三峽水庫(kù)支流小江富營(yíng)養(yǎng)化模型構(gòu)建及在水量調(diào)度控藻中的應(yīng)用*

楊中華,楊水草,2,李　丹,白鳳朋

(1:武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430072)(2:遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，沈陽(yáng) 110006)

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三峽水庫(kù)支流小江富營(yíng)養(yǎng)化模型構(gòu)建及在水量調(diào)度控藻中的應(yīng)用*

楊中華1,楊水草1,2,李丹1,白鳳朋1

(1:武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430072)(2:遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，沈陽(yáng) 110006)

三峽水庫(kù)蓄水以來(lái),支流小江呈富營(yíng)養(yǎng)化加重的趨勢(shì),且多次暴發(fā)春季水華. 水庫(kù)蓄水以后支流流速變緩,水體滯留時(shí)間增加,是引發(fā)支流水華的主要因素之一. 基于MIKE軟件，建立小江調(diào)節(jié)壩下游至河口的二維水動(dòng)力-富營(yíng)養(yǎng)化模型,考慮碳、氮、磷3種元素在浮游植物有機(jī)體、死亡腐屑和無(wú)機(jī)鹽中的循環(huán)轉(zhuǎn)化,模擬小江河段的春季水華過程. 分析小江生態(tài)調(diào)節(jié)壩的水量調(diào)節(jié)抑藻作用,即人為制造“洪水脈沖”,增加短時(shí)間內(nèi)的水流流速,對(duì)下游流場(chǎng)進(jìn)行擾動(dòng)以控制水華. 計(jì)算結(jié)果表明,增大泄水量對(duì)調(diào)節(jié)壩下游的小江河段的春季藻華總體上具有一定的抑制作用. 小江上游河段調(diào)度作用效果明顯,下游高陽(yáng)至入?yún)R口河段調(diào)節(jié)作用較小,上游調(diào)節(jié)壩水力調(diào)度可以作為三峽水庫(kù)支流水華應(yīng)急治理措施之一. 營(yíng)養(yǎng)鹽控制應(yīng)該是控制支流水華的根本措施.

富營(yíng)養(yǎng)化模型;三峽水庫(kù);小江；生態(tài)調(diào)度;水華

水體的營(yíng)養(yǎng)鹽水平一直被認(rèn)為是影響水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素,光照、溫度等因素在藻類生長(zhǎng)過程中也非常重要. 隨著人們對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化問題研究的深入,尤其是對(duì)于河流、水庫(kù)等流動(dòng)性水體,水體動(dòng)力特征越來(lái)越成為富營(yíng)養(yǎng)化問題的重要因子之一. 水流條件的變化對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的影響主要表現(xiàn)在:改變營(yíng)養(yǎng)鹽在水體中的時(shí)空分布,從而改變?cè)孱惿L(zhǎng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系[1];改變底泥向水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽釋放量,打破水體營(yíng)養(yǎng)鹽平衡[2-4];影響水體內(nèi)的懸移質(zhì)和藻類的垂向運(yùn)動(dòng),從而影響水體的透光性[5-6];水力條件的改變導(dǎo)致浮游植物種群競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的改變[7-8];水體的流動(dòng)性直接影響藻類初級(jí)生長(zhǎng)速率[9-14].

三峽水庫(kù)蓄水以來(lái),庫(kù)灣支流頻頻暴發(fā)水華. 初步研究表明,水庫(kù)蓄水以后,流速變緩,水體滯留時(shí)間增加,是引發(fā)支流水華的主要因素[15-17],由此引發(fā)大量水體動(dòng)力條件對(duì)水華影響的相關(guān)研究. 近年來(lái),針對(duì)水庫(kù)水華問題的生態(tài)調(diào)度被提出并用于實(shí)踐[11,15,18-20]. 本文擬針對(duì)三峽小江支流的水華問題,開展水力調(diào)度控藻的研究,主要目的有2個(gè):一是建立能夠綜合考慮三峽支流小江流域的水流、營(yíng)養(yǎng)鹽、氣象條件等的富營(yíng)養(yǎng)化模型,模擬小江流域的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài);二是采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行生態(tài)調(diào)度數(shù)值實(shí)驗(yàn),研究不同水力調(diào)節(jié)方案下的生態(tài)過程,探討針對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化問題的生態(tài)調(diào)度的可行性.

圖1 研究區(qū)域示意圖Fig.1 Sketch of the study area

小江是三峽庫(kù)區(qū)中段、北岸流域面積最大的支流,河口距三峽大壩約247 km,2條主要支流南河和北河匯于開縣. 三峽水庫(kù)蓄水以后,在開縣縣城形成面積約45 km2、最大消落深度30 m的消落區(qū),為了穩(wěn)定消落區(qū)生態(tài)系統(tǒng),在開縣新城下游4.5 km處修建了一個(gè)專門的消落區(qū)調(diào)節(jié)壩. 小江調(diào)節(jié)壩采用水閘及溢流堰聯(lián)合過水方式,水閘底板高156.5 m,溢流壩堰頂高程168.5 m. 調(diào)節(jié)壩建成以后,將小江流域分成2部分(圖1):調(diào)節(jié)壩以上為調(diào)節(jié)壩庫(kù)區(qū),三峽水位在168.5 m以下時(shí),調(diào)節(jié)壩閘門關(guān)閉擋水,壩上游的消落區(qū)形成漢豐湖;三峽水庫(kù)水位在168.5 m以上時(shí),調(diào)節(jié)壩閘門開啟,漢豐湖水位受三峽大壩控制.

調(diào)節(jié)壩以下至入江口(雙江鎮(zhèn))72 km河段屬于三峽水庫(kù)庫(kù)灣,受到三峽水庫(kù)水位和調(diào)節(jié)壩的共同作用. 根據(jù)已有水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果[21-22],該河段已有多處暴發(fā)水華,且春季水華呈現(xiàn)較高的重現(xiàn)率,該河段的春季水華作為研究的主要問題. 本文的研究時(shí)段為2008年1-4月，春季是三峽水庫(kù)的持續(xù)降水時(shí)段，三峽水庫(kù)的水位下降對(duì)于加大小江支流的水流流速，增加水體更新時(shí)間是有利的. 但是由于春季降雨量少，支流來(lái)水少，且三峽水位下降速度緩慢，因此三峽水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用對(duì)于藻類影響很小，水華暴發(fā)仍然頻繁.

1 模型框架

建立的富營(yíng)養(yǎng)化模型包括水動(dòng)力模塊(MIKE 21)和生態(tài)模塊(MIKE ECO)兩部分,通過求解一系列的對(duì)流擴(kuò)散方程模擬各水力要素和理化要素.

1.1 水動(dòng)力模型

采用雷諾平均的N-S方程,根據(jù)Boussinesq假定和靜水壓強(qiáng)近似,得到二維淺水方程. 笛卡爾坐標(biāo)系下的平面二維淺水方程的形式為:

(1)

(2)

(3)

式中, t為時(shí)間,U、V分別為x、y方向的水深平均速度,q為單位面積上水流的源匯強(qiáng)度，η為水面高程,h為水深,d是河底相對(duì)于基準(zhǔn)面的深度,h=η+d，f為柯氏力,A為水平渦粘度,ρ0為水體密度.

其中τsx、τsy分別為水面處x、y方向的風(fēng)應(yīng)力:

(4)

式中,ρa(bǔ)為空氣密度,CD為無(wú)因次拖曳系數(shù),Wx、Wy為水面以上10 m處x、y方向上的風(fēng)速.

τbx、τby分別為x、y方向的床面應(yīng)力,由曼寧公式的二維推廣來(lái)確定:

(5)

式中,n為河道曼寧阻力系數(shù).

1.2 藻類生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型

富營(yíng)養(yǎng)化模型主要考慮浮游藻類的生長(zhǎng)和死亡、底泥營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放、光熱和營(yíng)養(yǎng)鹽在垂向的傳遞和分層等過程,主要考慮碳(C)、氮(N)、磷(P)3種元素在浮游植物有機(jī)體、死亡腐屑和無(wú)機(jī)鹽中的循環(huán)轉(zhuǎn)化. 通過浮游植物碳(PC)、浮游植物氮(PN)、浮游植物磷(PP)、葉綠素a(CH)、腐屑碳(DC)、腐屑氮(DN)、腐屑磷(DP)、總無(wú)機(jī)氮(IN)、無(wú)機(jī)磷(IP)、溶解氧(DO)共10個(gè)狀態(tài)變量的物理化學(xué)變化來(lái)反映小江的生態(tài)動(dòng)力學(xué)過程. 對(duì)于任一生態(tài)學(xué)變量隨時(shí)間和空間的變化均可采用式(6)所示的對(duì)流擴(kuò)散方程來(lái)描述.

(6)

式中,C為某一生態(tài)學(xué)變量的濃度,Cs為點(diǎn)源濃度. Dx、Dy為x、y方向上的擴(kuò)散系數(shù),hF(C)為生化反應(yīng)項(xiàng),代表各生態(tài)變量在水體中進(jìn)行的物理、化學(xué)、生物作用過程以及各生態(tài)動(dòng)力學(xué)過程中水質(zhì)、水文氣象、水動(dòng)力因子之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系,對(duì)應(yīng)以下公式(7)～(22).

1.2.1 浮游植物浮游植物項(xiàng)主要考慮環(huán)境條件對(duì)浮游植物體內(nèi)碳、氮、磷含量變化的影響,反映浮游植物外界環(huán)境對(duì)浮游植物生命周期的聯(lián)系. 與浮游植物直接相關(guān)的狀態(tài)變量為PC、PN、PP和CH. 它們的生化反應(yīng)項(xiàng)考慮浮游植物的生長(zhǎng)、沉降和死亡3個(gè)過程. 浮游植物的生長(zhǎng)考慮光照、溫度、氮磷比和流速的影響,沉降和死亡過程中也考慮氮磷比的影響.

F(PC)=μ-Us/h·F2(N,P)·PC-μd·F2(N,P)·PC

(7)

(8)

(9)

(10)

式中,μ為浮游植物生長(zhǎng)率,受溫度、光照和營(yíng)養(yǎng)鹽元素比的影響,其計(jì)算公式為:

μ=μmax·f(I)·f(T)·f1(N,P)·f(U)·FAC·RD

(11)

式中,μmax為浮游植物最大生長(zhǎng)率(d-1);f(I)、f(T)、f1(N,P)、f(U)分別為光照、溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽和流速的影響系數(shù),FAC和RD分別為黑暗條件下生長(zhǎng)校正系數(shù)和相對(duì)日長(zhǎng).Us為浮游植物沉降速率(m/d),μd為浮游植物在最佳營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下的死亡率. Vkn、Vkp分別為浮游植物對(duì)N、P的吸收常數(shù)(d-1),KPN、KPP分別為浮游植物吸收N、P的半飽和常數(shù)(mg/L). CHmin為最小葉綠素a產(chǎn)量的光強(qiáng)決定系數(shù)(E/(m2d));CHmax為在營(yíng)養(yǎng)鹽充裕的情況下最大葉綠素產(chǎn)量的決定系數(shù),PNmin為浮游植物細(xì)胞內(nèi)最小氮濃度(gN/gC).

采用光照、溫度和氮磷比的影響函數(shù)公式分別為:

(12)

(13)

f1(N,P)=min(IN/(IN+KPN),IP/(IP+KPP))

(14)

(15)

f(U)=0.76.6U

(16)

式中,I為實(shí)際光強(qiáng),IK為不同溫度下的飽和光強(qiáng)(E/(m2d)),α為20℃下的飽和光強(qiáng),T為溫度(℃)，θi為飽和光強(qiáng)的溫度影響系數(shù),θg為藻類生長(zhǎng)的溫度影響系數(shù),U為水流流速. PNmax、PPmax分別為浮游植物細(xì)胞內(nèi)最大N、P濃度(gN/gC、gP/gC).

1.2.2 腐屑腐屑是指浮游植物死亡后懸浮在水體中的部分,是C、N、P在浮游植物、水體和底泥之間循環(huán)的重要載體. 腐屑可以認(rèn)為是浮游植物從死亡到沉降到水底的中間過程,它的減少主要由沉淀和分解礦化2個(gè)過程引起. 與浮游植物項(xiàng)類似,將其分為腐屑碳(DC)、腐屑氮(DN)、腐屑磷(DP)3個(gè)狀態(tài)變量進(jìn)行描述.

(17)

(18)

(19)

式中,Vm為死亡浮游植物的瞬時(shí)礦化因數(shù);Ud為腐屑的沉降速率(m/d),腐屑的礦化率與溫度和溶解氧的飽和度有關(guān),μm為20℃時(shí)的最大礦化率(d-1),θD為碎屑礦化的溫度系數(shù),MDO為水中溶解氧半飽和濃度.

1.2.3 無(wú)機(jī)鹽水體中無(wú)機(jī)鹽包括無(wú)機(jī)氮(IN)和無(wú)機(jī)磷(IP),無(wú)機(jī)氮的變化主要考慮浮游植物的吸收、腐屑的礦化、浮游植物的礦化以及底泥釋放4個(gè)過程.

(20)

-Vkn·IN/(IN+KPN)·PC

(21)

-Vkp·IP/(IP+KPP)·PC

式中,KSN、KSP分別為20℃時(shí)的N、P礦化的比例因數(shù),θM為底泥礦化的溫度系數(shù).

1.2.4 溶解氧水體中溶解氧濃度隨時(shí)間的變化主要與浮游植物產(chǎn)氧、礦化和呼吸過程耗氧、大氣復(fù)氧相關(guān). 具體關(guān)系表示為:

(22)

-Vm·VO·μd·F2(N,P)·PC+KRA·(Cs-DO)

式中,VO為浮游植物產(chǎn)氧過程中的氧碳質(zhì)量之比(gO2/gC)，KMSC為20℃時(shí)氧化條件下的比例因數(shù),KRA為大氣復(fù)氧系數(shù)(d-1)，CS為溶解氧的飽和濃度(g/m3).

1.3 數(shù)值計(jì)算方法

在空間上采用有限體積法對(duì)方程進(jìn)行離散求解,在水平方向采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,垂向采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格. 計(jì)算變量?jī)?chǔ)存在網(wǎng)格中心,在計(jì)算出通過每個(gè)控制體邊界沿法向輸入(出)的流量和通量后,對(duì)每個(gè)控制體分別進(jìn)行水量、動(dòng)量和物質(zhì)質(zhì)量平衡計(jì)算. 法向數(shù)值通量的計(jì)算采用近似黎曼解的Roe格式,用網(wǎng)格中心估算邊界值采用二階線性重構(gòu),采用Van Leer限制器以保證TVD性. 時(shí)間積分采用二階Runge Kutta方法.

建模范圍包括小江調(diào)節(jié)壩下游至入?yún)R口的小江河段和部分長(zhǎng)江干流河段,水平方向上共劃分了53419個(gè)計(jì)算網(wǎng)格,網(wǎng)格尺度為30 m. 水動(dòng)力模型的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為10 s,生態(tài)模塊的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為120 s.

2 小江富營(yíng)養(yǎng)化模型構(gòu)建與率定

2.1 初始和邊界條件

各變量在陸地邊界法向的通量均認(rèn)為是0,即在邊界處?Φ/?n=0,Φ為任一變量. 淺水方程和對(duì)流擴(kuò)散方程的開邊界均按第一類邊界給出,即給定邊界處具體的水位或者流量. 采用實(shí)測(cè)水文和水質(zhì)資料作為模型進(jìn)出口水位和流量邊界條件. 同時(shí)還考慮了風(fēng)生流和降雨條件的影響,采用流域最近的萬(wàn)州站的氣象資料(圖2). 營(yíng)養(yǎng)鹽濃度邊界采用實(shí)測(cè)水質(zhì)資料. 模擬時(shí)段為2008年1月23日-4月30日.

圖2 計(jì)算氣象條件:水溫、太陽(yáng)輻射、降水量和風(fēng)速Fig.2 Weather conditions of calculation:water temperature， solar radiation， precipitation and wind speed

營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷包括點(diǎn)源和面源,其中主要城鎮(zhèn)生活和工業(yè)污水排放視為點(diǎn)源,農(nóng)業(yè)氮磷排放視為面源. 點(diǎn)源污染物主要有COD、BOD、有機(jī)氮磷、無(wú)機(jī)氮磷、硫化物等,本文主要考慮可以被浮游植物直接吸收利用的無(wú)機(jī)氮(氨氮和硝態(tài)氮)和無(wú)機(jī)磷(主要考慮磷酸鹽)的負(fù)荷. 點(diǎn)源流量為城鎮(zhèn)生活污水和鄰近工業(yè)污水的排放量之和,并假設(shè)點(diǎn)源以一個(gè)恒定的流量連續(xù)不斷地進(jìn)入周圍水體. 小江面源污染主要來(lái)自回水區(qū)淹沒耕地營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放[13],其中淹沒耕地釋放的磷占小江總磷負(fù)荷的40%以上,甚至達(dá)70%以上,耕地釋放負(fù)荷與回水長(zhǎng)度和淹沒土地面積密切相關(guān). 三峽不同蓄水期間各類污染源對(duì)支流回水區(qū)的污染貢獻(xiàn)不同,在小江春季水華暴發(fā)的時(shí)段為三峽水庫(kù)消落期,以該時(shí)期153.22 m的平均水位計(jì)算耕地釋放.

2.2 參數(shù)敏感性分析和模型率定

在富營(yíng)養(yǎng)化模型參數(shù)中，按其性質(zhì)可分成受水域環(huán)境影響較小和較大的模型參數(shù)兩大類. 前者如溫度影響系數(shù)、浮游植物吸收氮磷的半飽和濃度、飽和光強(qiáng)度等，這些參數(shù)對(duì)于不同的藻種存在較大差異，但同一藻類的這些參數(shù)受地域影響較小，可以借鑒已有研究成果確定. 后者如水體綜合消光系數(shù)、大氣復(fù)氧系數(shù)等參數(shù)受水域環(huán)境影響較大，在已有研究成果的基礎(chǔ)上確定其取值范圍,然后采用單純形法對(duì)參數(shù)進(jìn)行率定和優(yōu)化，采用2008年春季的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行參數(shù)率定(表1).

3月份有1次持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的藻華過程,實(shí)測(cè)最大Chl.a濃度達(dá)到60 μg/L(渠馬斷面). 與實(shí)測(cè)資料對(duì)比,高陽(yáng)和渠馬段的Chl.a濃度與實(shí)測(cè)值比較接近,相對(duì)來(lái)說(shuō)，黃石和雙江站的峰值差別較大,原因可能是對(duì)下游段的營(yíng)養(yǎng)鹽輸入存在偏差. 這點(diǎn)從TP、TN濃度的對(duì)比結(jié)果也能看出,黃石和雙江河段的TP、TN濃度偏低,且變化幅度較小(圖3). 模擬結(jié)果總體上能夠反映出計(jì)算河段的營(yíng)養(yǎng)鹽條件和浮游植物生產(chǎn)力水平.

3 水力調(diào)度

3.1 調(diào)度方案

小江調(diào)節(jié)壩是一座專門的生態(tài)調(diào)節(jié)壩,其主要目的是為了解決開縣消落區(qū)的生態(tài)問題. 調(diào)節(jié)壩建成以后,形成總庫(kù)容為5591×104m3的漢豐湖水庫(kù). 因此可以考慮利用調(diào)節(jié)壩的調(diào)節(jié)作用,集中下泄一定的水量,增加下游河道流動(dòng)性[11]. 采用水力調(diào)度控藻的作用主要體現(xiàn)在2個(gè)方面:一是通過集中加大泄量將藻類沖釋并帶向下游. 二是通過加大下泄流量增加下游河道流速,對(duì)下游的流場(chǎng)進(jìn)行擾動(dòng),創(chuàng)造不利于藻類生長(zhǎng)的流動(dòng)環(huán)境,降低藻類初級(jí)生長(zhǎng)率,抑制藻類生長(zhǎng). 本研究采用率定的水動(dòng)力和藻類生長(zhǎng)動(dòng)力模型,針對(duì)小江春季水華進(jìn)行水量調(diào)節(jié)計(jì)算,對(duì)比分析抑藻效果.

表1 模型參數(shù)率定結(jié)果

根據(jù)小江河段水流動(dòng)力特征以及調(diào)節(jié)壩可調(diào)節(jié)性分析[23],初步設(shè)計(jì)3組水力調(diào)度條件進(jìn)行對(duì)比:(1)調(diào)度方案1:調(diào)節(jié)壩上游水位下降1 m,最大泄水流量為600 m3/s,泄水歷時(shí)3.5 h,總下泄水量為741×104m3；(2)調(diào)度方案2:調(diào)節(jié)壩上游水位下降2 m,最大泄水流量為1200 m3/s,泄水歷時(shí)4.5 h,總下泄水量為1791×104m3;(3)調(diào)度方案3:調(diào)節(jié)壩上游水位下降3 m,泄水流量為2450 m3/s,泄水歷時(shí)3.0 h,總下泄水量為2691×104m3. 3個(gè)方案均采用多次調(diào)度的方式,庫(kù)水位恢復(fù)后再次集中下泄. 相當(dāng)于形成一種洪水脈沖,對(duì)下游流場(chǎng)進(jìn)行不定期的擾動(dòng). 下泄頻率根據(jù)水位恢復(fù)情況確定,調(diào)節(jié)后的流量變化見圖4.

由于在4月中旬發(fā)生了1場(chǎng)洪水過程,為便于分析該洪水過程對(duì)于藻華的影響,調(diào)度時(shí)段控制在該洪水過程結(jié)束之后. 下泄流量過程如圖4所示. 計(jì)算邊界條件中僅來(lái)流量進(jìn)行調(diào)整,其他邊界條件均與未調(diào)節(jié)情況下一致.

3.2 調(diào)度結(jié)果

以養(yǎng)鹿、渠馬、高陽(yáng)、黃石和雙江大橋5個(gè)典型斷面上Chl.a濃度變化過程來(lái)分析調(diào)度效果,可以看出:

1)未實(shí)施調(diào)節(jié)方案情況下,在模擬時(shí)段內(nèi)有明顯的藻類增殖過程,且整個(gè)河段均有發(fā)生. 高陽(yáng)以上河段的Chl.a濃度變化幅度較大,出現(xiàn)多次Chl.a濃度峰值. 在2-4月,養(yǎng)鹿斷面Chl.a濃度最大為85 μg/L,最小為15 μg/L;渠馬斷面同期Chl.a濃度最大為82 μg/L,最小Chl.a濃度為22 μg/L;高陽(yáng)以下河段2-4月期間的Chl.a濃度也呈現(xiàn)增高趨勢(shì),變化趨勢(shì)相對(duì)較為單一,基本上在2月中下旬達(dá)到濃度峰值,然后保持一個(gè)緩慢持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì),在4月中旬達(dá)到峰值,4月份洪水以后,濃度迅速下降.

2)4月中旬洪水發(fā)生以后,全河段的Chl.a濃度普遍下降. 據(jù)統(tǒng)計(jì),4月洪水過程歷時(shí)2 d,洪峰流量為2000 m3/s,2 d累計(jì)水量為11650×104m3,相當(dāng)于小江調(diào)節(jié)壩正常蓄水位168.5 m對(duì)應(yīng)庫(kù)容的2倍. 水量足夠把調(diào)節(jié)壩下游河段藻類直接沖釋到長(zhǎng)江干流,控藻效果明顯. 而人造洪峰過程則無(wú)法達(dá)到這么大的水量,也就達(dá)不到這種抑藻效果.

3)調(diào)節(jié)方案實(shí)施以后,各個(gè)方案作用下的整體趨勢(shì)變化表現(xiàn)在:高陽(yáng)以上河段總體藻類生物量有下降趨勢(shì),高陽(yáng)以下河段生物量變化不明顯,且部分時(shí)段有所增加. 主要原因是由于下泄水量有限,河段較長(zhǎng),且高陽(yáng)以下河段的水深較大,下泄水量在該河段的影響很微弱,因此高陽(yáng)以下河段的Chl.a濃度變化不大.

圖3 葉綠素a、TN和TP濃度驗(yàn)證結(jié)果Fig.3 Verification of chlorophyll-a，total nitrogen and total phosphorous concentrations

圖4 小江調(diào)節(jié)壩泄水量方案Fig.4 Discharge schemes of Xiaojiang River dam

圖5 不同泄水方案下的葉綠素a濃度變化Fig.5 Changes of chlorophyll-a concentrations with different discharge schemes

4)以養(yǎng)鹿和渠馬2個(gè)斷面為代表統(tǒng)計(jì)各個(gè)方案下藻類生物量的變化規(guī)律,在2008年2-4月,養(yǎng)鹿斷面上3個(gè)方案藻類總體生物量分別變化了-0.8%、-4.4%、-3.7%,渠馬斷面上5個(gè)方案藻類總體生物量分別變化了+7.1%、-16.6%、-22.6%. 相對(duì)來(lái)說(shuō)水下泄水量越大,控藻效果相對(duì)越明顯.

5)從養(yǎng)鹿和渠馬2個(gè)斷面的Chl.a濃度變化來(lái)看,每次下泄均帶來(lái)Chl.a濃度的下降,最低Chl.a濃度要低于未調(diào)節(jié)的情況,但是調(diào)節(jié)過后藻類繼續(xù)增殖,最大Chl.a濃度與未調(diào)節(jié)情況下基本相同,也有部分時(shí)段出現(xiàn)Chl.a濃度增加的情況.

6)從敏感時(shí)段上來(lái)看,2月控藻效果不明顯,抑藻效果明顯的時(shí)段為3月,以方案3(庫(kù)水位下降3 m)效果最為明顯,渠馬段的月平均生物量降低32%.

整體來(lái)看，采用集中下泄方式對(duì)于藻類生物量的下降有一定調(diào)節(jié)作用，主要體現(xiàn)在時(shí)段平均的藻類總生物量有所減少. 在集中下泄的最初時(shí)段內(nèi)釋放的大量清水對(duì)下游水華的稀釋作用明顯，藻類密度有明顯下降. 由于下游的部分河段的流速增加，藻類生物量的增長(zhǎng)速度有所減緩. 但是也有部分河段存在藻類生物量增加的情況，應(yīng)該是由于下泄帶來(lái)更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或藻類種群，在水流減緩以后重新聚集生長(zhǎng). 因此調(diào)度時(shí)段和時(shí)間間隔的選取對(duì)于控制下游藻華十分關(guān)鍵.

4 結(jié)論

小江調(diào)節(jié)壩建成以后,支流水體動(dòng)力變得復(fù)雜,受三峽回水影響很大. 當(dāng)三峽水庫(kù)低水位運(yùn)行時(shí),調(diào)節(jié)壩下游河段既有部分河段表現(xiàn)出河流特征,也有部分河段表現(xiàn)出湖庫(kù)特征.

通過對(duì)比分析表明,本研究建立的模型能夠較好地模擬出小江調(diào)節(jié)下游河段的藻類增殖過程,較準(zhǔn)確地反映出該河段的水體動(dòng)力和環(huán)境要素指標(biāo). 從設(shè)計(jì)的控藻調(diào)度方案模擬結(jié)果來(lái)看,對(duì)于小江河段的春季藻華總體上具有一定的控制抑藻效果,但作用程度有限. 調(diào)節(jié)作用主要體現(xiàn)在時(shí)段平均的藻類總生物量有所減少. 受調(diào)節(jié)壩水量調(diào)節(jié)作用明顯的河段為調(diào)節(jié)壩至高陽(yáng)河段,其中渠馬河段的效果相對(duì)較好. 高陽(yáng)以下河段受三峽水庫(kù)回水影響,水量調(diào)節(jié)帶來(lái)的水體動(dòng)力特征變化微弱,控藻效果不明顯.

小江調(diào)節(jié)壩形成的水庫(kù)可調(diào)節(jié)水量有限，綜合考慮抑藻效果以及水量調(diào)節(jié)對(duì)壩上游消落區(qū)的影響,建議可以針對(duì)下游水華制定相應(yīng)的應(yīng)急調(diào)度方案,發(fā)揮小江調(diào)節(jié)壩的生態(tài)調(diào)度作用. 水體的動(dòng)力減弱是大型水庫(kù)建成以后的必然趨勢(shì),對(duì)于由此引起的水體富營(yíng)養(yǎng)化問題,仍然應(yīng)當(dāng)以營(yíng)養(yǎng)鹽輸入控制為主.

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Numerical simulation of eutrophication and its test of ecological operation schedule in Xiaojiang River， the tributary of Three Gorges Reservoir

YANG Zhonghua1, YANG Shuicao1，2, LI Dan1& BAI Fengpeng1

(1：StateKeyLaboratoryofWaterResourcesandHydropowerEngineeringScience,WuhanUniversity,Wuhan430072,P.R.China)(2：InvestigationandDesignInstituteofWaterResourcesandHydropowerLiaoningProvince,Shenyang110006,P.R.China)

Xiaojiang River, the tributary of the Three Gorges Reservoir, has suffered from eutrophication since the impoundment in 2003. Previous study showed that the lower river velocity and longer residence time are the key factors which promote the phytoplankton spring bloom. A two dimensional hydraulic and eutrophication model was developed to investigate the hydraulic and eutrophication dynamics in Xiaojiang branch. The model describes cycling of three nutrients element, namely carbon, nitrogen and phosphorus, in phytoplankton, detritus and inorganic nutrient. The effect of the hydraulic regulating of the sub-reservoir on dominance of the spring bloom was examined numerically. Artificial flood-impulse from the sub-reservoir is arranged to promote the physical disturbance in downstream river. The model predicts that flushing with water from the sub-reservoir will suppress phytoplankton blooms to some extent when the flushing water quantity is sufficiently increased. The effective suppressing river reach is the upper reaches of Gaoyang. While in the reach below Gaoyang, there is no obvious response of the phytoplankton growth to the hydraulic regulating. The eco-operation of the upstream reservoir can be used as one of the emergency alternative management for controlling the algal bloom in Three Gorges Reservoir. In order to control algal blooms in the tributary, nutrient loading should be reduced significantly.

Eutrophication dynamics model; Three Gorges Reservoir; Xiaojiang River; ecological regulation; algae bloom

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51079105，51379157，51439007)資助. 2015-05-14收稿；2015-10-26收修改稿. 楊中華(1977～)，男，博士，教授；E-mail: yzh@whu.edu.cn.