香溪河库湾春季藻华生长的影响因子分析

孔 松 刘德富，2 纪道斌 李 媛 杨正健

（1.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002；2.三峡大学三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002）

三峡水库蓄水后，支流由于受到干流高水位的顶托作用，河道变宽，流速迅速减缓，处于准静止状态（小于0.1m／s）［1].库湾水体中氮、磷等营养物质聚积［2－3]，为藻类生长提供了大量养料，特别是春季，水温升高，光照良好，藻类迅速生长［4－5]，导致水体混浊，透明度下降，水质变坏，水体富营养化程度较高，出现水华现象［6－7].大量的观测发现，气温、水温、光照和氮磷营养等单因子与藻类生长率之间存在一定关系［8－10]，水流速度对藻类生长也存在显著影响［11].本文利用2007年2～5月在三峡水库香溪河库湾及其支流每周监测的大量资料，分析对藻类生长有显著影响的因子，并建立了流速与藻类生长关系模型.在此基础上，分析香溪河库湾水华暴发的机理并对香溪河库湾水华进行初步预报.

1 材料与方法

1.1 香溪河概况

香溪河系长江三峡水库湖北库区内第一大支流，发源于湖北省西北部神农架林区，流经兴山县、秭归县，于香溪镇注入长江.香溪河干流长94km，流域范围110°25′～111°06′E、30°57′～31°34′N ，流域面积3 099km2.

1.2 采样点的设置

香溪河的主干流上从香溪河口至高阳镇设置12个采样断面，如图1所示，其编号分别为XX00～XX11；另外在香溪河的3个支流平邑口，高岚河和屈原河上分别设一个点，其编号分别为PY，GL、QY.于2007年2月25日～5月14日期间进行现场采样、监测，每7d进行一次，共计12次.

图1 香溪河库湾采样点分布

1.3 监测指标及方法

主要监测指标包括水位、流速、流量、水温、浊度（Turbidity）、电导率（Cond）、pH、溶解氧（DO）、总氮（TN）、硝 酸 盐 氮 （NO3－N）、氨 氮 （NH4－N）、总 磷（TP）、正磷酸盐（PO4－P）、可溶性硅酸盐（SiO3－Si）、叶绿素（Chl.a）.

水位、流量由兴山县水文站提供；流速采用“威龙”声学多普勒点式流速仪（挪威）测定；水温（Temp）、电导率（Cond）、溶解氧（DO）、pH 值、浊度（Turbidity）、叶绿素（Chl.a）等参数采用 YSI多参数水质监测仪测定.在各监测断面取表层水（0.5m），储存于2个洁净的350ml聚乙烯瓶中，根据《水和废水分析方法》（第4版）［12]对采集的水样一瓶加酸至pH＜2，用于测定总氮（TN）、硝酸盐氮（NO3－N）、氨氮（NH4－N）、总磷（TP）浓度，一瓶经醋酸纤维滤膜（孔径0.45μm）过滤，滤膜低温干燥，用于室内实验室采用分光光度法测定叶绿素a（Chl.a）的浓度，过滤后的水样用于测定正磷酸盐（PO4－P）和可溶性硅酸盐（SiO3－Si）浓度.

2 结果与分析

2.1 香溪河库湾营养状态分析

用SPSS13.0软件对获取的数据进行探秩分析，去除奇异值，对有效值进行分析，得到香溪河库湾各样点各因子的基本统计学特征，结果见表1.由表可知2007年3～5月期间调查的水温范围为10.89～22.41℃，电导率在0.21～0.39ms／cm 之间，溶解氧在0.61～21.50mg／L之间，pH 值在5.56～13.92之间，浊度在0.04～1 101.21NTU之间，测定叶绿素a浓度在0.02～302.98μg／L之间，总磷在0.03～0.82mg／L之间，正磷酸盐在0.01～0.60mg／L之间，氨氮在0.06～1.51mg／L之间，总氮在0.24～4.83mg／L之间，硝氮0.04～1.75mg／L之间，可溶性硅酸盐在0.59～7.48mg／L之间，实测流速在0.01～0.60m／s之间，平均值接近0.09m／s.

表1 香溪河库湾各样点各因子的基本统计学特征

参照《地表水环境质量标准基本项目标准限值（GB3838－2002）》中总氮和总磷含量分级标准，香溪河库湾水体介于III类（TN≤1mg／L，TP≤0.2mg／L）与IV类（TN≤1.5mg／L，TP≤0.3mg／L）之间.根据郑炳辉、张远等［13]对三峡水库的水体敏感类型界定，香溪河为湖泊类型.参考其制定的三峡水库营养状态评价标准（见表2），香溪河总氮、总磷均值均达到重富营养范畴.

表2 三峡水库库区营养状态评价标准（湖泊型）

谢平等［14]在研究汉江水华时发现通过富营养化动力学模型对藻类生长所必需的营养条件进行调试，当水体总氮浓度高于1.0mg／L、总磷浓度高于0.07 mg／L时，营养条件已经基本满足藻类生长的需求，香溪河总氮、总磷浓度均值都高于这个临界值.根据郑炳辉、张远等［13]对处在藻类临暴发和暴发阶段的营养状态评价指标进行的阈值分析，香溪河的氮、磷完全满足藻类生长的需求且已经达到富营养化暴发阈值.当其它环境条件以及水动力条件满足时，即有可能出现藻类的暴发式生长现象，即发生“水华”.

2.2 香溪河库湾各因子时空分布特征

为更清楚的反映香溪河库湾空间根据各样点叶绿素a、水温、浊度（Turbidity）、电导率（Cond）、pH、溶解氧（DO）、总氮（TN）、硝酸盐氮（NO3－N）、氨氮（NH4－N）、总磷（TP）、正磷酸盐（PO4－P）、硅（SiO3－Si）等环境因子的相似性可将所有采样点分成6组（如图2所示），参考离河口的距离，定义第一组包括XX00，第二组包括XX01，第三组包括XX02～XX05和屈原河（QY），第四组包括XX06～XX10和高岚河（GL），第五组包括 XX11，平邑口（PY）为第六组.从样点分布聚类图可以看出，各分组在空间上保持较好的连续性.第三组和第四组较其他组距离较大，组内各参数的相似性较高，而接近河口的河段以及接近河流态的河段由于受到的扰动较大，各自成组.

图2 香溪河库湾各样点聚类分析结果

各组叶绿素a浓度变化如图3所示，从图中可以看出，香溪河叶绿素a分布具有较显著的空间差异，且75%分布概率水平在20mg／m3左右，说明香溪河库湾在监测期间，叶绿素a平均水平并不高.同时，Group2～Group4叶绿素a在监测期间变化较显著.

图3 叶绿素a浓度沿香溪河的空间分布图

由图4可知，总磷和正磷酸盐浓度的分布趋势相同，从河口到回水末端逐渐增加，在香溪河的一个小支流PY出现最大均值.Group1和Group2总磷、正磷酸盐浓度较其他河段变化不显著.总氮和硝氮浓度的分布趋势一致，表现为从河口到回水末端逐渐减小，最大值分别出现在PY和Group1.从25%～75%分布概率看，硝氮的变化较总氮显著.而可溶性硅酸盐和氨氮的空间变化不是很显著.从50%的分布概率与各均值比较看，所监测的6种营养指标在绝大多数范围内表现为50%概率浓度大于均值，充分说明香溪河的营养指标一直保持较高水平.

图4 营养指标浓度沿香溪河空间分布图

图5反映了各因子沿香溪河的空间分布规律，由图知，水温在空间上差异不显著，在河口Group1和回水末端Group5稍低，分别受长江和上游天然来水的影响所致.浊度则表现出离河口越近，值越小，25%～75%的分布概率也有同样趋势，足以说明浊度主要受上游来水的影响较大.其它指标（电导率、溶解氧、pH）受叶绿素a的影响较大，有明显变化.流速以Group5和Group6较小，即库湾上游区域流速较小.

图5 环境因子及水动力因子沿香溪河空间分布图

3 讨 论

3.1 香溪河库湾春季水华暴发期环境因子与藻类生长的关系

3.1.1 香溪河库湾环境因子对藻类生物量的影响

根据聚类的结果将各组内的数据进行算数平均，采用Kendall相关系数计算因子间相关系数.

表3反映了香溪河库湾主要环境因子与藻类生物量的相关关系.香溪河库湾水体的环境因子对叶绿素a有着间接或直接的影响.叶绿素a与NO3－N显著负相关，与DO和pH显著正相关.营养盐往往是藻类生长的限制因子，而从表3中可以看出，总磷和正磷酸盐与藻类生物量之间没有显著的相关关系，进一步表明，香溪河库湾磷营养盐是充足的，不是藻类生长的限制因子.

表3 香溪河库湾环境因子与叶绿素a的秩相关关系

3.1.2 香溪河库湾藻类叶绿素a与环境因子的逐步回归统计

在特定的水体中，环境因子对藻类的影响作用各不相同［15]，多元逐步回归统计可以筛选出相对重要的因子，建立多元线性回归方程，并可进行方程显著性检验.表4是香溪河库湾叶绿素与环境因子的逐步回归统计结果.结果表明，各样点筛选出的对藻类生长有显著影响的因子各不相同.溶解氧在能建立回归方程的3个分区 Gorup2（XX01）、Group4（XX06～XX10）以及库湾平均值都入选为显著因子且都为正相关.由于藻类等光合作用释放氧而影响水体溶解氧的变化［16]，所以溶解氧与叶绿素a相关关系显著.Group3（XX02～XX05）中有3个因子入选，分别是TP、PO4－P和 NH4－N，其中 TP和 NH4－N为正相关，PO4－P为负相关.Group4有两个因子入选，分别是DO和pH，pH为正相关，而库湾平均值则有4个因子入选，分别是DO、pH、NO3－N和SiO3－Si，均为正相关.其中，DO和pH指标与藻类生理特性相关［16]，不作为影响叶绿素a浓度变化的控制因子，则香溪河库湾藻类生长可能主要受NO3－N和SiO3－Si的影响.

表4 香溪河库湾叶绿素a与环境因子的逐步回归统计结果

续表4 香溪河库湾叶绿素a与环境因子的逐步回归统计结果

3.2 香溪河库湾春季水华暴发期水动力特性及与藻类生长的关系

藻类生长所必须的环境条件包括：富足的营养条件，缓慢的水流流态和适宜的气候条件［17].有研究认为三峡水库支流库湾富营养化，主要是由于水库蓄水后，其水环境条件尤其是水动力条件发生显著变化，从而在一些支流出现藻类疯长以至发生水华现象［11，18].所以有必要探讨水动力条件对藻类生长的影响特点以及藻类的时空分布对水文水动力的响应规律.

采用SPSS 13.0软件对监测结果进行分析，以线性相关系数和秩相关系数衡量流速（V）与藻类生物量（Chl.a）之间的相关关系（表5）.经分析，两种秩相关分析结果是一致的.0.5m和10m的流速和Chl.a相关关系不显著，而2m和5m的流速（V）和叶绿素（Chl.a）均存在显著的相关关系，且2m的流速和叶绿素的相关关系更为显著，故选择各断面2m深度的流速代表该断面的流速分析与藻类生长之间的关系.

表5 叶绿素a与分层流速的相关关系

根据各样点2m、5m、10m深度的平均流速大小的相似性可将所有采样点分成4组，如图7所示（注：为了作图的方便，图中XX00～XX11简写成X00～X11）.其中第1组包括 XX01、XX02、XX03、XX06、XX08、XX09和 XX10，流速范围为0.05～0.1m／s；第2组包括XX04、XX05、XX07、GL、PY和QY，流速范围为V＜0.5m／s；第3组包括XX00，第4组包括XX11，流速V＞0.1m／s.对照图6空间分布图中可以看出，XX00样点靠近香溪河河口，与长江干流水体交换频繁，受到的扰动较大，故测得的流速较大.XX11样点处于香溪河库湾上游，上游来水的汇入致使该点的流速也较大.而香溪河的小支流来水都不大，受到香溪河主干流的顶托，流速都较小，处于准静止状态.而香溪河库湾在XX05和XX07两样点断面突然变宽，故流速也较相邻断面变小.其它断面流速基本处于相同水平.

根据各样点的叶绿素和平均流速的相似性可将所有样点分成5组，如图9所示，将所分结果与图7比较，发现考虑叶绿素和流速双因子的聚类图与平均流速聚类图有着较好的重合性.结合图8发现，在干流XX00～XX11以及支流PY、QY流速与叶绿素a均有较好的对应关系，流速增大，叶绿素a有减小的趋势，而在支流GL两者关系并不明显.

4 结 论

1）2007年3～5月连续监测资料表明，香溪河叶绿素a含量时空分布差异较大.各监测点位的叶绿素a浓度变化也较大，以Group3（XX02～XX05）最大.

2）叶绿素与环境因子的逐步回归分析，各分区筛选的对藻类生长有显著影响的因子各不相同.在筛选出的环境因子中，DO，pH，NO3－N，SiO3－Si表现为正相关；秩相关分析中，总磷和正磷酸盐与藻类生物量之间没有显著的相关关系，表明了香溪河库湾磷营养盐是充足的，不是藻类生长的限制因子.

3）香溪河库湾的水动力特征表现为：河口以及库尾流速较大，平均流速在0.1m／s以上；香溪河的支流由于受到主干流的顶托，流速较小，基本上成为较封闭的静水区；香溪河主干流除了部分突然变宽的河段流速较小外，其它大部分河段流速在0.05～0.1 m／s之间.

4）藻类在香溪河的生长体现出较大的空间异质性，而这种空间异质性与流速的空间的差异性有着较显著的关系，即流速增大，叶绿素a有减小的趋势.

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