三峽水庫草堂河營養(yǎng)狀態(tài)變化特征與影響因素分析

張永生 ，李海英 ，吳雷祥

1. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2. 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038

三峽大壩自蓄水運行以來，庫區(qū)水位提高、水流減緩，水體擴散能力減弱、污染物滯留時間延長，導(dǎo)致部分支流富營養(yǎng)化嚴(yán)重，藻華頻繁發(fā)生（郭平等，2005；易仲強等，2009；張永生等，2013），分析庫區(qū)支流營養(yǎng)狀態(tài)的變化特征，對于明晰支流藻華發(fā)生機制有重要意義。

我國大型淺水湖泊的富營養(yǎng)化相關(guān)研究較為充分（Qin et al.，2010；Zhu et al.，2013；朱廣偉等，2019；Wang et al.，2020；朱廣偉等，2020），然而我國水庫數(shù)量眾多，庫容大小不一，其環(huán)境和社會影響遠不及大型湖泊，水庫的富營養(yǎng)化研究相對偏弱，近幾年丹江口水庫和密云水庫等較大水庫的富營養(yǎng)化研究報道日益增多（李亞永，2017；朱艷容，2020）。三峽水庫作為我國最大的水庫，水體富營養(yǎng)化相關(guān)研究一直是水庫富營養(yǎng)化研究的代表（張晟等，2009；楊正健等，2012；張永生等，2013；蔡愛民等，2019）。一般認(rèn)為水體中TN、TP濃度分別達到 0.20 mg·L-1和 0.02 mg·L-1時即被認(rèn)定為富營養(yǎng)化狀態(tài)（孔繁翔等，2005；Brian，2017；Zhang et al.，2018），雖然這一標(biāo)準(zhǔn)被大部分學(xué)者接受和認(rèn)可，但并不是唯一的標(biāo)準(zhǔn)。

三峽庫區(qū)支流也呈現(xiàn)水體富營養(yǎng)化趨勢，具有藻華暴發(fā)的風(fēng)險。庫區(qū)多條支流以中營養(yǎng)狀態(tài)為主，春、夏兩季營養(yǎng)水平較高，距大壩較近的支流營養(yǎng)水平相對較高，藻華頻發(fā)區(qū)域主要集中于受干流回水頂托影響的滯水河段（蔡慶華等，2006；吳光應(yīng)等，2009）。其中，大寧河藻華暴發(fā)期葉綠素a與總磷總氮濃度呈正相關(guān)關(guān)系，總磷是水華暴發(fā)的限制因子（吳光應(yīng)等，2009；張佳磊等，2012；張永生等，2012；張永生等，2013），神女溪藻華暴發(fā)時葉綠素a與溶解氧、氧化還原電位、總氮、總磷、高錳酸鉀指數(shù)均呈正相關(guān)，與pH和電導(dǎo)率呈負(fù)相關(guān)（王敏等，2009；王麗平等，2012），其他支流中的研究結(jié)果與上述結(jié)果類似（張永生等，2013；姜偉等，2017；鄒曦等，2017；張慶文等，2019；田盼等，2020）。除此之外，水文水動力、水溫和光照等因素也是三峽水庫富營養(yǎng)化和藻華發(fā)生的誘導(dǎo)因素（王紅萍等，2004；易仲強等，2009；湛敏等，2010；李媛等，2012）。大寧河中葉綠素a濃度與流速呈顯著負(fù)相關(guān)，與流量呈顯著正相關(guān)，與透明度呈顯著相關(guān)（鄭丙輝等，2009；王麗平等，2012）。香溪河存在明顯的底層溫差異重流現(xiàn)象，垂向水溫以正溫層為主，春、夏季出現(xiàn)了水溫分層現(xiàn)象，水溫上升是其春季藻華暴發(fā)的重要誘導(dǎo)因素之一，水體穩(wěn)定度對春季藻華暴發(fā)的強弱程度具有較大的影響（楊正健等，2012）。溫度低于15 ℃或高于 30 ℃均不利于藻細(xì)胞生長，在 15—25 ℃之間藻細(xì)胞生長速率及主要理化成分含量均可達到最大（錢振明等，2009）。

上述成果為研究三峽水庫水體富營養(yǎng)化狀況和藻華形成機理奠定了良好基礎(chǔ)，但三峽庫區(qū)支流眾多，干支流交匯角度不同，各支流水環(huán)境不同，營養(yǎng)狀態(tài)和藻華類型各異，庫區(qū)支流長時間尺度的營養(yǎng)狀態(tài)研究較少，本文選擇三峽庫區(qū)重點支流草堂河為研究對象，該河流呈東北-西南走向（蔡愛民等，2019），在白帝城處幾乎呈對沖方式匯入長江（李昶等，2018）。本研究通過連續(xù)1周年水體營養(yǎng)鹽及葉綠素a的時空分布特征的監(jiān)測，分析營養(yǎng)狀態(tài)周年變化特點，探討影響營養(yǎng)鹽狀態(tài)影響因素，研究結(jié)果有助于探究和豐富三峽庫區(qū)支流藻華形成機理，以期為三峽庫區(qū)水體富營養(yǎng)化治理和水生態(tài)安全保障提供參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

草堂河地處重慶市東北部、長江瞿塘峽以北，發(fā)源于奉節(jié)縣與巫溪縣交界處，位于 109°31′03″—109°45′20″E，31°02′40″—31°10′06″N 之間，流域內(nèi)包含奉節(jié)縣的草堂、白帝和汾河三鄉(xiāng)鎮(zhèn)。草堂河干流全長33.3 km，流域面積394.8 km2，平均流量7.51 m3·s-1，年徑流總量2.37億m3（李昶等，2018；蔡愛民等，2019）。庫區(qū)回水位至朱衣草堂鎮(zhèn)（圖1）。

1.2 樣點布設(shè)

本研究共設(shè)置6個監(jiān)測斷面。草堂河從上游至下游沿河道中泓線布設(shè) 4個監(jiān)測點，分別標(biāo)記為CT04、CT03、CT02、CT01；草堂河與長江交匯處上下游方向沿長江左岸布設(shè)2個監(jiān)測點，分別標(biāo)記為CTCJ01、CTCJ02。各監(jiān)測點位置如表1所示。

1.3 監(jiān)測及采樣時間

監(jiān)測及采樣工作從2017年7月24日—2018年6月30日完成，時間為每個月下旬。每條支流監(jiān)測順序由上而下，每次監(jiān)測及采樣工作0:800開始，點位監(jiān)測順序一致。

1.4 監(jiān)測及采樣方法

圖1 草堂河地理位置Fig. 1 The location of Caotang River

表1 各監(jiān)測點位情況Table 1 The situation of monitoring points

長江及草堂河在中弘線處設(shè)置垂線，在垂線水面下0.5 m處、1/2水深處和河床上0.5 m處各設(shè)一個監(jiān)測及采樣點；每個點位上、中、下3層水樣不混合，分別監(jiān)測相關(guān)指標(biāo)濃度并以此分析各指標(biāo)的空間分布特征；采用3個水樣的平均值分析各指標(biāo)時間序列特征；由于草堂河源頭較淺，只設(shè)置一個監(jiān)測及采樣點。

1.5 監(jiān)測指標(biāo)及方法

透明度（SD）：Secchi盤（直徑25 cm）測定；葉綠素a（Chl-a）：丙酮萃取分光光度法測定；高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）：高錳酸鉀酸性法測定；總氮（TN）：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；總磷（TP）：過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法測定。（高繼軍等，2012）

1.6 營養(yǎng)狀態(tài)的計算方法

水體的營養(yǎng)狀態(tài)采用了Chl-a、CODMn、TN、TP和SD加權(quán)綜合營養(yǎng)指數(shù)法（中國環(huán)境監(jiān)測總站，2001），計算公式為：

式中：Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；TLI(j)代表第j種因子的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；m為評價因子個數(shù)。

根據(jù)《中國湖泊環(huán)境》中關(guān)于葉綠素a和其他營養(yǎng)鹽因子的關(guān)系，本研究中Chl-a、CODMn、TN、TP和SD權(quán)重分別選取為0.2663、0.1834、0.1790、0.1879、0.1834（金相燦，1995）。

根據(jù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，湖泊營養(yǎng)狀態(tài)分級標(biāo)準(zhǔn)：TLI(∑)＜30 為貧營養(yǎng)；30≤TLI(∑)≤50 為中營養(yǎng)；50＜TLI(∑)≤60 為輕度富營養(yǎng)；60＜TLI(∑)≤70 為中度富營養(yǎng)；TLI(∑)＞70為重度富營養(yǎng)（中國環(huán)境監(jiān)測總站，2001）。

1.7 數(shù)據(jù)處理

每個處理重復(fù)3次，取平均值；相關(guān)性分析利用SPSS 16.0處理，P＜0.05為顯著性相關(guān)，P＜0.01時為極顯著相關(guān)。

2 結(jié)果

2.1 各因子分布特征

2.1.1 葉綠素a

由表2可知，不管長江還是草堂河，水體葉綠素a含量垂直方向表現(xiàn)為表層＞中層＞底層，說明藻細(xì)胞主要集中在水體表層，可能是由于表層水體藻細(xì)胞接受陽光進行光合作用，從而迅速生長成為優(yōu)勢藻種。

表2 葉綠素a變化均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 2 Mean and standard deviation of Chl-a mg·L-1

就全年葉綠素 a含量而言，CT03斷面處表層水體葉綠素a含量最高為2.41 mg·L-1，CT04斷面處含量最低為 1.33 mg·L-1；長江斷面 CTCJ01和CTCJ02表層水體葉綠素a顯著低于草堂河各斷面表層水體葉綠素a含量（P＜0.05），說明長江的藻細(xì)胞密度比草堂河密度低，其主要原因長江干流水動力不利于浮游藻類生長，而草堂河河流流速緩慢，利于藻類生長。

在時間序列上，在草堂河葉綠素a濃度從2017年7月呈現(xiàn)爆發(fā)式增加，8月CT03斷面表層水體葉綠素a的濃度最高達到19.56 mg·L-1，9月綠素a的濃度急劇降低，這極有可能是在8月份期間草堂河發(fā)生過藻華現(xiàn)象所致。除了源頭CT04斷面之外，表層水體葉綠素 a 含量 CT03＞CT02＞CT01（圖 2a），葉綠素a含量從草堂河上游向下游逐步降低；在草堂河和長江的中層和底層水體中，葉綠素a的濃度差異不顯著（P≥0.05），除了在2017年10月，CT03斷面下層水體葉綠素a含量為3.12 mg·L-1，其他時間段葉綠素a濃度均低于3 mg·L-1。葉綠素a在長江和草堂河的分布特征說明藻華主要聚集在草堂河上游，這種分布特征可能是由于草堂河和長江交匯形態(tài)所致，表層水體由長江倒灌進草堂河，而中層和下層水體由草堂河流進長江，三峽庫區(qū)干支流復(fù)雜的水動力條件也在香溪河、神農(nóng)溪和大寧河得到驗證（Ye et al.，2006；Ye et al.，2007；王麗平等，2012；楊凡等，2020）。

圖2 葉綠素a含量分布特征Fig. 2 The change of Chl-a in Caotang River

2.1.2 高錳酸鹽指數(shù)

在整個調(diào)查時間段內(nèi)（表3），各監(jiān)測點表層水體 CODMn濃度平均值在 0.98—2.62 mg·L-1之間，中層水體 CODMn濃度平均值在 2.22—2.41 mg·L-1之間，底層水體 CODMn濃度平均值在 2.29—2.43mg·L-1之間。空間上各監(jiān)測點相差不大。河口處長江水體的 CODMn濃度整體情況與庫灣水體相似，差異不顯著（P≥0.05））。

表3 CODMn變化均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 3 Mean and standard deviation of CODMn mg·L-1

CODMn濃度除2017年9月草堂河CT03斷面CODMn濃度為4.11 mg·L-1（圖3），其他季節(jié)CODMn濃度均低于4 mg·L-1，優(yōu)于地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

表層水體，源頭 CT04斷面處 CODMn濃度自10月以后呈逐漸下降，其他點位CODMn濃度差異不顯著（P≥0.05）。中層和底層水體 CT02斷面在2018年3月CODMn濃度5.41 mg·L-1，顯著高于其他點位（P＜0.05），但此時在表層水體CODMn濃度僅為3.22 mg·L-1，很顯然CT02斷面處在2018年3月CODMn濃度垂向分布差異顯著（P＜0.05），這種差異可能是由于 CT02斷面處排放的污染物中CODMn含量較大，但是由于表層水體由長江倒灌進草堂河，導(dǎo)致表層CODMn濃度被復(fù)雜水動力稀釋。

2.1.3 總氮

由表4可知，草堂河及長江各監(jiān)測點表、中、底層TN濃度均值無明顯差異，除源頭CT04斷面TN平均值0.55 mg·L-1略低外，其他各點平均值均在 2.0 mg·L-1左右。

表4 TN濃度變化均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 4 Mean and standard deviation of TN mg·L-1

從上游到河口TN濃度在0.55—2.23 mg·L-1之間，源頭CT04斷面在7、8、9月總氮含量較高（圖4），其他時間含量較低，可能是這3個月由于降雨原因，地表徑流增大，農(nóng)業(yè)面源污染增加，導(dǎo)致總氮含量較高。

草堂河除了源頭CT04斷面之外，其他斷面總氮均常年大于1.2 mg·L-1，為地表水Ⅳ、Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，表明草堂河常年TN污染十分嚴(yán)重。

圖3 CODMn濃度隨時間變化圖Fig. 3 The change of CODMn in Caotang River

2.1.4 總磷

由表5可知，草堂河回水區(qū)TP濃度年度平均值在0.08—0.30 mg·L-1之間，高于長江水體TP濃度。但是各斷面處TP濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差相對較大，說明TP濃度存在較大的季節(jié)波動。

圖4 TN濃度隨時間變化圖Fig. 4 The change of TN in Caotang River

表5 TP濃度變化均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 5 Mean and standard deviation of TP mg·L-1

圖5 TP濃度隨時間變化圖Fig. 5 The change of TP in Caotang River

監(jiān)測期間，草堂河TP濃度范圍在0.02—0.2.36 mg·L-1之間，其中大多數(shù)時間里 TP濃度＜0.20 mg·L-1，達到地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。時間上（圖5），1月草堂河下游CT01斷面表層水體TP濃度異常偏大，高達2.49 mg·L-1，達到劣Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；水體中、底層TP濃度變化在7—9月偏低。空間上，在大多數(shù)月份里TP濃度上游＞中游＞下游。

2.1.5 透明度

由表6可知，在整個調(diào)查時間段內(nèi)，草堂河各監(jiān)測斷面（除源頭之外）水體透明度平均值在 1.79—1.98 m之間。長江干流的透明度平均值約為2.2—2.3 m，很明顯長江干流透明度比支流的透明度高。

表6 水體透明度變化均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 6 Mean and standard deviation of SD m

草堂河在蓄水期間，透明度較高，枯水期透明度較差。2017年8月CT03斷面的透明度最低為0.46 m，2018年2月CT01透明度最高為3.9 m。枯水期水體透明度較低不僅與水體藻細(xì)胞密度增加有關(guān)，而且還可能由于汛期大量泥沙隨地表徑流入庫導(dǎo)致水體懸浮物密度增加有關(guān)（圖6）。

圖6 草堂河水體透明度隨時間變化（除源頭之外）Fig. 6 The change of SD in Caotang River (except CT04)

2.2 營養(yǎng)狀態(tài)分析

圖7 草堂河營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（除源頭）Fig. 7 TLI of Caotang River (except CT04)

2017年7月—2018年6月，草堂河和長江營養(yǎng)狀態(tài)大部分時間呈現(xiàn)中營養(yǎng)狀態(tài)（圖7）。長江干流營養(yǎng)鹽水平顯著低于草堂河（P＜0.05），其中2017年12月、2018年1月和2月，長江處于貧營養(yǎng)狀態(tài)。草堂河在2017年8月營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)最高，其中CT03斷面營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為56.4，達到富營養(yǎng)化狀態(tài)，整體而言，草堂河營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)從下游向上游（源頭CT04斷面除外）呈增加趨勢，夏秋兩季營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)較高。

2.3 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析表明：Chl-a濃度與總氮和總磷呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.459和0.238。Chl-a與SD呈較強的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.52。CODMn與TP正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.246（表7）。

表7 草堂河水體各營養(yǎng)鹽因子間相關(guān)性Table 7 Correlation of nutrient factor in Caotang River

3 討論

3.1 營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)因子分布影響因素

CODMn分布特征除了與草堂河有機污染有關(guān)外，可能還與三峽水庫的運行方式密切相關(guān)。冬季三峽水庫蓄水維持較高水位，草堂河庫灣水流平靜水體擴散能力弱（郭平等，2005；易仲強等，2009；張永生等，2013），導(dǎo)致CODMn濃度存在較大的空間差異。在隨后的春季泄水過程中，隨著庫區(qū)水位的降低，庫灣水動力條件加強，CODMn濃度呈現(xiàn)明顯的下降過程。

TN濃度在2017年9—11月呈現(xiàn)降低趨勢，隨后的冬春季節(jié)略有增加并維持在較高水平。秋季是三峽水庫的蓄水季節(jié)，隨著水庫水位的逐漸升高，干流水體大量進入庫灣，且以倒灌異重流的形式對庫灣營養(yǎng)鹽進行了稀釋和再分配，同時水庫的高水位運行狀態(tài)使顆粒態(tài)的營養(yǎng)鹽得以沉降，營養(yǎng)鹽濃度逐漸降低。冬季是浮游植物生物量較小的季節(jié)，對營養(yǎng)鹽的消耗量較小，庫灣中的營養(yǎng)鹽濃度逐漸上升，營養(yǎng)鹽含量開始累積。春季TN濃度略有增加可能是流域內(nèi)農(nóng)業(yè)耕作活動增加，在地表徑流的作用下農(nóng)業(yè)面源增加所致（劉淼等，2017），這與巢湖以及加拿大溫尼伯湖等水體富營養(yǎng)化所致原因類似（Wang et al.，2020；Soto et al.，2019）。而在丹江口水庫氮源主要有機氮和硝酸鹽氮組成（朱媛媛等，2016），其來源與三峽庫區(qū)草堂的氮源特征不同，說明水庫的氮素來源存在多樣性。

監(jiān)測期間，大多數(shù)時間里表層水體 TP濃度＜0.20 mg·L-1，達到地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但是2018年1月草堂河下游CT01斷面TP濃度異常偏大，高達2.49 mg·L-1，達到劣Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可能是在監(jiān)測斷面附近有水上經(jīng)營餐飲船只，監(jiān)測采樣時，相關(guān)廢液傾倒江中所致。中、底層水體在2017年7—9月TP濃度偏低，主要是受浮游植物生長吸收的影響，其他時間里TP濃度變化復(fù)雜，還可能受到庫區(qū)水動力條件改變，以及城鎮(zhèn)生活污水排入和農(nóng)村化肥過度施用有關(guān)。

空間上，除了2018年2—5月河口區(qū)TP濃度較小外，在大多數(shù)月份里TP濃度上游＞中游＞下游，這一特征在很大程度上可能受流域自然環(huán)境條件的影響。草堂河流域內(nèi)磷礦資源豐富，上游磷礦資源的開采和化工企業(yè)的存在（蔡愛民等，2019），導(dǎo)致大量排放的磷酸鹽在庫灣中聚集，是水體中磷污染負(fù)荷的主要來源。因此，草堂河TP的分布規(guī)律是距離河口越近的樣點濃度越低。

3.2 營養(yǎng)狀態(tài)周年變化影響因素

草堂河營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為 41.23—50.28，大部分時間呈現(xiàn)中營養(yǎng)狀態(tài)，僅在2017年8月營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)較高，約為56.41。這一特點與Chl-a濃度在8月呈現(xiàn)暴發(fā)式增加相對應(yīng)。水體營養(yǎng)狀態(tài)最低的是2017年12月，其他月份里庫灣水體的營養(yǎng)狀態(tài)均為中營養(yǎng)狀態(tài)。2018年2—5月河口的營養(yǎng)狀態(tài)總體要低于庫灣，并且從上游到下游呈降低趨勢，從季節(jié)變化來看，草堂河水域營養(yǎng)狀態(tài)冬季＜春季＜秋季＜夏季。草堂河營養(yǎng)狀態(tài)與三峽庫區(qū)其他支流的營養(yǎng)狀態(tài)變化趨勢類似（葉許春等，2018），但與其他水庫的營養(yǎng)狀態(tài)變化趨勢不同（李亞永，2017），原因可能是三峽水庫屬于河道型水庫，水動力有別于其他湖泊型水庫。

草堂河中CODMn、TN、TP、Chl-a與SD的平均營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分別為21.42、59.38、60.21、20.24和43.69，表明TP濃度是影響草堂河水體富營養(yǎng)化程度最重要的指標(biāo)，其次是 TN、SD、CODMn和Chl-a。相關(guān)性分析可知TP與CODMn呈正相關(guān)，兩者濃度都是從上游向下游減小，推測草堂河上游磷礦資源開采的工業(yè)廢水和上游草堂鎮(zhèn)生活污水是TP與 CODMn的主要來源。Chl-a濃度與總氮和總磷呈正相關(guān)，但相關(guān)性并不顯著（P≥0.05），水體中的TN、TP含量和N/P比值均已超過藻華發(fā)生閾值（孔繁翔等，2005；Zhang et al.，2018；Brian，2017），但僅在2017年8—9月檢測到葉綠素a濃度較高，其他時間葉綠素a濃度較低，表明N、P元素是草堂河藻華發(fā)生的影響因素，但不是決定性因素，決定草堂河藻華暴發(fā)可能另有其他因素，例如水文水動力因素、氣溫或風(fēng)向等，也暗示藻華在淺水湖泊和深水水庫中的形成機理不一樣，深水水庫藻華形成機理值得深入研究。

4 結(jié)論

（1）長江和草堂河葉綠素a含量表層＞中層＞底層，2017年8月CT03斷面表層水體葉綠素a的質(zhì)量濃度最高達到19.56 mg·L-1。

（2）長江和草堂河 CODMn質(zhì)量濃度平均值在0.98—2.62 mg·L-1之間，空間上CODMn濃度差異不顯著（P≥0.05），除 2017年 9月其他時間各斷面CODMn質(zhì)量濃度均低于 4 mg·L-1。

（3）長江和草堂河各監(jiān)測點位TN質(zhì)量濃度平均值均在2.0 mg·L-1左右，垂向TN濃度均值無明顯差異。

（4）草堂河TP質(zhì)量濃度年度平均值在0.08—0.30 mg·L-1之間，高于長江水體TP濃度。

（5）草堂河水體透明度平均值在1.79—1.98 m之間，長江干流的透明度平均值約為2.2—2.3 m，長江透明度高于草堂河的透明度。

（6）長江綜合營養(yǎng)鹽指數(shù)為 28.26—42.63，草堂河綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為41.23—50.28。