水位變化對三峽水庫小江藍藻水華的影響

黃宇波，楊 霞,向 波

(中國長江三峽集團有限公司流域樞紐運行管理中心，湖北 宜昌 443133)

前 言

中國是水壩建設大國，據估計我國水庫庫容是天然湖泊的三倍[1]。水庫建設緩解防洪壓力、解決能源和水資源利用問題的同時，對水生生態系統多樣性帶來一定壓力[2]。河流筑壩會增加水體營養物質的滯留[3]，減緩水流速度，加速顆粒沉降水體透明度增加，這些理化條件的改變有利于藻類增殖，甚至導致水華暴發， 水庫的管理越來越重視對水華的監測和預警[4]。三峽水庫運行后，庫區水華現象備受關注，水庫建成前后干流水質保持穩定，但是部分支流富營養化嚴重，水華頻繁[5]。

水動力條件改變是水體富營養化的一個重要因素，其中水位變化對河流、湖泊和水庫的影響顯著。例如在分層的湖泊中，較強的水位波動影響湖濱帶生物群落，關鍵種的生存，增加物種入侵風險，增加內源營養負荷，降低生物多樣性，最終導致富營養化和水華的出現[6]。水位變化與藻類的關系已有一些研究[7～10]，這使得水位調控成為水質管理的一個工具。水庫水位調控逐步得到應用，但這些應用主要關注其它的生態因子例如水質以及排沙，同時用于調節水溫和人造洪峰來促進魚類繁殖[11]，而水位與水華的關系研究較少。

小江是三峽庫區長江北岸流域面積最大的一級支流，距三峽大壩約247km, 河長182.4km, 流域面積5 173km2,年均流量116m3/s,三峽庫區境內長度117.5km,涉及三峽庫區開縣、云陽2個區縣眾多集鎮。根據2006年《長江三峽工程與生態環境監測公報》，受三峽水庫蓄水影響，小江從 2005 年起就有水華現象發生，至今仍逐年暴發。雖然水庫運行過程中對浮游植物群落結構會產生一定影響[12]，但是據此通過水位調節來控制水華的研究仍然較少。本研究以小江為研究對象，在藍藻水華嚴重時期開展葉綠素a、水文和營養鹽等因子逐日加密監測，利用這些數據探討水位與藻類生物量的關系，并試圖找出控制水華的水位波動閾值，為水庫水生態管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 樣點

由河口至上游共設置7個監測斷面，分別為XJ01～XJ07(圖1)，分別在2016年5月1日～5月13日，2018年4月23～6月8日，2019年5月21日～8月5日水華期間，根據水華發生的過程進行逐日或者間隔監測。

圖1 樣點圖Fig.1 Sample sites

1.2 數據分析

對每天所有樣點的數據進行平均取值，水位日變幅(WLF)為當日水位值與前一日水位連續兩天的差值。用Origin 9.1 進行水位與相關環境因子的回歸分析作圖。藻類生物量受多種環境變量影響，而不同環境變量間可能存在一定的相互關系，因此運用線性混合模型(LME)篩選對藻類生物量有顯著影響的環境變量。

線性混合模型(LME)是在一般線性模型的基礎上擴展而來，區別在于該模型在回歸公式中同時包含了固定效應和隨機效應，其表達式為Y=Xβ+Zγ+ε，相比簡單線性模型，多出了Z這一項，這一項稱之為隨機效應。當自變量之間可能存在相關性，而不滿足相互獨立的條件，則適用于線性混合模型。本研究中先將所有可能對藻類生物量變化具有固定效應的變量選入模型，將觀測值按年設置為三組，作為三個重復，采用重復協方差類型(AR1)進行協方差參數估計，用約束性最大似然法(REML)檢驗模型結構。用SPSS19.0軟件進行統計分析，數據如果不滿足正態分布，則進行log(x+1)對數轉換。以P<0.05作為顯著水平。

2 結 果

2.1 水文水環境特征

表1 水環境參數(樣本數N=61)Tab.1 Physic-chemical parameters of the water body (Sample number N=61)

圖2 葉綠素a 與水位(A)、水位日變幅(B)的時間變化Fig.2 Variation between Chla and WL (A) , WLF(B) during the study period

調查期間處于三峽水庫汛期，水位較低，在145.33～161.76m之間變動，均值為153.24m，2016、2018年的水位均值(分別為157.3m和158m)顯著高于2019年(149.1m)(P<0.05)，波動平均值為-0.31m/d，水位日變幅年際間無差異(P>0.05)。調查期間發生藍藻水華，葉綠素a (Chla) 均值為33.32μg/L，最大值出現在2018年5月，達到103.10μg/L，此時水位日變幅位于0m/d 附近(圖2)。水體理化參數如表1所示，TN濃度值為0.88～2.23mg/L，均值為1.61mg/L， TP濃度為0.04～0.23mg/L，均值為0.10mg/L。調查期間水溫均在20℃以上，均值為23.85℃，最大水溫達到28.96℃。透明度較低，均值為102.51cm(表1)。

2.2 水位與水環境的關系

圖3 水位與正磷酸鹽(A)、水溫(B)、透明度(C)、氮磷比(D)的關系Fig.3 Relationship between water level and phosphate(A),WT(B),SD(C),nitrate phosphate ratio(D)

2.3 藻類生物量的影響因子

表2 LME分析各環境因子對葉綠素a的影響Tab.2 Factors affecting Chla through LME analysis

水位日變幅與葉綠素a呈現非線性的關系，當WLF大于1m/d時，葉綠素a維持在較低水平，而水位日變幅在-1～1m之間，葉綠素a的值變化范圍大，且水位日變幅越小，葉綠素a高值出現的頻率越大(圖4)。

圖4 水位日變幅(WLF)與葉綠素a 的關系(虛線為變幅區間)Fig.4 Scatter plot between Chla and WLF (dashed line represents the variation section)

3 討 論

夏季三峽水庫主要發揮攔洪排沙等功能，水位處于波動狀態，藻類生物量受水位影響明顯。LME分析顯示，水位與葉綠素a負相關，說明升高水位能降低藻類生物量，這與以往文獻的研究類似[14]。水位變化通過直接或者間接改變水體理化條件，包括光照、營養鹽濃度混合層深度、水體穩定度等來影響藻類的生長[9]。

水位變化直接改變水體穩定性。夏季低水位運行時，三峽庫區水體穩定度較高，并出現溫度分層狀態[15]，相比于硅藻綠藻，藍藻在這樣的環境中具有更大的競爭優勢，因此5～8月低水位運行時，小江常常發生藍藻水華。水位變化首先改變支流水文水動力特征，降低水體穩定性，破壞藻類生境，在水位變動的環境沖擊下，藍藻逐漸逝去競爭優勢，而迅速變成硅藻綠藻為優勢類群[16]。另外，水位增加時，浮游植物被稀釋，密度呈降低趨勢[17]。但是這一稀釋作用并不絕對，本研究中，水位上升幅度較小時，葉綠素a也可能增加(圖3)，水華加重，這可能與水位上升時支流庫灣干支流交換的具體形式有關[18]。

水位變化能改變水體理化條件。研究結果顯示，三峽水庫水位變化能顯著改變水體磷酸鹽濃度、水文和透明度以及氮磷比(圖3)。普遍認為，水位變化對湖庫中磷的濃度影響較大，從而改變了藻類及水生植物生物量和多樣性[10,19]。本研究發現，水位升高能顯著降低水體正磷酸鹽濃度，說明水位升高對水體磷具有稀釋作用，而磷是藻類生長的必需元素，磷的降低可以減緩藻類增殖。統計分析表明，藻類生物量隨總磷增加而增加，但是與總氮的關系不明顯，與水體硝氮濃度有顯著關系(表2)，水位上升，磷的濃度降低，顯著升高了水體氮磷比(圖3)。有研究表明，低氮磷比有利于藍藻生長[20]，在藍藻水華暴發的小江，水位升高，氮磷比升高，可能是藍藻生物量降低的原因之一。

水位與水溫顯著負相關，而與透明度顯著正相關，說明水位變化能顯著改變水體光熱條件。LME分析顯示，透明度是影響藻類生物量的重要因子。同樣的空氣光強，透明度高則水體光照強度高，高光強可對藍藻生長產生抑制[21]，從而使硅藻和綠藻獲得相對與藍藻的競爭優勢。但是藻類生物量未顯示與溫度的關系(表2)，可能是觀測值均位于夏季水華期間，水體表層溫度波動不明顯。水體溫度垂向結構與水華相關，研究發現，在三峽水庫支流香溪河區域，下游深水區水溫分層較弱，而在上游淺水區分層反而較強，上游水華頻繁[22]。水位升高可以增加深水層水溫，降低表層水溫，促進水體混合，并改變水體光照，從而降低藍藻在藻類群落中的優勢[23]。因此，水位變化改變水溫透明度，是引起藻類生物量變化的重要原因。

治理水華，截污控源是根本措施，然而這是一個長期的過程[24], 通過運行調度的“生態水文”調控措施以控制或減緩藻類水華暴發，可節約采取其它措施所需成本，并可避免可能帶來的二次污染，具有良好的環境、生態、經濟、社會效益。研究表明，增大流速可以抑制藻類增長，不同藻類對不同流速的響應有差異，藍藻在流水中生長受到抑制，而硅藻隨著流速增加其生長速度先增加后減小[25]。例如漢江中下游發生水華，通過增加下泄流量，增大水體流速，能夠降低水華發生頻次[26]。然而三峽水庫支流通過水位調節對流速的影響不顯著[27]，如果水位降幅較小，則流速改變很小，對水華的抑制作用有限，反而可能造成水溫和磷的升高(圖3)，促進藻類生長，這就導致泄水過程對水華的抑制作用不明顯[28]。水位增加主要通過營養鹽稀釋和pH、光照控制藻類增殖[14]，水位日升幅較小時，對藍藻生物量的抑制作用不明顯，本研究發現，水位日變幅對藻類生物量影響顯著(表2)，然而與文獻[14]結果所不同的是，水位日變幅并不是與葉綠素a呈簡單的負相關，而是在-1m/d 和 1m/d時顯示為控制藍藻水華的閾值。對香溪河葉綠素a和水動力的關系研究表明，庫水位50cm/d的降幅可對支流庫灣葉綠素a濃度產生明顯影響,但通過庫灣水體的局部振蕩或立面循環運行改善水動力條件的方法可能更具現實意義[29]。本研究結果類似，當水位日變幅低于1m時，葉綠素a的值有可能較高也有可能較低，因此控制水華的水位日變幅應該大于1m/d，才能對藻類生物量產生明顯抑制(圖3)，在此基礎上，通過上述分析推測，主要采用升高水位的方式，抑制作用可能會更有效。

5 結 論

水華期間水位變化與水體理化條件共同影響藻類生物量。水位變化通過直接或者間接改變水體水動力條件、磷酸鹽含量、透明度、水溫等條件來抑制藻類持續增殖。水位升降幅度較小時不能有效抑制水華，當水位日變幅大于1m/d時可使藻類生物量維持在較低水平，這將為利用水位調控方式進行水庫水華防控和水生生態系統管理提供依據。