在不同蓄水位下三峽庫區(qū)春季水華特征及趨勢分析

張 靜 葉 丹 朱海濤 胡 圣 王英才 唐劍鋒 周 正

(1. 長江流域水環(huán)境監(jiān)測中心, 武漢 430010; 2. 青海省水文水資源勘測局, 西寧 810001)

三峽水庫自2003年135 m蓄水以來, 水文情勢改變, 支流回水區(qū)成為湖泊型水體[1]。由于支流庫灣及其底泥中大量氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的累積, 支流富營養(yǎng)化加重, 藻類密度增加, 每年都有支流局部區(qū)域發(fā)生水華[2]。

針對三峽庫區(qū)支流水華的發(fā)生各領(lǐng)域?qū)＜液蛯W(xué)者開展了大量的研究, 包括單個支流的水華情勢預(yù)測[3]、典型支流水華優(yōu)勢種差異[4]、單一水華優(yōu)勢種的形成機制[5]、不同季節(jié)水華發(fā)生的時空動態(tài)及影響因素[6]等。這些研究都嘗試從不同角度來闡述水華的特征及發(fā)生機制, 以期盼為水華的防治提供相關(guān)支撐。目前少有研究對三峽支流的水華發(fā)生從長序列時間上進行系統(tǒng)分析, 加上三峽庫區(qū)進行了3個梯度的蓄水, 分別是2003年的135 m蓄水、2006年的156 m蓄水以及175 m蓄水, 隨著蓄水位的增加, 水華的發(fā)生情況也鮮有研究。本文收集了2004—2015年(2003年只發(fā)生了夏季水華)三峽庫區(qū)的春季水華發(fā)生數(shù)據(jù), 擬通過分析庫區(qū)支流水華特征、發(fā)生區(qū)域和范圍、水華與環(huán)境因子的關(guān)系, 研究三峽庫區(qū)支流水華發(fā)生成因和趨勢, 為三峽水華防治提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究范圍

本研究以從重慶到宜昌的26條面積大于100 km2的庫區(qū)一級支流為研究對象重要支流及其庫灣, 支流包括御臨河、龍溪河、黎香溪、珍溪河、渠溪河、龍河、池溪河、東溪河、黃金河、汝溪河、壤渡河、苧溪河、小江、湯溪河、磨刀溪、長灘河、梅溪河、草堂河、大寧河、神女溪、抱龍河、神農(nóng)溪、青干河、叱溪河、童莊河、香溪河(圖 1)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究的時間尺度為2004—2015年, 數(shù)據(jù)的來源主要來自長江流域水環(huán)境監(jiān)測中心的歷史調(diào)研監(jiān)測數(shù)據(jù)。主要的數(shù)據(jù)包括三峽水庫典型水華發(fā)生支流數(shù)量、發(fā)生區(qū)域及持續(xù)時間, 水華發(fā)生的藻類種類, 水華暴發(fā)期間(主要在每年的春季3—5月份)水質(zhì)參數(shù), 包括總磷、總氮、透明度, 溶解氧、pH、溫度、電導(dǎo)率、高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素a以及

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

由于水華發(fā)生的時候, 具有持續(xù)性, 因此在統(tǒng)計水華發(fā)生情況的時候, 當(dāng)某條支流在春季(3—5月)初次發(fā)現(xiàn)水華的時候, 就記為1次, 如果這條支流春季沒有發(fā)生水華則記0次, 水華的發(fā)生頻率的計算方法為

式中F為春季水華發(fā)生頻率,n為春季水華發(fā)生次數(shù),N為監(jiān)測年限。

水華期間藻類密度及葉綠素a與8個環(huán)境變量之間的關(guān)系通過CANOCO 4.5 軟件包, 采用主成分分析(Principal components analysis, PCA, ter Braak and Smilauer, 2004)進行, PCA數(shù)據(jù)通過中心化、標準化和變量轉(zhuǎn)化處理。通過PCA的分析得到的主要的環(huán)境變量被選中來進行多元線性回歸分析。

為了分析不同蓄水位下, 葉綠素a含量、藻密度、總磷、總氮等關(guān)鍵因子的差異性, 通過在SPSS16.0軟件采樣Kolmogorov-Smirnov檢驗(KS檢驗)非參數(shù)檢驗法進行, 并通過Origin8.0作相關(guān)圖。

2 結(jié)果

2.1 水庫支流水華特征

根據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計, 2004—2015年共有26條支流發(fā)生過春季水華, 其中香溪河為春季水華發(fā)生頻率最高的支流, 頻率為92.3%; 其次為梅溪河, 頻率為84.6%, 大寧河和小江的水華暴發(fā)頻率達到了76.9%。上游的御臨河、黎香溪、龍溪河發(fā)生頻率較低(圖 2)。

三峽庫區(qū)春季水華藻類優(yōu)勢種種類比較多樣,硅藻、甲藻、隱藻、綠藻和藍藻都有可能成為優(yōu)勢種。其中硅藻和甲藻是水華的主要優(yōu)勢種, 其出現(xiàn)的頻率分別為31.6%和36.8%, 隱藻其次, 其出現(xiàn)的頻率為18.8%。綠藻和藍藻出現(xiàn)的概率相對較低。通過對比2004—2015年水華優(yōu)勢種的出現(xiàn)頻率年際變化, 隨著蓄水位的增加, 自蓄水位由135升至175 m, 甲藻水華所占的百分比逐漸增加, 在持續(xù)幾年175 m蓄水之后, 甲藻水華出現(xiàn)的頻率下降, 硅藻水華出現(xiàn)的頻率增加(圖 3)。

葉綠素a含量和藻密度的年際變化趨勢也分兩個階段。第一階段是175 m水之前, 葉綠素a和藻密度含量都相對較低, 藻密度和葉綠素a含量變化趨勢較為一致。第二階段為175 m試驗性蓄水之后,葉綠素a含量及藻密度都有明顯的增加, 但是藻密度和葉綠素a含量變化趨勢并不完全一致。2008—2011年葉綠素含量都處于較高水平, 但藻密度增幅較小。2012—2015年, 葉綠素a含量有所回落, 藻密度有所增加, 但葉綠素a含量與藻密度變化趨勢一致, 都是屬于先增加后下降(圖 3)。對葉綠素a含量和藻密度的線性變化分析發(fā)現(xiàn), 葉綠素a含量和藻密度具有正相關(guān), 但是相關(guān)系數(shù)不大。2008—2011年葉綠素含量高而藻密度較低的情況可能與水華優(yōu)勢藻種有關(guān), 此期間主要是多甲藻占優(yōu)勢, 多甲藻相對個體較大, 單細胞葉綠素a含量較高。

圖 1 三峽庫區(qū)支流分布圖Fig. 1 Distribution of the tributaries of the Three Gorges Reservoir1. 香溪河; 2. 童莊河; 3. 叱溪河; 4. 青干河; 5. 神農(nóng)溪; 6. 抱龍河; 7. 神女溪; 8. 大寧河; 9. 草堂河; 10. 梅溪河; 11. 長灘河; 12. 磨刀溪;13. 湯溪河; 14. 小江; 15. 苧溪河; 16. 壤渡河; 17. 汝溪河; 18. 黃金河; 19. 東溪河; 20. 池溪河; 21. 龍河; 22. 渠溪河; 23. 珍溪河; 24. 黎香溪; 25. 龍溪河; 26. 御臨河1. Xiangxi River; 2. Tongzhuang River; 3. Chixi River; 4. Qinggan River; 5. Shennong River; 6. Baolong River; 7. Shennü River; 8. Daning River; 9. Caotang River; 10. Meixi River; 11. Changtan River; 12. Modao River; 13. Tangxi River; 14. Xiaojiang River; 15. Zhuxi River; 16.Xiangdu River; 17. Ruxi River; 18. Huangjin River; 19. Dongxi River; 20. Chixi River; 21. Longhe River; 22. Quxi River; 23. Zhenxi River;24. Lixiang River; 25. Longxi River; 26. Yulin River

圖 2 2004—2015年三峽庫區(qū)支流發(fā)生春季水華頻率Fig. 2 The occurrence rate of spring algal blooms in the tributaries of the Three Gorges Reservoir from 2004 to 2015

圖 3 2004—2015年三峽庫區(qū)支流水華優(yōu)勢種出現(xiàn)頻率百分比年、葉綠素和藻類密度、總磷和總氮年際變化Fig. 3 The interannual variation of the percentage of the dominant species, the change of chlorophyll a concentration and algae density and the change of TP and TN in the tributaries of the Three Gorges Reservoir from 2004 to 2015

表 1 2004—2015年水華發(fā)生期主要環(huán)境參數(shù)年均值(平均值±標準差)Tab. 1 The main environmental parameters during the water bloom of the year 2004—2015

圖 4 2004—2015年三峽庫區(qū)總磷和總氮空間變化(虛線代表平均值)Fig. 4 The spatial variation of TP in the tributaries of the Three Gorges Reservoir from 2004 to 2015 (The dotted line represents the average value of TP)

2.2 水庫支流水華發(fā)生期主要環(huán)境參數(shù)變化分析

如表 1所示, 水溫主要在13.3—19℃, pH在8.2—8.9; 透明度變化范圍較大, 在48.6—130 cm。溶解氧在9.4—16.9 mg/L, 高錳酸鹽指數(shù)在2.2—12.6 mg/L, 總磷在0.06 —1.00 mg/L, 總氮在1.37—4.37 mg/L。

通過3次不同梯度的蓄水, 庫區(qū)支流水華發(fā)生期營養(yǎng)鹽年均值變化顯著。在175 m試驗性蓄水之前, 總磷、總氮含量相對較低。在175 m試驗性蓄水之后, 營養(yǎng)鹽有一個快速上升然后逐步下降的趨勢, 此變化趨勢與葉綠素a濃度變化趨勢一致(圖3)。從總磷的空間變化來看(圖 4), 庫中段支流的總磷含量高于庫首和庫尾支流, 但是庫首支流香溪河和神農(nóng)溪的總磷濃度較高, 均高于平均值。

2.3 水庫支流水華發(fā)生期藻密度和環(huán)境因子分析

在不同蓄水位下, 通過Kolmogorov-Smirnov檢驗(KS檢驗)分析得出藻類密度、葉綠素a含量以及總磷總氮的差異性。在135和153 m蓄水位下,藻類密度、葉綠素a、總磷和總氮的差異性不顯著。在135和175 m蓄水位下, 藻密度(P＜0.001)、葉綠素a(P=0.002)、總磷(P=0.002)、總氮(P＜0.001)差異顯著, 在175 m蓄水位下, 藻類密度、葉綠素a濃度、總磷和總氮濃度顯著高于前面兩次蓄水(圖 5)。

為了分析水華發(fā)生期, 藻類密度和主要環(huán)境因子之間的關(guān)系, 我們對2004—2015年的歷史數(shù)據(jù)采取了主成分分析(Principal components analysis,PCA)。通過PCA的分析表明, 軸1和軸2分別解釋了包括浮游植物密度在內(nèi)的環(huán)境變量的34.09%和30.11%, 藻密度、葉綠素a、總磷、總氮和高錳酸鹽主要投影在PCA第一軸, 電導(dǎo)率和透明度主要投影在PCA第二軸。這表明藻密度、葉綠素a含量與總磷、總氮、高錳酸鹽顯著正相關(guān), 而與透明度顯著負相關(guān)(圖 6)。

3 討論

3.1 水庫支流水華特征及趨勢

根據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù), 目前總共有26條支流發(fā)生水華, 其中中下游水華發(fā)生的概況整體高于水庫上游。香溪河作為水華暴發(fā)概率最高的支流, 其總磷含量一直處于較高水平(圖 4), 由于其地處含磷礦資源豐富地區(qū), 易受上游磷化企業(yè)的排污影響[7,8],在蓄水之后, 庫灣水體交換減弱, 大量磷易在沉積,給香溪河水華暴發(fā)提供了良好條件[9]。

三峽庫區(qū)春季水華藻類優(yōu)勢種主要是硅藻和甲藻, 自蓄水位由135 m升至175 m, 甲藻水華出現(xiàn)的概率隨著蓄水位的增加而增加, 但是在持續(xù)幾年175 m蓄水之后, 甲藻水華出現(xiàn)的頻率下降, 硅藻水華出現(xiàn)的頻率增加。有研究表明, 甲藻水華和硅藻水華具有一定的關(guān)聯(lián)性, 硅藻水華和甲藻水華相繼出現(xiàn), 既有先甲藻水華后硅藻水華, 也有先硅藻后甲藻水華[10]。

從水華的發(fā)生趨勢來看, 在175 m之前, 葉綠素a、藻密度、總氮和總磷含量都相對較低, 但在175 m試驗性蓄水之初, 這4個參數(shù)都有了較高的提升, 隨著穩(wěn)定性的蓄水4年后, 除了藻密度之外, 葉綠素a濃度以及營養(yǎng)鹽濃度都有下降趨勢, 且這4個參數(shù)在2015年都有所下降。在蓄水之后, 春、夏季水位變幅大, 水體擾動大, 在一定程度上抑制了藻類水華的發(fā)生, 因此葉綠素a和藻密度含量相對較低。隨著增加至175 m正常蓄水位后, 盡管春、夏季水位變幅將進一步加大, 但是干流回水對支流的頂托作用將會增強[11]。隨著蓄水位的增加, 支流斷面流速會下降。根據(jù)相關(guān)的資料顯示, 135 m蓄水位支流斷面平均流速約為0.04 m/s, 156 m蓄水位平均流速約為0.01 m/s, 175 m水位運行期平均流速低于0.01 m/s[12]。由于175 m蓄水, 淹沒的土壤更多, 對于兩岸的侵蝕更大, 釋放到水體中的營養(yǎng)物質(zhì)更豐富[13], 而支流流速變緩, 水體滯留時間長, 水體的交換能力弱, 營養(yǎng)鹽容易滯留, 滯留的營養(yǎng)鹽造成藻類的快速增長[13—15], 因此175 m蓄水初期幾年, 藻密度、葉綠素a、總磷和總氮濃度都有較明顯升高。但是隨著175 m蓄水幾年之后, 除藻密度以外, 葉綠素a、總磷和總氮都有下降的趨勢, 這可能是由于經(jīng)過幾年蓄水, 水生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)比較穩(wěn)定, 盡管營養(yǎng)鹽有所降低, 但是由于其水平仍然較高, 已經(jīng)不是藻類生在的限制因素, 因此藻密度仍然較高。175 m蓄水對于三峽支流水華的發(fā)生影響, 以及水華的發(fā)展趨勢, 還需要進一步的監(jiān)測觀察。

圖 5 不同蓄水位下三峽支流浮游植物與主要環(huán)境因子的箱形圖(圖中右上標的字母不同, 代表數(shù)值之間差異顯著)Fig. 5 Box chart of algae and environmental variables of spring algal blooms under different impounded levels in the tributaries of the Three Gorges Reservoir (the different letters on the upper right side of the graph indicate significant differences between the values)

圖 6 2004—2015年三峽支流浮游植物與主要環(huán)境因子的PCA排序圖Fig. 6 PCA ordination of algae and environmental variables of spring algal blooms in the tributaries of the Three Gorges Reservoir from 2004 to 2015Transpr. 透明度; Conductv. 電導(dǎo)率; TN. 總氮; Algae. 藻密度;Chl.a. 葉綠素a; TP. 總磷; CODMn. 高錳酸鹽指數(shù); DO. 溶解氧;Temperat. 溫度Transpr. transparency; Conductv. conductivity; TN. total nitrogen;Algae. algal density; Chl.a. chlorophyll a; TP. total phosphorus;CODMn. permanganate Index; DO. dissolved oxygen; Temperat.temperature

3.2 水庫支流水華發(fā)生原因

由于河流比降大、流速快, 通常藻類不會大量繁殖[3], 河流水華的發(fā)生通常是由于高營養(yǎng)鹽, 適中的溫度和低流速造成的[12,16—18]。

在135 m蓄水之前, 三峽庫區(qū)支流未發(fā)生過水華[11], 自135 m蓄水之后, 庫區(qū)支流的水華問題逐漸顯現(xiàn)。通過對2004—2015年三峽庫區(qū)支流特征分析可以看出, 藻密度以及葉綠素a濃度在175 m試驗性蓄水之前都較低, 葉綠素a濃度之后都有一個快速增加至峰值然后又逐漸下降的過程, 而藻密度變化趨勢有所延遲。在三峽水庫蓄水后, 大量的有機質(zhì)和無機氮、磷在庫區(qū)積累和滯留。從水華發(fā)生期營養(yǎng)鹽含量來看, 總磷均值變化為0.06—1.00 mg/L, 總氮均值變化為1.37—4.37 mg/L, 均遠遠高于湖庫水體出現(xiàn)水華的總磷和總氮的臨界濃度0.02和0.20 mg/L[19]。而且在175 m試驗性蓄水之后, 營養(yǎng)鹽在初期有一個大幅度的升高過程, 藻類密度以及葉綠素a含量也隨之增加。我們對藻密度及葉綠素a含量與主要環(huán)境因子進行PCA聚類分析也發(fā)現(xiàn),藻密度和葉綠素a與總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)聚類一簇, 表明在營養(yǎng)鹽水平高的地方, 藻密度及葉綠素a含量通常也高。已經(jīng)有不少研究表明營養(yǎng)鹽和藻類增殖顯著相關(guān)[20—23]。

在水華發(fā)生期, 主要的藻類優(yōu)勢種是硅藻和甲藻。溫度在水華形成與發(fā)展過程中起著重要作用,不同的水華優(yōu)勢藻種發(fā)生暴發(fā)性增殖的溫度不同,三峽庫區(qū)支流的甲藻和硅藻水華發(fā)生在氣溫開始逐漸轉(zhuǎn)暖、日照充足的春初, 水溫在13.5—19℃。根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)大部分的硅藻表現(xiàn)出對低溫較強的耐受性, 因此春秋季較低的水溫中常常具有優(yōu)勢地位[24,25]。而甲藻能在10—28℃條件下大量繁殖, 一旦條件適宜, 即可形成甲藻水華[3,26]。

除了營養(yǎng)鹽和溫度這些因素之外, 水文環(huán)境的改變也是造成三峽支流水華產(chǎn)生的不可或缺的因素。隨著蓄水位的增加, 三峽庫區(qū)支流斷面的平均流速降低。河流低流速會延長藻類在單位距離河段內(nèi)的滯留時間, 滯留時間越長, 藻類種群數(shù)量的增長幅度越大, 水華趨勢也會越明顯[17,27]。