三峽水庫蓄水后對支流大寧河富營養(yǎng)化特征及水動力的影響*

王麗平，鄭丙輝＊＊，張佳磊，劉曉靄，吳光應(yīng)

(1:中國環(huán)境科學(xué)研究院河流與海岸帶環(huán)境研究室，北京100012)

(2:重慶市巫山縣環(huán)境監(jiān)測站，巫山404700)

三峽水庫蓄水后對支流大寧河富營養(yǎng)化特征及水動力的影響*

王麗平1，鄭丙輝1＊＊，張佳磊1，劉曉靄2，吳光應(yīng)2

(1:中國環(huán)境科學(xué)研究院河流與海岸帶環(huán)境研究室，北京100012)

(2:重慶市巫山縣環(huán)境監(jiān)測站，巫山404700)

三峽水庫蓄水后支流大寧河水華頻發(fā)，為了揭示水庫蓄水以來，大寧河富營養(yǎng)化變化趨勢以及水華暴發(fā)期間水動力等環(huán)境因子的影響特征，自2005年長期跟蹤監(jiān)測大寧河的水質(zhì)狀況，并于2010年針對東坪壩庫灣2次典型水華事件，初步探討了水華暴發(fā)期間的主要影響因素.結(jié)果表明:2005年以來，大寧河水體處于中度營養(yǎng)狀態(tài)，水質(zhì)尚好，但低估了水華敏感期的富營養(yǎng)化狀況.東坪壩3月水華暴發(fā)期間，葉綠素a濃度與流速呈顯著負(fù)相關(guān)，與pH、DO也呈顯著相關(guān)，表明在此次水華期間，流速對藻細(xì)胞的增殖或聚集產(chǎn)生直接或間接的影響，pH和DO是引起水華暴發(fā)的主要水質(zhì)因子;5月水華暴發(fā)期間，葉綠素a濃度與流速呈顯著負(fù)相關(guān)，與流量呈顯著正相關(guān)，同時與pH、透明度(SD)呈顯著相關(guān)，表明在這次水華期間，流速和流量都對藻細(xì)胞增殖或聚集產(chǎn)生直接或間接的影響，pH和SD成為水質(zhì)敏感因子.3月和5月水華暴發(fā)時間分別處于水庫高水位運(yùn)行期和泄水期，這可能是導(dǎo)致水華影響因子不同的主要原因，但具體機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究.本文結(jié)果表明在三峽水庫調(diào)度運(yùn)行的不同階段支流庫灣水華暴發(fā)的機(jī)制不同，需要針對不同時段支流庫灣水環(huán)境特征分別加以調(diào)查研究.

三峽水庫;大寧河;富營養(yǎng)化;水動力條件

富營養(yǎng)化是三峽水庫當(dāng)前亟待解決的問題之一［1-2］.研究表明自三峽水庫蓄水和功能調(diào)度以來，水庫及其支流水位提高、水流速度減慢，支流庫灣水華頻繁發(fā)生［3］，水動力條件的改變是支流庫灣水華頻發(fā)的主要原因［4-7］.在對其他水體富營養(yǎng)化的相關(guān)研究中，結(jié)果都表明水華暴發(fā)與水動力條件呈顯著相關(guān)［8-11］.流速能夠改變水體的物理過程和營養(yǎng)鹽濃度，同時也對藻類增殖、群落組成及其空間分布產(chǎn)生直接影響［8，12］.

大寧河流域位于三峽庫區(qū)的腹心地帶，蓄水后河水流速大大減緩，河面增寬，其回水段水域成為水庫發(fā)生富營養(yǎng)化的敏感區(qū)域，多次暴發(fā)藻類水華［13-15］.本文根據(jù)三峽水庫蓄水以來連續(xù)6 a(2005－2010年)的監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析了大寧河的富營養(yǎng)化變化特征，并選擇大寧河典型庫灣東坪壩作為代表，針對2010年的2次典型水華事件，綜合分析流速、流量以及水質(zhì)因子與水華暴發(fā)的相關(guān)關(guān)系，初步探討大寧河庫灣水華暴發(fā)的主要水動力影響因素和水質(zhì)敏感因子，以期為大寧河水華暴發(fā)機(jī)理研究提供基礎(chǔ)信息.

1 材料和方法

大寧河(31°02'～31°20'N，109°30'～110°01'E)距離三峽大壩約123 km，其回水水域主要位于重慶市巫山縣境內(nèi).三峽水庫支流大寧河水質(zhì)的采樣站位見圖1，采樣斷面包括大昌、雙龍、東坪壩、白水河和菜子壩.采樣時間為2005－2010年1－12月逐月監(jiān)測，樣品為表層水樣.檢測指標(biāo)包括透明度(SD)、水溫(T)、pH、溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總氮(TN)、總磷(TP)和葉綠素 a(Chl.a).SD 采用塞式盤法測定，T、pH和DO采用便攜式水質(zhì)分析儀測定，其它指標(biāo)按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》測定［16］.選用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)評價大寧河水體的富營養(yǎng)化狀態(tài)［17-18］，TLI＜30，為貧營養(yǎng);30≤TLI≤50，為中營養(yǎng);TLI＞ 50，為富營養(yǎng).

圖1 大寧河采樣站位Fig.1 Sampling stations in Daning River

東坪壩是大寧河中下游一個重要的回水區(qū)，幾乎每年春、夏季都有水華暴發(fā)［15，19］，2010年3月12－18日和5月18－20日東坪壩水體明顯變色，且藻細(xì)胞密度高于106cells/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過富營養(yǎng)化水平［20］，出現(xiàn)水華暴發(fā)，在此期間分別利用美國 SonTek多普勒測流儀(SonTek/YSI-ADP)對東坪壩(31°08'40″N，109°32'18″E)斷面進(jìn)行流速(V)、流量(Q)測定，并對該斷面水體 T、pH、DO、SD、Chl.a 濃度進(jìn)行同步監(jiān)測，監(jiān)測頻率為每天2次.水質(zhì)因子分別在東坪壩斷面左、中、右表層0.5 m處測定;多普勒測流儀測量牽引船從東坪壩斷面一側(cè)行駛至另一側(cè)過程中每20 s輸出1次數(shù)據(jù).最后對各監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后，采用SPSS 13.0對lg(Chl.a)和各水環(huán)境參數(shù)的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析.

2 結(jié)果與分析

三峽水庫蓄水后，2005－2010年大寧河水體TP、TN、SD和Chl.a的逐月動態(tài)變化見圖2，根據(jù)湖庫水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)［21］，TP基本處于貧－中營養(yǎng)狀態(tài)，而TN處于富營養(yǎng)狀態(tài)，透明度在0.5～4.5 m之間波動.大寧河水體TLI在23.20～48.86之間，除個別月份水體為貧營養(yǎng)外，絕大部分時間水體基本處于中營養(yǎng)狀態(tài)(圖3).

2010年3月、5月巡測期間發(fā)現(xiàn)大寧河的幾個典型庫灣水體異樣，經(jīng)過檢測藻細(xì)胞密度明顯高于富營養(yǎng)化水平［20］，出現(xiàn)水華，其暴發(fā)時間及主要特征見表1.浮游藻類鑒定表明這幾次水華優(yōu)勢種各不相同，且3月在大寧河4個庫灣同時出現(xiàn)甲藻水華，而5月在2個庫灣同時出現(xiàn)團(tuán)藻水華.另外在同一庫灣(如東坪壩、白水河)不同時間出現(xiàn)不同類型的水華.

圖2 2005－2010年大寧河TP、TN、SD和Chl.a的變化趨勢Fig.2 TP，TN，SD and Chl.a of Daning River from 2005 to 2010

圖3 2005－2010年大寧河綜合富營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)變化趨勢Fig.3 The Trophic Level Index of Daning River from 2005 to 2010

表1 大寧河2010年幾次典型水華事件及其主要特征Tab.1 Characters of the main algal blooms in Daning River in 2010

3、5月東坪壩水華暴發(fā)期間Chl.a濃度和水環(huán)境參數(shù)監(jiān)測結(jié)果見表2.2010年3月東坪壩庫灣水華暴發(fā)期間，Chl.a濃度與V呈顯著負(fù)相關(guān)，與pH、DO也呈顯著相關(guān);水體pH與DO、V顯著相關(guān)，DO與V顯著相關(guān).5月東坪壩庫灣水華暴發(fā)期間，Chl.a濃度與V呈顯著負(fù)相關(guān)，與Q呈顯著正相關(guān)，同時與pH、SD也呈顯著相關(guān);水體pH與V、Q顯著相關(guān);V與Q顯著相關(guān)(表3).

表2 2010年3月和5月水華期東坪壩的水環(huán)境特征Tab.2 Water environment character during algal blooms outbreak of Dongpingba region in March and May，2010

表3 東坪壩2010年3月(左下三角)和5月(右上三角)水華期葉綠素a和各環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系Tab.3 The relationships between Chl.a concentration and environmental factors during algal blooms outbreak of Dongpingba region in March(left-bottom triangle)and May(right-up triangle)，2010

3 討論

根據(jù)每月1次常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行的富營養(yǎng)化評價結(jié)果，大寧河基本處于中營養(yǎng)狀態(tài)(圖2)，水質(zhì)尚好.但這些監(jiān)測數(shù)據(jù)都是在每月固定時間進(jìn)行采樣，采樣期間幾乎不能獲得水華暴發(fā)過程中的水環(huán)境資料，只能顯示大寧河富營養(yǎng)化狀態(tài)的長期變化趨勢，對某些特殊時間段(如水華暴發(fā)期間)的富營養(yǎng)化狀態(tài)會有所低估.因此2010年我們在進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測的同時，加密巡測，發(fā)現(xiàn)水華立即對暴發(fā)期間的各項(xiàng)相關(guān)指標(biāo)加以監(jiān)測，以期獲得大寧河庫灣水華暴發(fā)過程中的主要敏感因子，為水華預(yù)測預(yù)警提供基礎(chǔ)參數(shù).2010年在東坪壩監(jiān)測到2次典型水華暴發(fā)(表1)，相關(guān)分析表明3月水華期間，V、pH和DO都與Chl.a濃度呈顯著相關(guān);5月水華期間，V、Q和pH、SD都與Chl.a濃度呈顯著相關(guān).其中pH、DO和SD是水華暴發(fā)的結(jié)果而非原因［22］.2010年三峽水庫已經(jīng)正常調(diào)度運(yùn)行，3月和5月分別處于調(diào)度運(yùn)行的兩個不同階段，3月為高水位運(yùn)行期，為迎接汛期的到來，5月水庫開始開閘放水，因此3月和5月大寧河庫灣的水動力條件可能不盡相同，對水華暴發(fā)的影響機(jī)制也會有所不同，其確切機(jī)制還有待于進(jìn)一步調(diào)查和研究.

水華生消是適宜的環(huán)境條件、充足的營養(yǎng)鹽和緩慢的水動力條件共同作用的結(jié)果.三峽水庫蓄水前后大寧河所在區(qū)域的環(huán)境條件(如氣溫、光照等)變化不大，蓄水后其回水區(qū)暴發(fā)水華，因此除了水體水質(zhì)達(dá)富營養(yǎng)化條件外，另一主要因素是回水區(qū)水動力條件的改變.根據(jù)2005－2010年的長期跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)，2005－2008年TP在部分季節(jié)低于國際公認(rèn)發(fā)生富營養(yǎng)化的濃度水平(0.02 mg/L)，2009－2010年TP常年超過0.02 mg/L;而TN常年都超過國際公認(rèn)的發(fā)生富營養(yǎng)化的濃度水平(0.2 mg/L)［17］，因此2010年3月和5月大寧河具備水華暴發(fā)的營養(yǎng)鹽條件，所以水動力條件應(yīng)該是導(dǎo)致大寧河庫灣水華暴發(fā)的重要因素.本研究的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn):Chl.a濃度與V或Q呈顯著相關(guān)，也從一定程度上證明了這一點(diǎn).另外有研究表明水體的各種運(yùn)動形式造成了生物體和生源要素在不同空間尺度的分布，使水體環(huán)境發(fā)生改變并影響著庫區(qū)和河流水生生物的組成、數(shù)量以及分布［23-24］.葉麟等［25］研究發(fā)現(xiàn)，香溪河庫灣春季水華期間硝酸鹽、磷酸鹽存在明顯的時空分布規(guī)律，濃度從上游至河口逐漸降低，則正好相反.如此完全相反的空間分布規(guī)律，必然會使得的比值在香溪河庫灣中出現(xiàn)很大的變化幅度，從而對浮游植物的生長及其種群組成產(chǎn)生一定的影響［26］.大寧河水流的總體方向是由上游流向下游，而三峽蓄水期間水流水動力環(huán)境有很大改變，由于水庫水位的不斷升高，長江干流密度較大的水流更容易進(jìn)入支流庫灣，與庫灣水體進(jìn)行摻混和交換，必然會改變營養(yǎng)鹽濃度和結(jié)構(gòu)分布特征.本研究發(fā)現(xiàn)大寧河幾次水華的優(yōu)勢種并不單一(表1)，且具有不同河段同時暴發(fā)不同類型水華，相同河段不同時間出現(xiàn)同一類型水華的現(xiàn)象［27］，這種特征可能與在三峽水庫不同運(yùn)行階段對大寧河水動力條件產(chǎn)生不同影響相關(guān).

先前關(guān)于三峽水庫水動力條件對藻類生長的影響研究中都指出，流速在支流水華暴發(fā)過程中起著重要的作用.黃程等采用圣維南(Saint-Venanf)方程組模擬三峽庫區(qū)大寧河庫灣的水動力條件，并利用大寧河庫灣現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對流速與藻類生長關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，獲得的流速與藻類生長關(guān)系模型為y=34.042－293.725u+821.265u2－603.45u3，并指出在氣候條件和營養(yǎng)鹽條件適宜的情況下，流速與藻類濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，流速成為主要的限制因子［28］.龍?zhí)煊宓柔槍θ龒{庫區(qū)低流速河段浮游藻類的生長特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室模擬研究探討了湖泊型和河流型流速狀態(tài)下藍(lán)、綠、硅藻在真光層沿垂直方向分布規(guī)律的影響，結(jié)果表明湖泊型流速(＜0.05 m/s)下，藍(lán)、綠、硅藻細(xì)胞的峰值分別出現(xiàn)在距水面0～60、40～80、120～140 cm水深范圍內(nèi);河流型流速(0.1～0.5 m/s)下，硅藻細(xì)胞密度的峰值明顯上升至40～80 cm水深處，隨著流速的加快，硅藻在各個水深均呈現(xiàn)上浮趨勢，而藍(lán)藻處于下浮趨勢［29］.因此，流速對藻細(xì)胞的增殖、聚集和分布都有一定的影響.本文針對2010年3月和5月大寧河?xùn)|坪壩暴發(fā)的2次水華，運(yùn)用現(xiàn)場監(jiān)測資料初步探討了水體流速、流量對水華暴發(fā)的影響以及相應(yīng)的水質(zhì)敏感因子，結(jié)果表明在三峽水庫不同運(yùn)行階段支流庫灣的水動力條件不同，對水華暴發(fā)的影響機(jī)制也存在明顯差異，水華暴發(fā)對水質(zhì)的影響結(jié)果也不盡相同.所以在對三峽水庫支流庫灣水華暴發(fā)機(jī)理的研究中，需要針對不同運(yùn)行階段分別加以調(diào)查研究.

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Effects on euthrophication and hydrodynamics of Daning River after impoundment of Three Gorges Reservoir

WANG Liping1，ZHENG Binghui1，ZHANG Jialei1，LIU Xiaoai2＆ WU Guangying2
(1:River and Coastal Environment Research Center，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，P.R.China)
(2:Environmental Monitoring Station of Wushan in Chongqing，Wushan 404700，P.R.China)

Algal blooms have occurred frequently in the backwater region of the Daning River branch since the impoundment of the Three Gorges Reservoir(TGR).In order to assess the water quality status and the driving factors on algal bloom outbreak，the water quality has been monitored since 2005，and 2 typical algal blooms，occurred in Dongpingba in March and May 2010，were investigated.Results showed that Daning River was mesotrophic and water quality was good，nevertheless the trophic grade was underestimated for the period of algal bloom outbreak.For algal bloom in March，there was a significant negative correlation between Chl.a concentration and velocity，while obvious relationships in Chl.a and pH or DO，indicating that velocity was an important factor for this bloom outbreak and pH，DO were sensitive factors caused by bloom.For algal bloom in May，there was a significant negative correlation between Chl.a concentration and velocity，while a significant positive correlation between Chl.a and flow quantity，and also obvious relationship in Chl.a and pH，SD.It indicated that velocity and flow quantity were important factors for algal bloom outbreak in May，and pH，SD became the sensitive indices.According to the operational schedules of TGR，March and May belong to the period with high water level and discharge，respectively.Schedule times with different hydrodynamics may be responsible for the difference of effect factors on algal bloom，but the mechanism need to be further studied.Results suggested that the algal bloom mechanism in the different operational schedules of TGR is different from each other significantly.Therefore，the study on algal bloom in backwater region of Daning River need to be performed according to the operational schedule of TGR.

Three Gorges Reservoir;Daning River;eutrophication;hydrodynamic condition

＊ 國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2009ZX07528-003)資助.2011－10－01收稿;2011－11－28收修改稿.王麗平，女，1974 年生，副研究員;E-mail:wanglp@craes.org.cn.

＊＊ 通信作者;E-mail:zhengbh@craes.org.cn.