千島湖水體營(yíng)養(yǎng)鹽時(shí)空變化及水環(huán)境挑戰(zhàn)

朱廣偉，程新良，吳志旭，史鵬程，朱夢(mèng)圓，許 海，國(guó)超旋，趙星辰

1. 中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所千島湖生態(tài)系統(tǒng)研究站，江蘇 南京 210008

2. 杭州市生態(tài)環(huán)境局淳安分局，浙江 杭州 311700

我國(guó)水庫(kù)控制的水資源量超過(guò)湖泊，在城市供水等水資源保障中發(fā)揮著極其重要的作用. Yang等[1]通過(guò)遙感手段估算了2013年我國(guó)水庫(kù)及湖泊的水資源量，發(fā)現(xiàn)水庫(kù)水資源量已達(dá)天然湖泊的3倍. 水利部發(fā)布的《2020年中國(guó)水資源公報(bào)》顯示，我國(guó)705座大型水庫(kù)和3 729座中型水庫(kù)的蓄水量為4 358.7×108m3，而同期監(jiān)測(cè)的62個(gè)湖泊的蓄水量?jī)H為1 423.6×108m3.許多水庫(kù)承擔(dān)了重要城市的供水功能. 因此，水源地水庫(kù)的水質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)及其影響因素成為地表水生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域中研究的重要內(nèi)容.

營(yíng)養(yǎng)鹽超標(biāo)及其引發(fā)的藍(lán)藻水華、水質(zhì)異味等問(wèn)題是我國(guó)水庫(kù)水源地的主要威脅. 如肖喆等[2]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，生活污水帶來(lái)的氨氮入庫(kù)強(qiáng)化了長(zhǎng)潭水庫(kù)的拉氏擬柱孢藻異常增殖問(wèn)題；Zong等[3]通過(guò)遙感手段反演了1990-2016年長(zhǎng)江中下游10個(gè)水庫(kù)的藍(lán)藻水華狀況，結(jié)果顯示這些水庫(kù)的藍(lán)藻水華強(qiáng)度均呈增加趨勢(shì)；Su等[4-5]調(diào)查了北京市密云水庫(kù)及上海市青草沙水庫(kù)，均發(fā)現(xiàn)部分水域階段性出現(xiàn)2-甲基異莰醇(2-MIB)等嗅味物質(zhì)；王敏等[6]于2015年調(diào)查了秦皇島市洋河水庫(kù)的微囊藻毒素，發(fā)現(xiàn)7月水庫(kù)微囊藻毒素濃度最大值可達(dá)10.99 μg/L，對(duì)水庫(kù)飲水安全構(gòu)成威脅. 2016年暴雨之后的持續(xù)高溫晴熱引發(fā)了富春江水庫(kù)發(fā)生藍(lán)藻水華[7]. 因此，揭示大型水庫(kù)中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與藻類異常增殖之間的聯(lián)系至關(guān)重要.

水庫(kù)的異味物質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)與富營(yíng)養(yǎng)化、藻類水華密切相關(guān). 美國(guó)Alabama州某水庫(kù)發(fā)生水質(zhì)異味事件，Olsen等開展了異味產(chǎn)生的模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)只有同時(shí)添加氮磷時(shí)，才會(huì)引發(fā)水體藍(lán)藻生物量增加，產(chǎn)生高濃度2-MIB[8]，表明異味物質(zhì)的產(chǎn)生與營(yíng)養(yǎng)鹽升高聯(lián)系密切. Wu等[9]在2019年夏季調(diào)查了我國(guó)7個(gè)主要水庫(kù)水源地中的異味物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)水庫(kù)中2-MIB的濃度與水體浮游植物葉綠素a(Chla)濃度呈顯著相關(guān).因此，控制水庫(kù)氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、預(yù)防水庫(kù)藻類異常增殖，是保障水庫(kù)水源地水質(zhì)安全的前提.

千島湖是我國(guó)華東地區(qū)最大的水庫(kù)，是長(zhǎng)三角戰(zhàn)略水源地和生態(tài)環(huán)境部重點(diǎn)監(jiān)管湖庫(kù)之一. 但是千島湖的營(yíng)養(yǎng)鹽達(dá)標(biāo)問(wèn)題，特別是磷的達(dá)標(biāo)問(wèn)題長(zhǎng)期困擾著水庫(kù)環(huán)境治理與管理. 自2019年9月千島湖開始向杭州市供水，并部分供給嘉興地區(qū)，成為上千萬(wàn)人口的飲用水源. 1998-1999年千島湖發(fā)生過(guò)一定規(guī)模的藍(lán)藻水華[10]，2016年以來(lái)，在庫(kù)尾街口斷面附近多次發(fā)生過(guò)藍(lán)藻水華現(xiàn)象[11]，存在較高的富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn). 遙感監(jiān)測(cè)表明，30年來(lái)，千島湖水體透明度呈下降趨勢(shì)[12]，流域建設(shè)用地比例增加[12]，山區(qū)坡地茶果園開發(fā)對(duì)水庫(kù)的污染風(fēng)險(xiǎn)加劇[13-14]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥使用對(duì)湖體氮水平的影響甚大[15]，底泥中有機(jī)氯農(nóng)藥累積增加[16]. 區(qū)域氣候變化對(duì)千島湖水體理化環(huán)境也產(chǎn)生了一定影響，導(dǎo)致湖泊生態(tài)系統(tǒng)更為脆弱，氣溫升高導(dǎo)致湖體水溫分層加劇[17]，底層缺氧現(xiàn)象有加重趨勢(shì)[18]；暴雨過(guò)程引發(fā)大面積的高濁度羽狀流，對(duì)千島湖水質(zhì)產(chǎn)生沖擊[19]，同時(shí)引發(fā)有機(jī)物的組分發(fā)生變化[20-21]，可能引發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變. 此外，千島湖生態(tài)系統(tǒng)中初級(jí)生產(chǎn)者轉(zhuǎn)化效率較低，食物鏈趨于簡(jiǎn)單，生態(tài)系統(tǒng)脆弱[22]，也導(dǎo)致水質(zhì)災(zāi)變的風(fēng)險(xiǎn)較高.

為進(jìn)一步了解千島湖水體氮磷濃度等關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)及藻類生物量的時(shí)空變化特征，厘清千島湖水環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，2020年5月-2021年4月開展了逐月水質(zhì)及藻類加密監(jiān)測(cè)，分析了千島湖關(guān)鍵水環(huán)境指標(biāo)的時(shí)空分布特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制，以期為千島湖水環(huán)境保護(hù)提供科技支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

千島湖地處浙江省杭州市淳安縣，是1957年開建、1959年9月21日截流蓄水的新安江水庫(kù). 千島湖庫(kù)尾新安江段在街口以上隸屬安徽省黃山市歙縣，自省界向西北至歙縣瀹潭村妹灘電站大壩，河長(zhǎng)45 km(見(jiàn)圖1)，稱為千島湖水庫(kù)的“安徽段”；水庫(kù)大壩在建德市境內(nèi)，設(shè)計(jì)水位108 m，庫(kù)容178.6×108m3，水面面積573.33 km2，平均水深31.13 m，最大水深100 m，死水位線為86 m[23].

圖 1 千島湖流域水系及采樣點(diǎn)布設(shè)Fig.1 Hydrographic chat and sample sites of Qiandaohu Reservoir

千島湖流域總面積11 452.5 km2，其中，安徽省黃山市境內(nèi)面積5 856.1 km2，宣城市績(jī)溪縣境內(nèi)面積880.7 km2；浙江省境內(nèi)流域面積4 715.7 km2. 流域地貌以山地丘陵為主，植被覆蓋率在80%以上(見(jiàn)圖1)，多年平均降雨量1 733 mm. 截至2020年，千島湖流域戶籍人口212.2×104人. 生態(tài)環(huán)境部在千島湖設(shè)置了6個(gè)國(guó)控水質(zhì)斷面，分別為街口、小金山、航頭島、茅頭尖、三潭島和大壩前(見(jiàn)圖1).

1.2 調(diào)查方案

將千島湖水面劃分為7個(gè)區(qū)域，分別為新安江安徽段(AH)、西北庫(kù)灣(NW)、東北庫(kù)灣(NE)、中心庫(kù)區(qū)(C)、西南庫(kù)灣(SW)、城中湖(LC)及東南庫(kù)灣(SE)(見(jiàn)圖1)，各區(qū)分別布設(shè)5、17、12、12、25、9、20個(gè)采樣點(diǎn)，共計(jì)100個(gè). 于2020年5月-2021年4月每月下旬采樣.

各采樣點(diǎn)根據(jù)不同水深進(jìn)行分層采水：①水深小于10 m，采1層，水下0.5 m處；②水深小于20 m，采3層，分別為水下0.5 m處、Chla濃度最大層(一般在1～5 m處)、近底層(一般在泥上2 m處)；③水深大于30 m，采4層，增加了溫躍層以下的滯水層(一般在15～30 m處，泥上10 m以上). 現(xiàn)場(chǎng)用超聲波測(cè)深儀(LT-SSH型，成都西部?jī)x器自動(dòng)化工程有限公司)獲得水深，用YSI多參數(shù)水質(zhì)儀(EXO型，黃石儀器公司，美國(guó))獲得水溫(WT)、溶解氧(DO)、Chla剖面分布，用塞氏盤測(cè)定水體透明度(SD).

浮游植物樣品在Chla濃度最大層采集. Chla濃度最大層確定方法：現(xiàn)場(chǎng)先用YSI多參數(shù)水質(zhì)儀及野外藻類分析儀(BBE，德國(guó))測(cè)定垂向水質(zhì)、藻類等參數(shù)剖面，現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)出數(shù)據(jù)，根據(jù)Chla濃度垂向剖面變化找到Chla濃度峰值深度，定為Chla濃度最大層.如果Chla濃度垂向變化平坦，沒(méi)有峰值，則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采集水下5 m處水樣.

1.3 指標(biāo)分析方法

水樣上岸后立即過(guò)濾，濾膜為Whatman公司的GF/F膜，孔徑0.7 μm左右. 濾前樣、濾后樣分別冷藏保存，濾前樣用于測(cè)定總氮(TN)、總磷(TP)濃度和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)，濾后樣用于測(cè)定溶解性總氮(DTN)、溶解性總磷(DTP)以及氨氮(NH3-N)、硝態(tài)氮(NO3-N)、亞硝態(tài)氮(NO2-N)和反應(yīng)性活性磷(FRP)的濃度；濾膜物質(zhì)冷凍后提取測(cè)定Chla濃度. TN、DTN濃度分別采用堿性過(guò)硫酸鉀氧化、紫外分光光度法測(cè)定[24]，TP、DTP濃度分別采用堿性過(guò)硫酸鉀氧化、鉬酸氨-酒石酸銻鉀-抗壞血酸顯色法測(cè)定[24]，NH3-N、NO3-N、NO2-N、FRP濃度采用流動(dòng)注射法(Skalar流動(dòng)注射分析儀，荷蘭)測(cè)定，CODMn采用高錳酸鉀氧化還原滴定法測(cè)定，Chla濃度采用熱乙醇提取、分光光度法測(cè)定[25].

浮游植物群落結(jié)構(gòu)鑒定時(shí)，將2 L Chla濃度最大層采集的水樣現(xiàn)場(chǎng)用魯哥試劑固定，帶回實(shí)驗(yàn)室沉降48 h后，濃縮至30 mL，用光學(xué)顯微鏡于10×40倍下鑒定、計(jì)數(shù)，根據(jù)近似幾何圖形及經(jīng)驗(yàn)體積公式估算出單位體積的生物量. 種類鑒定主要參考《中國(guó)淡水藻類-系統(tǒng)、分類及生態(tài)》等[26-27].

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

千島湖街口、小金山、三潭島及大壩前4個(gè)國(guó)控?cái)嗝娴腡N、TP濃度數(shù)據(jù)來(lái)自杭州市生態(tài)環(huán)境局淳安分局. 數(shù)據(jù)處理通過(guò)Microsoft Excel和R 4.0.5完成；圖件制作采用ArcGIS 10.2及R 4.0.5完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 水體磷濃度的時(shí)空變化

千島湖全庫(kù)100個(gè)采樣點(diǎn)TP濃度逐月分區(qū)平均值如圖2所示. 結(jié)果顯示，TP濃度時(shí)空差異較大.空間上安徽段TP濃度顯著較高，年均值為0.052 mg/L，而淳安縣境內(nèi)6個(gè)湖區(qū)平均值為0.019 mg/L，其中西北庫(kù)灣、中心庫(kù)區(qū)、東北庫(kù)灣、西南庫(kù)灣、東南庫(kù)灣、城中湖TP濃度年均值分別為0.031、0.018、0.017、0.017、0.015、0.021 mg/L. 由于此次調(diào)查包含底層水樣，而且樣品預(yù)處理方法也采用湖泊生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)方法的通用做法，未經(jīng)沉降處理，會(huì)包括更多的顆粒物，因此此次調(diào)查數(shù)據(jù)略高于生態(tài)環(huán)境部門的常規(guī)監(jiān)測(cè)值.

圖 2 2020年5月-2021年4月千島湖各湖區(qū)水體TP濃度Fig.2 Total phosphorus concentration in different zones of Qiandaohu Reservoir from May 2020 to April 2021

TP濃度年均值的空間變化既反映出了上游來(lái)水的貢獻(xiàn)，如沿新安江主航道方向，安徽段、西北庫(kù)灣、中心庫(kù)區(qū)、西南庫(kù)灣TP濃度連續(xù)下降；同時(shí)也反映出城鎮(zhèn)對(duì)周邊水域磷濃度的影響，如城中湖TP濃度明顯高于中心庫(kù)區(qū). 時(shí)間上，2020年5月-2021年4月的12個(gè)月中淳安縣境內(nèi)95個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的TP濃度月均值分別為0.023、0.021、0.030、0.021、0.025、0.018、0.013、0.014、0.014、0.019、0.020、0.016 mg/L，7月暴雨期TP濃度最高，秋冬季枯水期最低，月間相差超過(guò)1倍.

對(duì)比TP、DTP、FRP濃度(見(jiàn)圖2)發(fā)現(xiàn)，千島湖水體中顆粒態(tài)磷占比超50%. DTP濃度年均值為0.010 mg/L，F(xiàn)RP濃度年均值為0.004 mg/L，分別占TP的48%和19%，年均顆粒態(tài)總磷(PP)占比為52%.DTP濃度年變化趨勢(shì)與TP濃度具有較好的一致性，2020年5月-2021年4月的12個(gè)月中，淳安縣境內(nèi)95個(gè)采樣點(diǎn)的月均值依次分別為0.007、0.007、0.019、0.015、0.013、0.006、0.004、0.008、0.008、0.009、0.006、0.006 mg/L，按照春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)、冬季(12月-翌年2月)統(tǒng)計(jì)，DTP/TP(二者濃度之比)分別為32%、57%、39%、54%. 夏季TP濃度最高，而DTP占比也最高，這與夏季暴雨攜帶磷更多是顆粒態(tài)的預(yù)期并不一致.

2.2 水體氮濃度的時(shí)空變化

調(diào)查期間100個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的全年TN濃度平均值為0.92 mg/L，其中安徽段為1.60 mg/L，淳安縣境內(nèi)千島湖95個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位為0.89 mg/L，時(shí)空差異明顯(見(jiàn)圖3). 淳安縣境內(nèi)的西北庫(kù)灣、中心庫(kù)區(qū)、東北庫(kù)灣、西南庫(kù)灣、東南庫(kù)灣及城中湖的年均值分別為1.18、0.92、0.88、0.73、0.83、0.89 mg/L，沿新安江主航道方向呈逐步下降趨勢(shì). 但是與磷不同，TN的最低值不在東南庫(kù)灣，而是西南庫(kù)灣.

圖 3 2020年5月-2021年4月千島湖各湖區(qū)水體TN濃度Fig.3 Total nitrogen concentration in different zones of Qiandaohu Reservoir from May 2020 to April 2021

淳安縣境內(nèi)95個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2020年5月-2021年4月TN濃度依次分別為0.96、1.00、0.96、0.77、0.86、0.85、0.81、0.84、0.81、0.83、1.00、0.98 mg/L，春、夏、秋、冬四季淳安縣境內(nèi)水域TN濃度平均值分別為0.98、0.91、0.84、0.83 mg/L，呈逐季度下降趨勢(shì). 這既體現(xiàn)了春耕、夏播等農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)氮面源的貢獻(xiàn)，也與千島湖流域雨、肥同季的氣候背景吻合. 城中湖春、夏、秋、冬四季TN濃度平均值分別為0.87、0.96、0.90、0.83 mg/L，夏季顯著高，秋季也高于春季，與該水域受城市面源氮污染較重有關(guān).

與磷不同，千島湖水體氮主要以溶解態(tài)存在.100個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中，DTN、NO3-N、NH3-N、NO2-N濃度年均值分別為0.76、0.588、0.038、0.010 mg/L，分別占TN的83%、64%、4%、1%. 顆粒態(tài)氮(PN)及溶解性有機(jī)氮(DON)在TN中占比分別為17%、13%.安徽段、西北庫(kù)灣、中心庫(kù)區(qū)、東北庫(kù)灣、西南庫(kù)灣、東南庫(kù)灣、城中湖的NH3-N濃度年均值分別為0.089、0.046、0.033、0.032、0.039、0.028、0.030 mg/L，高值區(qū)與農(nóng)業(yè)活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)相吻合. NH3-N濃度的季節(jié)性變化與TN、NO3-N等不同，其高值期出現(xiàn)在秋季，春、夏、秋、冬四季平均值分別為0.041、0.028、0.055、0.028 mg/L，成因有待深入研究.

2.3 浮游植物Chla濃度的時(shí)空變化

全庫(kù)所有層位水樣Chla濃度平均值為5.1 μg/L，其中安徽段為11.4 μg/L，淳安縣境內(nèi)為4.8 μg/L，西北庫(kù)灣、中心庫(kù)區(qū)、東北庫(kù)灣、西南庫(kù)灣、東南庫(kù)灣及城中湖分別為7.8、3.6、5.1、4.9、3.0及4.7 μg/L. 但由于浮游植物在水柱中分層明顯[28-29]，下層水體中Chla很低. 因各區(qū)水深不同，使用垂向多層平均值時(shí)，深水區(qū)平均值會(huì)被明顯拉低，可比性差. 因此，進(jìn)一步對(duì)千島湖Chla濃度時(shí)空變化分析時(shí)，只考慮Chla濃度最大層的數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖4)，以反映浮游植物季節(jié)性增殖差異.

Chla濃度的時(shí)空變化與TN、TP明顯不同(見(jiàn)圖4).在空間上，安徽段與西北庫(kù)灣的差異變小，除秋末及冬季的4個(gè)月外，西北庫(kù)灣Chla濃度中位值均高于安徽段. 年均值方面，安徽段、西北庫(kù)灣、中心庫(kù)區(qū)、東北庫(kù)灣、西南庫(kù)灣、東南庫(kù)灣及城中湖的Chla濃度最大層的Chla濃度年均值分別為13.2、12.5、7.3、6.8、6.6、5.6、8.5 μg/L. 與氮、磷情況不同，城中湖Chla濃度年均值超過(guò)了中心庫(kù)區(qū).

3-9月藻類生長(zhǎng)旺盛期，安徽段水體Chla濃度均低于西北庫(kù)灣段(見(jiàn)圖5)，而夏季安徽段Chla濃度為4.1 μg/L，更是低于整個(gè)淳安縣境內(nèi)水域平均值(13.7 μg/L). 這表明淳安縣境內(nèi)藻類長(zhǎng)勢(shì)好于安徽段.

2.4 浮游植物群落結(jié)構(gòu)時(shí)空變化

周年調(diào)查期間共鑒定出浮游植物8門89屬132種，其中綠藻門64種，硅藻門32種，藍(lán)藻門20種，裸藻門4種，甲藻門4種，隱藻門4種，金藻門3種. 根據(jù)McNaughton優(yōu)勢(shì)度指數(shù)大于0.02的原則，確定優(yōu)勢(shì)屬17屬，分別為藍(lán)藻門的鞘絲藻屬(Lyngbya)、假魚腥藻(Pseudoanabaena)、束絲藻屬(Aphanizomenon)、長(zhǎng)孢藻屬(Dolichospermum)和微囊藻屬(Microcystis)，硅藻門的曲殼藻屬(Achnanthes)、脆桿藻屬(Fragilaria)、小環(huán)藻屬(Cyclotella)、針桿藻屬(Synedra)和直鏈藻屬(Melosira)，綠藻門的卵囊藻屬(Oocystis)、柵藻屬(Scenedesmus)、纖維藻屬(Ankistrodesmus)、空星藻屬(Coelastrum)和衣藻屬(Chlamydomonas)，以及隱藻門的藍(lán)隱藻屬(Chroomonas)和隱藻屬(Cryptomonas). 全年來(lái)看，藍(lán)藻門的5種水華屬生物量占比較高.

圖 4 2020年5月—2021年4月千島湖各湖區(qū)水體Chla濃度最大層的Chla濃度Fig.4 Chla concentration in maximal Chla layer of different zones in Qiandaohu Reservoir from May 2020 to April 2021

圖 5 2020年5月—2021年4月千島湖各湖區(qū)Chla濃度最大層Chla濃度的變化Fig.5 Average Chla concentration in maximal Chla layer of different zones in Qiandaohu Reservoir from May 2020 to April 2021

調(diào)查期間，全庫(kù)年均Chla濃度最大層浮游植物生物量(PB)為2.396 mg/L，其中安徽段PB平均值為2.661 mg/L，淳安縣境內(nèi)為2.382 mg/L，總體差別不大(見(jiàn)圖6). 西北庫(kù)灣、中心庫(kù)區(qū)、東北庫(kù)灣、西南庫(kù)灣、東南庫(kù)灣、城中湖的年均值分別為3.513、1.862、2.470、1.740、2.051、3.688 mg/L，與Chla濃度反映的情況類似. 不同之處是，PB以城中湖為最高，其次是西北庫(kù)灣，且兩庫(kù)灣均高于安徽段，這進(jìn)一步表明了水庫(kù)藻類生長(zhǎng)情況與營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的不一致性.此外，PB最低值出現(xiàn)在西南庫(kù)灣，東南庫(kù)灣PB平均值甚至高于中心庫(kù)區(qū)，應(yīng)當(dāng)引起關(guān)注. PB月變化(見(jiàn)圖6)與Chla濃度月變化(見(jiàn)圖5)存在差異，PB的峰值出現(xiàn)在2020年8月，而Chla濃度峰值出現(xiàn)在2021年4月，推測(cè)原因是藻類群落組成不同，不同藻類體內(nèi)Chla含量存在差異. PB與Chla濃度不一致的現(xiàn)象在許多水體中都有發(fā)現(xiàn).

圖 6 2020年5月—2021年4月千島湖各湖區(qū)Chla濃度最大層浮游植物生物量的月變化情況Fig.6 Monthly variation of average phytoplankton biomass in maximal Chla layer at different zones of Qiandaohu Reservoir from May 2020 to April 2021

在時(shí)間變化上，4-8月西北庫(kù)灣PB均較高(見(jiàn)圖6). 夏季3個(gè)月西北庫(kù)灣的PB平均值為7.755 mg/L，顯著高于安徽段(1.970 mg/L). 西北庫(kù)灣秋季、冬季、春季PB平均值分別為1.576、0.827、3.893 mg/L，安徽段分別為1.612、3.306、3.756 mg/L，冬季安徽段顯著高于西北庫(kù)灣，春、秋季兩個(gè)區(qū)域相近.值得關(guān)注的是，8月西北庫(kù)灣、中心庫(kù)區(qū)、東南庫(kù)灣及城中湖同步出現(xiàn)了藻類生物量激增現(xiàn)象，4個(gè)庫(kù)灣PB平均值達(dá)到10.915 mg/L，而其余11個(gè)月其平均值為1.542 mg/L，顯示出藻類異常增殖問(wèn)題的突發(fā)性.

不同湖區(qū)各藻門PB月變化如圖7所示. 11月-翌年4月，安徽段水體硅藻占比最高；7月金藻門PB超過(guò)硅藻門，8-10月隱藻門PB最高；金藻門和隱藻門PB均超過(guò)硅藻門，全年未出現(xiàn)藍(lán)藻門占比最高的現(xiàn)象. 藍(lán)藻門生物量?jī)H在8月達(dá)到了0.849 mg/L，而該月安徽段隱藻門生物量為2.235 mg/L，占絕對(duì)優(yōu)勢(shì).

圖 7 2020年5月-2021年4月千島湖不同湖區(qū)各門藻類生物量的月變化情況Fig.7 Monthly variation of phytoplankton biomass of different phylum in 7 ecological zones in Qiandaohu Reservoir from May 2020 to April 2021

在淳安縣境內(nèi)的6個(gè)庫(kù)區(qū)均出現(xiàn)了多個(gè)月份藍(lán)藻占比最高的現(xiàn)象，特別是8-10月，大部分湖區(qū)生物量高值均為藍(lán)藻門. 淳安縣境內(nèi)水域全年P(guān)B平均值為2.523 mg/L，其中藍(lán)藻門PB平均值為1.059 mg/L，硅藻門為0.756 mg/L，比藍(lán)藻門低29%；綠藻門生物量平均值為0.325 mg/L，隱藻門生物量平均值為0.245 mg/L，其余4個(gè)門PB年均值之和僅為0.138 mg/L. 因此，調(diào)查期間的夏秋季千島湖出現(xiàn)了全庫(kù)性藍(lán)藻占優(yōu)的現(xiàn)象. 中心庫(kù)區(qū)、東南庫(kù)灣及城中湖在8月藍(lán)藻生物量增幅甚至高于西北庫(kù)灣，更顯著高于安徽段，表明即使在水質(zhì)較好的東南庫(kù)灣依然會(huì)發(fā)生藍(lán)藻的階段性激增現(xiàn)象. 藍(lán)藻的激增過(guò)程似乎與營(yíng)養(yǎng)鹽的關(guān)系并不緊密，如水質(zhì)最好的東南庫(kù)灣8月的藍(lán)藻生物量激增，城中湖8月的生物量激增，與兩個(gè)庫(kù)灣營(yíng)養(yǎng)鹽排放強(qiáng)度情況并不一致，這為大型深水水庫(kù)藍(lán)藻水華風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)判提出了挑戰(zhàn).

3 討論

3.1 水文過(guò)程對(duì)深水水庫(kù)的水質(zhì)沖擊較大

與自然地貌形成長(zhǎng)期滯水區(qū)的天然湖泊不同，水庫(kù)是河流筑壩形成的較為短暫存在的靜水水體. 這使得水庫(kù)的水文過(guò)程往往與天然湖泊明顯不同. 首先，水庫(kù)一般存在較明顯的單向流，從湖沼學(xué)特征上可明顯分為河流區(qū)(riverine zone)、過(guò)渡區(qū)(transitional zone)及湖泊區(qū)(lacustrine zone)[30]，河流區(qū)水體交換快，熱分層不穩(wěn)定，外源入流過(guò)程對(duì)河段水質(zhì)的影響起決定作用. 過(guò)渡區(qū)水體熱分層相對(duì)穩(wěn)定，外源輸入顆粒物大量沉降，但由于仍受較強(qiáng)的外源沖擊，水質(zhì)的穩(wěn)定性也相對(duì)較差. 湖泊區(qū)水體熱分層穩(wěn)定，浮游植物等初級(jí)生產(chǎn)者的生長(zhǎng)往往受營(yíng)養(yǎng)鹽限制，內(nèi)生有機(jī)質(zhì)往往大于外源輸入有機(jī)質(zhì). 在具體水庫(kù)中，河流區(qū)、過(guò)渡區(qū)、湖泊區(qū)的界限并不固定，而是隨著入流強(qiáng)度、湖盆形狀、水深狀況、季節(jié)變化等的不同而存在差異. 水文過(guò)程對(duì)分區(qū)的影響較大，是水庫(kù)水質(zhì)時(shí)空變化的重要驅(qū)動(dòng)力.

調(diào)查期間千島湖出現(xiàn)了歷史罕見(jiàn)的暴雨，春、夏、秋、冬四季降雨量分別為506.8、1 095.6、367.8、86.8 mm. 春夏季的降雨量明顯高于秋冬季. 相應(yīng)地，春、夏、秋、冬四季全庫(kù)平均TP分別為0.022、0.026、0.020、0.016 mg/L，與季度降雨量顯著相關(guān). 沿妹灘電站至大壩的新安江主流流向上，有24個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位. 不同季節(jié)隨妹灘電站距離遠(yuǎn)近各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位TP濃度值變化如圖8所示.

圖 8 妹灘電站至大壩前沿程水體TP濃度的變化Fig.8 Change of TP concentration with distance down to Meitan Dam in Qiandaohu Reservoir

由圖8可見(jiàn)，降雨量較大的夏季，TP沿程衰減明顯滯緩，TP超過(guò)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)Ⅱ類水濃度上限值(0.025 mg/L)的分布區(qū)域擴(kuò)展到三潭島斷面，其他季節(jié)TP濃度高值則均出現(xiàn)在小金山斷面之前. 在枯水期的冬季，Ⅱ類水濃度上限值的分布區(qū)域進(jìn)一步收縮到街口斷面. 這表明不同雨強(qiáng)和入流量條件下，千島湖的混合區(qū)范圍變化較大，勢(shì)必對(duì)河、湖銜接處的水質(zhì)斷面達(dá)標(biāo)率產(chǎn)生較大影響. 暴雨等水文過(guò)程對(duì)湖庫(kù)水質(zhì)的沖擊現(xiàn)象在其他湖庫(kù)也得到關(guān)注. Zhang等[31]發(fā)現(xiàn)，2013年10月6-8日臺(tái)風(fēng)菲特過(guò)境期間，太湖苕溪入口出現(xiàn)232.5 km2的高濁度羽狀流，高濁度持續(xù)近2周. Mouri等[32]對(duì)日本Yahagi暴雨入流攜沙量的模擬分析表明，水庫(kù)絕大部分輸沙來(lái)自幾場(chǎng)暴雨. 黃誠(chéng)等[33]觀測(cè)了西安水源地金盆水庫(kù)2019年8月和9月兩次暴雨過(guò)程中水庫(kù)水質(zhì)指標(biāo)的垂向變化，發(fā)現(xiàn)暴雨入流引起水庫(kù)中下層營(yíng)養(yǎng)鹽含量明顯升高，在入流過(guò)程的后期均出現(xiàn)了水庫(kù)水質(zhì)超標(biāo)現(xiàn)象.

湖沼學(xué)分區(qū)方面，由于上游妹灘電站的存在，當(dāng)水深超過(guò)20 m時(shí)，5-10月全庫(kù)基本能維持穩(wěn)定的水溫分層，只有安徽段可以稱為河流區(qū)，在接近街口斷面時(shí)，水深已經(jīng)超過(guò)20 m，暴雨很難徹底破壞其水溫分層. 自街口至中心湖區(qū)，以及西北庫(kù)灣入河口至該庫(kù)灣中心、西南庫(kù)灣的入湖口至該庫(kù)灣中心，均屬于過(guò)渡區(qū). 其中整個(gè)西北庫(kù)灣受安徽來(lái)水的沖擊均較大，水體顆粒態(tài)磷沿程沉降作用明顯(見(jiàn)圖8). 其中，西北來(lái)水進(jìn)入中心庫(kù)區(qū)后很快達(dá)到沉降平衡，進(jìn)入中心庫(kù)區(qū)幾公里后，水體TP濃度就接近下游平均值.中心庫(kù)區(qū)的大部分水域、西南庫(kù)灣一部分、東北庫(kù)灣局部以及東南庫(kù)灣、城中湖均屬于水庫(kù)的湖泊區(qū). 當(dāng)然，中心庫(kù)區(qū)、西北庫(kù)灣、西南庫(kù)灣的湖泊區(qū)的面積大小受降雨入流強(qiáng)度的影響大，具體的湖泊區(qū)范圍會(huì)在入湖河道河口前后的10 km內(nèi)變動(dòng).

3.2 局部藻類水華風(fēng)險(xiǎn)高

千島湖局部庫(kù)灣發(fā)生的水華主要有兩類-藍(lán)藻水華、硅藻水華. 其中，1998-1999年連續(xù)2年發(fā)生過(guò)較大規(guī)模的藍(lán)藻水華[10]，2016-2019年在西北庫(kù)灣的街口斷面至威坪之間也發(fā)生過(guò)小規(guī)模的藍(lán)藻水華[11,34]，這些水華現(xiàn)象基本都出現(xiàn)在夏末秋初、雨季之后，這與藍(lán)藻的生物學(xué)特點(diǎn)一致. 水華喜歡熱[35-36]，例如，夏季百花湖水庫(kù)藻類群落結(jié)構(gòu)能夠快速演變成以藍(lán)藻為主的結(jié)構(gòu)[37]. 千島湖熱容大、換水快、水溫增加較慢，在春季因溫度低不易形成藍(lán)藻水華，但在梅雨之后，營(yíng)養(yǎng)鹽大量入庫(kù)及伴隨的高溫晴熱天氣共同作用，往往誘發(fā)出藍(lán)藻水華[7]. 第二類水華是硅藻水華. 硅藻總體而言適宜生長(zhǎng)的溫度要明顯低于藍(lán)藻，如朱廣偉等[38]對(duì)溧陽(yáng)天目湖6年的監(jiān)測(cè)表明，天目湖硅藻大規(guī)模增殖的起始溫度為16 ℃，當(dāng)水溫超過(guò)26 ℃以后，硅藻生物量大幅下降. 千島湖的硅藻大規(guī)模增殖時(shí)間與天目湖相近，在西北庫(kù)灣和其他主要入庫(kù)河口區(qū)，甚至在中心庫(kù)區(qū)，經(jīng)常在3-5月形成硅藻水華，局部水域水體Chla濃度超過(guò)100 μg/L，對(duì)水色產(chǎn)生明顯影響.

此次調(diào)查期間夏季千島湖藍(lán)藻水華異常增殖現(xiàn)象明顯，甚至有藍(lán)藻水華風(fēng)險(xiǎn). 2020年8月東南庫(kù)灣出現(xiàn)了顯著高的藍(lán)藻生物量峰值，整個(gè)庫(kù)灣藍(lán)藻生物量平均值達(dá)到6.571 mg/L，在總藻類生物量中占73%，該時(shí)期整個(gè)東南庫(kù)灣的透明度平均值只有2.24 m，其中1/3的點(diǎn)位透明度低于2 m，表明藻類明顯影響了水色. 藍(lán)藻8月快速增加與6-7月異常強(qiáng)的降雨有關(guān). 僅6月和7月的降雨量就達(dá)到980.1 mm，是該地區(qū)有觀測(cè)氣象以來(lái)的極值. 強(qiáng)降雨將更多的上游營(yíng)養(yǎng)鹽輸移到東南庫(kù)區(qū)，同時(shí)將西北庫(kù)灣豐度較高的藍(lán)藻門種源也輸移過(guò)去，引起藍(lán)藻生物量猛增. 到9月，該區(qū)域藍(lán)藻生物量平均值快速降至0.454 mg/L，表明在沒(méi)有持續(xù)外源營(yíng)養(yǎng)鹽供給的情況下，該水域藍(lán)藻難以長(zhǎng)期維持高生物量. 但此次藍(lán)藻快速增殖現(xiàn)象表明了水質(zhì)較好水體藻類異常增殖的突發(fā)性和不確定性，在水源地水質(zhì)安全保障中應(yīng)高度重視.

水質(zhì)較好水庫(kù)中發(fā)生藍(lán)藻水華往往與水庫(kù)獨(dú)特的水文過(guò)程有關(guān). 水庫(kù)水文過(guò)程導(dǎo)致的水體物質(zhì)、藻類等混合過(guò)程存在較大的空間差異性，使得局部水體、特定時(shí)間具備藍(lán)藻水華發(fā)生的充分條件. 例如，Yang等[39]發(fā)現(xiàn)，在三峽水庫(kù)香溪河支流庫(kù)灣中，異重流及干支流交匯期間的頂托作用引發(fā)了香溪河支流一些河段經(jīng)常出現(xiàn)藍(lán)藻和硅藻水華. 近年來(lái)極端氣候、極端天氣事件發(fā)生頻次均呈增加趨勢(shì)，增加了水庫(kù)中局部水華發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn). 張含笑等[40]對(duì)于橋水庫(kù)藻類沉積記錄的研究表明，氣候變暖是近年來(lái)于橋水庫(kù)藍(lán)藻生物量增加的驅(qū)動(dòng)因素之一. 因此，要高度關(guān)注極端氣候變化和水文過(guò)程交互影響在千島湖等水庫(kù)水源地中引發(fā)藍(lán)藻水華的風(fēng)險(xiǎn).

此次調(diào)查也表明千島湖水庫(kù)中硅藻水華問(wèn)題應(yīng)引起關(guān)注. 西北庫(kù)灣在4月、5月均出現(xiàn)了明顯的硅藻異常增殖現(xiàn)象. 2021年4月該水域22個(gè)調(diào)查點(diǎn)位上層水體Chla濃度平均值達(dá)到36.7 μg/L，水色暗黑，而2020年5月該水域Chla濃度平均值達(dá)到了185 μg/L，透明度明顯下降，4月和5月透明度平均值僅為1.25 m，而其余10個(gè)月份其平均值為2.09 m.

盡管藻類水華的發(fā)生受水文氣象影響很大，但是在降低其發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)方面，營(yíng)養(yǎng)鹽控制仍是根本之策.此次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，千島湖淳安縣境內(nèi)水域的TP濃度平均值為0.019 mg/L，屬于Ⅱ類水，TN濃度平均值為0.89 mg/L，屬于Ⅲ類水. 與保護(hù)目標(biāo)相比，TN、TP濃度年均值均偏高. 丹江口水庫(kù)的氮來(lái)源分析表明，外源控制是水體氮污染控制的根本策略[41]. 因此，應(yīng)加強(qiáng)千島湖營(yíng)養(yǎng)鹽來(lái)源精準(zhǔn)辨識(shí)調(diào)查，對(duì)外源、內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)鹽針對(duì)性采取控制措施. 鑒于目前藍(lán)藻異常增殖的不確定性，營(yíng)養(yǎng)鹽控制力度應(yīng)從嚴(yán)，為水華防控留足余地，才能有力保障主要湖區(qū)不發(fā)生藍(lán)藻水華，不產(chǎn)生藻毒素及異味物質(zhì)超標(biāo)等水質(zhì)問(wèn)題.

根據(jù)Carlson[42]提出的湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(TSI)計(jì)算方法，采用TP、Chla、SD計(jì)算得到的安徽段、西北庫(kù)灣、中心庫(kù)區(qū)、東北庫(kù)灣、西南庫(kù)灣、東南庫(kù)灣、城中湖的TSI分別為57、51、43、46、45、41、45，安徽段、西北庫(kù)灣均處于富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，其余庫(kù)灣均處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài). 淳安縣境內(nèi)的95個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位TP、Chla、SD對(duì)應(yīng)的TSI值〔依次記為TSI(TP)、TSI(Chla)、TSI(SD)〕分別為46、45、43. TSI(Chla)＜TSI(TP)和TSI(Chla)＞TSI(SD)的結(jié)果表明，千島湖浮游植物所需的營(yíng)養(yǎng)鹽基本得到滿足，浮游植物生長(zhǎng)總體上不受光照的影響. 在這種情況下，水體浮游動(dòng)物、濾食性魚類的牧食作用也可能是藻類生物量高低的重要影響因素. 因此，在水環(huán)境管理方面，還應(yīng)優(yōu)化魚類資源調(diào)控，強(qiáng)化食物鏈對(duì)藻類的控制的下行效應(yīng). 同時(shí)，應(yīng)重視藻類水華監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，提高水源地水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的防范能力.

4 結(jié)論

a) 2020年5月-2021年4月對(duì)千島湖水體營(yíng)養(yǎng)鹽及浮游植物群落結(jié)構(gòu)的調(diào)查表明，千島湖TN、TP濃度及藍(lán)藻生物量、總藻類生物量等關(guān)鍵水環(huán)境指標(biāo)均存在明顯的時(shí)空差異性，在對(duì)水庫(kù)水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)應(yīng)充分考慮. 溫度、降雨、光照等季節(jié)變化因素引起的藻類群落結(jié)構(gòu)演替、流域氮磷入庫(kù)負(fù)荷變化、水庫(kù)地貌引起的水體交換與熱分層變化等因素是水質(zhì)指標(biāo)時(shí)空差異的重要影響因素，特別是洪水過(guò)程對(duì)水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)鹽空間分布及藍(lán)藻異常增殖風(fēng)險(xiǎn)均產(chǎn)生明顯影響.

b) 千島湖水庫(kù)的水體藻類群落結(jié)構(gòu)及生物量受水文氣象條件變化的影響較大. 夏季藍(lán)藻異常增殖的幅度大、時(shí)間短，春季局部庫(kù)灣硅藻異常增殖明顯，具有突發(fā)性. 在當(dāng)前全球氣候波動(dòng)性增大的背景下，水庫(kù)管理上應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)暴雨過(guò)程和藻類異常增殖過(guò)程的關(guān)注，提高流域營(yíng)養(yǎng)鹽控制標(biāo)準(zhǔn)，為藻類異常增殖控制留足余地，并開發(fā)相關(guān)預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)提高風(fēng)險(xiǎn)防范能力.