張 晨，陳孝軍，王立義，高學(xué)平

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市引灤工程于橋水庫管理處，天津 301900；3. 天津市水利局引灤工程管理處，天津 301900)

近年來 的研究成果表明，沉水植物對富營養(yǎng)化水體水質(zhì)具有一定凈化效果[1-4]．但是，一些草型湖泊、水庫存在草型富營養(yǎng)化問題，在短時間內(nèi)沉水植物過度生長使水體水質(zhì)惡化，影響水利工程的正常運行，甚至危及人民飲水安全，如山東的南四湖、內(nèi)蒙古的烏梁素海和哈素海、天津的于橋水庫和爾王莊水庫等都出現(xiàn)沉水植物瘋長的現(xiàn)象．

國內(nèi)關(guān)于草型富營養(yǎng)化的研究成果較少，尚士友等[5-6]利用沉水植物收割工程技術(shù)對草型湖泊進行治理，以機械化方式適度控制了烏梁素海草型富營養(yǎng)化；顧久君等[7]通過對烏梁素海菹草腐爛分解過程的研究表明，植物體內(nèi)氮、磷的釋放速率隨水中營養(yǎng)鹽濃度升高而增加．國外涉及草型富營養(yǎng)化的研究已取得了一定的成果．Miranda等[8]、Frodge等[9]揭示了草型富營養(yǎng)化淺水水庫中沉水植物覆蓋范圍與水體溶解氧濃度之間的關(guān)系．Roman等[10]通過實驗證實了草型富營養(yǎng)化湖泊水質(zhì)惡化主要受沉水植物過度生長影響．Coops等[11]介紹了荷蘭兩座草型富營養(yǎng)化湖泊通過抑制沉水植物生長從而使湖泊水質(zhì)得到改善，并證實改變水下光照條件能有效抑制沉水植物生長．

本文通過分析于橋水庫草型富營養(yǎng)化特征，研究菹草過度生長對水庫水質(zhì)的影響，探究于橋水庫菹草瘋長發(fā)生成因，提出抑制菹草過度生長、防治草型富營養(yǎng)化的措施，為安全供水提供參考依據(jù)．

1 于橋水庫草型富營養(yǎng)化特征

于橋水庫位于天津市薊縣城東4,km、薊運河左支流州河上游出山口處，北緯 40°02′，東經(jīng) 117°25′，庫區(qū)由東向西傾斜(見圖1)．作為引灤入津工程的調(diào)蓄水庫，總庫容15.59×108,m3，興利庫容為3.85×108m3，正常蓄水位21.16,m(大沽)，正常蓄水位水面面積86.8,km2，平均水深4.5,m．引灤通水26年來，于橋水庫水體營養(yǎng)狀態(tài)已呈中度富營養(yǎng)水平[12]，其中氨氮、總氮、總磷屬水庫無機污染物，1993—2006年的年均入庫負荷分別為651.9,t、4,534.4,t和246.5,t；用高錳酸鹽指數(shù)表征有機污染物，其年均入庫負荷為2,965.6,t.

根據(jù)薊縣水產(chǎn)局 2006—2007年水生植物調(diào)查，于橋水庫大型水生植物有 21種，分屬于 14科 13屬．按水生植物生態(tài)類型分類，有挺水植物 6種，浮葉植物2種，沉水植物13種．于橋水庫大型水生植物的優(yōu)勢種為菹草(Potamogeton crispusLinn.)、狐尾藻(Myriophyllum spicatumLinn.)、眼子藻(Potamogeton malaianusMiq.)、荇菜(Nymphoides peltata(Gmel)O.Kuntze.)、野菱(Trapa inciseSieb. et Zucc.)和蘆葦(Phragmites communisTrin.)等．

圖1 于橋水庫監(jiān)測點分布狀況Fig.1 Distribution of monitoring sections in Yuqiao ig. Reservoir

調(diào)查結(jié)果顯示：2006年 5月菹草在庫區(qū)為絕對優(yōu)勢種，約占水庫總面積的 35%～61.5%，即約 30～53,km2，荇菜和野菱面積共約 8.3%，庫區(qū)菹草植株數(shù)量約占總數(shù)的 80%，生物濕重分別為菹草 2.8～4.6,kg/m2、荇菜 0.5,kg/m2、野菱 0.3,kg/m2；6 月菹草開始衰敗并腐爛，在河道內(nèi)和岸邊大量堆積，動用大量人力物力進行清除．2006年6月，荇菜、狐尾藻、穿葉眼子藻約占 3.25,km2，生物濕重分別為荇菜 0.6～3.4,kg/m2、狐尾藻 0.45～3.5,kg/m2、眼子藻 0.20～0.45,kg/m2．于橋水庫草型富營養(yǎng)化特征顯著，5—6月庫區(qū)菹草超過水庫面積的 30%，生物量大于2,kg/m2，屬過度生長．庫區(qū)水域均有菹草生長，水深在 2.0,m以下的淺水水域菹草密度較大，主河道中心水域密度較小，沿主河道向兩側(cè)呈條帶狀分布，距主河道越遠分布密度越大．于橋水庫菹草的發(fā)育歷期基本一致，一年內(nèi)，菹草生物量累計曲線呈單峰型，4月中旬至5月中旬為指數(shù)生長期，5月中旬至6月中旬為芽殖體發(fā)生期，該期生物量為高峰期．

2 材料與方法

參照《水庫漁業(yè)資源調(diào)查規(guī)范》(SL 167—1996)中大型水生植物調(diào)查規(guī)范，選擇密集區(qū)、一般區(qū)和稀疏區(qū)布設(shè)9個采樣點，用GPS定位，如圖1所示．2006年5月12日和6月28日進行了2次調(diào)查采樣．

采用現(xiàn)場監(jiān)測的方法記錄于橋水庫水位和各水質(zhì)指標濃度．監(jiān)測斷面為庫心、庫北、庫西、庫東和放水洞．監(jiān)測指標包括溶解氧 DO、pH 值、高錳酸鹽指數(shù)CODMn、總氮TN、總磷TP、透明度和水溫．太陽輻射強度數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)．

用碘量法(GB 7489—87)測定溶解氧；用玻璃電極法(GB6 920—86)測定 pH 值；用酸性高錳酸鉀氧化法(GB 11892—89)測定高錳酸鹽指數(shù)；用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894—89)測定總氮；用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—89)測定總磷；用塞氏盤法(SL 87—1994)測定透明度．

3 菹草過度生長對水庫水質(zhì)的影響

3.1 對溶解氧和pH值的影響

過度生長的菹草占據(jù)了大量水體空間，生長旺盛期因光合作用強烈，出現(xiàn)水體溶解氧過飽和現(xiàn)象，同時菹草吸收水中大量CO2造成庫區(qū)pH值驟然升高．

2006年5—6月于橋水庫各監(jiān)測斷面DO和pH值見圖2．由圖2可知，5月中旬至6月上旬，菹草生長旺盛，于橋水庫溶解氧急劇升高，由 6,mg/L升至8～9,mg/L，pH值亦急劇升高，由8.5左右升至 10左右；進入6月中旬，菹草開始衰敗死亡，溶解氧逐漸降低，pH值也隨之降至8.5．

圖2 于橋水庫各監(jiān)測斷面DO和pH值變化曲線Fig.2 Variations of DO and pH in each monitoring section in Yuqiao Reservoir

3.2 對高錳酸鹽指數(shù)和營養(yǎng)鹽的影響

盡管菹草在生長期攝取水體和底質(zhì)中大量營養(yǎng)鹽，對凈化水質(zhì)有一定作用，但其死亡后腐敗分解，消耗溶解氧，釋放出大量的氮和磷，造成菹草聚集區(qū)高錳酸鹽指數(shù)和營養(yǎng)鹽濃度升高，水體變黑發(fā)臭，魚類大量死亡，水體二次污染．

2006年 5—6月于橋水庫各監(jiān)測斷面 CODMn、TN和TP變化曲線如圖3所示．由圖3可知，CODMn濃度由 5月中旬的 3.5,mg/L上升至 6月中旬的5,mg/L左右，其原因為 6月中旬菹草進入植株衰亡期，在腐敗分解過程中釋放的有機物消耗溶解氧使CODMn濃度升高．6月初至 6月中旬，菹草衰亡后釋放營養(yǎng)鹽，水體營養(yǎng)鹽負荷進一步加大，TN由2.22,mg/L升高至2.57,mg/L，TP由0.02,mg/L升高至0.06,mg/L，分別提高了 15.8%和 200%．6月 6日和 7日，由于大量死亡的菹草隨水流運動至出水口，致使放水洞附近CODMn、TN和TP濃度劇然升高，分別至7.3,mg/L、2.89,mg/L和0.08,mg/L，短期內(nèi)惡化供水水質(zhì)，待完成打撈作業(yè)后，濃度分別恢復(fù)至 4,mg/L、2.10,mg/L和 0.03,mg/L，惡化的水質(zhì)狀況與打撈后相比，分別提高了 82.5%、37.6%和 167%．分析結(jié)果表明，水草衰亡釋放的高營養(yǎng)鹽和有機質(zhì)對水質(zhì)影響較大，時間自6月8日—13日，持續(xù)1周．

圖3 于橋水庫各監(jiān)測斷面CODMn、TN和TP變化曲線Fig.3 Variations of CODMn，TN and TP in each monitoring section in Yuqiao Reservoir

綜上所述，于橋水庫草型富營養(yǎng)化特征顯著，5—6月菹草過度生長影響水庫供水水質(zhì)安全．5月中旬至6月上旬是菹草生長期，于橋水庫水體 DO 濃度、pH值急劇升高，CODMn、TN和TP濃度略有下降，適量生長對水體有一定凈化作用，但過度生長影響水庫安全運行；進入6月中旬菹草死亡腐敗期，水體DO濃度、pH 值降低，CODMn、TN和TP濃度升高，營養(yǎng)鹽含量升高，水質(zhì)狀況惡化程度近1倍，持續(xù)時間約為1周．

4 菹草過度生長成因分析

光照、營養(yǎng)物質(zhì)和水溫為菹草生長提供能量，是影響菹草生長率的關(guān)鍵因素．于橋水庫呈中度富營養(yǎng)水平，就菹草而言，營養(yǎng)物取之不盡，故導(dǎo)致于橋水庫出現(xiàn)菹草瘋長現(xiàn)象的主要原因是光照強度(太陽輻射強度)、透明度、水深和水溫等條件．

4.1 光照、透明度和水深因素

根據(jù) Lambert-Beer定律，當入射光的波長、介質(zhì)溫度一定時，介質(zhì)的吸光度 A(%)與介質(zhì)厚度 L(m)和濁度C(JTU)呈正比的關(guān)系，數(shù)學(xué)表達式為

式中： Ei為入射光照度，lx；Et為透過光照度，lx；μ為吸光系數(shù)．

為了便于分析某一水深下的太陽輻照度，對式(1)進行變換，可得

式中： E(H)為水深 H 處的太陽輻照度，W/m2；oE為水面處的太陽輻照度，W/m2；H 為水深，m；μe為由透明度確定的吸光系數(shù)，取值范圍為0.2～4.0,m-1[13]．μe反映的物理意義是在水深一定時，透明度越高，該水深處的太陽輻照度越強，故μe與透明度呈反比，文中定義為透明度的倒數(shù)．由式(2)可知，水下太陽輻照度與水深呈負指數(shù)關(guān)系，且消減的快慢與水體透明度有關(guān)，即水下太陽輻照度隨著水深的增加而減少，且透明度越低沿水深方向消減越快．

于橋水庫 4—6月水位、庫心透明度和水下太陽輻照度變化曲線如圖 4和圖 5所示，數(shù)值列于表 1中．由圖表可知，4月水位略有升高，升高了 0.66,m，水下太陽輻照度 E ( H )沿水深方向遞減，但由于透明度隨水深升高而增高，消減減慢，且水面 Eo從171.7,W/m2提高到 208.5,W/m2，故水下 E ( H )有所提高，平均每米提高25.5%，河底處 E ( H )從8.9,W/m2提高到 12.5,W/m2，提高了 40.4%；5月 1日—16日，水位升高了 0.59,m，透明度隨水深升高而增高，水面 Eo基本不變，水下 E ( H ) 也變化不大，河底處 E ( H ) 從12.5,W/m2提高到 12.8,W/m2，提高了 2.4%；5月 16日—6月 1日，水位升高了 0.68,m，由于菹草生長繁密，透明度降低，水下 E ( H )沿水深方向消減增快，雖然水面 Eo從 198.7,W/m2提高到 259.4,W/m2，但水下E( H )有所降低，平均每米降低 10.0%，河底處 E ( H)從 12.8,W/m2降低到 3.8,W/m2，降低了 70.3%；6月 1日—15日，水位升高了0.42,m，由于6月中旬菹草死亡后進行了打撈工作，透明度有所回升，水面 Eo基本不變，水下 E ( H )有所提高，平均每米提高 32.6%，河底處 E ( H )從 3.8,W/m2提高到 13.1,W/m2，提高了245%；6月15日—30日，水位降低了0.31,m，透明度隨水位降低而降低，水下 E ( H )沿水深方向消減增快，雖然水面 Eo從 251.5,W/m2提高到 297.7,W/m2，但水下 E ( H ) 有所降低，平均每米降低 7.5%，河底處E( H )從13.1,W/m2降低到5.5,W/m2，降低了58.0%．

以上分析結(jié)果表明，于橋水庫菹草指數(shù)生長期內(nèi)(4月中旬—5月中旬)水下太陽輻照度充足，在11.7,～208.5,W/m2之間，菹草攝取充分的光照和營養(yǎng)快速生長；芽殖體發(fā)生期內(nèi)(5月中旬—6月中旬)雖然水下太陽輻照度出現(xiàn)降低趨勢，在 3.8～259.4,W/m2之間，但大部分時間仍然滿足菹草生長所需的光照條件，菹草瘋長．同時，不難發(fā)現(xiàn)，當透明度一定時，水位越高，水下太陽輻照度越低，菹草所能獲得的光照能量越少．

4.2 水溫因素

春季 3、4月份的于橋水庫庫心水溫監(jiān)測值如表2所示．由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，4月水溫處于 10～15,℃，菹草的最適溫度范圍正是 10～20,℃[14]，菹草迅速生長，而其他沉水植物的最適溫度為 20～30,℃；5月水庫絕大空間內(nèi)開始繁育芽殖體，占絕對優(yōu)勢種，而此時其他物種才先后萌發(fā)，處于弱勢種群；6月中旬，隨著水溫的逐漸升高，菹草植株先后死亡、解體，芽殖體沉入水底越夏休眠．

圖4 2006年4—6月于橋水庫水位和庫心透明度變化曲線Fig.4 Variations of water level and water transparency in Fig.4 center monitoring section during April—June 2006

圖5 庫心水下太陽輻照度隨水深和透明度變化曲線Fig.5 Variations of light intensity with depth and transparency in center monitoring section

表1 2006年4—6月于橋水庫水位、庫心水深、透明度、μe和Eo值Tab.1 Hydraulic variables in center monitoring section during April—June 2006

表2 2006年3月、4月于橋水庫庫心水溫監(jiān)測值Tab.2 Temperature monitoring values in center monitoring section during March—April 2006

綜上所述，由于于橋水庫光照強度、透明度、水深和水溫條件均有利于菹草生長，使得菹草在快速生長階段時間和空間上無競爭對手，導(dǎo)致菹草可以充分利用水庫空間范圍內(nèi)的各種資源，種群得以充分發(fā)育，占盡優(yōu)勢，過度生長使于橋水庫草型富營養(yǎng)化越發(fā)嚴重．同時，4月是控制菹草過度生長的關(guān)鍵時期．

5 討 論

通過上述分析，針對于橋水庫草型富營養(yǎng)化特征及菹草瘋長原因，可考慮采取提高水位、改變高水位運行時間等措施來抑制菹草過度生長、防治草型富營養(yǎng)化，具體方法如下所述．

通過優(yōu)化于橋水庫調(diào)度運行方案，提高水位、改變高水位運行時間，抑制菹草過度生長．近年來，經(jīng)隧洞、黎河段引灤河水入于橋水庫的周期比較穩(wěn)定，每年分2次調(diào)水，一次4月底至6月初，一次9月底至12月初，調(diào)水量7×108m3左右；于橋水庫向下游市區(qū)縣輸水基本上常年運行，平均每天輸水約 163×104m3(18.93,m3/s)．統(tǒng)計表明，多年汛前引水量2.0×108m3，引水 45天，日均入庫水量 500×104m3、出庫水量150×104m3．考慮到3—4月份是菹草生長關(guān)鍵時期(返青期)，可將調(diào)水日期控制在每年3月中下旬至5月上旬，即將第1次調(diào)水期提前20天或1個月，以增加水庫蓄量，使水位提高 0.6～1.0,m，如表1中2006年4月1日和4月15日水位提高1,m，假設(shè)透明度保持不變，水下太陽輻照度將降低 56.5%，大大降低菹草所需的光照能量，從而抑制菹草過度生長．

菹草生長需要攝取營養(yǎng)鹽和光能量，一方面，入庫的2×108m3水量，通過水體交換，降低了水體和底質(zhì)中營養(yǎng)鹽含量；另一方面，庫水位提高了 0.6～1.0,m，水下光照將減少 1/2左右，消減了菹草吸收的能量．同時，引水期間入庫水流流速較大，對菹草生長有一定破壞作用．因此，在菹草生長到成熟期以前即返青期，提高庫水位，改變高水位運行時間是抑制菹草過度生長、防治草型富營養(yǎng)化的有效措施之一，但仍需對調(diào)水量、水庫水位及抑制效果做進一步系統(tǒng)地研究．

6 結(jié) 論

(1) 6月中旬，過量菹草衰亡釋放的高營養(yǎng)鹽和有機質(zhì)對水質(zhì)影響較大，惡化程度近 1倍，持續(xù)時間約為 1周．研究表明，導(dǎo)致于橋水庫出現(xiàn)菹草過度生長現(xiàn)象的主要原因是光照度(太陽輻照度)、透明度、水深和水溫等條件．

(2) 4月是控制菹草過度生長的關(guān)鍵時期，對Lambert-Beer定律公式進行變換，得到水下太陽輻照度與水深呈負指數(shù)關(guān)系，提出采用提高水位、改變高水位運行時間抑制菹草過度生長的新方法．

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