛采用的深水曝氣可以做為水庫突發(fā)性水質(zhì)惡化應(yīng)急控制的首選措施.其原理是通過增加水體DO含量、促進底泥降解、增加局部水域水體的流動性和交換性,破壞水體的分層結(jié)構(gòu).

4 結(jié)論

4.1 紅楓湖水庫是一個底層季節(jié)性缺氧,高氮、磷限制的水庫,水體處于中富營養(yǎng)狀態(tài).

4.2 紅楓湖水庫水體為單循環(huán)混合模式,在4～9月呈弱的水溫分層,水溫的弱分層導(dǎo)致了水化學(xué)的顯著分層.

4.3 紅楓湖水庫突發(fā)性水質(zhì)惡化與水體分層失穩(wěn)有關(guān),發(fā)生過程可概括為在初秋季節(jié),由于氣侯的驟變,上下層水體發(fā)生等溫對流,下層富集的還原物質(zhì)及營養(yǎng)鹽向上遷移,還原物質(zhì)氧化消耗水中溶解氧,使水體缺氧,在缺氧和H2S等有毒物質(zhì)的作用下,導(dǎo)致魚蝦等水生生物的死亡.

4.4 氣溫突降是水質(zhì)惡化事件發(fā)生的誘因,而水體的分層是則是水質(zhì)惡化的條件,富營養(yǎng)化是水質(zhì)惡化的物質(zhì)基礎(chǔ).防治水體富營養(yǎng)化是消除紅楓湖水庫突發(fā)性水質(zhì)惡化的根本措施.

[1] 韓博平.中國水庫生態(tài)學(xué)研究的回顧與展望 [J]. 湖泊科學(xué), 2010,22(2):151-160.

[2] 劉叢強,汪福順,王雨春.河流筑壩攔截的水環(huán)境響應(yīng)——來自地球化學(xué)的視角 [J]. 長江流域資源與環(huán)境, 2009,18(4):384-396.

[3] Branco C, Rocha M, Pinto G, et al. Limnological features of Funil Reservoir (R.J., Brazil) and indicater properties of rotifers and cladocerans of the zooplankton community [J]. Lakes and Reservoir: reseach and management, 2002,7(2):87-92.

[4] Ernesto J, González, Mario O, Carlos P, et al. Physical and chemical featurs of a tropical hypertrophic reservoir permernently stratified [J]. Hydrobiologia, 2004,5(22):301-310.

[5] Bertram B, Martin S. Stratification of lakes [J]. Reviews of geophysics, 2008,46(10):1-27.

[6] Saito L, Johnson B M, Bartholow J, et al. Assessing ecosystem effects of reservoir operations using food web-energy transfer and water quality models [J]. Ecosystems, 2001,(4):105-125.

[7] 林國恩,望 田,林秋奇,等.廣東流溪河水庫湖沼學(xué)變量的時空動態(tài)特征 [J]. 湖泊科學(xué), 2009,21(3):387-394.

[8] 張志紅,鄭力行,屈衛(wèi)東,等.淀山湖微囊藻毒素-LR和類毒素-A的分布狀況 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2003,23(4):403-406.

[9] Schindler D W.Recent advances in the understanding and management of eutrophication [J]. Limnology and Oceanography, 2006,51(1):356-363.

[10] 陳云峰,殷福才,陸根法.富營養(yǎng)化水體水華暴發(fā)的突變模型 [J].中國環(huán)境科學(xué), 2006,26(1):125-128.

[11] 許秋瑾,鄭丙輝,朱延忠,等.三峽水庫支流營養(yǎng)狀態(tài)評價方法[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2010,30(4):453-457.

[12] 陳如海,詹良通,陳云敏,等.西溪濕地底泥氮、磷和有機質(zhì)含量豎向分布規(guī)律 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2010,30(4):493-498.

[13] 張麗媛,王圣瑞,儲昭升,等.洋河水庫流域土壤與庫區(qū)沉積物中磷形態(tài)特征研究 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2010,30(11):1529-1536.

[14] 邊歸國,劉國祥,陳克華.福建龍巖市龍?zhí)逗自逅A成因的研究 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2010,30(12):1678-1682.

[15] 葉琳琳,史小麗,吳曉東,等.西太湖秋季藍(lán)藻水華過后細(xì)胞裂解對溶解性有機碳影響 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2010,30(12):1678-1682.

[16] Reynolds C S,Irish A E,Eliott J A. The ecological basis for simulating phytoplankton responses to environmental change [J]. Ecological Modelling, 2001,140:271-291.

[17] 劉國鋒,鐘繼承,何 俊,等.太湖竺山灣藻華黑水團區(qū)沉積物中Fe、S、P的含量及其形態(tài)變化 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2009,30(9):2520-2526.

[18] 金相燦,屠清瑛. 湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范 [M]. 2版.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社, 1990:295-300.

[19] 林少君,賀立靜,黃沛生,等. 浮游植物中葉綠素a提取方法的比較與改進 [J]. 生態(tài)科學(xué), 2005,24(1):9-11.

[20] Hambright K D, Gophen M, Serruya S. Influence of long term climate changes on the stratification of a tropical, warm monomictic lake [J]. Limnology and Oceanography, 1994,39: 1233-1242.

[21] Lin Q Q, Han B P, Lin Q X, et al. Reservoir water supply and eutrophication in Guangdong province (South China) [C]// International lakes environment committee ed. Proceedings of 9thinternational conference on the conservation and management of lakes. Shiga, 2001:269-272.

[22] Cailson R E. A trophic state index for lakes [J]. Limnology and Oceanography, 1997,22(2):361-369.

[23] Frempong E. Limnological research and training in Ghana: The past,present and perspectives for the future development[M]// Wetzel, R. G. and B. Gopal(ends),limnology in developing countriesn. International Association for limnology (SIL), New Delhi:1995:1-39.

[24] Boegman L, Loewen M R, Hamblin P F, et al. Vertical mixing and weak stratification over zebra mussel coloneis in western lake erie [J]. Limnology and Oceanography, 2008,5(33):1093-1110.

[25] 張 呈,郭勁松,李 哲,等.三峽小江回水區(qū)透明度季節(jié)變化及其影響因子分析 [J]. 湖泊科學(xué), 2010,22(2):189-194.

[26] 王雨春,朱 俊,馬 梅,等.西南峽谷型水庫的季節(jié)性分層與水質(zhì)的突發(fā)性惡化 [J]. 湖泊科學(xué), 2005,17(1):54-60.

[27] Guarino A W S, Branco C W C, Diniz C. P., et al. Limnological characteristics of old reservoir (Ribeirao das Lajes reservoir, RJ, Brazil) [J]. Acta Limnologica Brasiliensia, 2005,17(2):129-141.

[28] 貴州省環(huán)境保護局.紅楓湖、百花湖水環(huán)境污染防治研究報告[R]. 貴陽:貴州省環(huán)境保護局, 2003,88-89.

Features of the water column stratification and the response of water quality of Hongfeng reservoir in Guizhou, China.

XIA Pin-hua, LIN Tao, LI Cun-xiong*, XUE fei, ZHANG Bang-xi, JIANG Yao (Guizhou Key Laboratory for Mountainous Environmental Information and Ecological Protection, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China). China Environmental Science, 2011,31(9)：1477～1485

To reveal the features of the water stratification and the response of water quality of Hongfeng reservoir, in Guizhou Province of China, main limnological variables including hydrological and environmental factors were observed 45 times, from August 2008 to October 2009, at five sampling stations. An event of water quality abruptly degeneration was discussed. The the thermal stratification was monomictic, which formed from April to September, but not strongly, which caused chemical stratification and affected water quality. The mean concentrations of chlorophyll-a, TP, TN, NH4+-N and SD were 13.6mg/m3, 0.063mg/L,1.22mg/L,0.347mg/L and 1.9m, respectively, indicating that the reservoir was meso-eutrophic. Dissolved oxygen was between 0.3 to 6.9mg/L during the stratification period, the rational of N/P was between 8 to 104,and mean that the reservoir was limited by phosphorus, but nitrogen, and hypolimnion seasonal anoxia.Seasonal deterioration of water quality was associated with the unsteady structure of water stratification, which was a result of vertical mixing when air temperature drawdown in eutrophyical Reservoir, and also was another manifestation of eutrophycation of deep water reservior in Guizhou Altiplano.

water column stratification；water quality；eutrophication；Hongfeng reservoir；Guizhou Altiplano

X524

A

1000-6923(2011)09-1477-09

2010-12-27

貴州省教育廳重點項目(20090040);貴州省社發(fā)攻關(guān)(SY[2010]3176);貴陽市重大專項(2009304);貴州省基金(20082239)

* 責(zé)任作者, 教授, kyyffs@163.com

① (2009年10月10～20日,紅楓湖水庫發(fā)生水質(zhì)惡化事件,大部分水域溶解氧＜0.5mg/L,氮磷濃度是發(fā)生前的 3陪,水體發(fā)臭、野生魚蝦死亡.2008和2010年10月,大部分水域溶解氧在1～3mg/L,持續(xù)一段時間后自行緩解)紅楓湖水庫突發(fā)性水質(zhì)惡化應(yīng)急監(jiān)測,貴州師范大學(xué),2010年.

夏品華(1981-),男,貴州黔西人,講師,碩士,主要從事水環(huán)境研究.發(fā)表論文20余篇.