从流域水环境与水利工程影响角度分析汉江水华成因

钱宝

摘 要：水电梯级开发对河流产生的系列生态学效应是当前热点问题，通过梳理近年汉江水华应急监测成果，从水利工程运行与水华发展的关联角度，进一步深入剖析汉江水华发生的成因及影响要素，提出相关应急调度的防控措施和建议，为汉江水华综合防治提供技术支撑。

关键词：汉江水华;营养盐;叶绿素;水生态群落

中图法分类号：X524                  文献标志码：A                 DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2020.0423

汉江干流梯级开发在取得巨大社会经济效益的同时，对河流生态系统产生了一定的影响，其中汉江水华作为汉江流域的热点环境问题，呈现逐年频发的态势，严重威胁着区域生态安全。一般认为，汉江水华的产生与汉江充足的营养盐、春季流域适宜的气候、缓慢的水流有关，但也有学者指出，汉江水体营养盐含量丰富，并不能成为汉江水华暴发的诱发因子，水利工程影响下的流量、流速等水文因子才是制约汉江水华发生的关键要素。因此，探究影响汉江水华发生的关键因素，以及如何及时精准地防控水华暴发，是目前亟待解决的问题。

1  实验与方法

1.1  研究区域与样点布置

2018年2月至3月，汉江中下游再次暴发大规模水华，其影响范围、发生历时均明显增加。为进一步分析汉江水华发生、发展和水利工程运行之间的内在联系，2018年7月至2019年3月，项目组在汉江中下游的19个重要控制断面开展了连续的现场观测，其中以丹江口水库和兴隆水库为重要研究对象，分析水利工程运行对汉江水华发生成因的影响，具体监测样点布置如图1所示。

1.2  样品采集与分析测试

按照《水环境监测规范》要求开展现场水质样品和底质样品的采集，同时利用便携式多参数水质分析仪（YSI-EXO，美国）现场开展部分参数的监测，具体包括水温、pH值、溶解氧、电导率、浊度及叶绿素等。实验室分析参数主要包括总氮、总磷、氨氮、硝氮、叶绿素a、脱镁叶綠素等。水生态样品监测主要包括浮游植物、浮游动物，具体监测分析方法参照相应监测标准执行，其中脱镁叶绿素a测定方法参考文献进行。底质指标主要为总氮、总磷、氨氮、硝氮等，具体测定方法参照《土壤农化分析》。

2  结果与分析

为进一步理清汉江水华发生的成因，掌握其与流域水利工程运行之间的响应关系，项目组在研究区重要控制断面进行了长时间的连续监测和调查，对汉江水华发生、发展与水利工程运行之间的内在联系有了更进一步的认识。

2.1  营养盐分布特征

如图2所示，通过19个监测断面2018年7月的监测数据分析显示，丹江口大坝坝前至汉江中下游干流总磷浓度在0.018～0.134 mg/L之间，其中水库库区总磷浓度整体较低，从汉江下游仙桃段开始总磷浓度有所升高。作为汉江的支流，小清河口、唐白河口及汉北河总磷浓度相对较高，分别达到了0.121mg/L、0.200 mg/L和0.125mg/L。长江干流的沌口、汉口总磷浓度约为汉江干流的5～8倍，由此可见，汉江干流总磷浓度总体较低，而其主要支流总磷含量相对较高，是外源输入的主要途径。

相对于总磷含量较低的情况，汉江干流总氮含量显著偏高。在各监测断面中，总氮含量范围在1.115～2.349mg/L，其中在库区大坝前水体总氮含量达到了1.250mg/L，为湖库水质评价标准Ⅳ类水水平。汉江主要支流小清河口、唐白河口及汉北河的总氮浓度分别达到了1.478 mg/L、2.349 mg/L及1.215 mg/L。根据相关学者研究成果显示，当水体TN含量大于1.0mg/L时，对于硅藻而言TN已处于相对饱和状态，此时TP含量便成了影响硅藻繁殖的关键因子。

因此，从过去的研究成果分析，由于TN含量本底过高，因此在建立TN与其他环境因子联系时往往容易误解为TN与藻类增值影响不大，由此忽略了水体中TN的关键贡献，特别是没有深入研究总氮中硝态氮和氨态氮对藻类增殖的影响。本次调查通过分析总氮含量结构可知，干流水体中总氮主要以硝态氮为主，大约占了总氮含量的70%～90%，而氨氮所占比例较小，不到5%。在主要支流中氨氮含量明显较高，其中小清河口氨氮占总氮含量27%左右，因此，汉江支流面临的农业污染及其他外源性营养输入较为严重。

当前普遍认为，水体中合适的氮磷比是促使水华发生的关键因子。通过分析不同时期水体氮磷比发现，水华暴发期（2019年1月）皇庄以下断面氮磷比更接近13，随着水华的消退，各断面氮磷比逐渐升高，逐渐维持在一个稳定的水平。由此可见，当汉江水体氮磷比在13附近时，更易促使水华的发生。

2.2  叶绿素时空分布特征

图5列出了调查期2018年7月汉江中下游水体叶绿素分布情况，其中叶绿素a含量代表了水体中活体浮游藻类的群落数量，而脱镁叶绿素Pa代表了水体中已衰退的浮游藻类水平。通过图5各监测断面叶绿素a含量可知，汉江支流小清河口、唐白河口及汉北河依旧是藻类分布较密集的区域，叶绿素a的含量在17.75～23.45μg/L之间，可为下游水体输送大量藻源。

从图4各监测断面氮磷比可知，叶绿素a含量相对较高地区其氮磷比也越接近13，属于适宜藻类生长环境，因此，当外部条件满足（如气温、光照等）时，该地区极易发生水华灾害。而在汉江中下游皇庄断面开始，叶绿素a含量不断增加，特别在兴隆库区的沙洋断面达到一个峰值，说明藻类在库区已有大量聚集，在兴隆坝下河段也呈一个高密度分布状态。由此可见，只要外部条件满足，该地区仍然有暴发大规模水华风险。通过分析脱镁叶绿素Pa的含量，皇庄至仙桃断面水体中Pa的含量较高，变化范围在4.74～9.71μg/L，这大约为汉江中游襄阳河段的10倍，刚好与2018年2月暴发的水华主要影响分布范围一致。

此外，与兴隆库区集聚的大量藻类现象类似，通过丹江口大坝坝前水体叶绿素a含量测定，发现坝前水体中叶绿素a的含量达到了2.54 μg/L，是坝下监测断面（叶绿素a含量为1.01 μg/L）的2倍多，是襄阳河段（叶绿素a含量为0.51μg/L）的5倍。由此可见，大坝阻隔对藻类的拦截作用效果明显，容易使大量藻类在坝前堆积，从而影响水体环境的变化。

为进一步探究浮游藻类在坝前的聚集状态，项目组在坝前不同位置进行了叶绿素垂向分布的监测。监测结果如图6所示，浮游藻类在垂向分布上呈现明显的分层现象，主要聚集在水面0～20m区域，其中在5-10m区间为主要聚集区。在横向分布方面，大坝左右两侧聚集较多，中间聚集度较低，这主要与水动力学条件有关。

2.3  水生态群落结构调查

为进一步摸清汉江水华优势种来源，项目组在19个监测断面进行了水生态样品的采集与分析。通过各监测断面浮游生物样品镜检结果发现，在汉江干流的16个监测断面水生态样品中均发现了汉江水华优势种——汉氏冠盘藻（Stephanodiscus hantzschii），特别在距离丹江口大坝2公里的坝前水域中发现了冠盘藻的复大孢子。

复大孢子的出现，表明冠盘藻种群已经充分适应了当前水体环境，甚至已经对污染环境产生了较强的耐受力，由此可见，冠盘藻在丹江口库区的出现不是一种偶然现象，而是对环境长期适应的结果。

通过对丹江口大坝坝前局部水域浮游动物样品调查分析后发现，常见耐污小型浮游动物轮虫成为优势种类，大型清水型浮游甲壳动物亦可见，但数量不多。通过本次调查及相关学者的研究成果，浮游动物在食物链中是浮游植物的摄食者，因此，浮游动物的增长能在一定程度上控制浮游植物群落增殖。反之，当大型清水型浮游甲壳动物数量减少时，将会对浮游藻类控制能力减弱，进而容易形成水华。

2.4  底质调查

对坝前水域采集的底泥情况分析发现，不同于干流河道中的砂质底泥，坝前水域底泥富含有机质及营养盐，是内源污染的重要来源。2018年7月对各控制断面底质营养盐监测结果如表1所示，丹库库心采集得到的样品多为细砂，因此，营养鹽含量相对较低。丹库坝前采集得到的底质样品营养盐含量较高，甚至接近污染较重的支流控制断面，因此，对坝前底质污染物的控制要引起格外的重视。

3  讨论及建议

丹江口水库作为南水北调中线水源区，其水环境生态安全事关沿线亿万人口的健康安全，事关国家发展大计。2018年10月，《汉江生态经济带发展规划》获国务院正式批复，国家明确要求围绕改善提升汉江流域生态环境，共抓大保护，推进绿色发展，着力解决突出环境问题，为增强汉江流域经济发展动力提供有力支撑。汉江水华是汉江流域目前存在的焦点环境问题，而流域水利工程运行对流域的生态环境效益的影响始终是一个不可回避的问题。

本项目通过对汉江水华长期的现场监测与调查分析，发现汉江流域氮素背景值普遍较高，而干流磷素含量较低，因此磷成为了水华发生的一个重要因素。但从水生态群落结构的角度，硅藻在流域多个控制断面均占优势，说明硅藻长期存在于流域水体中，水利工程调度影响以及营养盐条件的改变是促发水华暴发的一个因素，而非直接诱因。大型水利工程阻断了河流连续性，使藻类容易在坝前聚集，加之流域各支流污染严重，外源输入控制效果不佳，对水华防控增加了难度。因此，在汉江中下游水华逐年加剧的情况下，更应慎重选择防治办法，积极研究防治对策，本文主要提出以下三方面建议。

（1）系统开展调查研究，理清汉江水华成因及污染源头，提出切实有效的汉江水华防治手段及措施。当前对硅藻的生态学特性研究还不充分，尤其针对硅藻水华在营养盐、食物链、水文及流场特征适应性等方面还需进行深入研究。汉江水华是一个流域性环境问题，只加强水华暴发区面源污染的治理还不够，需要从流域的角度提出科学合理的防治手段。

（2）继续加强流域污染物控制和核减。随着长江大保护的推进，流域污染物控制及治理工作成效显著，但出于生态安全考虑，需进一步控制流域氮源和磷源的输入，特别是针对库区及主要支流，对富营养化严重地区要加强生态修复及治理工作。要进一步确认落实库区围网养殖规模核减工作，建议及时开展针对库区非法养殖的专项检查行动，彻底清查库区污染源，确保库区水生态安全，同时可进行适当规模的鱼类增殖放流，调整食物链结构，保持生态系统的平衡。

（3）构建丹江口库区水生态环境风险预警系统。通过建立准确完善的水环境基础数据体系，对汉江流域水资源开发利用情况及水生态环境进行有效跟踪和及时评价，准确掌握流域水资源的开发和利用情况，全面提高流域水资源质与量的监管及预测预报能力，实现对汉江流域以及丹江口水库水量的总量控制、定额管理、水资源统一调度，为最严格水资源管理制度及水生态环境保护提供有力的手段和支撑。

4  总结

为深入研究汉江水华发生、发展与水利工程运行之间的内在联系，项目组近三年通过对汉江水华的连续监测与调查分析，得出以下结论。

汉江流域氮素背景值较高，在水体中主要以硝氮形式存在，干流磷含量较低，使磷成为了影响水华发生的关键要素，中下游流域主要支流富营养化严重，外源控制效果不佳加剧了水华的发生和发展，合适的氮磷比是水华发生的必要条件，这其中可能与水利工程调度有联系。

大坝阻隔对藻类的拦截作用效果明显，容易使藻类在坝前堆积，一定程度增加了水华暴发的风险。

通过对流域多个控制断面水生态群落的连续调查，发现硅藻水华是汉江的流域性环境问题，建议要重视流域面源污染的整体控制，加强流域水环境治理，尤其是要完善丹江口库区的水生态群落结构，科学合理进行水利工程调度，为汉江流域水生态环境保护提供有力的手段和技术支撑。

参考文献

[1]Wang F，S C Maberly，et al. Effects of dams on riverine biogeochemical cycling and ecology[J]. INLAND WATERS，2018，8（2SI）：130-140.

[2]Chi S，Chen S，Li S，et al. Effects of high-head dams on macroinvertebrate communities in the lower reaches of Wujiang River[J]. Journal of Lake Sciences，2019，31：2.

[3]Kibler KM，Tullos DD. Cumulative biophysical impact of small and large hydropower development in Nu River，China [J]. Water Resources Research，2013. 49（6）：3104-3118.

[4]Hanks R D，Hartman K J. Evaluation of the influences of dam release types，land use，and habitat affecting abundance，richness，diversity，and community structure of larval and juvenile fish[J]. CANADIAN JOURNAL OF FISHERIES AND AQUATIC SCIENCES，2019.76（8）：1388-1397.

[5]史婉麗，杨帆，王尚玉等. 梯级水电开发累积环境影响评价理论框架初探[J]. 南水北调与水利科技，2015.13（5）：871-876.

[6]窦明，谢平，夏军，等.汉江水华问题研究[J].水科学进展，2002 （5） ：557.

[7]王培丽. 从水动力和营养角度探讨汉江硅藻水华发生机制的研究[D]. 华中农业大学，2010.

[8]况琪军，谭渝云，万登榜，等. 汉江中下游江段藻类现状调查及“水华”成因分析[J].长江流域资源与环境，2000（01）：64-71.

[9]王林，赵冬至，刑小罡等. 脱镁叶绿素对浮游植物吸收特性的影响[J].海洋与湖沼，2009，40（5）：596-602.

[10]王俊，汪金成，徐剑秋等.2018年汉江中下游水华成因分析与治理对策[J].人民长江，2018，49（17）：7.

[11]梁培瑜，王烜，马芳冰等.水动力条件对水体富营养化的影响[J].湖泊科学，2013，25（4）：455-462.

[12]肖晶. 梯级筑坝对浮游植物功能群变化的影响[D].贵州师范大学 2017.