在不同蓄水位下三峡库区春季水华特征及趋势分析

张 静 叶 丹 朱海涛 胡 圣 王英才 唐剑锋 周 正

(1. 长江流域水环境监测中心, 武汉 430010; 2. 青海省水文水资源勘测局, 西宁 810001)

三峡水库自2003年135 m蓄水以来, 水文情势改变, 支流回水区成为湖泊型水体[1]。由于支流库湾及其底泥中大量氮磷营养物质的累积, 支流富营养化加重, 藻类密度增加, 每年都有支流局部区域发生水华[2]。

针对三峡库区支流水华的发生各领域专家和学者开展了大量的研究, 包括单个支流的水华情势预测[3]、典型支流水华优势种差异[4]、单一水华优势种的形成机制[5]、不同季节水华发生的时空动态及影响因素[6]等。这些研究都尝试从不同角度来阐述水华的特征及发生机制, 以期盼为水华的防治提供相关支撑。目前少有研究对三峡支流的水华发生从长序列时间上进行系统分析, 加上三峡库区进行了3个梯度的蓄水, 分别是2003年的135 m蓄水、2006年的156 m蓄水以及175 m蓄水, 随着蓄水位的增加, 水华的发生情况也鲜有研究。本文收集了2004—2015年(2003年只发生了夏季水华)三峡库区的春季水华发生数据, 拟通过分析库区支流水华特征、发生区域和范围、水华与环境因子的关系, 研究三峡库区支流水华发生成因和趋势, 为三峡水华防治提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 研究范围

本研究以从重庆到宜昌的26条面积大于100 km2的库区一级支流为研究对象重要支流及其库湾, 支流包括御临河、龙溪河、黎香溪、珍溪河、渠溪河、龙河、池溪河、东溪河、黄金河、汝溪河、壤渡河、苎溪河、小江、汤溪河、磨刀溪、长滩河、梅溪河、草堂河、大宁河、神女溪、抱龙河、神农溪、青干河、叱溪河、童庄河、香溪河(图 1)。

1.2 数据来源

本研究的时间尺度为2004—2015年, 数据的来源主要来自长江流域水环境监测中心的历史调研监测数据。主要的数据包括三峡水库典型水华发生支流数量、发生区域及持续时间, 水华发生的藻类种类, 水华暴发期间(主要在每年的春季3—5月份)水质参数, 包括总磷、总氮、透明度, 溶解氧、pH、温度、电导率、高锰酸盐指数、叶绿素a以及

1.3 数据分析与处理

由于水华发生的时候, 具有持续性, 因此在统计水华发生情况的时候, 当某条支流在春季(3—5月)初次发现水华的时候, 就记为1次, 如果这条支流春季没有发生水华则记0次, 水华的发生频率的计算方法为

式中F为春季水华发生频率,n为春季水华发生次数,N为监测年限。

水华期间藻类密度及叶绿素a与8个环境变量之间的关系通过CANOCO 4.5 软件包, 采用主成分分析(Principal components analysis, PCA, ter Braak and Smilauer, 2004)进行, PCA数据通过中心化、标准化和变量转化处理。通过PCA的分析得到的主要的环境变量被选中来进行多元线性回归分析。

为了分析不同蓄水位下, 叶绿素a含量、藻密度、总磷、总氮等关键因子的差异性, 通过在SPSS16.0软件采样Kolmogorov-Smirnov检验(KS检验)非参数检验法进行, 并通过Origin8.0作相关图。

2 结果

2.1 水库支流水华特征

根据历史监测数据统计, 2004—2015年共有26条支流发生过春季水华, 其中香溪河为春季水华发生频率最高的支流, 频率为92.3%; 其次为梅溪河, 频率为84.6%, 大宁河和小江的水华暴发频率达到了76.9%。上游的御临河、黎香溪、龙溪河发生频率较低(图 2)。

三峡库区春季水华藻类优势种种类比较多样,硅藻、甲藻、隐藻、绿藻和蓝藻都有可能成为优势种。其中硅藻和甲藻是水华的主要优势种, 其出现的频率分别为31.6%和36.8%, 隐藻其次, 其出现的频率为18.8%。绿藻和蓝藻出现的概率相对较低。通过对比2004—2015年水华优势种的出现频率年际变化, 随着蓄水位的增加, 自蓄水位由135升至175 m, 甲藻水华所占的百分比逐渐增加, 在持续几年175 m蓄水之后, 甲藻水华出现的频率下降, 硅藻水华出现的频率增加(图 3)。

叶绿素a含量和藻密度的年际变化趋势也分两个阶段。第一阶段是175 m水之前, 叶绿素a和藻密度含量都相对较低, 藻密度和叶绿素a含量变化趋势较为一致。第二阶段为175 m试验性蓄水之后,叶绿素a含量及藻密度都有明显的增加, 但是藻密度和叶绿素a含量变化趋势并不完全一致。2008—2011年叶绿素含量都处于较高水平, 但藻密度增幅较小。2012—2015年, 叶绿素a含量有所回落, 藻密度有所增加, 但叶绿素a含量与藻密度变化趋势一致, 都是属于先增加后下降(图 3)。对叶绿素a含量和藻密度的线性变化分析发现, 叶绿素a含量和藻密度具有正相关, 但是相关系数不大。2008—2011年叶绿素含量高而藻密度较低的情况可能与水华优势藻种有关, 此期间主要是多甲藻占优势, 多甲藻相对个体较大, 单细胞叶绿素a含量较高。

图 1 三峡库区支流分布图Fig. 1 Distribution of the tributaries of the Three Gorges Reservoir1. 香溪河; 2. 童庄河; 3. 叱溪河; 4. 青干河; 5. 神农溪; 6. 抱龙河; 7. 神女溪; 8. 大宁河; 9. 草堂河; 10. 梅溪河; 11. 长滩河; 12. 磨刀溪;13. 汤溪河; 14. 小江; 15. 苎溪河; 16. 壤渡河; 17. 汝溪河; 18. 黄金河; 19. 东溪河; 20. 池溪河; 21. 龙河; 22. 渠溪河; 23. 珍溪河; 24. 黎香溪; 25. 龙溪河; 26. 御临河1. Xiangxi River; 2. Tongzhuang River; 3. Chixi River; 4. Qinggan River; 5. Shennong River; 6. Baolong River; 7. Shennü River; 8. Daning River; 9. Caotang River; 10. Meixi River; 11. Changtan River; 12. Modao River; 13. Tangxi River; 14. Xiaojiang River; 15. Zhuxi River; 16.Xiangdu River; 17. Ruxi River; 18. Huangjin River; 19. Dongxi River; 20. Chixi River; 21. Longhe River; 22. Quxi River; 23. Zhenxi River;24. Lixiang River; 25. Longxi River; 26. Yulin River

图 2 2004—2015年三峡库区支流发生春季水华频率Fig. 2 The occurrence rate of spring algal blooms in the tributaries of the Three Gorges Reservoir from 2004 to 2015

图 3 2004—2015年三峡库区支流水华优势种出现频率百分比年、叶绿素和藻类密度、总磷和总氮年际变化Fig. 3 The interannual variation of the percentage of the dominant species, the change of chlorophyll a concentration and algae density and the change of TP and TN in the tributaries of the Three Gorges Reservoir from 2004 to 2015

表 1 2004—2015年水华发生期主要环境参数年均值(平均值±标准差)Tab. 1 The main environmental parameters during the water bloom of the year 2004—2015

图 4 2004—2015年三峡库区总磷和总氮空间变化(虚线代表平均值)Fig. 4 The spatial variation of TP in the tributaries of the Three Gorges Reservoir from 2004 to 2015 (The dotted line represents the average value of TP)

2.2 水库支流水华发生期主要环境参数变化分析

如表 1所示, 水温主要在13.3—19℃, pH在8.2—8.9; 透明度变化范围较大, 在48.6—130 cm。溶解氧在9.4—16.9 mg/L, 高锰酸盐指数在2.2—12.6 mg/L, 总磷在0.06 —1.00 mg/L, 总氮在1.37—4.37 mg/L。

通过3次不同梯度的蓄水, 库区支流水华发生期营养盐年均值变化显著。在175 m试验性蓄水之前, 总磷、总氮含量相对较低。在175 m试验性蓄水之后, 营养盐有一个快速上升然后逐步下降的趋势, 此变化趋势与叶绿素a浓度变化趋势一致(图3)。从总磷的空间变化来看(图 4), 库中段支流的总磷含量高于库首和库尾支流, 但是库首支流香溪河和神农溪的总磷浓度较高, 均高于平均值。

2.3 水库支流水华发生期藻密度和环境因子分析

在不同蓄水位下, 通过Kolmogorov-Smirnov检验(KS检验)分析得出藻类密度、叶绿素a含量以及总磷总氮的差异性。在135和153 m蓄水位下,藻类密度、叶绿素a、总磷和总氮的差异性不显著。在135和175 m蓄水位下, 藻密度(P＜0.001)、叶绿素a(P=0.002)、总磷(P=0.002)、总氮(P＜0.001)差异显著, 在175 m蓄水位下, 藻类密度、叶绿素a浓度、总磷和总氮浓度显著高于前面两次蓄水(图 5)。

为了分析水华发生期, 藻类密度和主要环境因子之间的关系, 我们对2004—2015年的历史数据采取了主成分分析(Principal components analysis,PCA)。通过PCA的分析表明, 轴1和轴2分别解释了包括浮游植物密度在内的环境变量的34.09%和30.11%, 藻密度、叶绿素a、总磷、总氮和高锰酸盐主要投影在PCA第一轴, 电导率和透明度主要投影在PCA第二轴。这表明藻密度、叶绿素a含量与总磷、总氮、高锰酸盐显著正相关, 而与透明度显著负相关(图 6)。

3 讨论

3.1 水库支流水华特征及趋势

根据历史监测数据, 目前总共有26条支流发生水华, 其中中下游水华发生的概况整体高于水库上游。香溪河作为水华暴发概率最高的支流, 其总磷含量一直处于较高水平(图 4), 由于其地处含磷矿资源丰富地区, 易受上游磷化企业的排污影响[7,8],在蓄水之后, 库湾水体交换减弱, 大量磷易在沉积,给香溪河水华暴发提供了良好条件[9]。

三峡库区春季水华藻类优势种主要是硅藻和甲藻, 自蓄水位由135 m升至175 m, 甲藻水华出现的概率随着蓄水位的增加而增加, 但是在持续几年175 m蓄水之后, 甲藻水华出现的频率下降, 硅藻水华出现的频率增加。有研究表明, 甲藻水华和硅藻水华具有一定的关联性, 硅藻水华和甲藻水华相继出现, 既有先甲藻水华后硅藻水华, 也有先硅藻后甲藻水华[10]。

从水华的发生趋势来看, 在175 m之前, 叶绿素a、藻密度、总氮和总磷含量都相对较低, 但在175 m试验性蓄水之初, 这4个参数都有了较高的提升, 随着稳定性的蓄水4年后, 除了藻密度之外, 叶绿素a浓度以及营养盐浓度都有下降趋势, 且这4个参数在2015年都有所下降。在蓄水之后, 春、夏季水位变幅大, 水体扰动大, 在一定程度上抑制了藻类水华的发生, 因此叶绿素a和藻密度含量相对较低。随着增加至175 m正常蓄水位后, 尽管春、夏季水位变幅将进一步加大, 但是干流回水对支流的顶托作用将会增强[11]。随着蓄水位的增加, 支流断面流速会下降。根据相关的资料显示, 135 m蓄水位支流断面平均流速约为0.04 m/s, 156 m蓄水位平均流速约为0.01 m/s, 175 m水位运行期平均流速低于0.01 m/s[12]。由于175 m蓄水, 淹没的土壤更多, 对于两岸的侵蚀更大, 释放到水体中的营养物质更丰富[13], 而支流流速变缓, 水体滞留时间长, 水体的交换能力弱, 营养盐容易滞留, 滞留的营养盐造成藻类的快速增长[13—15], 因此175 m蓄水初期几年, 藻密度、叶绿素a、总磷和总氮浓度都有较明显升高。但是随着175 m蓄水几年之后, 除藻密度以外, 叶绿素a、总磷和总氮都有下降的趋势, 这可能是由于经过几年蓄水, 水生态系统已经比较稳定, 尽管营养盐有所降低, 但是由于其水平仍然较高, 已经不是藻类生在的限制因素, 因此藻密度仍然较高。175 m蓄水对于三峡支流水华的发生影响, 以及水华的发展趋势, 还需要进一步的监测观察。

图 5 不同蓄水位下三峡支流浮游植物与主要环境因子的箱形图(图中右上标的字母不同, 代表数值之间差异显著)Fig. 5 Box chart of algae and environmental variables of spring algal blooms under different impounded levels in the tributaries of the Three Gorges Reservoir (the different letters on the upper right side of the graph indicate significant differences between the values)

图 6 2004—2015年三峡支流浮游植物与主要环境因子的PCA排序图Fig. 6 PCA ordination of algae and environmental variables of spring algal blooms in the tributaries of the Three Gorges Reservoir from 2004 to 2015Transpr. 透明度; Conductv. 电导率; TN. 总氮; Algae. 藻密度;Chl.a. 叶绿素a; TP. 总磷; CODMn. 高锰酸盐指数; DO. 溶解氧;Temperat. 温度Transpr. transparency; Conductv. conductivity; TN. total nitrogen;Algae. algal density; Chl.a. chlorophyll a; TP. total phosphorus;CODMn. permanganate Index; DO. dissolved oxygen; Temperat.temperature

3.2 水库支流水华发生原因

由于河流比降大、流速快, 通常藻类不会大量繁殖[3], 河流水华的发生通常是由于高营养盐, 适中的温度和低流速造成的[12,16—18]。

在135 m蓄水之前, 三峡库区支流未发生过水华[11], 自135 m蓄水之后, 库区支流的水华问题逐渐显现。通过对2004—2015年三峡库区支流特征分析可以看出, 藻密度以及叶绿素a浓度在175 m试验性蓄水之前都较低, 叶绿素a浓度之后都有一个快速增加至峰值然后又逐渐下降的过程, 而藻密度变化趋势有所延迟。在三峡水库蓄水后, 大量的有机质和无机氮、磷在库区积累和滞留。从水华发生期营养盐含量来看, 总磷均值变化为0.06—1.00 mg/L, 总氮均值变化为1.37—4.37 mg/L, 均远远高于湖库水体出现水华的总磷和总氮的临界浓度0.02和0.20 mg/L[19]。而且在175 m试验性蓄水之后, 营养盐在初期有一个大幅度的升高过程, 藻类密度以及叶绿素a含量也随之增加。我们对藻密度及叶绿素a含量与主要环境因子进行PCA聚类分析也发现,藻密度和叶绿素a与总磷、总氮、高锰酸盐指数聚类一簇, 表明在营养盐水平高的地方, 藻密度及叶绿素a含量通常也高。已经有不少研究表明营养盐和藻类增殖显著相关[20—23]。

在水华发生期, 主要的藻类优势种是硅藻和甲藻。温度在水华形成与发展过程中起着重要作用,不同的水华优势藻种发生暴发性增殖的温度不同,三峡库区支流的甲藻和硅藻水华发生在气温开始逐渐转暖、日照充足的春初, 水温在13.5—19℃。根据相关研究发现大部分的硅藻表现出对低温较强的耐受性, 因此春秋季较低的水温中常常具有优势地位[24,25]。而甲藻能在10—28℃条件下大量繁殖, 一旦条件适宜, 即可形成甲藻水华[3,26]。

除了营养盐和温度这些因素之外, 水文环境的改变也是造成三峡支流水华产生的不可或缺的因素。随着蓄水位的增加, 三峡库区支流断面的平均流速降低。河流低流速会延长藻类在单位距离河段内的滞留时间, 滞留时间越长, 藻类种群数量的增长幅度越大, 水华趋势也会越明显[17,27]。