水位变化对三峡水库小江蓝藻水华的影响

黄宇波，杨 霞,向 波

(中国长江三峡集团有限公司流域枢纽运行管理中心，湖北 宜昌 443133)

前 言

中国是水坝建设大国，据估计我国水库库容是天然湖泊的三倍[1]。水库建设缓解防洪压力、解决能源和水资源利用问题的同时，对水生生态系统多样性带来一定压力[2]。河流筑坝会增加水体营养物质的滞留[3]，减缓水流速度，加速颗粒沉降水体透明度增加，这些理化条件的改变有利于藻类增殖，甚至导致水华暴发， 水库的管理越来越重视对水华的监测和预警[4]。三峡水库运行后，库区水华现象备受关注，水库建成前后干流水质保持稳定，但是部分支流富营养化严重，水华频繁[5]。

水动力条件改变是水体富营养化的一个重要因素，其中水位变化对河流、湖泊和水库的影响显著。例如在分层的湖泊中，较强的水位波动影响湖滨带生物群落，关键种的生存，增加物种入侵风险，增加内源营养负荷，降低生物多样性，最终导致富营养化和水华的出现[6]。水位变化与藻类的关系已有一些研究[7～10]，这使得水位调控成为水质管理的一个工具。水库水位调控逐步得到应用，但这些应用主要关注其它的生态因子例如水质以及排沙，同时用于调节水温和人造洪峰来促进鱼类繁殖[11]，而水位与水华的关系研究较少。

小江是三峡库区长江北岸流域面积最大的一级支流，距三峡大坝约247km, 河长182.4km, 流域面积5 173km2,年均流量116m3/s,三峡库区境内长度117.5km,涉及三峡库区开县、云阳2个区县众多集镇。根据2006年《长江三峡工程与生态环境监测公报》，受三峡水库蓄水影响，小江从 2005 年起就有水华现象发生，至今仍逐年暴发。虽然水库运行过程中对浮游植物群落结构会产生一定影响[12]，但是据此通过水位调节来控制水华的研究仍然较少。本研究以小江为研究对象，在蓝藻水华严重时期开展叶绿素a、水文和营养盐等因子逐日加密监测，利用这些数据探讨水位与藻类生物量的关系，并试图找出控制水华的水位波动阈值，为水库水生态管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 样点

由河口至上游共设置7个监测断面，分别为XJ01～XJ07(图1)，分别在2016年5月1日～5月13日，2018年4月23～6月8日，2019年5月21日～8月5日水华期间，根据水华发生的过程进行逐日或者间隔监测。

图1 样点图Fig.1 Sample sites

1.2 数据分析

对每天所有样点的数据进行平均取值，水位日变幅(WLF)为当日水位值与前一日水位连续两天的差值。用Origin 9.1 进行水位与相关环境因子的回归分析作图。藻类生物量受多种环境变量影响，而不同环境变量间可能存在一定的相互关系，因此运用线性混合模型(LME)筛选对藻类生物量有显著影响的环境变量。

线性混合模型(LME)是在一般线性模型的基础上扩展而来，区别在于该模型在回归公式中同时包含了固定效应和随机效应，其表达式为Y=Xβ+Zγ+ε，相比简单线性模型，多出了Z这一项，这一项称之为随机效应。当自变量之间可能存在相关性，而不满足相互独立的条件，则适用于线性混合模型。本研究中先将所有可能对藻类生物量变化具有固定效应的变量选入模型，将观测值按年设置为三组，作为三个重复，采用重复协方差类型(AR1)进行协方差参数估计，用约束性最大似然法(REML)检验模型结构。用SPSS19.0软件进行统计分析，数据如果不满足正态分布，则进行log(x+1)对数转换。以P<0.05作为显著水平。

2 结 果

2.1 水文水环境特征

表1 水环境参数(样本数N=61)Tab.1 Physic-chemical parameters of the water body (Sample number N=61)

图2 叶绿素a 与水位(A)、水位日变幅(B)的时间变化Fig.2 Variation between Chla and WL (A) , WLF(B) during the study period

调查期间处于三峡水库汛期，水位较低，在145.33～161.76m之间变动，均值为153.24m，2016、2018年的水位均值(分别为157.3m和158m)显著高于2019年(149.1m)(P<0.05)，波动平均值为-0.31m/d，水位日变幅年际间无差异(P>0.05)。调查期间发生蓝藻水华，叶绿素a (Chla) 均值为33.32μg/L，最大值出现在2018年5月，达到103.10μg/L，此时水位日变幅位于0m/d 附近(图2)。水体理化参数如表1所示，TN浓度值为0.88～2.23mg/L，均值为1.61mg/L， TP浓度为0.04～0.23mg/L，均值为0.10mg/L。调查期间水温均在20℃以上，均值为23.85℃，最大水温达到28.96℃。透明度较低，均值为102.51cm(表1)。

2.2 水位与水环境的关系

图3 水位与正磷酸盐(A)、水温(B)、透明度(C)、氮磷比(D)的关系Fig.3 Relationship between water level and phosphate(A),WT(B),SD(C),nitrate phosphate ratio(D)

2.3 藻类生物量的影响因子

表2 LME分析各环境因子对叶绿素a的影响Tab.2 Factors affecting Chla through LME analysis

水位日变幅与叶绿素a呈现非线性的关系，当WLF大于1m/d时，叶绿素a维持在较低水平，而水位日变幅在-1～1m之间，叶绿素a的值变化范围大，且水位日变幅越小，叶绿素a高值出现的频率越大(图4)。

图4 水位日变幅(WLF)与叶绿素a 的关系(虚线为变幅区间)Fig.4 Scatter plot between Chla and WLF (dashed line represents the variation section)

3 讨 论

夏季三峡水库主要发挥拦洪排沙等功能，水位处于波动状态，藻类生物量受水位影响明显。LME分析显示，水位与叶绿素a负相关，说明升高水位能降低藻类生物量，这与以往文献的研究类似[14]。水位变化通过直接或者间接改变水体理化条件，包括光照、营养盐浓度混合层深度、水体稳定度等来影响藻类的生长[9]。

水位变化直接改变水体稳定性。夏季低水位运行时，三峡库区水体稳定度较高，并出现温度分层状态[15]，相比于硅藻绿藻，蓝藻在这样的环境中具有更大的竞争优势，因此5～8月低水位运行时，小江常常发生蓝藻水华。水位变化首先改变支流水文水动力特征，降低水体稳定性，破坏藻类生境，在水位变动的环境冲击下，蓝藻逐渐逝去竞争优势，而迅速变成硅藻绿藻为优势类群[16]。另外，水位增加时，浮游植物被稀释，密度呈降低趋势[17]。但是这一稀释作用并不绝对，本研究中，水位上升幅度较小时，叶绿素a也可能增加(图3)，水华加重，这可能与水位上升时支流库湾干支流交换的具体形式有关[18]。

水位变化能改变水体理化条件。研究结果显示，三峡水库水位变化能显著改变水体磷酸盐浓度、水文和透明度以及氮磷比(图3)。普遍认为，水位变化对湖库中磷的浓度影响较大，从而改变了藻类及水生植物生物量和多样性[10,19]。本研究发现，水位升高能显著降低水体正磷酸盐浓度，说明水位升高对水体磷具有稀释作用，而磷是藻类生长的必需元素，磷的降低可以减缓藻类增殖。统计分析表明，藻类生物量随总磷增加而增加，但是与总氮的关系不明显，与水体硝氮浓度有显著关系(表2)，水位上升，磷的浓度降低，显著升高了水体氮磷比(图3)。有研究表明，低氮磷比有利于蓝藻生长[20]，在蓝藻水华暴发的小江，水位升高，氮磷比升高，可能是蓝藻生物量降低的原因之一。

水位与水温显著负相关，而与透明度显著正相关，说明水位变化能显著改变水体光热条件。LME分析显示，透明度是影响藻类生物量的重要因子。同样的空气光强，透明度高则水体光照强度高，高光强可对蓝藻生长产生抑制[21]，从而使硅藻和绿藻获得相对与蓝藻的竞争优势。但是藻类生物量未显示与温度的关系(表2)，可能是观测值均位于夏季水华期间，水体表层温度波动不明显。水体温度垂向结构与水华相关，研究发现，在三峡水库支流香溪河区域，下游深水区水温分层较弱，而在上游浅水区分层反而较强，上游水华频繁[22]。水位升高可以增加深水层水温，降低表层水温，促进水体混合，并改变水体光照，从而降低蓝藻在藻类群落中的优势[23]。因此，水位变化改变水温透明度，是引起藻类生物量变化的重要原因。

治理水华，截污控源是根本措施，然而这是一个长期的过程[24], 通过运行调度的“生态水文”调控措施以控制或减缓藻类水华暴发，可节约采取其它措施所需成本，并可避免可能带来的二次污染，具有良好的环境、生态、经济、社会效益。研究表明，增大流速可以抑制藻类增长，不同藻类对不同流速的响应有差异，蓝藻在流水中生长受到抑制，而硅藻随着流速增加其生长速度先增加后减小[25]。例如汉江中下游发生水华，通过增加下泄流量，增大水体流速，能够降低水华发生频次[26]。然而三峡水库支流通过水位调节对流速的影响不显著[27]，如果水位降幅较小，则流速改变很小，对水华的抑制作用有限，反而可能造成水温和磷的升高(图3)，促进藻类生长，这就导致泄水过程对水华的抑制作用不明显[28]。水位增加主要通过营养盐稀释和pH、光照控制藻类增殖[14]，水位日升幅较小时，对蓝藻生物量的抑制作用不明显，本研究发现，水位日变幅对藻类生物量影响显著(表2)，然而与文献[14]结果所不同的是，水位日变幅并不是与叶绿素a呈简单的负相关，而是在-1m/d 和 1m/d时显示为控制蓝藻水华的阈值。对香溪河叶绿素a和水动力的关系研究表明，库水位50cm/d的降幅可对支流库湾叶绿素a浓度产生明显影响,但通过库湾水体的局部振荡或立面循环运行改善水动力条件的方法可能更具现实意义[29]。本研究结果类似，当水位日变幅低于1m时，叶绿素a的值有可能较高也有可能较低，因此控制水华的水位日变幅应该大于1m/d，才能对藻类生物量产生明显抑制(图3)，在此基础上，通过上述分析推测，主要采用升高水位的方式，抑制作用可能会更有效。

5 结 论

水华期间水位变化与水体理化条件共同影响藻类生物量。水位变化通过直接或者间接改变水体水动力条件、磷酸盐含量、透明度、水温等条件来抑制藻类持续增殖。水位升降幅度较小时不能有效抑制水华，当水位日变幅大于1m/d时可使藻类生物量维持在较低水平，这将为利用水位调控方式进行水库水华防控和水生生态系统管理提供依据。