氣候事件及水利工程調度對湖泊微囊藻屬影響研究

劉 偉，郝達平

(江蘇省水文水資源勘測局淮安分局，江蘇 淮安 223005)

隨著全球氣候變暖及自然條件惡化的加劇，不同地區(qū)均出現(xiàn)了極端氣候事件，其中與人類關聯(lián)最大且最直觀的即為極端干旱或暴雨災害[1-4]。極端氣候事件往往是隨機且劇烈的，會對水環(huán)境帶來短暫但巨大的沖擊[5-8]。這樣的極端氣候事件會對水環(huán)境帶來怎樣的影響，是否會破壞水生態(tài)的平衡，對其中的物種及生態(tài)鏈帶來怎樣的破壞，是亟需探明的問題。為解決地域性及季節(jié)性水資源分配不均并應對極端氣候條件，人類興建了許多水利工程[9-11]。水利工程調度逐漸成為水生態(tài)領域不可忽視的人為干擾，其中水利工程調度對水環(huán)境，尤其對水環(huán)境中動態(tài)變化的生物會帶來什么樣的影響未見普適性結論。

藻類是水環(huán)境中的初級生產(chǎn)力，其種群結構對水生食物鏈有決定性作用[12-13]。由于生命周期短且對生境敏感等特點，其動態(tài)變化極易受到周圍環(huán)境變化的影響，因此，藻類常作為水環(huán)境變化的重要指標[14-15]。在適合的條件下，藻類存在水華爆發(fā)的風險，其中以藍藻水華危害最大。以微囊藻水華為典型的藍藻水華，不僅會破壞水生物多樣性，而且因微囊藻會產(chǎn)生藻毒素會威脅飲用水安全[16-18]。極端氣候事件如極端干旱通常伴隨高熱天氣，極有可能會導致微囊藻屬水華[19-20]；降水在一定程度上可以抑制藍藻水華的暴發(fā)[21-22]，但降水會使得湖泊徑流變大，營養(yǎng)鹽輸入激增有可能促進某些藍藻的生長，從而誘發(fā)藍藻風險[23]。在極端氣候條件下的水利工程調度對于微囊藻會產(chǎn)生怎樣的影響，如何在水利工程調度過程中減少微囊藻爆發(fā)的風險是水環(huán)境領域亟待解決的難題。

本文選取洪澤湖這一水利調度頻繁的湖泊進行為期10年的研究，聚焦氣候變化及水利工程調度對微囊藻屬變化的影響及微囊藻的響應機制，以期預測微囊藻屬風險，并提出在水利工程調度和極端天氣的聯(lián)合條件下微囊藻風險防控要點。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域

洪澤湖是淮河流域最大的湖泊型水庫，是中國第四大淡水湖。它地處蘇北平原中部西側，位于淮河中、下游結合部，是淮河河床的一個組成部分，在其西北部、西部和南部有時斷時續(xù)的低山和崗阜，東部地勢低平，臨近京杭大運河里運河段，北枕廢黃河和中運河[24]。洪澤湖是蘇北黃淮平原地區(qū)的主要水源，也是南水北調東線一期工程重要的調蓄湖泊，它不僅是淮安市生活、生產(chǎn)的重要水源，還承擔著宿遷、徐州、連云港、鹽城和揚州等市的生活、生產(chǎn)用水；安徽省淮北部分地區(qū)和沿淮河兩岸的用水也通過河湖上的水工建筑物(如新汴河上的團結閘)來取得水源。

1.2 監(jiān)測站點

洪澤湖湖域面積大，各區(qū)域水質存在差異，根據(jù)地理位置以及水文、水力和湖岸、出入湖河道特性等因素，將洪澤湖分為3個區(qū)：北區(qū)(N區(qū)，即成子湖區(qū)域)、東區(qū)(E區(qū))、西區(qū)(W區(qū))。其中，N區(qū)布設了成子湖、高湖、洪澤湖區(qū)(宿遷北)、韓橋4個站點；W區(qū)布設了洪澤湖區(qū)(宿遷南)、臨淮、溧河洼3個站點；E區(qū)布設了洪澤湖區(qū)(淮安西)、洪澤湖區(qū)(淮安北)、西順河3個站點布設；三河閘閘灣區(qū)域容易形成死水區(qū)，在此區(qū)域增設蔣壩站點。

1.3 分析方法

在采樣的同時，現(xiàn)場測定透明度、水溫、pH及溶解氧。現(xiàn)場項目測定方法見表1。

表1 現(xiàn)場項目監(jiān)測方法

實驗室監(jiān)測采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)分析方法，具體見表2。

表2 實驗室項目分析方法

現(xiàn)場利用15%的魯哥氏液進行藻類樣品的固定，靜置濃縮后進行密度及種群結構分析[25-26]。

1.4 統(tǒng)計方法

采用廣義加性模型及皮爾遜相關性分析環(huán)境因素對洪澤湖近10年(2011—2020年)微囊藻動態(tài)變化的影響。廣義加性模型能直接處理響應變量與多個解釋變量之間的非線性關系[27-28]。本研究中，以藻密度為非獨立變量，水溫、降水、總氮、總磷、氮磷比、水深、入湖水量和出湖水量作為解釋變量建立廣義加性模型。廣義加性模型的處理及出圖均由Canoco for Windows 4.5軟件完成。皮爾遜相關性的處理和分析由SPSS軟件完成。

2 分析與討論

2.1 水質及富營養(yǎng)化情況

2011—2020年研究期內，在總磷、總氮參與評價的情況下，洪澤湖整體水質未達到地表水環(huán)境質量Ⅲ類標準；當總磷、總氮不參與評價時，洪澤湖整體水質狀況較好，達到地表水環(huán)境質量Ⅲ類標準?？偭住⒖偟笜诉_標率分別僅為27.9%、19.7%，超標倍數(shù)范圍分別為1.01～3.75倍、1.01～4.21倍，平均超標倍數(shù)為1.69、1.79倍，不達標情況如圖1所示。2011—2020年洪澤湖總磷整體上處于波動略微上升趨勢，總體維持在Ⅳ類水；總氮整體上處于降低趨勢，總體處于Ⅴ類水。

圖1 洪澤湖氮磷營養(yǎng)鹽變化趨勢及水質評價

不同湖區(qū)水質指標的Z-score分布情況是：N區(qū)的水深低于平均值的概率較其他2個湖區(qū)更高，較低的水深為微囊藻屬的繁殖提供了有利條件，是N區(qū)微囊藻屬密度高于其他湖區(qū)的原因之一。在E區(qū)中，氨氮和亞硝酸鹽氮高于平均值的概率較其他氮鹽更高。微囊藻屬屬于非固氮藍藻，其氨氮競爭力高于其他氮鹽類型，這可能是微囊藻密度在水力擾動最大的E區(qū)大于W區(qū)的原因。

采用指數(shù)法評價湖庫營養(yǎng)狀態(tài)，2011—2020年，洪澤湖營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值在46.5～63.4之間，2012年年份變化范圍最大，為50.8～63.4；2017年年份變化范圍最小，為47.4～53.9；近10年平均值為54.3。其中營養(yǎng)指數(shù)值超過50，達到輕度富營養(yǎng)化的月份占總月份的比值達到89.6%，洪澤湖總體屬于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，非汛期指數(shù)值略低于汛期。洪澤湖營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)總體有降低的趨勢，總體表現(xiàn)為夏季高，冬春季節(jié)低。

2.2 相關性分析

整體上洪澤湖微囊藻屬與水溫、磷鹽正相關，相關系數(shù)分別達到0.289、0.164；而與氮鹽、出湖水量及水位均為負相關，相關系數(shù)分別達到0.190、0.108、0.192。

N區(qū)微囊藻與水溫(0.254)、總磷(0.135)呈正相關，與水位(0.207)、總氮(0.134)、氮磷比(0.227)、入湖水量(0.365)、出湖水量(0.277)呈負相關。

E區(qū)微囊藻與水溫(0.255)、降水(0.122)呈正相關，與水位(0.162)、總氮(0.291)、氮磷比(0.264)呈負相關。

W區(qū)微囊藻與水溫(0.252)、總磷(0.238)呈正相關，與水位(0.238)、總氮(0.311)、氮磷比(0.228)、出湖水量(0.141)呈負相關。

微囊藻屬和環(huán)境因子相關性如圖2所示。

圖2 微囊藻屬和環(huán)境因子相關性示意圖

洪澤湖檢出微囊藻屬主要有惠氏微囊藻、銅綠微囊藻、水華微囊藻和不定微囊藻等。其中惠氏微囊藻是洪澤湖檢出微囊藻屬的主要優(yōu)勢種，檢出藻細胞密度0～2677.78萬個/L，占檢出微囊藻屬的比例為56.4%，檢出藻細胞頻率和密度均較高。特別是在夏秋季節(jié)藍藻暴發(fā)性增長時期，惠氏微囊藻密度均能達到很高的優(yōu)勢級?；菔衔⒛以迮c總磷、降水和水溫成明顯正相關，相關性系數(shù)分別為0.238、0.182、0.172，環(huán)境因子影響與不定微囊藻、水華微囊藻的相關性一致。銅綠微囊藻與總磷呈負相關，其余與惠氏微囊藻一致。皮爾遜相關性結果見表3。

表3 皮爾遜相關性結果列表

由于過去10年洪澤湖的氮鹽存在一定的下降趨勢，所以微囊藻屬與氮鹽負相關這一現(xiàn)象不具普適性，僅能說明在洪澤湖水體中，低濃度的氮鹽并不是限制微囊藻生長的主要原因。洪澤湖的水位主要由工程調度控制，在降水較弱的時期，通過增強水利調度，可以抑制微囊藻屬的增長。

2.3 氣候條件及水利調度對微囊藻的影響

研究期間，洪澤湖不同區(qū)域微囊藻細胞密度分布不同，具體為N區(qū)>E區(qū)>W區(qū)。微囊藻密度屬、出入湖水量及降水量隨時間的動態(tài)變化如圖3所示。

圖3 水溫、出入湖水量、降水和微囊藻的年際變化

(1)氣候變化對微囊藻屬影響

研究表明，隨著氣溫的上升微囊藻屬細胞密度呈增加趨勢，氣溫與微囊藻細胞密度的相關性系數(shù)達到0.289，N、E、W區(qū)微囊藻細胞密度與氣溫變化趨勢一致，相關性系數(shù)分別達到0.254、0.255、0.252。

(2)水利工程調度對微囊藻屬影響

洪澤湖水利工程調度主要依靠出入湖水利工程，其中入湖流量站點包括懷洪新河雙溝、老濉河泗洪(老)、濉河泗洪(濉)、徐洪河金鎮(zhèn)、新汴河宿縣閘、池河明光以及淮河蚌埠閘；出湖流量站主要為二河閘、三河閘、高良澗閘和高良澗水電站。入湖水量中，蚌埠閘貢獻了74.1%的水量。入湖水量主要集中在E區(qū)和W區(qū)，出湖水量主要集中在E區(qū)，N區(qū)出入湖水量均較低，水體流動性較差。

入湖量、出湖量與微囊藻細胞相關性分別為-0.107、-0.108，可以看出出湖量與微囊藻細胞密度呈負相關，入湖量與微囊藻細胞密度亦呈負相關。3個分區(qū)入湖量的相關性由高到低分別為N>W>E，出湖量的相關性由高到低分別為N>W>E。由此可以看出，出入湖量對洪澤湖微囊藻屬的影響較大，且成子湖區(qū)流動性對微囊藻屬的影響大于其他區(qū)域。

在強降水或極度干旱的氣候條件下，洪澤湖會經(jīng)歷較強的水利調度，出入湖水量變大。洪澤湖N區(qū)位于湖灣，水流緩慢，出入湖水量較少，主要靠降水補給，高溫干旱天氣造成的水深驟降有利于藍藻尤其是易聚團的微囊藻屬的大量繁殖，因此N區(qū)的微囊藻的異常增殖均伴隨著或滯后于降水的急劇減少。降水少或出入湖水量減少帶來的水力擾動減弱可為微囊藻的異常增殖提供適宜的生長環(huán)境。

(3)降水對微囊藻屬影響

洪澤湖的降水主要集中在5—10月，呈現(xiàn)出較明顯的年際差異性。雖然降水與微囊藻細胞相關性系數(shù)為+0.121，但降水較多的月份均出現(xiàn)在溫度較高的月份，且降水最大月份與每年微囊藻密度峰值不一致，由此可以判斷降水與微囊藻細胞密度的正相關受溫度影響較大，且正相關性較弱。3個分區(qū)降水的相關性由高到低分別為E>W>N。

通過年際變化分析降水和水利調度對于微囊藻屬增殖的影響，發(fā)現(xiàn)當降水和水利調度均較弱時，微囊藻屬會出現(xiàn)大量增殖的情況。2012年8月、2013年8月、2016年9月及2019年10月，微囊藻屬的大量增殖發(fā)生在弱降水和弱水利調度同時出現(xiàn)的月份，而非當年水溫最高的月份。2018年9月，N區(qū)微囊藻屬密度達到了研究期內的峰值，亦出現(xiàn)在降水減少且入湖水量少的情況下。當降水減少時，水利調度的增強會抑制微囊藻屬的增殖。2011年9月、2012年9月、2014年9月、2015年7—9月、2017年9—10月及2020年8月，微囊藻屬密度的減弱均發(fā)生在降水較弱，但水利調度增強的月份。這一現(xiàn)象為降水較弱的干旱時期提供了有效微囊藻屬控制手段。

總體上來說，在水溫較適宜微囊藻生長的夏秋季節(jié)，水溫對于微囊藻屬增殖的影響弱于降水和水利工程調度。2019年，洪澤湖區(qū)域遭遇了60年一遇的旱災，洪澤湖湖區(qū)面積縮小近一倍，所處流域水量驟降，入湖河流的主要受水湖區(qū)E區(qū)和W區(qū)微囊藻屬出現(xiàn)了異常增殖的現(xiàn)象，微囊藻屬密度達到了研究期內的峰值。而在水體流動較差的N區(qū)，微囊藻屬密度變化受旱災的影響較其他2個湖區(qū)弱。在水溫較高的夏秋季節(jié)，如果發(fā)生極度干旱的氣候事件，極有可能出現(xiàn)微囊藻暴發(fā)的風險，且正常狀態(tài)下水利流動較大的區(qū)域所受影響最大。

3 結論與建議

3.1 結論

洪澤湖總磷整體上處于波動略微上升趨勢，而總氮整體上處于降低趨勢；洪澤湖整體富營養(yǎng)化狀態(tài)為輕度富營養(yǎng)化，非汛期營養(yǎng)指數(shù)值略低于汛期，總體表現(xiàn)為夏季高，冬春季節(jié)低，年際總體有降低的趨勢。

氣候對微囊藻屬的影響系數(shù)為+0.289，氣溫上升與微囊藻屬生長呈顯著正相關，3個分區(qū)受氣候變化影響差異性較小；降水對微囊藻屬的影響系數(shù)+0.121，降水與微囊藻細胞密度的正相關受溫度影響較大，且正相關性較弱；3個分區(qū)受降水影響為E>W>N；出入湖水量對微囊藻屬的影響系數(shù)分別為-0.107、-0.108，湖體交換能力的提升與微囊藻屬生長呈顯著負相關；3個分區(qū)受湖體交換的影響為N>W>E，成子湖區(qū)域水體流動性對微囊藻屬的影響大于其他區(qū)域。

3.2 建議

(1)加強監(jiān)測和預警預測。制定藍藻水華應急預案，強化預警監(jiān)測，當降水和水利調度均較弱時，應關注微囊藻屬大量增殖的情況，必要時需加密監(jiān)測；在夏秋季節(jié)，若遭遇極度干旱，微囊藻暴發(fā)的風險較大，且原水體流動較大的區(qū)域所受影響大；當降水減少時，通過增強水利調度可以抑制微囊藻屬增殖。

(2)控制氮磷營養(yǎng)鹽。從污染源頭到湖泊出口，通過污染源頭控制、河道截污、湖蕩調節(jié)、河口濕地、生態(tài)修復、暢通湖流等多道防線，有效控制湖泊富營養(yǎng)化程度，從根本上控制湖泊水華的發(fā)生。

(3)強化水利工程調度。通過水利調度，緩解高風險區(qū)域微囊藻繁殖程度，其中成子湖區(qū)通過開啟二河閘使水體向下游排放，同時關閉揚莊閘、淮陰閘，打開鹽河閘，使污染水體通過鹽河下排。蔣壩區(qū)域在不違背《淮河洪水調度方案》規(guī)定的調度原則、確保防洪安全的前提下，盡可能加大三河閘流量，同時還可以通過江水北調工程翻引長江水入洪澤湖緩解。其他區(qū)域可通過南水北調、江水北凋、引沂濟淮等工程，調引水源入洪澤湖搞活水體。

(4)完善全流域管控措施。湖泊管理和治理是一個長期的過程，相關法律法規(guī)的制定、新技術和新方法在改善和修復湖泊生態(tài)環(huán)境以及湖泊管理中的應用、湖泊保護意識的提高等等，須經(jīng)過多方面協(xié)同努力，形成全流域管控的合力，才能獲得最佳的生態(tài)環(huán)境效益。