三峽庫區水位變化下小江流域富營養化的時空變化特征

周瑆玥，黃剛，朱書景

(湖北大學資源環境學院，湖北武漢430062)

自2003年三峽水庫蓄水后小江流域富營養化越來越嚴重，頻繁爆發水華現象，尤其在春夏和夏秋的季節交替時期較為嚴重[1]，且隨著時間的推移，小江流域水華現象呈現時間提前、頻次增多和范圍擴大等趨勢[2]。2016年三峽庫區38條主要支流富營養化程度較為嚴重，水華現象大多發生在3—10月[3]。小江是位于三峽庫區北岸的一條極為重要的支流，從云陽縣雙江鎮匯入長江，流域面積約5 200 km2，河長182.4 km，天然落差近1 600 m，流經渠口、養鹿、高陽、黃石、雙江等眾多鎮市。小江流域水體的污染情況也將影響周邊水環境質量和附近居民生活用水和景觀用水等，因此對于三峽庫區支流的富營養化研究愈發重要。

近年來對于三峽庫區的研究多從水質中營養物質的匯集狀況以及浮游植物群落的變化特征這方面入手，根據水體中葉綠素a、總氮、總磷、透明度等數據判斷水體受污染程度是較為常用的方法[4]，而通過三峽水庫區浮游植物和周邊植被群落分布特點來反應水體水質和生態環境狀況的研究也正在逐漸開展[5-6]。而磷作為水體富營養化的一個重要因素，是浮游植物繁殖的必需元素，也是評價浮游植物現存量的一個重要指標，浮游植物體內磷含量會隨著水體營養水平的提高呈現規律性的變化[7]。因此,通過研究浮游植物體內總磷含量的變化可以對水華消長的規律進行分析。但是,目前通過直接測定浮游植物體內總磷含量，在三峽庫區水位變化的條件下評估三峽水庫小江流域水質及環境變化的研究卻鮮見報道。

本文通過取樣檢測實驗分析的方式，對三峽庫區小江流域浮游植物在不同水位時期體內總磷的變化特征進行了分析，同時對小江流域各監測斷面的水質進行測定，旨在了解在三峽庫區水位變化的情況下小江流域水華現象的時空分布特征，研究兩者的相關性，為三峽庫區支流水體的水華特征識別及防治提供基礎。

1 材料與方法

1.1 采樣點布置

2017年12月、2018年3和6月在小江流域設置5個采樣點，分別位于渠口(上游Ⅰ)、養鹿(上游Ⅱ)、高陽(中游Ⅰ)、黃石(中游Ⅱ)、雙江(下游)，見圖1。

圖1 采樣斷面位置

1.2 樣品采集與分析

水質監測指標為總氮、總磷，利用采樣器在水下0.5 m處進行采樣。總氮采用GB 11894—1989《水質總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》硫酸鉀-紫外分光光度法測定；總磷采用GB/T 11893—1989《水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法》鉬酸銨分光光度法測定[8]。

浮游植物的采集分為定性和定量兩步，用浮游生物采集網在水中畫“∞”進行采集，所采集水樣用4 %福爾馬林溶液固定，將浮游植物進行過濾及脫水處理。

對樣品采用過硫酸鉀-鉬酸銨分光光度法進行樣品中總磷的測定。利用式(1)進行計算[9]。

(1)

式中Wp——固體樣品中總磷的含量，%；C——標準曲線上查取得總磷含量，μg；50——固體樣品經過硫酸鉀氧化消解后稀釋的體積，ml；V——上清液吸取體積，ml；m——稱取的固體樣品的質量，g。

2 結果與分析

2.1 三峽水庫水位變化

通過中華人民共和國長江海事局收集資料可知三峽庫區歷年水位變化，選取2017年12月、2018年3月以及6月的每日水位變化數據，同時選取2017年11月至2018年10月的月水位變化，見圖3。

圖2 2017年12月、2018年3月、2018年6月每日水位變化

圖3 三峽庫區全年 (2017年11月至2018年10月)水位變化

由圖3可知，三峽庫區水位在1—6月的時候呈下降趨勢，在6月份的時候三峽庫區水位達到最低水位(145.34 m)，在6—12月的時候呈上升趨勢，其中在9—12月為緩慢上升。

對于三峽庫區支流來說，即在小江流域，水中的N、P是影響水體富營養化的主要因素。但是有學者在對比了三峽水庫蓄水前后的環境變化，發現水體中的營養鹽以及氣候條件均沒有發生顯著的變化[10]。然而在三峽水庫蓄水后，庫區頻繁爆發水華現象且主要集中在支流庫灣，而在干流極為少見，并且水華主要爆發時間集中在春夏秋三季，冬季極為少見。因此，在一些早期的研究中，有學者認為水華現象的爆發是由于三峽水庫建設工程導致的支流流速緩慢造成的[11]。對比水庫蓄水前后，在營養鹽、季節性引起的溫度和光照等因素沒有較大變化的情況下，由圖3可以看出，具有顯著變化的水動力條件或許是小江流域水華爆發的一個主要誘因。

2.2 小江流域水質的變化

實驗期間對小江流域水質指標總磷、總氮進行測定，渠口、養鹿、高陽、黃石、雙江5個斷面的TP、TN數據見圖4、5。

圖4 小江流域各斷面水中TP變化

圖5 小江流域各斷面水中TN變化

水質指標中TP、TN是衡量一個水體富營養化程度的重要指標，由圖4、5可知，3月時小江流域各監測斷面的TP和TN含量最高，以渠口為例，其TP、TN指數分別為0.132、3.210 mg/L，而12月最低。同時從變化趨勢可以看出高陽地區的TP、TN含量高于其他地區，3月時分別達到0.161、3.450 mg/L，黃石次之，可以認為高陽和黃石地區水體富營養程度相較其他地區高，即小江流域中游地區較易發生水體的富營養化。

2.3 三峽庫區水位變化對小江流域水華的影響

自三峽庫區蓄水以來，有學者對三峽庫區小江流域的浮游植物群落組成進行了探究，其主要以綠藻類為主，藍藻和硅藻類次之[12]。本文選取2017年12月以及2018年的3月及6月對渠口、養鹿、高陽、黃石、雙江五處的浮游植物并對其體內總磷的含量進行了測定，見表1、圖6。

表1 浮游植物體內總磷含量 單位：%

注：表中數據為平均值。

圖6 浮游植物體內總磷含量

在3月份的時候，各取樣點所采取的浮游植物體內總磷含量最高，分別達到了0.244 8%(上游Ⅰ)、0.185 2%(上游Ⅱ)、0.707 7%(中游Ⅰ)、0.581 3%(中游Ⅱ)、0.159 6%(下游)，均高于6月和12月。

目前，有學者對三峽庫區支流水華現象進行了研究，根據多年的富營養化監測資料表明，每年的春季(3—5月)都是支流回水區富營養化的一個主要的時期[13]，而秋季支流富營養化的水平相交春季較低[14]。由圖6可以看出，在3月份的時候，對比6月及12月，浮游植物體內總磷含量最高。磷是浮游植物生長繁殖的一個主要的元素，而植物體內總磷含量也可以直接指示藻類的現存量以及繁殖的強度，更可以直接觀測到水華現象發生的程度。因此，由圖6可以看出，在3月小江流域水華發生及富營養化的程度最高，其次6月份時測得的浮游植物體內總磷的含量也要高于12月，則6月份水華發生的現象也要高于12月，同時在同一時段內小江流域中游爆發水華現象的幾率也是最高，這與小江流域水質指標TP、TN的變化趨勢一致。

由圖2、3得出，在3月的時候三峽庫區水位正處在迅速下降趨勢，到6月達到最低點，12月的時候庫區水位處于緩慢上升的趨勢。在三峽庫區泄水過程中，小江流域的流速和流量均在逐漸減少。潘曉潔等[15]通過流速、流量和浮游植物細胞密度的回歸分析結果表明，在泄水過程中浮游植物密度與流速、流量呈負相關關系，與本次研究結果相符合。由于三峽庫區獨特的河道型水庫特點，使得該水域的生態環境和水動力變化不同于一般的湖泊，更與天然河道有著明顯的差別，庫區水位的調動更容易影響該流域水流流速等方面的變化，對水華的爆發產生一定的影響。在3月水庫泄水時，庫區水位較低，小江流域流速和流量下降，水體自凈稀釋能力下降，同時水體的滯留時間變長，水體中的沉淀物質更容易沉降，營養鹽更容易被浮游植物吸收，以致浮游植物體內總磷含量的增加，使浮游植物大量繁殖生長，出現水體富營養化及水華現象。因此，當小江流域流速和流量下降的時候，更容易發生水華現象，可以認為，水庫蓄水產生的緩流態是水華現象發生的直接誘因。而在12月的時候，庫區水位增高且處于緩慢上升的趨勢，小江流域流量較高，由于水體的流動性較強，流速較快，水體富營養化不明顯，很少會發生水華現象，由本次研究的結果也可看出，在12月時浮游植物體內總磷含量較低，這與小江流域水質中TP、TN的變化趨勢一致。

2.4 庫區水位變化對小江流域上、中、下游水華現象的影響

由圖4、5、6可知，中游Ⅰ、Ⅱ處采樣點的水質指標和浮游植物體內總磷含量遠高于上游和下游，說明在小江流域中游處爆發水華的幾率和頻率要大于上游和中游。這是由于在上游處水體的流動性較中游更強，水體中的營養物質凈化較快，濃度較低，比較中游發生水華的頻率要低。而在下游處由于和長江相接，支流流入長江，與長江水相混合，水中的營養物質得到稀釋，因此發生水華的幾率要低。

通過比較三峽庫區水位的變化與上、中、下游5處采樣點水質和浮游植物體內總磷的變化，發現當水位發生變化時，無論升降，對于小江流域中游水華現象的影響要大于上游和下游。對比6月和12月時，當庫區水位上升后，中游水體浮游植物體內總磷含量驟降，幅度大于上游和中游，說明當庫區水位上升后，水體流速加快，中游水華現象得到極大的改善。

3 結論

從本次研究中，得出以下結論。

a) 當三峽庫區水位較低(163 m)時所測得的浮游植物體內總磷含量最高，達到了0.707 7%(中游Ⅰ)；當三峽庫區水位較高(173 m)時所測得的浮游植物體內總磷含量最低，為0.038 6%(上游Ⅱ)。

b) 小江流域各監測斷面在3月份的TP和TN含量最高，而12月份最低，這與小江流域水華現象發生的時間變化規律一致，而小江流域中游水質的TP、TN與上、下游相比較高。

c) 小江流域水華現象的發生規律與三峽庫區水位變化有一定聯系，水動力條件的變化是水華現象發生的一個主要原因，當庫區水位較低(低于163 m)且持續下降時，小江流域水華現象爆發頻繁，而在三峽庫區水位較高(高于173 m)時極少爆發水華。

d) 水華現象在小江流域中游發生最為頻繁，同時三峽庫區水位的變化對小江流域中游水華現象的發生影響最大，上、下游次之。