從流域水環(huán)境與水利工程影響角度分析漢江水華成因

錢寶

摘 要：水電梯級開發(fā)對河流產(chǎn)生的系列生態(tài)學(xué)效應(yīng)是當(dāng)前熱點問題，通過梳理近年漢江水華應(yīng)急監(jiān)測成果，從水利工程運行與水華發(fā)展的關(guān)聯(lián)角度，進(jìn)一步深入剖析漢江水華發(fā)生的成因及影響要素，提出相關(guān)應(yīng)急調(diào)度的防控措施和建議，為漢江水華綜合防治提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：漢江水華;營養(yǎng)鹽;葉綠素;水生態(tài)群落

中圖法分類號：X524? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2020.0423

漢江干流梯級開發(fā)在取得巨大社會經(jīng)濟(jì)效益的同時，對河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了一定的影響，其中漢江水華作為漢江流域的熱點環(huán)境問題，呈現(xiàn)逐年頻發(fā)的態(tài)勢，嚴(yán)重威脅著區(qū)域生態(tài)安全。一般認(rèn)為，漢江水華的產(chǎn)生與漢江充足的營養(yǎng)鹽、春季流域適宜的氣候、緩慢的水流有關(guān)，但也有學(xué)者指出，漢江水體營養(yǎng)鹽含量豐富，并不能成為漢江水華暴發(fā)的誘發(fā)因子，水利工程影響下的流量、流速等水文因子才是制約漢江水華發(fā)生的關(guān)鍵要素。因此，探究影響漢江水華發(fā)生的關(guān)鍵因素，以及如何及時精準(zhǔn)地防控水華暴發(fā)，是目前亟待解決的問題。

1? 實驗與方法

1.1? 研究區(qū)域與樣點布置

2018年2月至3月，漢江中下游再次暴發(fā)大規(guī)模水華，其影響范圍、發(fā)生歷時均明顯增加。為進(jìn)一步分析漢江水華發(fā)生、發(fā)展和水利工程運行之間的內(nèi)在聯(lián)系，2018年7月至2019年3月，項目組在漢江中下游的19個重要控制斷面開展了連續(xù)的現(xiàn)場觀測，其中以丹江口水庫和興隆水庫為重要研究對象，分析水利工程運行對漢江水華發(fā)生成因的影響，具體監(jiān)測樣點布置如圖1所示。

1.2? 樣品采集與分析測試

按照《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》要求開展現(xiàn)場水質(zhì)樣品和底質(zhì)樣品的采集，同時利用便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀（YSI-EXO，美國）現(xiàn)場開展部分參數(shù)的監(jiān)測，具體包括水溫、pH值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度及葉綠素等。實驗室分析參數(shù)主要包括總氮、總磷、氨氮、硝氮、葉綠素a、脫鎂葉綠素等。水生態(tài)樣品監(jiān)測主要包括浮游植物、浮游動物，具體監(jiān)測分析方法參照相應(yīng)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，其中脫鎂葉綠素a測定方法參考文獻(xiàn)進(jìn)行。底質(zhì)指標(biāo)主要為總氮、總磷、氨氮、硝氮等，具體測定方法參照《土壤農(nóng)化分析》。

2? 結(jié)果與分析

為進(jìn)一步理清漢江水華發(fā)生的成因，掌握其與流域水利工程運行之間的響應(yīng)關(guān)系，項目組在研究區(qū)重要控制斷面進(jìn)行了長時間的連續(xù)監(jiān)測和調(diào)查，對漢江水華發(fā)生、發(fā)展與水利工程運行之間的內(nèi)在聯(lián)系有了更進(jìn)一步的認(rèn)識。

2.1? 營養(yǎng)鹽分布特征

如圖2所示，通過19個監(jiān)測斷面2018年7月的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析顯示，丹江口大壩壩前至漢江中下游干流總磷濃度在0.018～0.134 mg/L之間，其中水庫庫區(qū)總磷濃度整體較低，從漢江下游仙桃段開始總磷濃度有所升高。作為漢江的支流，小清河口、唐白河口及漢北河總磷濃度相對較高，分別達(dá)到了0.121mg/L、0.200 mg/L和0.125mg/L。長江干流的沌口、漢口總磷濃度約為漢江干流的5～8倍，由此可見，漢江干流總磷濃度總體較低，而其主要支流總磷含量相對較高，是外源輸入的主要途徑。

相對于總磷含量較低的情況，漢江干流總氮含量顯著偏高。在各監(jiān)測斷面中，總氮含量范圍在1.115～2.349mg/L，其中在庫區(qū)大壩前水體總氮含量達(dá)到了1.250mg/L，為湖庫水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類水水平。漢江主要支流小清河口、唐白河口及漢北河的總氮濃度分別達(dá)到了1.478 mg/L、2.349 mg/L及1.215 mg/L。根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究成果顯示，當(dāng)水體TN含量大于1.0mg/L時，對于硅藻而言TN已處于相對飽和狀態(tài)，此時TP含量便成了影響硅藻繁殖的關(guān)鍵因子。

因此，從過去的研究成果分析，由于TN含量本底過高，因此在建立TN與其他環(huán)境因子聯(lián)系時往往容易誤解為TN與藻類增值影響不大，由此忽略了水體中TN的關(guān)鍵貢獻(xiàn)，特別是沒有深入研究總氮中硝態(tài)氮和氨態(tài)氮對藻類增殖的影響。本次調(diào)查通過分析總氮含量結(jié)構(gòu)可知，干流水體中總氮主要以硝態(tài)氮為主，大約占了總氮含量的70%～90%，而氨氮所占比例較小，不到5%。在主要支流中氨氮含量明顯較高，其中小清河口氨氮占總氮含量27%左右，因此，漢江支流面臨的農(nóng)業(yè)污染及其他外源性營養(yǎng)輸入較為嚴(yán)重。

當(dāng)前普遍認(rèn)為，水體中合適的氮磷比是促使水華發(fā)生的關(guān)鍵因子。通過分析不同時期水體氮磷比發(fā)現(xiàn)，水華暴發(fā)期（2019年1月）皇莊以下斷面氮磷比更接近13，隨著水華的消退，各斷面氮磷比逐漸升高，逐漸維持在一個穩(wěn)定的水平。由此可見，當(dāng)漢江水體氮磷比在13附近時，更易促使水華的發(fā)生。

2.2? 葉綠素時空分布特征

圖5列出了調(diào)查期2018年7月漢江中下游水體葉綠素分布情況，其中葉綠素a含量代表了水體中活體浮游藻類的群落數(shù)量，而脫鎂葉綠素Pa代表了水體中已衰退的浮游藻類水平。通過圖5各監(jiān)測斷面葉綠素a含量可知，漢江支流小清河口、唐白河口及漢北河依舊是藻類分布較密集的區(qū)域，葉綠素a的含量在17.75～23.45μg/L之間，可為下游水體輸送大量藻源。

從圖4各監(jiān)測斷面氮磷比可知，葉綠素a含量相對較高地區(qū)其氮磷比也越接近13，屬于適宜藻類生長環(huán)境，因此，當(dāng)外部條件滿足（如氣溫、光照等）時，該地區(qū)極易發(fā)生水華災(zāi)害。而在漢江中下游皇莊斷面開始，葉綠素a含量不斷增加，特別在興隆庫區(qū)的沙洋斷面達(dá)到一個峰值，說明藻類在庫區(qū)已有大量聚集，在興隆壩下河段也呈一個高密度分布狀態(tài)。由此可見，只要外部條件滿足，該地區(qū)仍然有暴發(fā)大規(guī)模水華風(fēng)險。通過分析脫鎂葉綠素Pa的含量，皇莊至仙桃斷面水體中Pa的含量較高，變化范圍在4.74～9.71μg/L，這大約為漢江中游襄陽河段的10倍，剛好與2018年2月暴發(fā)的水華主要影響分布范圍一致。

此外，與興隆庫區(qū)集聚的大量藻類現(xiàn)象類似，通過丹江口大壩壩前水體葉綠素a含量測定，發(fā)現(xiàn)壩前水體中葉綠素a的含量達(dá)到了2.54 μg/L，是壩下監(jiān)測斷面（葉綠素a含量為1.01 μg/L）的2倍多，是襄陽河段（葉綠素a含量為0.51μg/L）的5倍。由此可見，大壩阻隔對藻類的攔截作用效果明顯，容易使大量藻類在壩前堆積，從而影響水體環(huán)境的變化。

為進(jìn)一步探究浮游藻類在壩前的聚集狀態(tài)，項目組在壩前不同位置進(jìn)行了葉綠素垂向分布的監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果如圖6所示，浮游藻類在垂向分布上呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，主要聚集在水面0～20m區(qū)域，其中在5-10m區(qū)間為主要聚集區(qū)。在橫向分布方面，大壩左右兩側(cè)聚集較多，中間聚集度較低，這主要與水動力學(xué)條件有關(guān)。

2.3? 水生態(tài)群落結(jié)構(gòu)調(diào)查

為進(jìn)一步摸清漢江水華優(yōu)勢種來源，項目組在19個監(jiān)測斷面進(jìn)行了水生態(tài)樣品的采集與分析。通過各監(jiān)測斷面浮游生物樣品鏡檢結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在漢江干流的16個監(jiān)測斷面水生態(tài)樣品中均發(fā)現(xiàn)了漢江水華優(yōu)勢種——漢氏冠盤藻（Stephanodiscus hantzschii），特別在距離丹江口大壩2公里的壩前水域中發(fā)現(xiàn)了冠盤藻的復(fù)大孢子。

復(fù)大孢子的出現(xiàn)，表明冠盤藻種群已經(jīng)充分適應(yīng)了當(dāng)前水體環(huán)境，甚至已經(jīng)對污染環(huán)境產(chǎn)生了較強(qiáng)的耐受力，由此可見，冠盤藻在丹江口庫區(qū)的出現(xiàn)不是一種偶然現(xiàn)象，而是對環(huán)境長期適應(yīng)的結(jié)果。

通過對丹江口大壩壩前局部水域浮游動物樣品調(diào)查分析后發(fā)現(xiàn)，常見耐污小型浮游動物輪蟲成為優(yōu)勢種類，大型清水型浮游甲殼動物亦可見，但數(shù)量不多。通過本次調(diào)查及相關(guān)學(xué)者的研究成果，浮游動物在食物鏈中是浮游植物的攝食者，因此，浮游動物的增長能在一定程度上控制浮游植物群落增殖。反之，當(dāng)大型清水型浮游甲殼動物數(shù)量減少時，將會對浮游藻類控制能力減弱，進(jìn)而容易形成水華。

2.4? 底質(zhì)調(diào)查

對壩前水域采集的底泥情況分析發(fā)現(xiàn)，不同于干流河道中的砂質(zhì)底泥，壩前水域底泥富含有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)鹽，是內(nèi)源污染的重要來源。2018年7月對各控制斷面底質(zhì)營養(yǎng)鹽監(jiān)測結(jié)果如表1所示，丹庫庫心采集得到的樣品多為細(xì)砂，因此，營養(yǎng)鹽含量相對較低。丹庫壩前采集得到的底質(zhì)樣品營養(yǎng)鹽含量較高，甚至接近污染較重的支流控制斷面，因此，對壩前底質(zhì)污染物的控制要引起格外的重視。

3? 討論及建議

丹江口水庫作為南水北調(diào)中線水源區(qū)，其水環(huán)境生態(tài)安全事關(guān)沿線億萬人口的健康安全，事關(guān)國家發(fā)展大計。2018年10月，《漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃》獲國務(wù)院正式批復(fù)，國家明確要求圍繞改善提升漢江流域生態(tài)環(huán)境，共抓大保護(hù)，推進(jìn)綠色發(fā)展，著力解決突出環(huán)境問題，為增強(qiáng)漢江流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展動力提供有力支撐。漢江水華是漢江流域目前存在的焦點環(huán)境問題，而流域水利工程運行對流域的生態(tài)環(huán)境效益的影響始終是一個不可回避的問題。

本項目通過對漢江水華長期的現(xiàn)場監(jiān)測與調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)漢江流域氮素背景值普遍較高，而干流磷素含量較低，因此磷成為了水華發(fā)生的一個重要因素。但從水生態(tài)群落結(jié)構(gòu)的角度，硅藻在流域多個控制斷面均占優(yōu)勢，說明硅藻長期存在于流域水體中，水利工程調(diào)度影響以及營養(yǎng)鹽條件的改變是促發(fā)水華暴發(fā)的一個因素，而非直接誘因。大型水利工程阻斷了河流連續(xù)性，使藻類容易在壩前聚集，加之流域各支流污染嚴(yán)重，外源輸入控制效果不佳，對水華防控增加了難度。因此，在漢江中下游水華逐年加劇的情況下，更應(yīng)慎重選擇防治辦法，積極研究防治對策，本文主要提出以下三方面建議。

（1）系統(tǒng)開展調(diào)查研究，理清漢江水華成因及污染源頭，提出切實有效的漢江水華防治手段及措施。當(dāng)前對硅藻的生態(tài)學(xué)特性研究還不充分，尤其針對硅藻水華在營養(yǎng)鹽、食物鏈、水文及流場特征適應(yīng)性等方面還需進(jìn)行深入研究。漢江水華是一個流域性環(huán)境問題，只加強(qiáng)水華暴發(fā)區(qū)面源污染的治理還不夠，需要從流域的角度提出科學(xué)合理的防治手段。

（2）繼續(xù)加強(qiáng)流域污染物控制和核減。隨著長江大保護(hù)的推進(jìn)，流域污染物控制及治理工作成效顯著，但出于生態(tài)安全考慮，需進(jìn)一步控制流域氮源和磷源的輸入，特別是針對庫區(qū)及主要支流，對富營養(yǎng)化嚴(yán)重地區(qū)要加強(qiáng)生態(tài)修復(fù)及治理工作。要進(jìn)一步確認(rèn)落實庫區(qū)圍網(wǎng)養(yǎng)殖規(guī)模核減工作，建議及時開展針對庫區(qū)非法養(yǎng)殖的專項檢查行動，徹底清查庫區(qū)污染源，確保庫區(qū)水生態(tài)安全，同時可進(jìn)行適當(dāng)規(guī)模的魚類增殖放流，調(diào)整食物鏈結(jié)構(gòu)，保持生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

（3）構(gòu)建丹江口庫區(qū)水生態(tài)環(huán)境風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)。通過建立準(zhǔn)確完善的水環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系，對漢江流域水資源開發(fā)利用情況及水生態(tài)環(huán)境進(jìn)行有效跟蹤和及時評價，準(zhǔn)確掌握流域水資源的開發(fā)和利用情況，全面提高流域水資源質(zhì)與量的監(jiān)管及預(yù)測預(yù)報能力，實現(xiàn)對漢江流域以及丹江口水庫水量的總量控制、定額管理、水資源統(tǒng)一調(diào)度，為最嚴(yán)格水資源管理制度及水生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供有力的手段和支撐。

4? 總結(jié)

為深入研究漢江水華發(fā)生、發(fā)展與水利工程運行之間的內(nèi)在聯(lián)系，項目組近三年通過對漢江水華的連續(xù)監(jiān)測與調(diào)查分析，得出以下結(jié)論。

漢江流域氮素背景值較高，在水體中主要以硝氮形式存在，干流磷含量較低，使磷成為了影響水華發(fā)生的關(guān)鍵要素，中下游流域主要支流富營養(yǎng)化嚴(yán)重，外源控制效果不佳加劇了水華的發(fā)生和發(fā)展，合適的氮磷比是水華發(fā)生的必要條件，這其中可能與水利工程調(diào)度有聯(lián)系。

大壩阻隔對藻類的攔截作用效果明顯，容易使藻類在壩前堆積，一定程度增加了水華暴發(fā)的風(fēng)險。

通過對流域多個控制斷面水生態(tài)群落的連續(xù)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)硅藻水華是漢江的流域性環(huán)境問題，建議要重視流域面源污染的整體控制，加強(qiáng)流域水環(huán)境治理，尤其是要完善丹江口庫區(qū)的水生態(tài)群落結(jié)構(gòu)，科學(xué)合理進(jìn)行水利工程調(diào)度，為漢江流域水生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供有力的手段和技術(shù)支撐。

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