水位調(diào)度對高原湖庫水源地浮游藻類的影響模擬

鄧 文 強(qiáng),袁 素 勤

(1.貴州省水利科學(xué)研究院,貴州 貴陽 550002; 2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 成都 611231)

0 引 言

隨著工業(yè)化和城市化的迅速發(fā)展,作為飲用水源地的大多數(shù)湖泊水庫都不同程度地出現(xiàn)藻類過量增殖甚至水華現(xiàn)象[1-2],同時帶來了諸多嚴(yán)重的危害:藻類在水中的大量增殖會影響水體感觀,并發(fā)出臭味[3];長江的水華藍(lán)藻如微囊藻、魚腥藻、束絲藻等會分泌藻毒素,影響人畜的飲水安全甚至引起疾病乃至死亡[4];藻類加速水廠濾池中濾料的堵塞,增加運(yùn)行維護(hù)成本,影響出水水質(zhì)等。鑒于中國飲用水源地較為嚴(yán)重的富營養(yǎng)化形勢,轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的水體利用和水體保護(hù)的觀念,提高污水處理程度和推進(jìn)湖泊水庫保護(hù)工作成為飲用水源地保護(hù)工作的重要任務(wù)[5]。而開發(fā)適合水源地當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)情況、滿足水源地保護(hù)需要的生態(tài)調(diào)度控藻技術(shù)是亟待解決的關(guān)鍵性問題。

高原湖庫水源地藻群生長受高原地區(qū)各環(huán)境因子的共同影響,主要包括環(huán)境溫度、光照、水動力條件以及水體氮、磷等營養(yǎng)鹽濃度[6-10]。然而,在影響藻類群落組成的眾多因素中,一些生態(tài)調(diào)度措施,例如,水位調(diào)度引起的水位波動及物理擾動往往被認(rèn)為是最主要的影響因素[11],在特定時間下,這種擾動影響著資源在生境中的分布狀況,從而改變優(yōu)勢藻種及物種組成,尤其是高原水源地湖庫。目前,圍繞重點湖庫的水華暴發(fā)機(jī)理已經(jīng)開展了大量研究,但研究方法單一,不能有效反演湖庫藻類生長及藻群演替規(guī)律,因此本文通過構(gòu)建湖庫水動力、水質(zhì)及生態(tài)的三維耦合數(shù)學(xué)模型,對湖庫水動力、水質(zhì)及藻類生長規(guī)律開展研究,探索有效的富營養(yǎng)湖庫水源地保護(hù)與生態(tài)調(diào)控技術(shù)。

1 研究區(qū)域概況

紅楓湖水庫位于貴陽市中心以西28 km,是烏江水系支流貓?zhí)舆M(jìn)行梯級開發(fā)而形成的省內(nèi)面積最大的人工水庫之一,同時也是貴州高原上最大的湖庫水源地之一。近幾十年來,富營養(yǎng)化曾導(dǎo)致紅楓湖經(jīng)歷過數(shù)次嚴(yán)重的水質(zhì)惡化事件,探尋生態(tài)調(diào)度控藻技術(shù)對紅楓湖水庫乃至類似高原湖庫水源地的藻類水華防控、水質(zhì)修復(fù)及水源地環(huán)境保護(hù)均具有重要意義。因此,本文以典型高原湖庫紅楓湖為例,開展水位調(diào)度對高原湖庫水源地浮游藻類的影響預(yù)測。紅楓湖流域面積1 596 km2,正常蓄水位1 240 m,相應(yīng)水面面積57.2 km2,庫容6.01億m3,湖泊長度16 km,湖岸線長143 km;平均寬度4 km,最大水深45 m,平均深度10.5 m。

2 研究方法

2.1 紅楓湖水動力水質(zhì)生態(tài)模型構(gòu)建

鑒于紅楓湖為一深水型高原水庫(平均水深25.7 m),且受氣象、支流匯入等外力因素的影響,湖區(qū)水動力、各環(huán)境要素及藻類生長情況在水平向和垂向上均呈現(xiàn)出明顯的差異,因此本文選用MIKE 3三維水動力-水質(zhì)生態(tài)模型來反映湖泊整體的水流動態(tài)特征。

貴州高原湖庫多以藍(lán)藻為優(yōu)勢藻群,故本文以藍(lán)藻作為目標(biāo)構(gòu)建高原湖庫水質(zhì)-生態(tài)動力學(xué)模型。模型中采用浮游藻類碳(PC)、浮游藻類氮(PN)、浮游藻類磷(PP)、葉綠素a(CH)、浮游動物(ZC)、氨氮(NH4)、硝氮(NO3)、無機(jī)磷(PO4)、溶解氧(DO)、碎屑碳(DC)、碎屑氮(DN)、碎屑磷(DP)共12個狀態(tài)變量的物理化學(xué)變化來研究湖泊的水質(zhì)時空變化及其生態(tài)動力學(xué)過程。對于任一生態(tài)變量隨時間和空間的變化均采用式(1)所示的物質(zhì)擴(kuò)散方程來描述。

(1)

模型中浮游植物狀態(tài)變量的生化反應(yīng)項用浮游植物的生長、牧食、沉積、死亡和上浮幾個過程表示(見圖1)。浮游植物指示因子浮游植物碳PC和葉綠素a CH的生化反應(yīng)式為

圖1 藻類生長動力過程示意

-DEPC-BUOYPC

(2)

-DECH-BUOYCH

(3)

式中:PRPC/PRCH、GRPC/GRCH、SEPC/SECH、DEPC/DECH和BUOYPC/BUOYCH分別表示浮游植物碳/葉綠素a的生產(chǎn)量、被捕食量、死亡量、沉積量和上浮量。其中藻類的生產(chǎn)活動主要取決于光強(qiáng)度、營養(yǎng)鹽的利用情況、周圍環(huán)境的溫度條件等,因此藻類生產(chǎn)量和葉綠素a生產(chǎn)量計算式為

PRPC=mypc·F(I)F(T)F(N,P)·PC

(4)

(5)

ik=alfa·teti(T-20)

(6)

(7)

式中:mypc為藍(lán)藻最大生長速率;F(I)為藍(lán)藻生長光限制函數(shù);F(T)為藍(lán)藻生長溫度限制函數(shù);F(N,P)為藍(lán)藻營養(yǎng)限制函數(shù);chmi和chma分別表示最小和最大葉綠素a的產(chǎn)生系數(shù),1/(E·m-2·d-1);alfa為藻類在參考溫度20 ℃時的飽和光強(qiáng),E/(m2·d);teti為藻類的飽和光強(qiáng)溫度系數(shù);T為水溫,℃;pnma和pnmi分別表示藻細(xì)胞內(nèi)部最大氮碳比和最小氮磷比。此外,光照對藻類生長的影響參考文獻(xiàn)[12]對藻類生長與光照的關(guān)系進(jìn)行參數(shù)化的函數(shù);模型中藍(lán)藻生長的溫度限制函數(shù)參考Arrhenius指數(shù)模型和揚(yáng)戈遜提出的正態(tài)分布溫度限制模型[13],營養(yǎng)鹽限制函數(shù)以Droop理論[14]為依據(jù),主要考慮藻類細(xì)胞內(nèi)部營養(yǎng)鹽濃度對藻類生長的影響。

2.2 水位調(diào)度對浮游藻類的影響預(yù)測

2.2.1水位調(diào)度方案設(shè)置

本文選取典型年2019年的豐水季6月作為水量調(diào)度模擬期。結(jié)合紅楓湖水位庫容線、水庫溢流曲線和典型年的實測出庫流量,設(shè)計3種水位調(diào)度方案,見表1。

表1 3種調(diào)度方案

選取6月進(jìn)行水位調(diào)控,此處以6月的實際下泄流量變化過程作為調(diào)度方案一的泄流邊界;對于方案二(水位突降工況)和方案三(水位突升工況),分別擬定短時間(2 d)內(nèi)泄流突增和入流突增的情況,這兩種工況屬于極端模擬工況(見圖2)。

圖2 3種預(yù)設(shè)調(diào)度方案下6月水位變化過程

2.2.2模擬計算條件

利用ArcGIS,根據(jù)紅楓湖流域DEM文件生成模擬區(qū)域,紅楓湖水庫主要由麥翁河、羊昌河、麻線河和后六河等河流匯入,入流邊界為這4條河流的入流流量;模型下邊界為紅楓湖水庫大壩(見圖3)。其中模擬中采用的初始條件為2019年6月1日各點位的實測平均值,其中:水動力模塊的初始水位為1 236 m,水溫為20.4 ℃;生態(tài)動力學(xué)模型中葉綠素a初始值設(shè)為17.2 mg/m3;營養(yǎng)鹽TN和TP分別為1.0 mg/L和0.023 mg/L。

圖3 紅楓湖模型網(wǎng)格和地形

模型中水體表面邊界條件主要包括水-氣熱交換、大氣復(fù)氧、降雨和蒸發(fā)、風(fēng)速風(fēng)向等。模擬所用氣象邊界采用紅楓湖水庫附近的清鎮(zhèn)市氣象站的歷史觀測數(shù)據(jù)(見圖4)。模擬工況下庫區(qū)的入流邊界為庫區(qū)周邊的河流匯入,分別是麥翁河、羊昌河、麻線河和后六河,多年平均流量分別為4.14,12.67,4.13 m3/s和1.44 m3/s;入流水溫均取為河流的實測水溫21.6 ℃;入流營養(yǎng)鹽TN和TP濃度分別為2.0 mg/L與0.2 mg/L。此外,湖區(qū)典型風(fēng)向為東北偏東(ENE)風(fēng),平均風(fēng)速為6.6 m/s。

圖4 紅楓湖典型年內(nèi)氣候變化過程

本文構(gòu)建的湖庫水源地水動力-水質(zhì)生態(tài)模型中涉及的參數(shù)眾多,而模型手冊為大部分參數(shù)尤其是水動力模塊提供了推薦值或取值范圍。另外,考慮其富營養(yǎng)化特征及藍(lán)藻水華的相似性,本文生態(tài)模塊參數(shù)參考國內(nèi)重要水源地青草沙水庫富營養(yǎng)化模型中藍(lán)藻模擬部分的參數(shù)進(jìn)行取值[15],其中藍(lán)藻最大生長速率mypc取值為1.5/d,藍(lán)藻生長最適溫度為30 ℃,藍(lán)藻光飽和強(qiáng)度為13 E/(m2·d),最小葉綠素產(chǎn)量系數(shù)chmi為0.05/(E·(m-2·d-1),最大葉綠素產(chǎn)量系數(shù)chma為1.5/[E·(m-2·d-1)]。

3 結(jié)果與討論

3.1 模擬結(jié)果

3.1.1水動力特征

圖5呈現(xiàn)了本研究設(shè)計的3個方案流場模擬結(jié)果。由圖5可知:受盛行風(fēng)ENE的影響,湖區(qū)表面整體上呈現(xiàn)出西南向的平面流。受支流入流的影響,方案一在水位上升期6月8～13日期間,在羊昌河和麻線河入流范圍內(nèi)庫區(qū)會出現(xiàn)大范圍流速高于0.2 m/s 的區(qū)域;而在紅楓湖庫區(qū)南湖和北湖連接段普遍呈現(xiàn)出流速高于0.2 m/s的現(xiàn)象。在方案二中,6月13～15日水位突然從1 238.50 m降至1 235.55 m,湖區(qū)流動性在水位突降期間明顯增加,尤其是在南湖與北湖連接段的流速普遍增加至0.3 m/s 以上。另外,方案三在水位突升期(6月11～13日),湖區(qū)流動較方案一有所增強(qiáng),尤其是在支流入流附近流速增加。

圖5 不同調(diào)度方案下6月湖區(qū)平面流場分布

3.1.2營養(yǎng)鹽

事實上,庫區(qū)營養(yǎng)鹽分布同樣受水位調(diào)控(見圖6),短期內(nèi)加大庫區(qū)下泄流量,能夠有效降低整個庫區(qū)中營養(yǎng)鹽濃度,其中方案二在6月13～15日的水位調(diào)度突降降低了庫灣處聚集的TP濃度,這種水位調(diào)度的營養(yǎng)鹽調(diào)控效果將持續(xù)到在6月30日,尤其時候在水庫南區(qū)庫灣處TP濃度明顯下降。方案一和方案三的對比發(fā)現(xiàn):水位突升對湖區(qū)的營養(yǎng)鹽濃度影響并不明顯,這從6月15日的模擬結(jié)果對比可以看出,由于將6月初的水位穩(wěn)定期從1～8日增加到了1～11日,故導(dǎo)致在6月調(diào)度時湖區(qū)的營養(yǎng)鹽濃度反而較方案一有所增加。

圖6 不同調(diào)度方案下6月15日和30日湖區(qū)平面TP濃度分布

3.1.3藻葉綠素a

國內(nèi)外均有研究指出,水體中的水動力條件流速、流量等與藻類的生長繁殖有著密切的關(guān)系,既能直接作用于藻類,同時通過影響水體中營養(yǎng)鹽狀況與水溫層結(jié)構(gòu)而引發(fā)水體富營養(yǎng)化。本文的模擬結(jié)果同樣證實了這一觀點,如圖7所示,湖區(qū)葉綠素a濃度分布與流場具有明顯的相關(guān)性。其中在盛行風(fēng)ENE和支流入流的持續(xù)作用下,湖區(qū)藻葉綠素a濃度呈現(xiàn)出主庫區(qū)低而庫彎高的分布態(tài)勢,這是因為在庫灣區(qū)域水流流速低且營養(yǎng)物質(zhì)易于富集[16]。

另外,通過對比湖區(qū)在不同水位調(diào)度方案下藻葉綠素a濃度在6月15日和6月30日的分布(見圖7)發(fā)現(xiàn),湖區(qū)水位變動對藻類生長存在明顯的影響。其中方案一和方案二的對比表明:在6月13日之前,兩種方案水位的調(diào)度和藻類分布均是保持一致的,而在方案二經(jīng)過6月13～15日水位急降期后,湖區(qū)流動明顯加強(qiáng),湖區(qū)的藻類生境發(fā)生變化,故在15日方案二庫區(qū)藻類葉綠素a濃度較方案一有所下降,這種水位調(diào)度的藻類控制效果將持續(xù)到6月30日,尤其是在水庫南區(qū)庫灣處葉綠素a濃度明顯下降。而方案一和方案三的對比則證實了調(diào)度期間水位突升(方案三 6月11～13日)實際上并不會減緩藻類的繁殖,反而由于增加了水位穩(wěn)定期(由1～8日增加到了1～11日)的持續(xù)時間,導(dǎo)致了湖區(qū)的藻類大量聚集增殖,從而造成調(diào)度方案三較方案一庫區(qū)藻類濃度更高,且加大了富營養(yǎng)化風(fēng)險。

3.2 水位調(diào)度的藻類調(diào)控作用分析

水位調(diào)度對湖庫藻類的調(diào)控作用可歸結(jié)為以下兩個原因:一是水位突降在加大庫區(qū)下泄流量的同時,增強(qiáng)了庫區(qū)水體流動性,達(dá)到破壞藻類結(jié)構(gòu)細(xì)胞的流速,從而減少了庫區(qū)藻類細(xì)胞在庫區(qū)的聚集;二是由于營養(yǎng)鹽也受水位調(diào)度的調(diào)控,通過水位調(diào)度改善湖區(qū)水動力條件也能夠有效降低整個庫區(qū)中營養(yǎng)鹽濃度,從而在一定程度上也緩解了因營養(yǎng)鹽濃度較高造成的浮游藻類大量增殖的問題。

4 結(jié) 論

為了探討水位調(diào)度技術(shù)對高原湖庫水源地藻類的調(diào)控效果,本文基于MIKE 3構(gòu)建了湖庫三維水動力-水質(zhì)生態(tài)模型,并以紅楓湖為例,開展了水位調(diào)度對高原湖庫水源地浮游藻類的影響預(yù)測研究。研究表明:水位調(diào)度對湖區(qū)藻類生長聚集具有明顯的調(diào)節(jié)作用,其中在6月間采取水位突降的調(diào)度措施能夠達(dá)到有效改善庫區(qū)水動力條件、加大南湖與北湖的水流連通性的目的,而這種水動力引起的庫區(qū)擾動對降低庫區(qū)營養(yǎng)鹽聚集、打破藻類結(jié)構(gòu),減少湖區(qū)的藻類生物量均具有明顯的效果。而長時間穩(wěn)定的低水位運(yùn)行并不利于庫區(qū)藻類防控,在水位調(diào)度方案制定時應(yīng)盡量避免。因此以控制紅楓湖水體富營養(yǎng)化發(fā)生為目的水位調(diào)度,需創(chuàng)造有利于緩解或消除水體富營養(yǎng)的水動力條件,即從流速的角度考慮抑制藻類和從調(diào)度流量、時間的角度考慮降低營養(yǎng)鹽濃度,在一定程度上可以緩解因水動力條件差和營養(yǎng)鹽濃度較高造成的富營養(yǎng)化問題。