漢江中下游水華防控生態(tài)調(diào)度研究*

李 建，尹 煒，賈海燕，辛小康，王 超

(1：長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，武漢 430010) (2：長(zhǎng)江水利委員會(huì)湖庫(kù)水源地面源污染生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430051)

河流水華具有暴發(fā)成因復(fù)雜、影響距離長(zhǎng)等特點(diǎn)，通常以硅藻、甲藻等為優(yōu)勢(shì)藻種[1]. 全球一些大型河流曾經(jīng)發(fā)生過大規(guī)模水華事件，例如澳大利亞的Darling河、北美的Saint Lawrence河、韓國(guó)的Nakdong河、匈牙利的Danube河等[2-4]，以及國(guó)內(nèi)的漢江、三峽入庫(kù)支流、九龍江、龍江河和賀江等[5-6]. 當(dāng)前對(duì)河流水華的研究認(rèn)為，較高的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度是河流水華暴發(fā)的必要條件[7-8]，氮、磷、硅等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度可以影響河流中浮游藻類的優(yōu)勢(shì)藻種，其中磷含量是很多大型河流暴發(fā)水華的一個(gè)限制因子[9-11]. 光照、氣溫、降水等氣象條件也是影響浮游藻類聚生的重要環(huán)境因素，河流水華的暴發(fā)需要持續(xù)晴好天氣的積累，有效降水和氣溫驟降則可能導(dǎo)致水華的突然消退[12]. 流量、流速等河流水文水動(dòng)力條件影響浮游藻類的生長(zhǎng)和空間分布[13]，藻類生長(zhǎng)對(duì)河道流速的響應(yīng)主要表現(xiàn)為低流速促進(jìn)、高流速抑制等特點(diǎn)[14-15]，增大流量和流速可有效抑制水華暴發(fā)[16].

防控河流水華的最佳策略是降低河流營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、減少污染輸入，但這是一個(gè)長(zhǎng)期的過程. 天氣條件可以預(yù)測(cè)但是較難人工調(diào)控，因此水文水動(dòng)力調(diào)控成為河流水華防控的首選途徑[17]. 當(dāng)前河流水華的防治仍然以上游水庫(kù)下泄沖刷和稀釋為主[18]，但是由于河流抑制水華的關(guān)鍵水文過程和調(diào)控機(jī)制仍不明晰，抑制水華暴發(fā)和促進(jìn)水華消退的下泄流量、下泄時(shí)機(jī)和調(diào)度時(shí)長(zhǎng)等尚無法準(zhǔn)確把握，同時(shí)水華發(fā)生時(shí)期通常處于水量較少的枯水期，能夠用于下泄的水資源量十分有限[19]，研究如何利用有限水量有效抑制河流水華，提高水華防控的水資源利用效率，達(dá)到水華防控與節(jié)水共贏目標(biāo)，具有重要的現(xiàn)實(shí)需求.

漢江是長(zhǎng)江最大支流，是沿岸城市生活和工農(nóng)業(yè)用水的重要水源，上游的丹江口水庫(kù)是南水北調(diào)中線工程調(diào)水水源地，中下游是襄陽、仙桃等城市飲用水水源地，其在國(guó)家水資源配置和漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展中具有十分重要的地位，水質(zhì)安全問題一直備受關(guān)注. 漢江中下游水華頻發(fā)，自1992年春季首次暴發(fā)硅藻水華以來，至今已發(fā)生十余次水華事件. 漢江水華屬于硅藻水華，暴發(fā)時(shí)間主要集中在春季1-3月份[20]，水華發(fā)生河段大多在皇莊水文站以下的漢江下游，丹江口至皇莊區(qū)間的漢江中游河段水華發(fā)生頻次較少. 漢江硅藻水華暴發(fā)時(shí)，水體呈棕褐色并散發(fā)腥臭味，藻類堵塞沿江水廠濾池，嚴(yán)重影響居民正常用水. 丹江口水庫(kù)大壩加高蓄水和南水北調(diào)中線工程通水后，漢江中下游水文情勢(shì)發(fā)生較大變化，興隆等梯級(jí)水庫(kù)建成運(yùn)用使得非天然河段水動(dòng)力作用減弱，為漢江中下游水華的發(fā)生提供了更為有利的水文水力條件[21]. 南水北調(diào)中線工程規(guī)劃論證時(shí)(2001年)，提出仙桃斷面抑制水華暴發(fā)的生態(tài)流量為500 m3/s，但2015和2016年2次水華事件發(fā)生時(shí)仙桃水文斷面的流量均超過了500 m3/s，最近2018和2021年均超過700 m3/s，漢江中下游暴發(fā)水華的流量、營(yíng)養(yǎng)鹽等條件仍在持續(xù)變化，調(diào)控水華面臨新的挑戰(zhàn). 明確漢江中下游抑制水華暴發(fā)的水文水動(dòng)力條件閾值及關(guān)鍵水文過程調(diào)控機(jī)制，對(duì)于減輕水華危害以及保障漢江中下游水生態(tài)和飲用水安全具有重要意義.

本研究通過系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)歷次水華事件發(fā)生情況，分析漢江中下游水華特征和暴發(fā)成因，探討水華與水文過程的響應(yīng)關(guān)系，提出抑制水華的關(guān)鍵指標(biāo)和調(diào)控閾值，明確抑制水華的生態(tài)調(diào)度方式和持續(xù)時(shí)間，以期為漢江中下游防控水華生態(tài)調(diào)度實(shí)踐提供技術(shù)支撐.

1 研究區(qū)域和方法

1.1 研究區(qū)域

漢江是長(zhǎng)江最大支流，丹江口以上為上游，丹江口至皇莊為中游，皇莊以下為下游. 本項(xiàng)目選取漢江中下游為研究區(qū)域(圖1)，漢江中下游干流長(zhǎng)652 km，流域面積6.38萬km2，已建成王甫州、崔家營(yíng)和興隆3座低壩樞紐工程. 興隆壩下高石碑處有引江濟(jì)漢工程自長(zhǎng)江引水注入漢江. 漢江下游自皇莊以下至河口，長(zhǎng)382 km，位于江漢平原北部，地勢(shì)平緩，河床比降小，平均比降僅為0.09‰，屬于典型的平原長(zhǎng)距離河道. 漢江中下游水系和典型研究斷面位置如圖1所示.

圖1 研究區(qū)水系與典型斷面位置Fig.1 Water system and location of typical cross-sections in the study area

1.2 資料和方法

流量和水位分析采用皇莊、沙洋、仙桃等水文(水位)站1984-2018年長(zhǎng)系列日均系列資料，水質(zhì)和藻密度分析采用水華暴發(fā)期間應(yīng)急監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù). 發(fā)生水華年份與不發(fā)生水華年份1-3月份實(shí)測(cè)流量和水位多年平均系列差異分析采用對(duì)比統(tǒng)計(jì)方法，首先在長(zhǎng)系列資料中摘錄出每年1月1日-3月31日該段水華易發(fā)時(shí)期的日均流量或水位，其次篩選出發(fā)生水華年份1-3月數(shù)據(jù)組成系列A，不發(fā)生水華年份1-3月數(shù)據(jù)組成系列B，然后按照日期順序求取逐日多年平均值組成新的系列C(發(fā)生水華年份)和系列D(不發(fā)生水華年份)，最后對(duì)比分析發(fā)生水華年份逐日多年平均系列C和不發(fā)生水華年份系列D的差異. 流量或水位累積頻率的計(jì)算方法是先篩選出水華發(fā)生年份1-3月逐日數(shù)據(jù)組成系列A，不發(fā)生水華年份1-3月數(shù)據(jù)組成系列B，從小到大進(jìn)行排序后按照等區(qū)間值進(jìn)行分組，計(jì)算各組內(nèi)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)記為各組頻數(shù)，各組頻數(shù)與全部頻數(shù)之和的比值為頻率，然后采用向上累積的方式從變量值小的一方向變量值大的一方累加，頻率的最終累積值為100%.

采用Mike21模型模擬反演水華發(fā)生期間對(duì)應(yīng)流量和水位條件下的斷面平均流速. 以興隆水庫(kù)為界，分段建立平面二維水動(dòng)力模型[21-22]，其中皇莊至興隆大壩江段長(zhǎng)約108 km，興隆壩下引江濟(jì)漢運(yùn)河口至仙桃江段長(zhǎng)約100 km. 模型工況設(shè)置、上下邊界條件和初始條件等見表1，模型驗(yàn)證情況見表2.

表1 平面二維水動(dòng)力模型邊界條件

表2 模型準(zhǔn)確性的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

抑制水華生態(tài)調(diào)度效果采用斷面生態(tài)需水滿足率和硅藻生長(zhǎng)適宜度指數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià). 其中，斷面生態(tài)需水滿足率采用水華暴發(fā)月份斷面實(shí)際流量滿足閾值流量(有水華年份90%累積頻率對(duì)應(yīng)流量)天數(shù)與該月總天數(shù)的比值. 硅藻生長(zhǎng)適宜度指數(shù)采用下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中，水華暴發(fā)的臨界藻密度通常為107cells/L.

2 結(jié)果

2.1 漢江中下游水華特征

自 1992 年春季漢江首次發(fā)生水華以來，至今已累計(jì)暴發(fā)10余次較大規(guī)模的水華事件(表3)，近年來隨著漢江中下游梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行對(duì)水文情勢(shì)改變，以及城鎮(zhèn)化發(fā)展引起入河污染物排放增加，漢江中下游水華暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)日益突出，給漢江的水環(huán)境、水生態(tài)和城市供水等帶來許多不利影響.

綜合歷次水華事件，漢江中下游水華主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn)[23]：(1)時(shí)間上，大多發(fā)生在早春漢江枯水期，主要在1-3月份，以2月份最為集中；(2)空間上，發(fā)生區(qū)域主要分布在鐘祥至河口江段，2014年之前無興隆水庫(kù)時(shí)，水華主要發(fā)生在潛江以下江段，2014年興隆樞紐建成運(yùn)行后，水華范圍擴(kuò)展至沙洋等興隆庫(kù)區(qū)江段；(3)水華發(fā)生時(shí)的優(yōu)勢(shì)藻種為漢斯冠盤藻(Stephanodiscushantzschii)，屬于硅藻門、中心綱、圓篩藻目、圓篩藻科、冠盤藻屬.

表3 漢江中下游歷年水華發(fā)生情況統(tǒng)計(jì)

2.2 水華與水文水動(dòng)力響應(yīng)關(guān)系

1992-2018年水文統(tǒng)計(jì)表明，漢江水華基本發(fā)生在1-3月份水量偏枯的年份，1-3月份水量越枯，發(fā)生水華的可能性越大(圖2)，1-3月份來水頻率小于40%的年份基本不發(fā)生水華. 發(fā)生和不發(fā)生水華年份1-3月多年日均流量、水位過程呈現(xiàn)出明顯差異，發(fā)生水華年份的逐日平均流量小于不發(fā)生水華年份，逐日平均水位也明顯低于不發(fā)生水華年份(圖3). 從逐日多年平均系列來看，發(fā)生水華年份平均流量范圍約為550～700 m3/s，不發(fā)生水華年份平均流量范圍約為800～950 m3/s.

圖2 仙桃斷面1992-2018年期間1-3月份 平均流量水文頻率及水華年份對(duì)應(yīng)藻密度Fig.2 The hydrological frequency of the average flow from January to March at the Xiantao section from 1992 to 2018, and the corresponding algae density in the year with algal bloom

圖3 仙桃斷面1992-2018年 期間發(fā)生與不發(fā)生水華年份 1-3月份日均流量(水位)過程Fig.3 The average daily flow (water level) process at the Xiantao section from January to March in the years with and without algal blooms from 1992 to 2018

歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，漢江中下游水華暴發(fā)期間仙桃斷面90%累積頻率對(duì)應(yīng)的流量為820 m3/s，水位為22.67 m(國(guó)家85高程，下同)(圖4)，說明歷次水華發(fā)生時(shí)90%的流量小于820 m3/s，這可能是連續(xù)晴好天氣條件下預(yù)防水華發(fā)生的最小流量. 但是，一旦藻類積累到一定規(guī)模，藻密度接近水華暴發(fā)程度，僅僅依靠820 m3/s的流量將很難控制藻類快速增殖趨勢(shì)，因?yàn)樵孱惖脑鲋吵尸F(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)，必須通過更大的流量進(jìn)行抑制.

圖4 仙桃斷面歷次水華期間流量(a)和水位(b)累積頻率分布Fig.4 The cumulative frequency distribution of discharge (a) and water level (b) during the previous algal blooming periods at the Xiantao section

3 討論

3.1 漢江中下游水華暴發(fā)成因

河流水華的暴發(fā)與多種環(huán)境因素有關(guān)，當(dāng)前對(duì)河流水華的研究普遍認(rèn)為引起河流中浮游藻類大量增殖并暴發(fā)水華的環(huán)境因子主要包括營(yíng)養(yǎng)鹽、氣象和水動(dòng)力條件[24-25](圖5)，其中營(yíng)養(yǎng)鹽是基礎(chǔ)性限制因子，氣象條件是誘導(dǎo)因子，水動(dòng)力條件是主要驅(qū)動(dòng)因子[26-27]. 高營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷、晴好天氣和緩慢流速是導(dǎo)致漢江中下游水華暴發(fā)的主要原因[28].

圖5 影響河流水華暴發(fā)的環(huán)境因素Fig.5 Environmental factors affecting the outbreak of algal blooms in rivers

1)營(yíng)養(yǎng)鹽. 丹江口水庫(kù)總氮(TN)背景濃度較高，氮源充足. 漢江中游鐘祥磷礦鎮(zhèn)附近總磷(TP)濃度較高，主要與漢江支流浰河匯入有關(guān)，該支流上游分布有磷礦企業(yè)，水質(zhì)TP污染問題較為突出. 氮、磷營(yíng)養(yǎng)條件齊備，為水華暴發(fā)提供了營(yíng)養(yǎng)基礎(chǔ)，其中TP濃度可能是影響水華分布范圍的限制性因素[29]；國(guó)外研究認(rèn)為一般湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的TN閾值為0.65～1.2 mg/L，TP閾值為0.03～0.1 mg/L，而河流水體富營(yíng)養(yǎng)化的TN閾值為>1.5 mg/L，TP閾值為>0.075 mg/L[30]. 根據(jù)這一閾值判斷，皇莊以下的漢江下游江段氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽已達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)化水平，可為硅藻水華的暴發(fā)提供必要的基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)條件(圖6).

圖6 2018年水華期間漢江中下游總磷(a)和總氮(b)沿程變化(水平線代表河流富營(yíng)養(yǎng)化氮磷指標(biāo)臨界值)Fig.6 Changes of TP (a) and TN (b) along the middle and lower reaches of the Hanjiang River during the algal bloom event in 2018

2)氣象條件. 春季氣溫偏高，硅藻生長(zhǎng)加快，可促進(jìn)水華暴發(fā)；光在水中的光譜梯度變化是藻類競(jìng)爭(zhēng)演替的重要基礎(chǔ). 光強(qiáng)應(yīng)答機(jī)制的生理學(xué)研究表明，漢斯冠盤藻具有廣泛的光適應(yīng)性，在光照強(qiáng)度為5～50 μE/(m2·s)通量范圍內(nèi)，均能較快進(jìn)入指數(shù)生長(zhǎng)期[31]；降水引起河水濁度上升，干擾藻類在水體表層聚生，容易引起水華突然消退. 氣象資料統(tǒng)計(jì)表明，漢江中下游發(fā)生水華年份早期最高氣溫持續(xù)超過10℃，有些年份甚至超過20℃，為硅藻快速增殖提供了適宜的光照和氣溫環(huán)境.

3)水動(dòng)力條件. 河流中浮游藻類生物量與流量呈反比[32-34]，增大流量和流速可以有效增加垂向和縱向水流的交換能力，增加水流對(duì)藻類表面的剪切應(yīng)力，縮短浮游藻類在河段中的傳輸和滯留時(shí)間，抑制藻類生長(zhǎng)，使其無法大量聚集，從而抑制水華暴發(fā)[18]. 春季枯水期低流量和低流速是漢江中下游水華暴發(fā)的重要原因；長(zhǎng)江武漢段部分年份水位較高，對(duì)漢江水位產(chǎn)生頂托作用，使得漢江水流速度減緩，也對(duì)水華發(fā)生有一定的促進(jìn)作用. 歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，發(fā)生水華年份比未發(fā)生水華的年份同期水位差低0.86～5.26 m[35]. 在氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽充足的情況下，漢江歷年光照和氣象等條件相比變化不大，枯水期長(zhǎng)江水位頂托和上游水利工程調(diào)度對(duì)漢江中下游水動(dòng)力條件的改變形成了有利于浮游藻類聚集生長(zhǎng)的水流環(huán)境，這種特殊水動(dòng)力條件變化可能是驅(qū)動(dòng)水華暴發(fā)的主要因素.

3.2 防控水華關(guān)鍵指標(biāo)及其閾值

影響水華暴發(fā)的主要環(huán)境因子中，天氣和水溫基本不具有可調(diào)節(jié)性，氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽可以通過控源減排等管理方式進(jìn)行人工調(diào)控，但是短期內(nèi)效果不明顯，需要長(zhǎng)期的水污染防治. 相比而言，流量、水位、流速等水文水力指標(biāo)具有可調(diào)控能力強(qiáng)、短期內(nèi)抑制水華效果明顯等特點(diǎn). 河流防控水華的關(guān)鍵指標(biāo)包括氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、流量、流速、水位等，這些關(guān)鍵指標(biāo)中流量、水位和流速等水文水動(dòng)力指標(biāo)可通過水庫(kù)生態(tài)調(diào)度進(jìn)行調(diào)節(jié). 本研究將流速、流量和水位指標(biāo)作為低壩樞紐河庫(kù)系統(tǒng)生態(tài)需水調(diào)控的最主要指標(biāo)，同時(shí)考慮氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)的控源減排等管理措施.

根據(jù)浮游藻類生物學(xué)特性，流量的變化主要通過流速變化來影響浮游藻類聚生，因此研究水華暴發(fā)和消退初期的斷面流速情況，進(jìn)而推導(dǎo)出該流速值對(duì)應(yīng)的流量，以此確定抑制水華所需的流量條件可能更具合理性. 采用Mike21模型對(duì)歷次水華發(fā)生期間流速分布情況進(jìn)行模擬反演，模擬結(jié)果表明，水華暴發(fā)初期仙桃和沙洋斷面平均流速范圍分別為0.25～0.46和0.10～0.13 m/s，水華暴發(fā)持續(xù)一段時(shí)間后開始消退時(shí)仙桃和沙洋斷面平均流速范圍分別為0.43～0.67和0.14～0.20 m/s. 仙桃和沙洋斷面水華開始消退時(shí)期流速最大的年份出現(xiàn)在2018年，分別為0.67和0.20 m/s(圖7，表4). 由此確定，仙桃自然河段和興隆庫(kù)區(qū)河段抑制水華生態(tài)需水調(diào)控的流速閾值分別為0.67和0.20 m/s.

表4 沙洋和仙桃斷面歷次水華期間水華暴發(fā)初期和消退初期流量與水位值統(tǒng)計(jì)

興隆水庫(kù)為徑流式日調(diào)節(jié)水庫(kù)，水庫(kù)基本維持正常蓄水位36.2 m運(yùn)行，采用Mike21模型模擬結(jié)果表明，36.2 m正常蓄水位條件下庫(kù)尾沙洋斷面0.20 m/s流速對(duì)應(yīng)的入庫(kù)流量約為1160 m3/s，因此沙洋斷面流速閾值對(duì)應(yīng)的流量條件為1160 m3/s. 仙桃河段為自然河段，受下游長(zhǎng)江水位頂托作用，在不同水位條件下，抑制水華流速閾值對(duì)應(yīng)的流量條件不唯一，范圍約為1040～1200 m3/s(圖8).

綜上所述，以90%累積頻率對(duì)應(yīng)的流量和水位條件作為水華預(yù)警閾值，即仙桃斷面流量低于820 m3/s同時(shí)水位低于22.67 m時(shí)，可啟動(dòng)水華預(yù)警. 根據(jù)漢江中下游多個(gè)斷面葉綠素a濃度與藻密度的關(guān)系，推測(cè)葉綠素a濃度超過30 μg/L時(shí)，藻密度接近臨界值107cells/L，因此當(dāng)葉綠素a濃度超過30 μg/L時(shí)也可作為水華預(yù)警啟動(dòng)條件. 在調(diào)控閾值方面，以水華消退初期最大平均流速及其對(duì)應(yīng)的流量條件作為水華調(diào)控閾值，其中沙洋斷面代表興隆庫(kù)尾控制水華的水文水動(dòng)力閾值，流速和入庫(kù)流量閾值分別為0.2 m/s和1160 m3/s，仙桃斷面代表興隆水庫(kù)以下自然河段控制水華的水文水動(dòng)力閾值，流速閾值為0.67 m/s，對(duì)應(yīng)不同長(zhǎng)江壅水條件下的流量閾值在1040～1200 m3/s范圍內(nèi)變化. 為了使興隆庫(kù)區(qū)水體盡快達(dá)到0.2 m/s閾值流速，縮短來水滯留時(shí)間，興隆庫(kù)區(qū)宜采用水位波動(dòng)式方式. Mike21模擬結(jié)果表明，使庫(kù)尾沙洋斷面流速達(dá)到0.2 m/s閾值條件的水位日變化幅度范圍為0.5～1.5 m/d(表5). 此外，根據(jù)河流水華富營(yíng)養(yǎng)化閾值[30]，總磷和總氮濃度閾值分別定為0.075和1.5 mg/L. 漢江中下游抑制水華生態(tài)調(diào)度指標(biāo)及其閾值成果見表6.

圖7 沙洋和仙桃斷面臨界藻密度與 臨界流速(細(xì)虛線為臨界值)Fig.7 Threshold algae density and threshold velocity at the Shayang and Xiantao sections

圖8 不同特征水位下仙桃斷面流量-流速 關(guān)系曲線(細(xì)虛線為臨界值)Fig.8 Flow-velocity relationship curve of Xiantao section under different characteristic water levels

表5 興隆庫(kù)區(qū)沙洋斷面平均流速對(duì)水位波動(dòng)的響應(yīng)

表6 漢江中下游抑制水華生態(tài)調(diào)度指標(biāo)及其閾值

3.3 水華防控生態(tài)調(diào)度方案

根據(jù)相關(guān)水文資料整編成果，漢江干流丹江口壩下至襄陽江段的洪水傳播時(shí)間為15～18 h，至皇莊為33～38 h，至沙洋為43～50 h，至仙桃為55～68 h，至漢川為59～76 h. 丹江口水庫(kù)加大下泄流量后形成的洪峰最快需要2 d左右才能到達(dá)興隆庫(kù)區(qū). 因此，對(duì)漢江下游江段實(shí)施抑制水華生態(tài)調(diào)度時(shí)必須考慮洪水傳播時(shí)間等因素，在丹江口水庫(kù)加大下泄流量到達(dá)水華暴發(fā)河段之前，需要優(yōu)先考慮啟動(dòng)興隆水庫(kù)調(diào)度和加大引江濟(jì)漢工程引水流量.

漢江中下游抑制水華生態(tài)調(diào)度圍繞丹江口水庫(kù)、漢江中下游梯級(jí)(興隆水庫(kù)為主)和引江濟(jì)漢工程聯(lián)合開展(圖9)，生態(tài)調(diào)度方案為：(1)條件允許情況下，興隆水庫(kù)可首先采用敞泄式調(diào)度方式，將庫(kù)區(qū)水體全部更換，使庫(kù)區(qū)積累的藻類盡快排出，換水完成后盡快蓄水至正常蓄水位，減小發(fā)電損失；在興隆水庫(kù)蓄水期間，減少的下泄流量應(yīng)由引江濟(jì)漢工程補(bǔ)足；(2)當(dāng)敞泄式調(diào)度存在困難時(shí)，興隆水庫(kù)應(yīng)優(yōu)先采用水位波動(dòng)式(沖蓄結(jié)合)調(diào)度方式進(jìn)行調(diào)度，同時(shí)丹江口水庫(kù)加大下泄流量至800 m3/s，使興隆入庫(kù)流量逐步達(dá)到1000～1160 m3/s，王甫洲、崔家營(yíng)等梯級(jí)水利樞紐盡量采用低水位運(yùn)行，確保丹江口下泄水量盡快到達(dá)興隆庫(kù)區(qū)，興隆樞紐采用水位波動(dòng)式(沖蓄結(jié)合)調(diào)度方式，壩前水位波動(dòng)范圍為0.5～1.5 m/d；當(dāng)興隆入庫(kù)流量超過1160 m3/s時(shí)，水位波動(dòng)幅度可降低至0.5 m/d以下；(3)加大引江濟(jì)漢工程引水，引水流量能夠補(bǔ)充上游興隆樞紐水位抬升時(shí)期減少的下泄流量，丹江口水庫(kù)下泄、興隆水庫(kù)水位調(diào)節(jié)和引江濟(jì)漢工程引水三者共同保障到達(dá)仙桃斷面的流量不低于1040～1200 m3/s(對(duì)應(yīng)不同水位).

圖9 漢江中下游抑制水華聯(lián)合生態(tài)調(diào)度示意圖Fig.9 Schematic diagram of the joint ecological regulation for algal bloom control in the middle and lower reaches of the Hanjiang River

在生態(tài)調(diào)度持續(xù)時(shí)間方面，研究表明漢江中下游氣溫高于同期3℃且持續(xù)5 d以上時(shí)，暴發(fā)水華的概率大為增加[29]. 同時(shí)根據(jù)2018年水華應(yīng)急調(diào)度效果，仙桃斷面流量連續(xù)5 d超過1000 m3/s時(shí)水華開始消退. 因此，漢江中下游通過聯(lián)合調(diào)度使得沙洋和仙桃斷面達(dá)到閾值流量(沙洋≥1160 m3/s和仙桃≥1040～1200 m3/s)的持續(xù)時(shí)間適宜以5 d為一個(gè)周期，視水華消退情況再行決定是否開展第二輪聯(lián)合生態(tài)調(diào)度. 同時(shí)應(yīng)密切關(guān)注天氣預(yù)報(bào)情況，若未來幾日有明顯降溫或降雨過程，將對(duì)水華消退有良好促進(jìn)作用，丹江口水庫(kù)下泄水量和引江濟(jì)漢工程引水水量應(yīng)根據(jù)情況實(shí)時(shí)進(jìn)行減量調(diào)整.

3.4 抑制水華生態(tài)調(diào)度效果

2021年1月12日以后漢江中下游表征浮游藻類生物量的指標(biāo)葉綠素a濃度迅速升高，仙桃斷面1月15日突破30 μg/L警戒值，1月18日超過了60 μg/L. 興隆水庫(kù)自1月19日起開展應(yīng)急調(diào)度，采用水位波動(dòng)式“沖蓄結(jié)合”的調(diào)度方式，興隆下游仙桃斷面葉綠素a濃度開始下降. 2021年1月24日-29日丹江口水庫(kù)按照800 m3/s向漢江下游加大供水流量， 30日恢復(fù)至620 m3/s，進(jìn)一步促進(jìn)了葉綠素a濃度下降，有效遏制了水華發(fā)展趨勢(shì). 經(jīng)監(jiān)測(cè)判定本次為輕度水華，藻密度最高為2.0×107cells/L(1月23日宗關(guān)斷面).

抑制水華生態(tài)調(diào)度實(shí)施后，漢江中下游仙桃斷面葉綠素a濃度從80 μg/L下降至30 μg/L，藻密度從2.0×107cells/L下降至0.8×107cells/L；調(diào)度后硅藻生長(zhǎng)適宜度指數(shù)從0.88下降至0.2，仙桃斷面生態(tài)需水滿足率提高了19.4%，生態(tài)調(diào)度效果十分顯著(圖10).

圖10 2021年生態(tài)調(diào)度過程及抑制水華效果：(a)調(diào)度期間丹江口水庫(kù)下泄流量超過800 m3/s； (b)興隆水庫(kù)采用水位波動(dòng)式(沖蓄結(jié)合)調(diào)度；(c)調(diào)度后仙桃斷面葉綠素a濃度明顯下降； (d)實(shí)施生態(tài)調(diào)度與不實(shí)施生態(tài)調(diào)度情景下硅藻生長(zhǎng)適宜度對(duì)比Fig.10 The process of ecological regulation in 2021 and the effect of suppressing algal blooms: (a) The water discharge released from Danjiangkou Reservoir exceeded 800 m3/s during the regulation period; (b) Xinglong Reservoir adopts water level fluctuation operation (combined release and storage); (c) The chlorophyll-a concentration of Xiantao section decreased significantly after regulation; (d) Comparison of the suitability of diatom growth under the scenarios of implementing ecological regulation and not implementing ecological regulation

4 結(jié)論

漢江中下游水華暴發(fā)與營(yíng)養(yǎng)鹽、氣象和水動(dòng)力等多種環(huán)境因素有關(guān)，水華暴發(fā)成因復(fù)雜. 漢江中下游水華主要發(fā)生在1-3月份，以2月份最為集中，興隆水庫(kù)修建后水華發(fā)生河段已經(jīng)從潛江以下向上游擴(kuò)展至興隆庫(kù)區(qū)，興隆水庫(kù)成為硅藻水華暴發(fā)的重要藻源聚集地. 皇莊以下的漢江下游江段氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽充足，可為硅藻水華暴發(fā)提供必要的基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)條件；水華暴發(fā)時(shí)期天氣晴好，最高氣溫持續(xù)高于10℃，為硅藻快速增殖提供了適宜的光照和氣溫環(huán)境；發(fā)生水華年份漢江下游流量(流速)明顯小于不發(fā)生水華年份；由于河道特征差異，可能不存在統(tǒng)一的抑制水華的臨界流速(流量)閾值，興隆庫(kù)區(qū)河段和仙桃自然河段抑制水華的臨界流速閾值分別為0.20和0.67 m/s，分別對(duì)應(yīng)沙洋流量1160 m3/s、仙桃流量1040～1200 m3/s；丹江口水庫(kù)加大下泄流量、興隆水庫(kù)水位波動(dòng)式調(diào)節(jié)和引江濟(jì)漢工程加大引水是抑制水華的關(guān)鍵調(diào)度方式；漢江中下游氣溫高于同期3℃且持續(xù)5 d以上時(shí)，漢江中下游暴發(fā)水華的概率大為增加，漢江中下游聯(lián)合生態(tài)調(diào)度適合以5 d為一個(gè)調(diào)度周期.

漢江中下游水華需要從多方面聯(lián)合防控. 其中，控源減排是根本，應(yīng)加強(qiáng)漢江中下游總磷污染防治；建議加強(qiáng)水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)和科學(xué)研究，進(jìn)一步明確河流水華生消機(jī)制，做到對(duì)水華的科學(xué)防控，充分發(fā)揮梯級(jí)水庫(kù)和引調(diào)水工程調(diào)節(jié)能力，科學(xué)優(yōu)化調(diào)度方案，通過科學(xué)研究和生態(tài)調(diào)度實(shí)踐實(shí)現(xiàn)從應(yīng)急調(diào)度向預(yù)報(bào)調(diào)度轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)水資源高效利用與防控水華雙重目標(biāo).