控制漢江中下游春季硅藻水華的關(guān)鍵水文閾值及調(diào)度策略

殷大聰，尹正杰，楊春花，王 冬

（1.長江水利委員會(huì)長江科學(xué)院，430010，武漢；2.流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，430010，武漢）

水文

控制漢江中下游春季硅藻水華的關(guān)鍵水文閾值及調(diào)度策略

殷大聰1，2，尹正杰1，2，楊春花1，2，王 冬1，2

（1.長江水利委員會(huì)長江科學(xué)院，430010，武漢；2.流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，430010，武漢）

導(dǎo)致漢江水華暴發(fā)的主要因素為高營養(yǎng)鹽負(fù)荷、緩慢的流速、較小的流量、晴好的氣候條件等原因。對水華暴發(fā)期間的漢江中下游主要水文站點(diǎn)的水文學(xué)特性進(jìn)行了分析，研究提出了漢江中下游春季水華暴發(fā)的關(guān)鍵水文閾值，并提出了控制漢江中下游春季硅藻水華暴發(fā)的生態(tài)調(diào)度策略，研究結(jié)果可為南水北調(diào)中線工程的科學(xué)調(diào)度提供依據(jù)和參考。

漢江；南水北調(diào)；丹江口水庫；水華；水文閾值；硅藻

漢江，又稱漢水，發(fā)源于陜西省寧強(qiáng)縣嶓冢山，流經(jīng)陜西省、湖北省的十多個(gè)縣市區(qū)，先后接納十余條支流，于武漢的漢口龍王廟匯入長江，干流全長1 577 km，是長江最長的一級支流。丹江口水庫大壩以上為上游，河谷狹窄，水流湍急；丹江口大壩至鐘祥為中游，河谷寬闊，洲灘多，水流緩；鐘祥至漢口龍王廟為下游，處于江漢平原腹地，河道彎曲，比降小，水流緩慢。

位于漢江上游的丹江口水庫是南水北調(diào)中線工程的水源地，該工程的實(shí)施可以有效緩解北京、天津、石家莊、鄭州等大型城市的缺水狀況，具有十分重要的戰(zhàn)略地位。

然而，自1992年以來，漢江中下游多次暴發(fā)嚴(yán)重的春季硅藻水華。水華發(fā)生時(shí)，水色呈現(xiàn)棕褐色，并伴有濃烈的腥臭味，不僅影響漢江中下游沿途居民生產(chǎn)生活的正常進(jìn)行，同時(shí)也對南水北調(diào)中線工程的順利實(shí)施產(chǎn)生一定影響，迫切需要開展?jié)h江中下游春季硅藻水華控制的對策措施研究。

本研究通過對比分析漢江中下游歷年水華暴發(fā)年份與無水華年份的水文條件特點(diǎn)，研究提出控制漢江中下游春季硅藻水華暴發(fā)的水文閾值，為漢江中下游春季硅藻水華的預(yù)測預(yù)警及防治提供技術(shù)支持和參考。

一、漢江中下游春季硅藻水華暴發(fā)的原因分析

自1992年漢江中下游首次暴發(fā)春季硅藻水華以來，至今已經(jīng)發(fā)生過十多次，幾乎每兩年一次，特別是近年，水華暴發(fā)的頻率和強(qiáng)度都有逐年增加的趨勢。國內(nèi)許多學(xué)者對漢江春季硅藻水華暴發(fā)的原因展開了大量的研究工作，總結(jié)分析已有的研究成果，漢江中下游春季硅藻水華暴發(fā)的原因主要集中在以下3個(gè)方面。

1.營養(yǎng)鹽負(fù)荷加劇

水華現(xiàn)象是水體積累過量的氮磷營養(yǎng)鹽，促使水體藻類大量增殖，個(gè)別藻類成為絕對優(yōu)勢種，導(dǎo)致水體表觀異常，因而影響水體正常服務(wù)功能的現(xiàn)象。20世紀(jì)90年代以前，漢江水質(zhì)基本可以達(dá)到地表水II類標(biāo)準(zhǔn)，但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，外源營養(yǎng)物不斷輸入，導(dǎo)致漢江水體的營養(yǎng)鹽含量逐年上升；殷大聰?shù)龋?012）在漢江水華暴發(fā)期間，對取自漢江宗關(guān)段的原水進(jìn)行了室內(nèi)培養(yǎng)研究，實(shí)驗(yàn)設(shè)置了不同的流速條件、光照強(qiáng)度和水溫。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在各自的實(shí)驗(yàn)條件下，水體都產(chǎn)生了嚴(yán)重的硅藻水華，表明漢江水體氮磷營養(yǎng)鹽已經(jīng)足夠滿足漢江春季硅藻水華暴發(fā)所需。

2.緩慢的水流條件促進(jìn)了藻類增殖

水文動(dòng)力學(xué)條件改變可以加快水體的水平和垂直交換速率，一方面可以促進(jìn)水體污染物的擴(kuò)散和降解，同時(shí)可以減緩藻類的增殖速率甚至抑制藻類的增殖，從而達(dá)到控制水華的目的。河流水華的暴發(fā)，主要是由于水流趨緩，營養(yǎng)鹽降解緩慢，從而促進(jìn)了藻類增殖，導(dǎo)致水華發(fā)生，特別是庫灣及主要入庫支流發(fā)生水華的頻率非常高。漢江水華暴發(fā)期集中在春季，此時(shí)漢江處于枯水期，流量小，水流緩慢，水體的透明度增加，有利于藻類的增殖，從而產(chǎn)生水華現(xiàn)象。

3.氣候條件

水華的暴發(fā)，除了水文和營養(yǎng)鹽要素外，還必須要有適宜的氣候條件，特別是光照條件，強(qiáng)光能夠促進(jìn)藻類的快速增殖，從而產(chǎn)生水華現(xiàn)象。通過對1992年以來漢江春季硅藻水華暴發(fā)期間的天氣條件分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)生水華的年份都呈現(xiàn)持續(xù)的晴好天氣。

二、控制漢江中下游春季硅藻水華的策略

水華的暴發(fā)是藻類自身的生理生態(tài)學(xué)特性與外界環(huán)境條件相互作用的結(jié)果，當(dāng)外界環(huán)境條件適宜該藻類大量增殖時(shí)，暴發(fā)大規(guī)模水華的可能性增加。從歷次水華暴發(fā)的環(huán)境條件來看，大都是漢江正處于枯水期，流量偏小，流速偏低。因此，導(dǎo)致漢江水華暴發(fā)的主要因素為高營養(yǎng)鹽負(fù)荷、緩慢的流速、較低的流量、晴好的氣候條件等原因。

由于降低營養(yǎng)鹽負(fù)荷難以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，氣候條件難以控制但可以預(yù)測，只有水文條件可以人為控制，短期內(nèi)控制漢江中下游春季硅藻水華的有效措施是控制丹江口大壩的下泄流量。因此，要研究控制漢江中下游水華暴發(fā)的關(guān)鍵水文閾值，通過調(diào)控不利于水華發(fā)生的水文條件而實(shí)現(xiàn)對水華的控制。

三、漢江中下游春季硅藻水華暴發(fā)的關(guān)鍵水文閾值分析

對于河流水華而言，水文要素是決定水華暴發(fā)的最主要因素，包括流態(tài)、流速、流量等，而最直接的影響因素是流速。流速變幅大，相對復(fù)雜，而對某個(gè)固定河道斷面而言，流量與流速間存在一定的相關(guān)關(guān)系。因此，從流量的角度研究提出控制漢江中下游水華暴發(fā)的水文閾值，不僅合理，且具有現(xiàn)實(shí)可操作性。

因此，本研究擬依據(jù)1992年以來漢江中下游主要水文站點(diǎn)1—3月的實(shí)測水文數(shù)據(jù)，分析漢江中下游歷次水華事件發(fā)生年份與未發(fā)生年份1—3月份的流量特征，計(jì)算不同流量級別下發(fā)生水華的概率，據(jù)此推求控制漢江中下游水華暴發(fā)的流量閾值。

從歷次水華暴發(fā)的區(qū)間范圍來看，主要在鐘祥至漢江河口區(qū)間的干、支流（東荊河）。考慮到漢江中下游引江濟(jì)漢工程已于2014年9月正式通水，可增加漢江興隆水利樞紐以下干流的流量350～500 m3/s，有利于抑制漢江興隆以下干流春季硅藻水華暴發(fā)。因此，本研究以漢江興隆段為界，將漢江中下游干流河段分為上下兩段，興隆以上河段選擇沙洋水文站為代表站，興隆以下河段以仙桃水文站為代表站，分別提出控制漢江中下游水華暴發(fā)的水文閾值。

1.控制興隆以上干流水華暴發(fā)的水文閾值

對于興隆以上干流河段，統(tǒng)計(jì)分析沙洋站1992—2012年以來水華暴發(fā)期間（1—3月）的枯水流量特征。由于水華的暴發(fā)是一個(gè)由低密度到高密度逐漸發(fā)展的過程，根據(jù)漢江水華暴發(fā)期間的多年跟蹤調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在枯水期持續(xù)的低流速條件和適宜的氣候條件下，漢江中下游極易暴發(fā)硅藻水華。因此重點(diǎn)分析水華發(fā)生期間的最小7日平均流量。對于發(fā)生水華的年份，統(tǒng)計(jì)分析水華發(fā)生前及過程中的7日最小平均流量；而對于沒有發(fā)生水華的年份，分析1—3月間的7日最小平均流量。

本研究分析的前提是忽略了天氣條件因素的影響，在漢江中下游營養(yǎng)鹽負(fù)荷水平能滿足發(fā)生水華所需且調(diào)水后可能進(jìn)一步增加的條件下，可以認(rèn)為漢江中下游春季水華發(fā)生與否僅與當(dāng)時(shí)的水文條件密切相關(guān)。

沙洋站1992—2012年1—3月的7日最小平均流量范圍為265～1 224 m3/s，以 50 m3/s為步長單位，統(tǒng)計(jì)分析在不同流量區(qū)間范圍內(nèi)發(fā)生水華的次數(shù)。運(yùn)用頻率分析的方法，分析水華發(fā)生的頻率與對應(yīng)流量之間的相關(guān)關(guān)系，據(jù)此得到不同流量下發(fā)生水華頻率分析表（表1）。通過該表可以看出，1992—2012年間10次水華事件中有7次是發(fā)生在7日最小流量為 600 m3/s以下，有 3次發(fā)生在750 m3/s以上 （2008年后的最近 3次）；流量越大則高于該流量發(fā)生水華的次數(shù)越小，當(dāng)流量高于900 m3/s時(shí)，無水華事件發(fā)生。

對沙洋站 7日最小平均流量和其對應(yīng)的水華發(fā)生頻率進(jìn)行了對數(shù)擬合，擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)到85.5%（圖1）。通過擬合關(guān)系圖推求得到了不同流量最小7日平均流量下不發(fā)生水華的概率（見表2）。由表2可見，要保證興隆以上河段不發(fā)生水華，對應(yīng)75%、85%、90%保證率下的最小7日平均流量應(yīng)不低于600 m3/s、800 m3/s和900 m3/s。

表1 沙洋站7日最小平均流量范圍內(nèi)水華發(fā)生頻率分析

圖1 沙洋站最小7日平均流量與不發(fā)生水華頻率擬合關(guān)系

表2 沙洋站最小7日平均流量下不發(fā)生水華的概率

2.控制興隆以下漢江干流水華暴發(fā)的水文閾值

同樣地，對興隆以下漢江干流河段，統(tǒng)計(jì)分析仙桃水文站1992—2012年以來水華暴發(fā)期間（1—3月）的枯季流量特征，得出不同流量下發(fā)生水華的頻率分析表（表3）。

對仙桃站7日最小平均流量和其對應(yīng)的水華發(fā)生頻率進(jìn)行了對數(shù)擬合，擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)到92.3%（圖2），通過擬合關(guān)系圖推求得到了不同流量最小7日平均流量下不發(fā)生水華的概率（表4）。

可見，仙桃站在500 m3/s流量下只能保證70%的概率不發(fā)生水華，有別于已有相關(guān)研究認(rèn)為“仙桃站最小流量大于500 m3/s就能控制水華”的論斷。該論斷可能是基于2005年以前的水華事件樣本得出的，而2009年后發(fā)生水華的最小流量有了明顯的增加，從而導(dǎo)致仙桃站控制水華發(fā)生的最小流量也有了增加。基于目前的樣本數(shù)據(jù)，仙桃站在 75%、85%、 90%保證率下不發(fā)生水華的最小7日平均流量分別應(yīng)不低于550 m3/s、700 m3/s和800 m3/s。

四、控制漢江中下游春季硅藻水華暴發(fā)的生態(tài)調(diào)度策略

漢江中下游春季水華暴發(fā)有著明顯的時(shí)空特性。從時(shí)間上看，水華主要集中在春季的1月底至3月中下旬，特別是2月份前后相對集中；從空間來看，漢江中下游春季硅藻水華主要空間范圍為鐘祥以下至漢口，尤其是潛江以下至河口的漢江干流。

南水北調(diào)中線調(diào)水后，近期年調(diào)水約40億m3，遠(yuǎn)期2020年調(diào)水95億m3，興隆以上河段受調(diào)水的影響較大，枯水期水量將明顯減少。由于實(shí)施了引江濟(jì)漢工程，枯水期興隆以下江段可由引江濟(jì)漢工程補(bǔ)充流量350～500 m3/s。因此，控制漢江中下游水華暴發(fā)的水量調(diào)度方案應(yīng)以興隆樞紐為界分別實(shí)施調(diào)度，對漢江興隆以上干流江段的水華問題，主要依靠丹江口水庫加大下泄流量控制水華；對于興隆以下江段的水華問題，主要依靠興隆水利樞紐工程與引江濟(jì)漢工程聯(lián)合運(yùn)用，補(bǔ)充加大下游仙桃站流量。

控制漢江中下游春季硅藻水華的調(diào)度方式定為應(yīng)急調(diào)度，其調(diào)度方案為：

①對漢江興隆以上漢江干流江段，若藻類密度累積接近 106個(gè)/L時(shí)，則以應(yīng)急調(diào)度方式加大丹江口水庫下泄流量，使得沙洋站的流量增加到900 m3/s（對應(yīng)90%的保證率），即可達(dá)到控制漢江興隆以上春季水華的目的。

表3 仙桃站7日最小平均流量范圍內(nèi)水華發(fā)生頻率分析

圖2 漢江仙桃站最小7日流量與不發(fā)生水華頻率擬合關(guān)系

表4 仙桃站最小7日平均流量下不發(fā)生水華的概率

②對漢江興隆以下漢江干流江段，若藻類密度累積接近 106個(gè)/L時(shí)，則以應(yīng)急調(diào)度方式加大興隆水利樞紐下泄與引江濟(jì)漢調(diào)水工程聯(lián)合運(yùn)用，補(bǔ)充漢江水量使得仙桃站的流量增加到800 m3/s（對應(yīng)90%的保證率），即可達(dá)到控制漢江興隆以下春季硅藻水華的目的。

③若興隆以上和以下河段硅藻密度接近106個(gè)/L時(shí)，則考慮丹江口水庫、興隆水利樞紐和引江濟(jì)漢工程的聯(lián)合運(yùn)行，在丹江口水庫加大下泄流量至滿足沙洋站900 m3/s的7日最小平均流量時(shí)，興隆水利樞紐同步加大下泄流量，并配合引江濟(jì)漢工程，滿足仙桃站800 m3/s的7日最小平均流量。 ■

[1]唐友堯，王桂榮.漢江 “水華”成因分析及防治[J].重慶環(huán)境科學(xué)，2001（5）.

[2]殷大聰，鄭凌凌，宋立榮.漢江中下游早春冠盤藻水華暴發(fā)過程及其成因初探[J].長江流域資源與環(huán)境，2011（4）.

[3]殷大聰，等.漢江水華硅藻生物學(xué)特性初步研究[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2012（2）.

[4]況琪軍，等.漢江中下游江段藻類現(xiàn)狀調(diào)查及“水華”成因分析[J].長江流域資源與環(huán)境，2000（1）.

[5]熊文，廖奇志.南水北調(diào)中線工程對漢江中下游“水華”影響及對策[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2003（5）.

[6]譚鐵強(qiáng)，等.漢江枯水期藻類生長調(diào)查[J].環(huán)境與健康，2002（2）.

[7]王紅萍，等.漢江水華水文因素作用機(jī)理[J].長江流域資源與環(huán)境，2004（3）.

[8]謝敏，等.漢江中下游“水華”成因分析及其對策初探[J].人民長江，2006（8）.

[9]曾輝，等.三峽水庫“水華”成因初探[J].長江流域資源與環(huán)境，2007（3）.

[10]陳根祥，胡高平，張德兵.漢江發(fā)生“水華”的水文因素[J].長江職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（1）.

[11]李春青，葉閩，普紅平.漢江水華的影響因素分析及控制方法初探[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2007（2）.

[12]盧大遠(yuǎn).漢江下游突發(fā)“水華”的調(diào)查研究[J].環(huán)境科學(xué)研究，2000（2）.

責(zé)任編輯 張金慧

Key hydrological thresholds related to algae bloom in middle and lower reaches of Hanjiang River and studies on mitigation measures

Yin Dacong,Yin Zhengjie,Yang Chunhua,Wang Dong

Algae bloom in the Hanjiang River Basin is mainly caused by high nutrient loads,slow flows,small runoff and sunny weather conditions.In accordance with hydrological features of main stations in the middle and lower reaches of the Hanjiang River,key hydrological thresholds at the time of occurring of algae bloom in the spring are examined.Ecological measures for controlling algae bloom are proposed.The study results can be used as a technical base and of reference value for scientific regulation of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project.

Hanjiang River;South-to-North Water Diversion;Danjiangkou Reservoir;algae blooms;hydrological threshold;diatom

TV123+X171.4

B

1000-1123（2017）09-0031-04

2016-12-17

殷大聰，高級工程師，研究方向?yàn)榱饔蛏鷳B(tài)環(huán)境，重點(diǎn)研究水華發(fā)生的生理生態(tài)學(xué)機(jī)制。

自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（51279011）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助（2016YFC0502201）；中央級公益性科研院所基金項(xiàng)目(CKSF2012041/SZ）。