黃宇波,曹光榮,范向軍,楊 霞,舒衛(wèi)民,畢永紅

(1.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; 2.湖北省智慧水電技術(shù)創(chuàng)新中心,武漢 430000; 3.中國科學(xué)院水生生物研究所,武漢 430072)

0 引 言

三峽水庫是重要的淡水資源庫,水庫回水長度達660 km,庫容393億m3,有100多條支流,支流庫灣是水華易發(fā)區(qū)域。一些學(xué)者指出,削減營養(yǎng)負(fù)荷是控制水庫水華的治本之策,但由于支流營養(yǎng)負(fù)荷大部分來自干流補給,這一策略短期內(nèi)難以實現(xiàn)[1],而通過水庫調(diào)度破壞藻類生長的適宜條件,是抑制水庫水華的重要手段。早期一些研究認(rèn)為,可通過增加下泄流量、拉大流速來抑制藻類生長從而控制水華[2]。然而,原位監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,泄水期該手段對藻類生物量的抑制效應(yīng)不明顯,泄水后期葉綠素a濃度甚至出現(xiàn)上升,而蓄水期該手段能有效抑制庫灣水華[3]。支流存在異向分層流態(tài),蓄水過程中,水庫干支流間的水體交換程度增強,支流水體分層程度降低,且支流懸沙的含量增加,導(dǎo)致香溪河庫灣葉綠素a濃度在蓄水期間降低[4]。有學(xué)者提出加大電站日調(diào)節(jié),增加水位波動和干支流交換,促進庫灣污染物降解從而抑制藻類生長[5]。

通過年際比較發(fā)現(xiàn),水庫水位波動頻繁,水庫葉綠素a含量降低。劉德富等[6]提出通過“潮汐式調(diào)度”方式抑制水華,其原理是通過水位波動,增大混合層與真光層比值,消除水華。由于干支流存在水溫和泥沙密度差,三峽庫區(qū)支流普遍存在分層異重流現(xiàn)象,支流水體靠近河口分層弱,靠近上游水體分層強。研究發(fā)現(xiàn),分層異重流驅(qū)動下的混合層與臨界層的關(guān)系變化決定水華生消過程,混合層與真光層比例降低,導(dǎo)致水華暴發(fā),而水華的消退與混合層深度的增加有關(guān)[6],當(dāng)混合層深度與真光層比值>2.8時,可抑制三峽水庫水華[7]。通過現(xiàn)場監(jiān)測與水動力模擬,水位抬升對支流香溪河水華有抑制作用,且水位日變幅越大,抬升時間越長,抑制效果越好[8]。然而,這些研究多源于被動調(diào)度監(jiān)測結(jié)果,雖然明確了調(diào)度原理,但缺少結(jié)合發(fā)電、防洪等目標(biāo)的具體調(diào)度策略,沒有提出明確的調(diào)度閾值。目前開展主動調(diào)度抑制水華的研究較少。

小江是三峽庫區(qū)長江北岸流域面積最大的一級支流,距三峽大壩約247 km, 河長182.4 km, 流域面積5 173 km2,年均流量116 m3/s,三峽庫區(qū)境內(nèi)長度117.5 km,涉及三峽庫區(qū)開縣、云陽2個區(qū)縣眾多集鎮(zhèn)。本研究結(jié)合三峽水庫調(diào)度規(guī)程和已有研究成果,按照入庫流量>18 000 m3/s時,三峽水庫實施以3 d庫水位至少抬升2 m為主要策略的防控水華的生態(tài)調(diào)度,并進行跟蹤監(jiān)測,分析水庫調(diào)度對水環(huán)境和藻類的影響,評估防控水華的效果,為水庫水環(huán)境管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

以小江河口(XJ點)為重點,干流設(shè)置一個樣點CJ(離小江河口5 km之內(nèi)),小江支流樣點從下游往上游依次為XJ、HS02、HS01、GY02、GY01、QM02、QM01(圖1),其中XJ點在水深0.5、1、2、5、10 m分層監(jiān)測。

圖1 監(jiān)測樣點布置Fig.1 Layout of monitoring sites

1.2 樣品采集及分析

1.2.1 樣品采集

用25#浮游生物網(wǎng)采集定性樣品,并用適量4%甲醛進行固定,定量樣品在距離水面0.5 m處用5 L玻璃采樣器取定量樣品置于瓶中,加入1%魯哥氏液現(xiàn)場固定,樣品靜置,沉降并濃縮至30 mL,充分搖勻后吸取0.1 mL至浮游計數(shù)框[10],在顯微鏡下計數(shù),藻類鑒定參照文獻[11]。

1.2.2 分析方法

水體穩(wěn)定系數(shù)是評價水體垂向混合程度及水體分層狀態(tài)的參數(shù),水體穩(wěn)定系數(shù)越大,水體垂向越穩(wěn)定,越易形成分層水體;水體穩(wěn)定系數(shù)越小,越易形成混合水體。本研究中,以XJ樣點0～10 m 水層作為藻類生長的真光層,水體穩(wěn)定度以0～10 m水層的密度差與4 ℃和5 ℃純水的密度差的比值來計算,水體密度用水溫估算[12]。

為探究調(diào)度期間藻類多樣性的變化趨勢,計算Shannon-Wienner物種多樣性指數(shù)H′,公式為

(1)

式中Pi為統(tǒng)計時段內(nèi)物種i的數(shù)量在該時段采樣總數(shù)量中所占的比例。

監(jiān)測時間為6月24日—7月3日,采用Kruskal-Wallis秩檢驗,比較調(diào)度前期、調(diào)度期、調(diào)度后期水環(huán)境參數(shù)差異。用Pearson 相關(guān)分析探究水位和水庫環(huán)境的關(guān)系。采用逐步回歸分析篩選對藻類生物量影響最大的環(huán)境因子,并用冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)探究環(huán)境因子對不同藻類的影響大小。為探究水位、降雨等因素與水庫水環(huán)境和藻類生物量的關(guān)系,構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型,將逐步回歸分析篩選的相關(guān)參數(shù)代入模型并進行調(diào)整,使最終模型達到最優(yōu),用以解釋水庫調(diào)度和氣象因素對藻類生物量的影響路徑和影響程度。相關(guān)分析、逐步回歸分析在SPSS 13.0中完成,用Canoco5.0完成RDA分析,在R軟件中利用“l(fā)avaan”包構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同調(diào)度期環(huán)境因子變化

對所有監(jiān)測樣點進行分組,A為變動回水區(qū)(QM—GY段),B為常年回水區(qū)(XJ—HS段),C為長江干流對照點。整個監(jiān)測時段,6月25—28日水位持續(xù)抬升,日均水位從145.69 m升至148.62 m,6月29日之后維持在148.60 m左右。6月25—27日、7月1日均出現(xiàn)降雨,其中27日降雨量最大,達到41.5 mm(圖2(a))。將整個時段劃分為調(diào)度前期(6月24日)、調(diào)度期(6月25—27日)、調(diào)度后期(6月28日—7月3日)。6月25—28日水位持續(xù)抬升階段水柱表層與水下10 m的溫差較大,調(diào)度結(jié)束后,溫差減小,水體混合度增加(圖2(b))。

圖2 調(diào)度期間降雨量、水溫的變化Fig.2 Variation of rainfall and water temperature during reservoir operation

表1 水華調(diào)度不同時期環(huán)境因子Table 1 Environmental parameters during different operation stages

2.2 藻類動態(tài)變化

從藻類組成(圖3)來看,水華期間小江藻類以藍藻(Cyanophyta)為主,藍藻相對豐度占比均在80%以上,且從上游至下游,藍藻相對豐度占比從80.36%逐漸升高至97.67%,隱藻(Cryptophyta)、甲藻(Pyrrophyta)、硅藻(Bacillariophyta)、綠藻(Chlorophyta)相對豐度占比很低。

圖3 不同樣點藻類組成Fig.3 Algal composition at different sampling sites

在調(diào)度初始階段,常年回水區(qū)藻類葉綠素a濃度均值為58.33 μg/L, 達到中度水華標(biāo)準(zhǔn)[13],高于變動回水區(qū)(6.59 μg/L),長江干流藻類葉綠素a濃度維持在較低水平(0.05 μg/L)。6月28日后常年回水區(qū)葉綠素a濃度降至6.41 μg/L ,和變動回水區(qū)藻類葉綠素a濃度(5.15 μg/L)接近(圖4(a))。隨著調(diào)度進行,藻類多樣性指數(shù)逐漸上升,常年回水區(qū)多樣性指數(shù)從0.71升至1.66,變動回水區(qū)從0.85升至1.57;調(diào)度后期,藻類多樣性指數(shù)分別下降至0.64和0.41(圖4(b))。分組檢驗顯示常年回水區(qū)藻類生物量顯著高于變動回水區(qū)和長江干流(p<0.01)。常年回水區(qū)生物量均值與水位均值顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)r=-0.94,p<0.01, 統(tǒng)計量N=10),而變動回水區(qū)與長江干流對調(diào)度的響應(yīng)不明顯。總體上,藻類多樣性先升高后降低(圖3)。

圖4 不同區(qū)域藻類葉綠素a濃度與多樣性指數(shù)變化Fig.4 Chlorophyll a concentration and Shannon-Wiener diversity index in different areas

變動回水區(qū)在調(diào)度前后藻類葉綠素a濃度無顯著差異(圖4(c)),常年回水區(qū)調(diào)度后葉綠素a濃度顯著降低(p<0.01)(圖4(d))。

2.3 藻類與環(huán)境因子的關(guān)系

RDA分析(圖5)顯示,軸1和軸2共解釋了65.07%的藻類群落結(jié)構(gòu)變化,其中軸1主要與水溫、氮磷、COD濃度等水體理化特性有關(guān),而軸2主要與水位有關(guān)。水溫和磷酸鹽以及水位是藻類演替的重要因子。水溫的貢獻度超過50%,磷酸鹽次之,貢獻度達到17.3%,其次是水位,對藻類群落變化的貢獻度達到7.6%。RDA中,水位與水溫、COD負(fù)相關(guān),而與硝酸鹽氮正相關(guān)(表2)。

表2 環(huán)境因子RDA結(jié)果Table 2 Results of RDA on environmental factors

圖5 水華期間藻類與環(huán)境因子RDA結(jié)果Fig.5 RDA result of the relationship between algal community and environmental factors during water bloom

逐步回歸分析顯示,小江藻類生物量受氮磷、水溫、電導(dǎo)率和化學(xué)需氧量的影響,其中TN、COD、水溫與生物量正相關(guān),而與硝氮、磷酸鹽、電導(dǎo)率負(fù)相關(guān),以上環(huán)境因子共解釋了79%的藻類生物量變化(R2=0.79)(表3)。

表3 藻類生物量與環(huán)境因子逐步回歸分析Table 3 Stepwise regression analysis between algal biomass and environmental parameters

通過構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型,探討降雨以及水庫調(diào)度對水體環(huán)境因子和藻類的影響。模型相對擬合指數(shù)達到0.996,標(biāo)準(zhǔn)化殘差(SRMR=0.033)和均方根誤差(RMSEA=0.032)<0.05,說明模型擬合較好。結(jié)果顯示,降雨和水位調(diào)度對磷酸鹽的影響不顯著,但降雨和水位均與COD顯著負(fù)相關(guān),而COD與葉綠素a濃度呈顯著正相關(guān),并且水位抬升也能顯著降低葉綠素a濃度。

3 討 論

3.1 水位抬升過程緩解水華

水庫調(diào)度增強水體混合是水華防控的重要措施,其防控機制包括混合過程入流水體對藻類的稀釋效應(yīng),破壞藻類生長的適宜環(huán)境來抑制藻類增殖,以及在生理水平上影響藻類代謝。有學(xué)者提出了針對三峽水庫支流水華的“潮汐式”生態(tài)調(diào)度方案,利用水位波動抑制水華,通過歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析,水位抬升階段,抬升幅度達到0.5 m/d, 抬升時長≥5 d,葉綠素a濃度下降的概率大[14]。在福建省的水庫相關(guān)研究顯示,水位日變幅>2 m/月,能將藻類生物量控制在較低水平,且水位降低容易誘發(fā)藍藻水華[15]。Ye等[16]提出,水位日變幅與葉綠素a濃度具有較好的相關(guān)性,水位上升或者下降均能降低葉綠素a濃度,但水位上升抑制藻類水華的效果更明顯,持續(xù)的水位抬升,使倒灌異重流從中層移動至表層,從而降低支流表層水溫和穩(wěn)定分層[17]。本次防控水華生態(tài)調(diào)度,利用入庫流量小幅增加的有利條件,采取以水位抬升為主的抑制水華調(diào)度措施,日均水位升幅0.88 m,對小江回水區(qū)水華起到了較好的抑制作用,進一步證實水位抬升在防控水庫支流水華中的關(guān)鍵作用。

水位抬升增強干支流混合。監(jiān)測顯示,小江水華嚴(yán)重區(qū)域主要集中在黃石—河口段(圖1),常年回水區(qū)的生物量高于變動回水區(qū),同時高于長江干流生物量(圖4(a))。長江干流流速大,混合均勻,變動回水區(qū)主要受上游來流影響,而常年回水區(qū)受回水頂托呈湖泊態(tài),流速較低[18],透明度高于變動回水區(qū),因此三峽水庫支流庫灣常年回水區(qū)一般是水華敏感區(qū)域[19],同時常年回水區(qū)對庫區(qū)水位變動響應(yīng)最快。以往研究表明,增大水體混合是抑制藍藻水華的常用方法,效果好壞取決于混合強度[20]?；旌蠌姸鹊?可能會加劇水華程度,但是當(dāng)水體混合足夠打破藍藻競爭優(yōu)勢時,效果較好。監(jiān)測數(shù)據(jù)也顯示長江干流藻類生物量遠低于小江回水區(qū)生物量(圖4(a)),當(dāng)水庫水位逐漸抬升時,大量來自干流的水體進入常年回水區(qū),干支流水體混合使干流水體對水華區(qū)高密度的藻類產(chǎn)生稀釋,減弱水華強度。

與以往研究結(jié)論類似,大幅度和較長時間的水位抬升,通過干支流水體交換對支流高葉綠素a含量水體形成稀釋作用,同時減弱水體穩(wěn)定度,抑制藻類生長[4]。 Ji等[8]從水動力角度總結(jié)了水位抬升對藻類水華的影響大致分為兩類,當(dāng)抬升幅度較小,干支流水體交換較弱,水循環(huán)的范圍很小,不至于破壞庫灣分層,這種情形下對水華的抑制不明顯。隨著抬升幅度的增大,在支流形成較大范圍的逆時針環(huán)流模式,干支流水體交換增強,當(dāng)水位日變幅高于0.2 m/d時,能有效抑制水華。通過CE-QUAL-W2 模型分析,水位日變幅上升或下降均能降低庫灣TN濃度,對控制水華有利[21]。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)三峽水庫水位日抬升1.0～1.5 m時,即能使支流庫灣形成中、上層水體流入庫灣,下層水體流出庫灣的水循環(huán)過程[4],能有效抑制藻類生物量。通過對小江監(jiān)測藻類監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),水位日變幅在-1～1 m/d時,日變幅越趨近于0,葉綠素a濃度出現(xiàn)峰值的頻率越高[22]。因此,單獨依靠三峽水庫0.2 m/d的日變幅,對水華的影響可能較弱。也有學(xué)者指出,當(dāng)干流水位日變幅達到3.8 m/d時,能顯著打破支流庫灣水溫分層,抑制香溪河庫灣水華[23]。然而,考慮到發(fā)電、航運等需求,這一水位變幅在常規(guī)調(diào)度中很難實現(xiàn)。在大寧河調(diào)查發(fā)現(xiàn),水位日變幅<0.25 m/d時,難以破壞庫灣水溫分層,對藻類生長抑制不明顯[24]。這些研究表明,較小的水位變幅并不能達到控制水華的效果,較大水位變幅則與常規(guī)調(diào)度存在一定沖突。本研究在認(rèn)識到水位抬升能夠抑制水華的基礎(chǔ)上,進一步結(jié)合調(diào)度規(guī)程,與發(fā)電、航運、水資源利用等調(diào)度條件相協(xié)同,提出當(dāng)來水達到18 000 m3/s時,以3 d至少2 m的幅度抬升水位,高于以往文獻提出的抑制水華的最低水位日變幅閾值,同時又使這一調(diào)度條件具備可操作性,在不影響水庫其它功能的情況下最大限度發(fā)揮抑制水華的調(diào)度效果。

水華期間微囊藻為優(yōu)勢藻種,調(diào)度前期,藻類多樣性指數(shù)較低,而隨調(diào)度進行,藻類多樣性指數(shù)增加(圖4(b))。調(diào)度前期,穩(wěn)定的水位條件下,形成微囊藻水華,與其自身生理特性有關(guān)。微囊藻對高溫具有較好的適應(yīng)性,光飽和點低,能在弱光條件下高效進行光合作用,并且能抗強光損傷,在中性或堿性環(huán)境中,都能進行活躍的光合作用[25]。富營養(yǎng)化水體中,微囊藻具有生長優(yōu)勢,因為微囊藻具有偽空胞,能進行浮力調(diào)節(jié),在藻密度較高的條件下,通過調(diào)節(jié)獲取更多光照,因而相比于其它藻類有競爭優(yōu)勢[26]。調(diào)度后期水體穩(wěn)定度降低(圖6),說明調(diào)度打破了穩(wěn)定的水力條件,另一方面推測一定幅度的水體混合作用抵消了微囊藻的浮力調(diào)節(jié),進而削弱了藍藻的競爭優(yōu)勢,抑制藍藻水華的擴張[27]。

圖6 調(diào)度期間水體穩(wěn)定度的變化Fig.6 Variation of water stability during the operation

3.2 調(diào)度的綜合效果

水庫調(diào)度可以改變水體環(huán)境、抑制水華。本研究結(jié)果顯示,水庫調(diào)度后,水溫、電導(dǎo)率、pH值、總氮濃度顯著降低,TP、硝氮濃度升高(表1)。降雨顯著降低水溫,抑制水華藻類生長,促進水華消退(表1)。逐步回歸分析表明,藻類生物量與氮磷營養(yǎng)鹽、水溫、電導(dǎo)率等因素有關(guān)。充足的營養(yǎng)鹽基礎(chǔ)、較強的水體穩(wěn)定性以及較高水溫的前提下,水華發(fā)生前期較低的氮磷比、較高的光照強度可能是微囊藻復(fù)蘇的誘導(dǎo)因子[28]。RDA結(jié)果顯示,水位、水溫、硝氮、磷酸鹽、濁度、COD是顯著影響藻類群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子,水溫的貢獻度最大,水位的貢獻度僅次于水溫和磷酸鹽(表2)。其中,水位與水溫、COD、磷酸鹽、濁度負(fù)相關(guān)。路徑分析顯示,水位對藻類生物量有直接的抑制作用(圖7)。模型研究發(fā)現(xiàn),水位抬升能降低庫灣水體水溫,而水位消落則產(chǎn)生相反的效果,水位變化降低庫灣TN濃度[21]。說明水位抬升直接抑制水華或者通過間接降低水溫和營養(yǎng)鹽來改變藻類增殖的環(huán)境條件,控制水華。

注:數(shù)據(jù)代表相關(guān)系數(shù)。

4 結(jié) 論

(1)一定幅度水位抬升調(diào)度對三峽水庫小江常年回水區(qū)水華抑制明顯,藻類生物量顯著降低,由調(diào)度前期的58.33 μg/L降至調(diào)度后期的6.41 μg/L。

(2)RDA和路徑分析均顯示,水位抬升對藻類生物量有直接抑制作用,水位抬升可通過長江干流對支流回水區(qū)的稀釋,或者降低COD、磷酸鹽濃度,降低水溫,抑制藻類水華。