水位調度對高原湖庫水源地浮游藻類的影響模擬

鄧 文 強,袁 素 勤

(1.貴州省水利科學研究院,貴州 貴陽 550002; 2.四川水利職業技術學院,四川 成都 611231)

0 引 言

隨著工業化和城市化的迅速發展,作為飲用水源地的大多數湖泊水庫都不同程度地出現藻類過量增殖甚至水華現象[1-2],同時帶來了諸多嚴重的危害:藻類在水中的大量增殖會影響水體感觀,并發出臭味[3];長江的水華藍藻如微囊藻、魚腥藻、束絲藻等會分泌藻毒素,影響人畜的飲水安全甚至引起疾病乃至死亡[4];藻類加速水廠濾池中濾料的堵塞,增加運行維護成本,影響出水水質等。鑒于中國飲用水源地較為嚴重的富營養化形勢,轉變傳統的水體利用和水體保護的觀念,提高污水處理程度和推進湖泊水庫保護工作成為飲用水源地保護工作的重要任務[5]。而開發適合水源地當地經濟情況、滿足水源地保護需要的生態調度控藻技術是亟待解決的關鍵性問題。

高原湖庫水源地藻群生長受高原地區各環境因子的共同影響,主要包括環境溫度、光照、水動力條件以及水體氮、磷等營養鹽濃度[6-10]。然而,在影響藻類群落組成的眾多因素中,一些生態調度措施,例如,水位調度引起的水位波動及物理擾動往往被認為是最主要的影響因素[11],在特定時間下,這種擾動影響著資源在生境中的分布狀況,從而改變優勢藻種及物種組成,尤其是高原水源地湖庫。目前,圍繞重點湖庫的水華暴發機理已經開展了大量研究,但研究方法單一,不能有效反演湖庫藻類生長及藻群演替規律,因此本文通過構建湖庫水動力、水質及生態的三維耦合數學模型,對湖庫水動力、水質及藻類生長規律開展研究,探索有效的富營養湖庫水源地保護與生態調控技術。

1 研究區域概況

紅楓湖水庫位于貴陽市中心以西28 km,是烏江水系支流貓跳河進行梯級開發而形成的省內面積最大的人工水庫之一,同時也是貴州高原上最大的湖庫水源地之一。近幾十年來,富營養化曾導致紅楓湖經歷過數次嚴重的水質惡化事件,探尋生態調度控藻技術對紅楓湖水庫乃至類似高原湖庫水源地的藻類水華防控、水質修復及水源地環境保護均具有重要意義。因此,本文以典型高原湖庫紅楓湖為例,開展水位調度對高原湖庫水源地浮游藻類的影響預測。紅楓湖流域面積1 596 km2,正常蓄水位1 240 m,相應水面面積57.2 km2,庫容6.01億m3,湖泊長度16 km,湖岸線長143 km;平均寬度4 km,最大水深45 m,平均深度10.5 m。

2 研究方法

2.1 紅楓湖水動力水質生態模型構建

鑒于紅楓湖為一深水型高原水庫(平均水深25.7 m),且受氣象、支流匯入等外力因素的影響,湖區水動力、各環境要素及藻類生長情況在水平向和垂向上均呈現出明顯的差異,因此本文選用MIKE 3三維水動力-水質生態模型來反映湖泊整體的水流動態特征。

貴州高原湖庫多以藍藻為優勢藻群,故本文以藍藻作為目標構建高原湖庫水質-生態動力學模型。模型中采用浮游藻類碳(PC)、浮游藻類氮(PN)、浮游藻類磷(PP)、葉綠素a(CH)、浮游動物(ZC)、氨氮(NH4)、硝氮(NO3)、無機磷(PO4)、溶解氧(DO)、碎屑碳(DC)、碎屑氮(DN)、碎屑磷(DP)共12個狀態變量的物理化學變化來研究湖泊的水質時空變化及其生態動力學過程。對于任一生態變量隨時間和空間的變化均采用式(1)所示的物質擴散方程來描述。

(1)

模型中浮游植物狀態變量的生化反應項用浮游植物的生長、牧食、沉積、死亡和上浮幾個過程表示(見圖1)。浮游植物指示因子浮游植物碳PC和葉綠素a CH的生化反應式為

圖1 藻類生長動力過程示意

-DEPC-BUOYPC

(2)

-DECH-BUOYCH

(3)

式中:PRPC/PRCH、GRPC/GRCH、SEPC/SECH、DEPC/DECH和BUOYPC/BUOYCH分別表示浮游植物碳/葉綠素a的生產量、被捕食量、死亡量、沉積量和上浮量。其中藻類的生產活動主要取決于光強度、營養鹽的利用情況、周圍環境的溫度條件等,因此藻類生產量和葉綠素a生產量計算式為

PRPC=mypc·F(I)F(T)F(N,P)·PC

(4)

(5)

ik=alfa·teti(T-20)

(6)

(7)

式中:mypc為藍藻最大生長速率;F(I)為藍藻生長光限制函數;F(T)為藍藻生長溫度限制函數;F(N,P)為藍藻營養限制函數;chmi和chma分別表示最小和最大葉綠素a的產生系數,1/(E·m-2·d-1);alfa為藻類在參考溫度20 ℃時的飽和光強,E/(m2·d);teti為藻類的飽和光強溫度系數;T為水溫,℃;pnma和pnmi分別表示藻細胞內部最大氮碳比和最小氮磷比。此外,光照對藻類生長的影響參考文獻[12]對藻類生長與光照的關系進行參數化的函數;模型中藍藻生長的溫度限制函數參考Arrhenius指數模型和揚戈遜提出的正態分布溫度限制模型[13],營養鹽限制函數以Droop理論[14]為依據,主要考慮藻類細胞內部營養鹽濃度對藻類生長的影響。

2.2 水位調度對浮游藻類的影響預測

2.2.1水位調度方案設置

本文選取典型年2019年的豐水季6月作為水量調度模擬期。結合紅楓湖水位庫容線、水庫溢流曲線和典型年的實測出庫流量,設計3種水位調度方案,見表1。

表1 3種調度方案

選取6月進行水位調控,此處以6月的實際下泄流量變化過程作為調度方案一的泄流邊界;對于方案二(水位突降工況)和方案三(水位突升工況),分別擬定短時間(2 d)內泄流突增和入流突增的情況,這兩種工況屬于極端模擬工況(見圖2)。

圖2 3種預設調度方案下6月水位變化過程

2.2.2模擬計算條件

利用ArcGIS,根據紅楓湖流域DEM文件生成模擬區域,紅楓湖水庫主要由麥翁河、羊昌河、麻線河和后六河等河流匯入,入流邊界為這4條河流的入流流量;模型下邊界為紅楓湖水庫大壩(見圖3)。其中模擬中采用的初始條件為2019年6月1日各點位的實測平均值,其中:水動力模塊的初始水位為1 236 m,水溫為20.4 ℃;生態動力學模型中葉綠素a初始值設為17.2 mg/m3;營養鹽TN和TP分別為1.0 mg/L和0.023 mg/L。

圖3 紅楓湖模型網格和地形

模型中水體表面邊界條件主要包括水-氣熱交換、大氣復氧、降雨和蒸發、風速風向等。模擬所用氣象邊界采用紅楓湖水庫附近的清鎮市氣象站的歷史觀測數據(見圖4)。模擬工況下庫區的入流邊界為庫區周邊的河流匯入,分別是麥翁河、羊昌河、麻線河和后六河,多年平均流量分別為4.14,12.67,4.13 m3/s和1.44 m3/s;入流水溫均取為河流的實測水溫21.6 ℃;入流營養鹽TN和TP濃度分別為2.0 mg/L與0.2 mg/L。此外,湖區典型風向為東北偏東(ENE)風,平均風速為6.6 m/s。

圖4 紅楓湖典型年內氣候變化過程

本文構建的湖庫水源地水動力-水質生態模型中涉及的參數眾多,而模型手冊為大部分參數尤其是水動力模塊提供了推薦值或取值范圍。另外,考慮其富營養化特征及藍藻水華的相似性,本文生態模塊參數參考國內重要水源地青草沙水庫富營養化模型中藍藻模擬部分的參數進行取值[15],其中藍藻最大生長速率mypc取值為1.5/d,藍藻生長最適溫度為30 ℃,藍藻光飽和強度為13 E/(m2·d),最小葉綠素產量系數chmi為0.05/(E·(m-2·d-1),最大葉綠素產量系數chma為1.5/[E·(m-2·d-1)]。

3 結果與討論

3.1 模擬結果

3.1.1水動力特征

圖5呈現了本研究設計的3個方案流場模擬結果。由圖5可知:受盛行風ENE的影響,湖區表面整體上呈現出西南向的平面流。受支流入流的影響,方案一在水位上升期6月8～13日期間,在羊昌河和麻線河入流范圍內庫區會出現大范圍流速高于0.2 m/s 的區域;而在紅楓湖庫區南湖和北湖連接段普遍呈現出流速高于0.2 m/s的現象。在方案二中,6月13～15日水位突然從1 238.50 m降至1 235.55 m,湖區流動性在水位突降期間明顯增加,尤其是在南湖與北湖連接段的流速普遍增加至0.3 m/s 以上。另外,方案三在水位突升期(6月11～13日),湖區流動較方案一有所增強,尤其是在支流入流附近流速增加。

圖5 不同調度方案下6月湖區平面流場分布

3.1.2營養鹽

事實上,庫區營養鹽分布同樣受水位調控(見圖6),短期內加大庫區下泄流量,能夠有效降低整個庫區中營養鹽濃度,其中方案二在6月13～15日的水位調度突降降低了庫灣處聚集的TP濃度,這種水位調度的營養鹽調控效果將持續到在6月30日,尤其時候在水庫南區庫灣處TP濃度明顯下降。方案一和方案三的對比發現:水位突升對湖區的營養鹽濃度影響并不明顯,這從6月15日的模擬結果對比可以看出,由于將6月初的水位穩定期從1～8日增加到了1～11日,故導致在6月調度時湖區的營養鹽濃度反而較方案一有所增加。

圖6 不同調度方案下6月15日和30日湖區平面TP濃度分布

3.1.3藻葉綠素a

國內外均有研究指出,水體中的水動力條件流速、流量等與藻類的生長繁殖有著密切的關系,既能直接作用于藻類,同時通過影響水體中營養鹽狀況與水溫層結構而引發水體富營養化。本文的模擬結果同樣證實了這一觀點,如圖7所示,湖區葉綠素a濃度分布與流場具有明顯的相關性。其中在盛行風ENE和支流入流的持續作用下,湖區藻葉綠素a濃度呈現出主庫區低而庫彎高的分布態勢,這是因為在庫灣區域水流流速低且營養物質易于富集[16]。

另外,通過對比湖區在不同水位調度方案下藻葉綠素a濃度在6月15日和6月30日的分布(見圖7)發現,湖區水位變動對藻類生長存在明顯的影響。其中方案一和方案二的對比表明:在6月13日之前,兩種方案水位的調度和藻類分布均是保持一致的,而在方案二經過6月13～15日水位急降期后,湖區流動明顯加強,湖區的藻類生境發生變化,故在15日方案二庫區藻類葉綠素a濃度較方案一有所下降,這種水位調度的藻類控制效果將持續到6月30日,尤其是在水庫南區庫灣處葉綠素a濃度明顯下降。而方案一和方案三的對比則證實了調度期間水位突升(方案三 6月11～13日)實際上并不會減緩藻類的繁殖,反而由于增加了水位穩定期(由1～8日增加到了1～11日)的持續時間,導致了湖區的藻類大量聚集增殖,從而造成調度方案三較方案一庫區藻類濃度更高,且加大了富營養化風險。

3.2 水位調度的藻類調控作用分析

水位調度對湖庫藻類的調控作用可歸結為以下兩個原因:一是水位突降在加大庫區下泄流量的同時,增強了庫區水體流動性,達到破壞藻類結構細胞的流速,從而減少了庫區藻類細胞在庫區的聚集;二是由于營養鹽也受水位調度的調控,通過水位調度改善湖區水動力條件也能夠有效降低整個庫區中營養鹽濃度,從而在一定程度上也緩解了因營養鹽濃度較高造成的浮游藻類大量增殖的問題。

4 結 論

為了探討水位調度技術對高原湖庫水源地藻類的調控效果,本文基于MIKE 3構建了湖庫三維水動力-水質生態模型,并以紅楓湖為例,開展了水位調度對高原湖庫水源地浮游藻類的影響預測研究。研究表明:水位調度對湖區藻類生長聚集具有明顯的調節作用,其中在6月間采取水位突降的調度措施能夠達到有效改善庫區水動力條件、加大南湖與北湖的水流連通性的目的,而這種水動力引起的庫區擾動對降低庫區營養鹽聚集、打破藻類結構,減少湖區的藻類生物量均具有明顯的效果。而長時間穩定的低水位運行并不利于庫區藻類防控,在水位調度方案制定時應盡量避免。因此以控制紅楓湖水體富營養化發生為目的水位調度,需創造有利于緩解或消除水體富營養的水動力條件,即從流速的角度考慮抑制藻類和從調度流量、時間的角度考慮降低營養鹽濃度,在一定程度上可以緩解因水動力條件差和營養鹽濃度較高造成的富營養化問題。