水位變化對(duì)三峽水庫(kù)小江藍(lán)藻水華的影響

黃宇波，楊 霞,向 波

(中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司流域樞紐運(yùn)行管理中心，湖北 宜昌 443133)

前 言

中國(guó)是水壩建設(shè)大國(guó)，據(jù)估計(jì)我國(guó)水庫(kù)庫(kù)容是天然湖泊的三倍[1]。水庫(kù)建設(shè)緩解防洪壓力、解決能源和水資源利用問(wèn)題的同時(shí)，對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)多樣性帶來(lái)一定壓力[2]。河流筑壩會(huì)增加水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的滯留[3]，減緩水流速度，加速顆粒沉降水體透明度增加，這些理化條件的改變有利于藻類增殖，甚至導(dǎo)致水華暴發(fā)， 水庫(kù)的管理越來(lái)越重視對(duì)水華的監(jiān)測(cè)和預(yù)警[4]。三峽水庫(kù)運(yùn)行后，庫(kù)區(qū)水華現(xiàn)象備受關(guān)注，水庫(kù)建成前后干流水質(zhì)保持穩(wěn)定，但是部分支流富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，水華頻繁[5]。

水動(dòng)力條件改變是水體富營(yíng)養(yǎng)化的一個(gè)重要因素，其中水位變化對(duì)河流、湖泊和水庫(kù)的影響顯著。例如在分層的湖泊中，較強(qiáng)的水位波動(dòng)影響湖濱帶生物群落，關(guān)鍵種的生存，增加物種入侵風(fēng)險(xiǎn)，增加內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷，降低生物多樣性，最終導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化和水華的出現(xiàn)[6]。水位變化與藻類的關(guān)系已有一些研究[7～10]，這使得水位調(diào)控成為水質(zhì)管理的一個(gè)工具。水庫(kù)水位調(diào)控逐步得到應(yīng)用，但這些應(yīng)用主要關(guān)注其它的生態(tài)因子例如水質(zhì)以及排沙，同時(shí)用于調(diào)節(jié)水溫和人造洪峰來(lái)促進(jìn)魚(yú)類繁殖[11]，而水位與水華的關(guān)系研究較少。

小江是三峽庫(kù)區(qū)長(zhǎng)江北岸流域面積最大的一級(jí)支流，距三峽大壩約247km, 河長(zhǎng)182.4km, 流域面積5 173km2,年均流量116m3/s,三峽庫(kù)區(qū)境內(nèi)長(zhǎng)度117.5km,涉及三峽庫(kù)區(qū)開(kāi)縣、云陽(yáng)2個(gè)區(qū)縣眾多集鎮(zhèn)。根據(jù)2006年《長(zhǎng)江三峽工程與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)公報(bào)》，受三峽水庫(kù)蓄水影響，小江從 2005 年起就有水華現(xiàn)象發(fā)生，至今仍逐年暴發(fā)。雖然水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定影響[12]，但是據(jù)此通過(guò)水位調(diào)節(jié)來(lái)控制水華的研究仍然較少。本研究以小江為研究對(duì)象，在藍(lán)藻水華嚴(yán)重時(shí)期開(kāi)展葉綠素a、水文和營(yíng)養(yǎng)鹽等因子逐日加密監(jiān)測(cè)，利用這些數(shù)據(jù)探討水位與藻類生物量的關(guān)系，并試圖找出控制水華的水位波動(dòng)閾值，為水庫(kù)水生態(tài)管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣點(diǎn)

由河口至上游共設(shè)置7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分別為XJ01～XJ07(圖1)，分別在2016年5月1日～5月13日，2018年4月23～6月8日，2019年5月21日～8月5日水華期間，根據(jù)水華發(fā)生的過(guò)程進(jìn)行逐日或者間隔監(jiān)測(cè)。

圖1 樣點(diǎn)圖Fig.1 Sample sites

1.2 數(shù)據(jù)分析

對(duì)每天所有樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均取值，水位日變幅(WLF)為當(dāng)日水位值與前一日水位連續(xù)兩天的差值。用Origin 9.1 進(jìn)行水位與相關(guān)環(huán)境因子的回歸分析作圖。藻類生物量受多種環(huán)境變量影響，而不同環(huán)境變量間可能存在一定的相互關(guān)系，因此運(yùn)用線性混合模型(LME)篩選對(duì)藻類生物量有顯著影響的環(huán)境變量。

線性混合模型(LME)是在一般線性模型的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而來(lái)，區(qū)別在于該模型在回歸公式中同時(shí)包含了固定效應(yīng)和隨機(jī)效應(yīng)，其表達(dá)式為Y=Xβ+Zγ+ε，相比簡(jiǎn)單線性模型，多出了Z這一項(xiàng)，這一項(xiàng)稱之為隨機(jī)效應(yīng)。當(dāng)自變量之間可能存在相關(guān)性，而不滿足相互獨(dú)立的條件，則適用于線性混合模型。本研究中先將所有可能對(duì)藻類生物量變化具有固定效應(yīng)的變量選入模型，將觀測(cè)值按年設(shè)置為三組，作為三個(gè)重復(fù)，采用重復(fù)協(xié)方差類型(AR1)進(jìn)行協(xié)方差參數(shù)估計(jì)，用約束性最大似然法(REML)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)。用SPSS19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)如果不滿足正態(tài)分布，則進(jìn)行l(wèi)og(x+1)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換。以P<0.05作為顯著水平。

2 結(jié) 果

2.1 水文水環(huán)境特征

表1 水環(huán)境參數(shù)(樣本數(shù)N=61)Tab.1 Physic-chemical parameters of the water body (Sample number N=61)

圖2 葉綠素a 與水位(A)、水位日變幅(B)的時(shí)間變化Fig.2 Variation between Chla and WL (A) , WLF(B) during the study period

調(diào)查期間處于三峽水庫(kù)汛期，水位較低，在145.33～161.76m之間變動(dòng)，均值為153.24m，2016、2018年的水位均值(分別為157.3m和158m)顯著高于2019年(149.1m)(P<0.05)，波動(dòng)平均值為-0.31m/d，水位日變幅年際間無(wú)差異(P>0.05)。調(diào)查期間發(fā)生藍(lán)藻水華，葉綠素a (Chla) 均值為33.32μg/L，最大值出現(xiàn)在2018年5月，達(dá)到103.10μg/L，此時(shí)水位日變幅位于0m/d 附近(圖2)。水體理化參數(shù)如表1所示，TN濃度值為0.88～2.23mg/L，均值為1.61mg/L， TP濃度為0.04～0.23mg/L，均值為0.10mg/L。調(diào)查期間水溫均在20℃以上，均值為23.85℃，最大水溫達(dá)到28.96℃。透明度較低，均值為102.51cm(表1)。

2.2 水位與水環(huán)境的關(guān)系

圖3 水位與正磷酸鹽(A)、水溫(B)、透明度(C)、氮磷比(D)的關(guān)系Fig.3 Relationship between water level and phosphate(A),WT(B),SD(C),nitrate phosphate ratio(D)

2.3 藻類生物量的影響因子

表2 LME分析各環(huán)境因子對(duì)葉綠素a的影響Tab.2 Factors affecting Chla through LME analysis

水位日變幅與葉綠素a呈現(xiàn)非線性的關(guān)系，當(dāng)WLF大于1m/d時(shí)，葉綠素a維持在較低水平，而水位日變幅在-1～1m之間，葉綠素a的值變化范圍大，且水位日變幅越小，葉綠素a高值出現(xiàn)的頻率越大(圖4)。

圖4 水位日變幅(WLF)與葉綠素a 的關(guān)系(虛線為變幅區(qū)間)Fig.4 Scatter plot between Chla and WLF (dashed line represents the variation section)

3 討 論

夏季三峽水庫(kù)主要發(fā)揮攔洪排沙等功能，水位處于波動(dòng)狀態(tài)，藻類生物量受水位影響明顯。LME分析顯示，水位與葉綠素a負(fù)相關(guān)，說(shuō)明升高水位能降低藻類生物量，這與以往文獻(xiàn)的研究類似[14]。水位變化通過(guò)直接或者間接改變水體理化條件，包括光照、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度混合層深度、水體穩(wěn)定度等來(lái)影響藻類的生長(zhǎng)[9]。

水位變化直接改變水體穩(wěn)定性。夏季低水位運(yùn)行時(shí)，三峽庫(kù)區(qū)水體穩(wěn)定度較高，并出現(xiàn)溫度分層狀態(tài)[15]，相比于硅藻綠藻，藍(lán)藻在這樣的環(huán)境中具有更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因此5～8月低水位運(yùn)行時(shí)，小江常常發(fā)生藍(lán)藻水華。水位變化首先改變支流水文水動(dòng)力特征，降低水體穩(wěn)定性，破壞藻類生境，在水位變動(dòng)的環(huán)境沖擊下，藍(lán)藻逐漸逝去競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而迅速變成硅藻綠藻為優(yōu)勢(shì)類群[16]。另外，水位增加時(shí)，浮游植物被稀釋，密度呈降低趨勢(shì)[17]。但是這一稀釋作用并不絕對(duì)，本研究中，水位上升幅度較小時(shí)，葉綠素a也可能增加(圖3)，水華加重，這可能與水位上升時(shí)支流庫(kù)灣干支流交換的具體形式有關(guān)[18]。

水位變化能改變水體理化條件。研究結(jié)果顯示，三峽水庫(kù)水位變化能顯著改變水體磷酸鹽濃度、水文和透明度以及氮磷比(圖3)。普遍認(rèn)為，水位變化對(duì)湖庫(kù)中磷的濃度影響較大，從而改變了藻類及水生植物生物量和多樣性[10,19]。本研究發(fā)現(xiàn)，水位升高能顯著降低水體正磷酸鹽濃度，說(shuō)明水位升高對(duì)水體磷具有稀釋作用，而磷是藻類生長(zhǎng)的必需元素，磷的降低可以減緩藻類增殖。統(tǒng)計(jì)分析表明，藻類生物量隨總磷增加而增加，但是與總氮的關(guān)系不明顯，與水體硝氮濃度有顯著關(guān)系(表2)，水位上升，磷的濃度降低，顯著升高了水體氮磷比(圖3)。有研究表明，低氮磷比有利于藍(lán)藻生長(zhǎng)[20]，在藍(lán)藻水華暴發(fā)的小江，水位升高，氮磷比升高，可能是藍(lán)藻生物量降低的原因之一。

水位與水溫顯著負(fù)相關(guān)，而與透明度顯著正相關(guān)，說(shuō)明水位變化能顯著改變水體光熱條件。LME分析顯示，透明度是影響藻類生物量的重要因子。同樣的空氣光強(qiáng)，透明度高則水體光照強(qiáng)度高，高光強(qiáng)可對(duì)藍(lán)藻生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制[21]，從而使硅藻和綠藻獲得相對(duì)與藍(lán)藻的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但是藻類生物量未顯示與溫度的關(guān)系(表2)，可能是觀測(cè)值均位于夏季水華期間，水體表層溫度波動(dòng)不明顯。水體溫度垂向結(jié)構(gòu)與水華相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)，在三峽水庫(kù)支流香溪河區(qū)域，下游深水區(qū)水溫分層較弱，而在上游淺水區(qū)分層反而較強(qiáng)，上游水華頻繁[22]。水位升高可以增加深水層水溫，降低表層水溫，促進(jìn)水體混合，并改變水體光照，從而降低藍(lán)藻在藻類群落中的優(yōu)勢(shì)[23]。因此，水位變化改變水溫透明度，是引起藻類生物量變化的重要原因。

治理水華，截污控源是根本措施，然而這是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程[24], 通過(guò)運(yùn)行調(diào)度的“生態(tài)水文”調(diào)控措施以控制或減緩藻類水華暴發(fā)，可節(jié)約采取其它措施所需成本，并可避免可能帶來(lái)的二次污染，具有良好的環(huán)境、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。研究表明，增大流速可以抑制藻類增長(zhǎng)，不同藻類對(duì)不同流速的響應(yīng)有差異，藍(lán)藻在流水中生長(zhǎng)受到抑制，而硅藻隨著流速增加其生長(zhǎng)速度先增加后減小[25]。例如漢江中下游發(fā)生水華，通過(guò)增加下泄流量，增大水體流速，能夠降低水華發(fā)生頻次[26]。然而三峽水庫(kù)支流通過(guò)水位調(diào)節(jié)對(duì)流速的影響不顯著[27]，如果水位降幅較小，則流速改變很小，對(duì)水華的抑制作用有限，反而可能造成水溫和磷的升高(圖3)，促進(jìn)藻類生長(zhǎng)，這就導(dǎo)致泄水過(guò)程對(duì)水華的抑制作用不明顯[28]。水位增加主要通過(guò)營(yíng)養(yǎng)鹽稀釋和pH、光照控制藻類增殖[14]，水位日升幅較小時(shí)，對(duì)藍(lán)藻生物量的抑制作用不明顯，本研究發(fā)現(xiàn)，水位日變幅對(duì)藻類生物量影響顯著(表2)，然而與文獻(xiàn)[14]結(jié)果所不同的是，水位日變幅并不是與葉綠素a呈簡(jiǎn)單的負(fù)相關(guān)，而是在-1m/d 和 1m/d時(shí)顯示為控制藍(lán)藻水華的閾值。對(duì)香溪河葉綠素a和水動(dòng)力的關(guān)系研究表明，庫(kù)水位50cm/d的降幅可對(duì)支流庫(kù)灣葉綠素a濃度產(chǎn)生明顯影響,但通過(guò)庫(kù)灣水體的局部振蕩或立面循環(huán)運(yùn)行改善水動(dòng)力條件的方法可能更具現(xiàn)實(shí)意義[29]。本研究結(jié)果類似，當(dāng)水位日變幅低于1m時(shí)，葉綠素a的值有可能較高也有可能較低，因此控制水華的水位日變幅應(yīng)該大于1m/d，才能對(duì)藻類生物量產(chǎn)生明顯抑制(圖3)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)上述分析推測(cè)，主要采用升高水位的方式，抑制作用可能會(huì)更有效。

5 結(jié) 論

水華期間水位變化與水體理化條件共同影響藻類生物量。水位變化通過(guò)直接或者間接改變水體水動(dòng)力條件、磷酸鹽含量、透明度、水溫等條件來(lái)抑制藻類持續(xù)增殖。水位升降幅度較小時(shí)不能有效抑制水華，當(dāng)水位日變幅大于1m/d時(shí)可使藻類生物量維持在較低水平，這將為利用水位調(diào)控方式進(jìn)行水庫(kù)水華防控和水生生態(tài)系統(tǒng)管理提供依據(jù)。