滇中地區(qū)水庫水環(huán)境特征分析—以楚雄州境內(nèi)28座水庫為例

段立曾

(云南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院/高原湖泊生態(tài)與治理研究院，云南 昆明 650500)

0 前言

水庫是介于河流與湖泊之間半自然、半人工的生態(tài)系統(tǒng)，具有水位不穩(wěn)定、水置換周期長、生產(chǎn)力低等特點[1-2]。云南省楚雄州境內(nèi)的水庫眾多(230余座)，水庫類型和功能各異，在區(qū)域糧食安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)穩(wěn)定等方面具有重要作用[3]。楚雄州水庫多修建于20世紀(jì)五六十年代，運行年代久遠(yuǎn)，隨著城市發(fā)展和人口劇增，點源、面源污染負(fù)荷的增加，水質(zhì)日益惡化、富營養(yǎng)化不斷加劇[4-5]。導(dǎo)致水庫功能的減弱或喪失，制約地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展甚至危及人類的健康。

水體的基本理化指標(biāo)如水溫、pH、溶解氧、透明度、濁度，氮、磷等營養(yǎng)鹽，以及如葉綠素a和藻藍(lán)蛋白等生物指標(biāo)，是深入認(rèn)識湖庫水體環(huán)境的基礎(chǔ)[6-7]。其中，水溫是水環(huán)境評價的重要因子之一，對水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物過程起著重要作用[8]。葉綠素a濃度、溶解氧含量作為衡量水體富營養(yǎng)化及自凈能力的指標(biāo)[9]，兩者之間相互影響。水體中藻類的光合作用消耗水中的CO2，釋放出氧氣，造成水體pH值的升高。此外，云南地區(qū)大多為喀斯特地區(qū)，且地?zé)豳Y源豐富，導(dǎo)致湖庫水體pH值均較高[10]。淺水型水庫上下層水體容易發(fā)生等溫對流，引發(fā)營養(yǎng)鹽和懸浮物質(zhì)的頻繁交換，營養(yǎng)鹽濃度升高進(jìn)而引發(fā)階段性或周期性的水質(zhì)污染事件[11-12]。九龍甸水庫作為楚雄市飲用水源地，已開展了水質(zhì)預(yù)測[13]、藍(lán)藻水華[14]、富營養(yǎng)化[5]等方面的相關(guān)研究，楚雄州境內(nèi)其它大多數(shù)水庫的水環(huán)境研究則鮮見報道。

本研究選取了楚雄州境內(nèi)28座不同功能、深度(10 m以內(nèi)的水庫11座，其余17座深度均在10 m以上，最大水深39 m)的水庫，通過野外監(jiān)測和室內(nèi)分析獲取了各水庫的基本水質(zhì)參數(shù)，在認(rèn)識水庫水環(huán)境特征的基礎(chǔ)上，探討了各參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系及其水源補(bǔ)給的主要形式。該研究將豐富水庫水質(zhì)監(jiān)測的基礎(chǔ)資料，為楚雄州水庫的利用與管理、水源地保護(hù)、環(huán)境治理等決策提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

楚雄州地處云南省中北部，屬云貴高原西部，居滇中高原的主體部位。該研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候。由于地形垂直差異明顯，具有立體氣候和小氣候特征。年均降水量800～1000mm，集中于7—10月[15]。

本研究于2017年12月23日—31日，對楚雄州境內(nèi)的元謀縣、牟定縣、武定縣、南華縣、大姚縣、姚安縣和永仁縣等地區(qū)(圖1)(含大、中型13座，小型14座)開展了水庫水體的現(xiàn)場監(jiān)測和野外采樣工作。

2 材料與方法

2.1 野外采樣與監(jiān)測

利用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀(YSI，660V2，美國)，在垂向上以1m為間距，連續(xù)測定不同層位的水溫(℃)、pH、溶解氧(mg/L)、濁度(NTU)、電導(dǎo)率(mS/cm)、溶解性固體總量(g/L)、葉綠素(μg/L)、藻藍(lán)蛋白(cells/mL)等。監(jiān)測前校正各參數(shù)探頭，測試時間5s，同一水層測試30s并保存6組數(shù)據(jù)。采集表層水樣于200mL棕色樣品瓶中，低溫、避光保存運回后，過濾以測定氫、氧同位素。

2.2 室內(nèi)測定與分析

氫、氧同位素：利用同位素儀(美國Picarro，Picarro2140-i型)測定水樣的氫(δD)、氧(δ18O)穩(wěn)定同位素，δD和δ18O的精度分別為：±1‰、±2‰，測定結(jié)果以V-SMOW為標(biāo)準(zhǔn)(‰)，計算公式為：

δ=(R樣品/RV-SMOW-1)×1000 ‰

(1)

式中：R樣品和RV-SMOW分別代表水樣中氫或氧的穩(wěn)定同位素比率和維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水中穩(wěn)定同位素比率。

通過全球降水同位素監(jiān)測網(wǎng)(GNIP)獲取了昆明(與樣點水庫最近區(qū))地區(qū)的多年降水穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù)，與水樣測得的δD與δ18O值進(jìn)行計算和分析。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

利用EXCEL整理野外監(jiān)測數(shù)據(jù)，檢查和剔除異常值以保留有效數(shù)據(jù)，通過公式計算水體穩(wěn)定同位素，利用Grapher軟件繪制各水質(zhì)特征、統(tǒng)計分析等圖件。

3 結(jié)果與討論

圖2為各水庫水體水溫、pH、溶解氧、濁度、葉綠素和藻藍(lán)蛋白等參數(shù)的垂向變化特征，指示了各水庫的水環(huán)境狀況及變化模式。

3.1 水質(zhì)參數(shù)特征及其垂向變化

3.1.1 水溫

湖庫水溫主要受控于太陽輻射的變化并與區(qū)域氣溫變化趨于同步[16]。因此，所測水庫水溫隨日氣溫的變化而變化。本次監(jiān)測的時間為12月，28座水庫水溫在9～17 ℃，介于當(dāng)?shù)囟咀罡邭鉁?17 ℃)和最低氣溫(5 ℃)之間。

垂直方向上，28座水庫水溫整體上呈現(xiàn)隨深度增加而遞減的變化趨勢。淺水湖庫易受風(fēng)力干擾引起水體擾動，造成物質(zhì)與能量的頻繁交換，制約了熱力分層結(jié)構(gòu)的形成與穩(wěn)定存在。28座水庫中，新村(水深22m)、尼白祖(水深39m)水庫，水溫分別在13m和34m處發(fā)生突變。其它水庫所測點的深度均<20m，未形成熱力分層現(xiàn)象(圖2a)。

3.1.2 pH

如圖2b所示，水庫表層水體的pH值均超過7.8，為弱堿性至堿性，與云南高原湖庫pH值偏高的特征相符。其中，東清水庫水體pH值最高(8.8～9.3)。垂值方向上，表層水體的pH值較高，下層水體的pH值隨深度的增加而降低。其中，尼白祖水庫水體pH值的降低幅度最大(>1)，從表層的8.13降低至底層的7；其次為東清水庫，水庫水深<6m，水體pH值的降幅達(dá)0.44。

3.1.3 溶解氧

湖庫水體的溶解氧含量與藻類等植物生長過程中的光合作用密切相關(guān)，并參與部分物質(zhì)的轉(zhuǎn)換。一般而言，隨著水深的增加，太陽輻射被不斷削弱，藻類生長受限，導(dǎo)致水體中溶解氧濃度下降。28座水庫水體溶解氧濃度特征及變化如圖2 c所示：其中，東清水庫表層水體溶解氧濃度為13.2mg/L，其余27座為5.5～10.5mg/L。垂直方向上，28座水庫水體溶解氧濃度隨深度的增加而逐漸減小，以東清、新河、下口壩、尼白祖4座水庫變化最顯著(除尼白祖水庫外，水庫深度均在10m以內(nèi)，溶解氧的減小幅度超過4mg/L)。

3.1.4 濁度

如圖2d所示，丙間、河尾、毛板橋3座水庫表層水體的濁度均>10NTU，其中以毛板橋水庫為最高(18～20NTU)。其余水庫表層水體濁度<8NTU，表明水庫表層水體中的懸浮物總量相對較少。垂直方向上，水體濁度隨深度增加而上升。其中，分洲、勐連、土瓜地、丙間、中屯等5座水庫的增加趨勢較為明顯(從表層至底部增加幅度達(dá)10NTU)，并表現(xiàn)出越往底層水體濁度增加幅度越大的特征。這是因為水庫深度較小，容易受局部的氣流與風(fēng)場等的干擾，引起水庫底層水體中底泥、懸浮物及溶解性有機(jī)質(zhì)等發(fā)生擾動的效應(yīng)。

3.1.5 葉綠素a

水體葉綠素a濃度的變化特征如圖2e所示：大部分水庫水體的葉綠素a濃度低于10μg/L。東清、新河水庫表層水體葉綠素a濃度相對較高(超過60μg/L)。垂直方向上，水體葉綠素a濃度呈現(xiàn)增大、減小和不變?nèi)N模式。東清(水深10m)、新河(水深6m)2座水庫變化最顯著，表層和底層水體的葉綠素a濃度差值分別高達(dá)45μg/L和50μg/L。新河、麥拉、獨田、夜起蓮等4座水庫水深<10m，葉綠素a濃度隨水深的增加而逐漸增大，增幅相對平緩。

3.1.6 藻藍(lán)蛋白

藻藍(lán)蛋白的含量表征了水體中含葉綠素a的藻類中藍(lán)藻為相對優(yōu)勢類群。從圖2f中可見，28座水庫中，大部分水庫的水體藻藍(lán)蛋白濃度低于5000cells/mL。在垂直方向上隨深度的增加而降低，呈現(xiàn)出與葉綠素a濃度的變化相一致的特征。其中，新河、東清兩座水庫表層水體中的藻藍(lán)蛋白濃度較高，隨深度增加快速減小，水庫水深在10m以內(nèi)，表層至底部水體中的藻藍(lán)蛋白濃度減小幅度超過10000cells/mL。

3.1.7 電導(dǎo)率和溶解性固體總量

28座水庫水體電導(dǎo)率主要集中于0～0.4mS/cm(除永豐、勐連和丙間水庫外)，垂直方向上，水體電導(dǎo)率分布較均勻，無增大或減少趨勢(圖3a)。

總?cè)芙庑怨腆w(TDS)是水化學(xué)成分的重要指標(biāo)，受降雨、蒸發(fā)、流域巖石成分等因素的影響明顯，其含量的多少表征了溶解于水中的主要離子的總量[17]。28座水庫水體中溶解性固體總量范圍為0～0.6g/L，在垂直方向上無明顯變化(圖3b)。

電導(dǎo)率可以反映水體中可溶性固體總量(TDS)，也可以作為水體鹽度的度量指標(biāo)[18-19]。在一定溫度范圍內(nèi)，當(dāng)水體化學(xué)成分相對穩(wěn)定時，電導(dǎo)率與TDS之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系；在缺失數(shù)據(jù)的情況下，可以通過電導(dǎo)率的大小判別TDS的大致范圍[20-22]。如圖(3a, b)所示，電導(dǎo)率與TDS在垂向上的變化特征趨于一致，直觀地表征了兩者之間顯著的正相關(guān)關(guān)系。

3.1.8 穩(wěn)定同位素及水源補(bǔ)給識別

穩(wěn)定同位素(如2H、18O)作為理想的示蹤劑，廣泛應(yīng)用于水循環(huán)、降水來源、分割河流流量過程線等領(lǐng)域的研究[23]。區(qū)域大氣降水線(LMWL)往往偏離全球大氣降水方程并反映該地區(qū)降水的水汽來源及其特征。

根據(jù)全球大氣水線(MWL)：δ H=8*δ18O+10[24]、西南地區(qū)大氣降水線：δ D=7.44*δ18O+6.36[25]等已有研究結(jié)果，對楚雄地區(qū)28座水庫水體中的δ D、δ18O進(jìn)行一元線性回歸分析，得到該地區(qū)湖庫水體同位素線為：δ H=4.82*δ18O-34.42，R2=0.92。利用全球降水同位素監(jiān)測網(wǎng)(GNIP)中獲取的昆明降水同位素數(shù)據(jù)，計算當(dāng)?shù)卮髿饨邓€：δ H=7.48*δ18O +5.79，R2=0.95，作為樣點水庫地區(qū)的大氣降水線(圖4)。

在小流域尺度上，由于湖庫水體停留時間較長、蒸發(fā)作用更強(qiáng)，導(dǎo)致楚雄28座水庫水體的同位素線的斜率低于區(qū)域大氣降水線。地表水和地下水同位素受區(qū)域性降雨的影響更明顯，通過28座水庫水體穩(wěn)定同位素的特征可知，該地區(qū)水庫的主要水源補(bǔ)給為區(qū)域性的大氣降水。

3.2 各水體參數(shù)之間的相互關(guān)系

3.2.1 水溫與葉綠素a、pH

葉綠素a是水體理化性質(zhì)和生物指標(biāo)之間綜合作用的表征，具有季節(jié)性差異的特征[26]。水溫通過控制藻類體內(nèi)酶的活性而影響藻類的光合、呼吸、營養(yǎng)鹽吸收利用等生理活動，進(jìn)而影響藻類的生長[27]。相關(guān)分析結(jié)果顯示(圖5)，分洲等6座水庫水體的葉綠素a濃度與水溫呈明顯的正相關(guān)關(guān)系(除分洲、尼白祖水庫外，其余水庫相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.8及以上)；湖庫水溫的變化及分層將影響到水環(huán)境的演化過程，以及氮、磷等營養(yǎng)鹽和光照在水體中的分布特征，進(jìn)而導(dǎo)致水體溶解氧濃度和水生生物垂向分布特征的差異[28]，最終影響浮游植物的生長(葉綠素a與藻藍(lán)蛋白濃度的變化)。

垂直方向上，28座水庫作為淺水型湖庫，水體未形成明顯的熱力分層現(xiàn)象。太陽輻射隨水深的增加不斷削減，導(dǎo)致水體水溫和葉綠素a濃度隨深度的增加逐漸減小，兩者的變化呈現(xiàn)一致性。

pH在水體中主要受CO2含量的影響，CO2的含量受水體中溶解性離子、水溫以及生物活動等多種因素的影響[29]。隨著湖庫深度的增加，光照遞減、水溫降低，導(dǎo)致藻類生長的光合作用減弱，藻類生產(chǎn)力降低、水體復(fù)氧能力減小，水體pH值隨之下降。研究發(fā)現(xiàn)，星云湖水體溫度與pH值之間呈顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.907[10]。工農(nóng)等6座水庫的水溫與pH的相關(guān)分析顯示：隨著深度的增加，溫度和pH呈現(xiàn)減小的變化趨勢，兩者之間為顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(r)在0.62～0.97(圖6)。水溫與pH的變化將進(jìn)一步影響水體其它物理、化學(xué)和生物過程，進(jìn)而導(dǎo)致水庫整體水環(huán)境狀況的改變。

3.2.2 藻藍(lán)蛋白與溶解氧、pH

藻藍(lán)蛋白(BGA)作為藍(lán)藻的特征色素蛋白，是湖泊水庫中水質(zhì)變化和水華監(jiān)測的關(guān)鍵指標(biāo)之一。水體中的溶解氧(DO)濃度主要受生物過程的控制，浮游藻類通過光合作用吸收水中的CO2，釋放出氧氣，電離出氫根離子。當(dāng)藻類數(shù)量上升到一定數(shù)量級時，其生命活動的旺盛程度必然對水體的DO變化產(chǎn)生關(guān)鍵影響[30]。在自然條件下，對藻類豐富的水體而言，水體DO濃度受植物的光合作用影響愈加顯著并呈現(xiàn)出一定的季節(jié)和日變化規(guī)律[31]。因此，在藻類暴發(fā)的季節(jié)，可利用水體DO濃度的日極差開展湖庫水體藻類暴發(fā)的簡單預(yù)警[32]。冬季水溫總體偏低，藻類和其它水生植物的葉綠素a水平也較低，生物活動少，對水體中DO濃度的影響也相對較小[19]。

如圖7所示：芭蕉凹、新河、東清和下口壩4座水庫水體的藻藍(lán)蛋白濃度(代表藍(lán)藻豐度)與溶解氧呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)>0.87)。值得注意的是，水氣交換、水動力、溫度、有機(jī)物合成、化學(xué)物質(zhì)的氧化還原反應(yīng)以及生物生長、繁殖和新陳代謝等均影響水體中溶解氧濃度特征[33]。因此，結(jié)合多個水體參數(shù)進(jìn)行綜合研究，以揭示水體溶解氧(DO)的復(fù)雜變化機(jī)制。

湖庫水體中浮游植物或藻類含量的增加，將造成水體水色、透明度等的變化。水生生物的呼吸與光合作用影響了水體的某些化學(xué)平衡，進(jìn)而導(dǎo)致水體pH值的變化[10]。藻類對水體中有機(jī)酸的吸收和重碳酸鹽的利用，也會引起水體pH的升高。長江中下游68個湖泊調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水體pH值與水溫、溶解氧含量和葉綠素a濃度呈顯著正相關(guān)[34]。藻類的生長需要適宜的pH值范圍，因而pH還會影響藻類的生長繁殖速度，進(jìn)而影響到種群的演替[35]。

芭蕉凹、新河、東清、下口壩等4座水庫藻藍(lán)蛋白濃度隨水體深度的增加而減小。與此同時，水體pH值也呈現(xiàn)相同的變化特征，即隨深度增加pH值減小。藻藍(lán)蛋白濃度與水體pH值的相關(guān)性分析顯示：4座水庫(芭蕉凹、新河、東清、下口壩)的藻藍(lán)蛋白濃度與pH值呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)(r)均達(dá)到了0.85及以上(圖8)。基于水庫弱堿性/堿性(pH值為7.8～9.3)水體特征的背景，水體pH與藻類生產(chǎn)量成正相關(guān)關(guān)系。因此，在無酸雨等特殊事件的情況下，可將pH值作為評價水體藻類生物量的參考指標(biāo)之一。

4 結(jié)論與展望

28座水庫水體溫度(℃)、pH、溶解氧(mg/L)、濁度(NTU)、電導(dǎo)率(mS/cm)、溶解性固體總量(g/L)、葉綠素(μg/L)、藻藍(lán)蛋白(cells/mL)、氫氧穩(wěn)定同位素(δ D、δ18O)等各水體參數(shù)在不同水庫呈現(xiàn)出不同的特征及變化模式。

受水庫深度和監(jiān)測季節(jié)、當(dāng)日時段的差異等多種因素的影響，28座水庫水體表層溫度與監(jiān)測時間段的氣溫大致相當(dāng)，在垂直方向上隨深度增加逐漸減小，除個別較深水庫外，其余水庫均未出現(xiàn)明顯的熱力分層現(xiàn)象。水庫水體pH值均較高，為弱堿性至堿性水體。受溫度、葉綠素a濃度等因素的影響，水體pH值隨深度的增加而降低。水體溶解氧濃度處于5.5～10.5mg/L，在垂向上呈遞減的變化趨勢。水庫水體濁度較高，受風(fēng)力擾動較大且隨深度的增加而增加。電導(dǎo)率與溶解性固體總量在垂直方向上未出現(xiàn)明顯的波動，兩者之間的變化趨勢具有高度的一致性，證實了可以用電導(dǎo)率大小初步判別水體中溶解性固體總量的論證。除個別水庫外，大多數(shù)水庫水體的葉綠素a濃度<10μg/L，垂向上呈增大、減小和不變?nèi)N模式。大多數(shù)水庫表層水體的藻藍(lán)蛋白濃度低于5000cells/mL，其在垂直方向上的變化與葉綠素a的變化模式一致，指示了藍(lán)藻為大多數(shù)水庫水體中的優(yōu)勢類群。

水體穩(wěn)定同位素與昆明大氣降水線的分析表明，區(qū)域性的大氣降水為水庫主要的補(bǔ)給來源。相關(guān)分析顯示，隨著水庫水深的增加，太陽輻射不斷被削弱，水溫降低，代表藻類生物量的葉綠素a濃度逐漸減低，造成水體溶解氧含量的降低。冬季水溫相對較低，水體中藻類生物量較小，加上太陽輻射隨水深的增加不斷被削弱，導(dǎo)致植物光合作用減弱，消耗的CO2隨之減少，導(dǎo)致水體復(fù)氧能力降低，進(jìn)而造成水體pH值的降低。

可見，各水體參數(shù)之間相互影響、相互制約，在長期的區(qū)域氣候背景和人類活動影響下，形成相對穩(wěn)定的水環(huán)境特征，共同制約著水庫生態(tài)系統(tǒng)的平衡與發(fā)展。因此，水庫水環(huán)境是一個相對完整、不斷發(fā)展的綜合體，對區(qū)域水資源的科學(xué)理解、利用與管理，要以多參數(shù)水質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開展系統(tǒng)、綜合的研究。