滇中地区水库水环境特征分析—以楚雄州境内28座水库为例

段立曾

(云南大学生态与环境学院/高原湖泊生态与治理研究院，云南 昆明 650500)

0 前言

水库是介于河流与湖泊之间半自然、半人工的生态系统，具有水位不稳定、水置换周期长、生产力低等特点[1-2]。云南省楚雄州境内的水库众多(230余座)，水库类型和功能各异，在区域粮食安全、经济发展、生态稳定等方面具有重要作用[3]。楚雄州水库多修建于20世纪五六十年代，运行年代久远，随着城市发展和人口剧增，点源、面源污染负荷的增加，水质日益恶化、富营养化不断加剧[4-5]。导致水库功能的减弱或丧失，制约地区社会经济的发展甚至危及人类的健康。

水体的基本理化指标如水温、pH、溶解氧、透明度、浊度，氮、磷等营养盐，以及如叶绿素a和藻蓝蛋白等生物指标，是深入认识湖库水体环境的基础[6-7]。其中，水温是水环境评价的重要因子之一，对水生态环境系统中的物理、化学和生物过程起着重要作用[8]。叶绿素a浓度、溶解氧含量作为衡量水体富营养化及自净能力的指标[9]，两者之间相互影响。水体中藻类的光合作用消耗水中的CO2，释放出氧气，造成水体pH值的升高。此外，云南地区大多为喀斯特地区，且地热资源丰富，导致湖库水体pH值均较高[10]。浅水型水库上下层水体容易发生等温对流，引发营养盐和悬浮物质的频繁交换，营养盐浓度升高进而引发阶段性或周期性的水质污染事件[11-12]。九龙甸水库作为楚雄市饮用水源地，已开展了水质预测[13]、蓝藻水华[14]、富营养化[5]等方面的相关研究，楚雄州境内其它大多数水库的水环境研究则鲜见报道。

本研究选取了楚雄州境内28座不同功能、深度(10 m以内的水库11座，其余17座深度均在10 m以上，最大水深39 m)的水库，通过野外监测和室内分析获取了各水库的基本水质参数，在认识水库水环境特征的基础上，探讨了各参数之间的相关关系及其水源补给的主要形式。该研究将丰富水库水质监测的基础资料，为楚雄州水库的利用与管理、水源地保护、环境治理等决策提供依据。

1 研究区概况

楚雄州地处云南省中北部，属云贵高原西部，居滇中高原的主体部位。该研究区属亚热带季风气候。由于地形垂直差异明显，具有立体气候和小气候特征。年均降水量800～1000mm，集中于7—10月[15]。

本研究于2017年12月23日—31日，对楚雄州境内的元谋县、牟定县、武定县、南华县、大姚县、姚安县和永仁县等地区(图1)(含大、中型13座，小型14座)开展了水库水体的现场监测和野外采样工作。

2 材料与方法

2.1 野外采样与监测

利用多参数水质监测仪(YSI，660V2，美国)，在垂向上以1m为间距，连续测定不同层位的水温(℃)、pH、溶解氧(mg/L)、浊度(NTU)、电导率(mS/cm)、溶解性固体总量(g/L)、叶绿素(μg/L)、藻蓝蛋白(cells/mL)等。监测前校正各参数探头，测试时间5s，同一水层测试30s并保存6组数据。采集表层水样于200mL棕色样品瓶中，低温、避光保存运回后，过滤以测定氢、氧同位素。

2.2 室内测定与分析

氢、氧同位素：利用同位素仪(美国Picarro，Picarro2140-i型)测定水样的氢(δD)、氧(δ18O)稳定同位素，δD和δ18O的精度分别为：±1‰、±2‰，测定结果以V-SMOW为标准(‰)，计算公式为：

δ=(R样品/RV-SMOW-1)×1000 ‰

(1)

式中：R样品和RV-SMOW分别代表水样中氢或氧的稳定同位素比率和维也纳标准平均海洋水中稳定同位素比率。

通过全球降水同位素监测网(GNIP)获取了昆明(与样点水库最近区)地区的多年降水稳定同位素数据，与水样测得的δD与δ18O值进行计算和分析。

2.3 数据统计与分析

利用EXCEL整理野外监测数据，检查和剔除异常值以保留有效数据，通过公式计算水体稳定同位素，利用Grapher软件绘制各水质特征、统计分析等图件。

3 结果与讨论

图2为各水库水体水温、pH、溶解氧、浊度、叶绿素和藻蓝蛋白等参数的垂向变化特征，指示了各水库的水环境状况及变化模式。

3.1 水质参数特征及其垂向变化

3.1.1 水温

湖库水温主要受控于太阳辐射的变化并与区域气温变化趋于同步[16]。因此，所测水库水温随日气温的变化而变化。本次监测的时间为12月，28座水库水温在9～17 ℃，介于当地冬季最高气温(17 ℃)和最低气温(5 ℃)之间。

垂直方向上，28座水库水温整体上呈现随深度增加而递减的变化趋势。浅水湖库易受风力干扰引起水体扰动，造成物质与能量的频繁交换，制约了热力分层结构的形成与稳定存在。28座水库中，新村(水深22m)、尼白祖(水深39m)水库，水温分别在13m和34m处发生突变。其它水库所测点的深度均<20m，未形成热力分层现象(图2a)。

3.1.2 pH

如图2b所示，水库表层水体的pH值均超过7.8，为弱碱性至碱性，与云南高原湖库pH值偏高的特征相符。其中，东清水库水体pH值最高(8.8～9.3)。垂值方向上，表层水体的pH值较高，下层水体的pH值随深度的增加而降低。其中，尼白祖水库水体pH值的降低幅度最大(>1)，从表层的8.13降低至底层的7；其次为东清水库，水库水深<6m，水体pH值的降幅达0.44。

3.1.3 溶解氧

湖库水体的溶解氧含量与藻类等植物生长过程中的光合作用密切相关，并参与部分物质的转换。一般而言，随着水深的增加，太阳辐射被不断削弱，藻类生长受限，导致水体中溶解氧浓度下降。28座水库水体溶解氧浓度特征及变化如图2 c所示：其中，东清水库表层水体溶解氧浓度为13.2mg/L，其余27座为5.5～10.5mg/L。垂直方向上，28座水库水体溶解氧浓度随深度的增加而逐渐减小，以东清、新河、下口坝、尼白祖4座水库变化最显著(除尼白祖水库外，水库深度均在10m以内，溶解氧的减小幅度超过4mg/L)。

3.1.4 浊度

如图2d所示，丙间、河尾、毛板桥3座水库表层水体的浊度均>10NTU，其中以毛板桥水库为最高(18～20NTU)。其余水库表层水体浊度<8NTU，表明水库表层水体中的悬浮物总量相对较少。垂直方向上，水体浊度随深度增加而上升。其中，分洲、勐连、土瓜地、丙间、中屯等5座水库的增加趋势较为明显(从表层至底部增加幅度达10NTU)，并表现出越往底层水体浊度增加幅度越大的特征。这是因为水库深度较小，容易受局部的气流与风场等的干扰，引起水库底层水体中底泥、悬浮物及溶解性有机质等发生扰动的效应。

3.1.5 叶绿素a

水体叶绿素a浓度的变化特征如图2e所示：大部分水库水体的叶绿素a浓度低于10μg/L。东清、新河水库表层水体叶绿素a浓度相对较高(超过60μg/L)。垂直方向上，水体叶绿素a浓度呈现增大、减小和不变三种模式。东清(水深10m)、新河(水深6m)2座水库变化最显著，表层和底层水体的叶绿素a浓度差值分别高达45μg/L和50μg/L。新河、麦拉、独田、夜起莲等4座水库水深<10m，叶绿素a浓度随水深的增加而逐渐增大，增幅相对平缓。

3.1.6 藻蓝蛋白

藻蓝蛋白的含量表征了水体中含叶绿素a的藻类中蓝藻为相对优势类群。从图2f中可见，28座水库中，大部分水库的水体藻蓝蛋白浓度低于5000cells/mL。在垂直方向上随深度的增加而降低，呈现出与叶绿素a浓度的变化相一致的特征。其中，新河、东清两座水库表层水体中的藻蓝蛋白浓度较高，随深度增加快速减小，水库水深在10m以内，表层至底部水体中的藻蓝蛋白浓度减小幅度超过10000cells/mL。

3.1.7 电导率和溶解性固体总量

28座水库水体电导率主要集中于0～0.4mS/cm(除永丰、勐连和丙间水库外)，垂直方向上，水体电导率分布较均匀，无增大或减少趋势(图3a)。

总溶解性固体(TDS)是水化学成分的重要指标，受降雨、蒸发、流域岩石成分等因素的影响明显，其含量的多少表征了溶解于水中的主要离子的总量[17]。28座水库水体中溶解性固体总量范围为0～0.6g/L，在垂直方向上无明显变化(图3b)。

电导率可以反映水体中可溶性固体总量(TDS)，也可以作为水体盐度的度量指标[18-19]。在一定温度范围内，当水体化学成分相对稳定时，电导率与TDS之间存在显著的正相关关系；在缺失数据的情况下，可以通过电导率的大小判别TDS的大致范围[20-22]。如图(3a, b)所示，电导率与TDS在垂向上的变化特征趋于一致，直观地表征了两者之间显著的正相关关系。

3.1.8 稳定同位素及水源补给识别

稳定同位素(如2H、18O)作为理想的示踪剂，广泛应用于水循环、降水来源、分割河流流量过程线等领域的研究[23]。区域大气降水线(LMWL)往往偏离全球大气降水方程并反映该地区降水的水汽来源及其特征。

根据全球大气水线(MWL)：δ H=8*δ18O+10[24]、西南地区大气降水线：δ D=7.44*δ18O+6.36[25]等已有研究结果，对楚雄地区28座水库水体中的δ D、δ18O进行一元线性回归分析，得到该地区湖库水体同位素线为：δ H=4.82*δ18O-34.42，R2=0.92。利用全球降水同位素监测网(GNIP)中获取的昆明降水同位素数据，计算当地大气降水线：δ H=7.48*δ18O +5.79，R2=0.95，作为样点水库地区的大气降水线(图4)。

在小流域尺度上，由于湖库水体停留时间较长、蒸发作用更强，导致楚雄28座水库水体的同位素线的斜率低于区域大气降水线。地表水和地下水同位素受区域性降雨的影响更明显，通过28座水库水体稳定同位素的特征可知，该地区水库的主要水源补给为区域性的大气降水。

3.2 各水体参数之间的相互关系

3.2.1 水温与叶绿素a、pH

叶绿素a是水体理化性质和生物指标之间综合作用的表征，具有季节性差异的特征[26]。水温通过控制藻类体内酶的活性而影响藻类的光合、呼吸、营养盐吸收利用等生理活动，进而影响藻类的生长[27]。相关分析结果显示(图5)，分洲等6座水库水体的叶绿素a浓度与水温呈明显的正相关关系(除分洲、尼白祖水库外，其余水库相关系数均达到0.8及以上)；湖库水温的变化及分层将影响到水环境的演化过程，以及氮、磷等营养盐和光照在水体中的分布特征，进而导致水体溶解氧浓度和水生生物垂向分布特征的差异[28]，最终影响浮游植物的生长(叶绿素a与藻蓝蛋白浓度的变化)。

垂直方向上，28座水库作为浅水型湖库，水体未形成明显的热力分层现象。太阳辐射随水深的增加不断削减，导致水体水温和叶绿素a浓度随深度的增加逐渐减小，两者的变化呈现一致性。

pH在水体中主要受CO2含量的影响，CO2的含量受水体中溶解性离子、水温以及生物活动等多种因素的影响[29]。随着湖库深度的增加，光照递减、水温降低，导致藻类生长的光合作用减弱，藻类生产力降低、水体复氧能力减小，水体pH值随之下降。研究发现，星云湖水体温度与pH值之间呈显著的正相关，相关系数高达0.907[10]。工农等6座水库的水温与pH的相关分析显示：随着深度的增加，温度和pH呈现减小的变化趋势，两者之间为显著的正相关关系，相关系数(r)在0.62～0.97(图6)。水温与pH的变化将进一步影响水体其它物理、化学和生物过程，进而导致水库整体水环境状况的改变。

3.2.2 藻蓝蛋白与溶解氧、pH

藻蓝蛋白(BGA)作为蓝藻的特征色素蛋白，是湖泊水库中水质变化和水华监测的关键指标之一。水体中的溶解氧(DO)浓度主要受生物过程的控制，浮游藻类通过光合作用吸收水中的CO2，释放出氧气，电离出氢根离子。当藻类数量上升到一定数量级时，其生命活动的旺盛程度必然对水体的DO变化产生关键影响[30]。在自然条件下，对藻类丰富的水体而言，水体DO浓度受植物的光合作用影响愈加显著并呈现出一定的季节和日变化规律[31]。因此，在藻类暴发的季节，可利用水体DO浓度的日极差开展湖库水体藻类暴发的简单预警[32]。冬季水温总体偏低，藻类和其它水生植物的叶绿素a水平也较低，生物活动少，对水体中DO浓度的影响也相对较小[19]。

如图7所示：芭蕉凹、新河、东清和下口坝4座水库水体的藻蓝蛋白浓度(代表蓝藻丰度)与溶解氧呈现显著的正相关关系(相关系数>0.87)。值得注意的是，水气交换、水动力、温度、有机物合成、化学物质的氧化还原反应以及生物生长、繁殖和新陈代谢等均影响水体中溶解氧浓度特征[33]。因此，结合多个水体参数进行综合研究，以揭示水体溶解氧(DO)的复杂变化机制。

湖库水体中浮游植物或藻类含量的增加，将造成水体水色、透明度等的变化。水生生物的呼吸与光合作用影响了水体的某些化学平衡，进而导致水体pH值的变化[10]。藻类对水体中有机酸的吸收和重碳酸盐的利用，也会引起水体pH的升高。长江中下游68个湖泊调查发现，水体pH值与水温、溶解氧含量和叶绿素a浓度呈显著正相关[34]。藻类的生长需要适宜的pH值范围，因而pH还会影响藻类的生长繁殖速度，进而影响到种群的演替[35]。

芭蕉凹、新河、东清、下口坝等4座水库藻蓝蛋白浓度随水体深度的增加而减小。与此同时，水体pH值也呈现相同的变化特征，即随深度增加pH值减小。藻蓝蛋白浓度与水体pH值的相关性分析显示：4座水库(芭蕉凹、新河、东清、下口坝)的藻蓝蛋白浓度与pH值呈显著正相关，相关系数(r)均达到了0.85及以上(图8)。基于水库弱碱性/碱性(pH值为7.8～9.3)水体特征的背景，水体pH与藻类生产量成正相关关系。因此，在无酸雨等特殊事件的情况下，可将pH值作为评价水体藻类生物量的参考指标之一。

4 结论与展望

28座水库水体温度(℃)、pH、溶解氧(mg/L)、浊度(NTU)、电导率(mS/cm)、溶解性固体总量(g/L)、叶绿素(μg/L)、藻蓝蛋白(cells/mL)、氢氧稳定同位素(δ D、δ18O)等各水体参数在不同水库呈现出不同的特征及变化模式。

受水库深度和监测季节、当日时段的差异等多种因素的影响，28座水库水体表层温度与监测时间段的气温大致相当，在垂直方向上随深度增加逐渐减小，除个别较深水库外，其余水库均未出现明显的热力分层现象。水库水体pH值均较高，为弱碱性至碱性水体。受温度、叶绿素a浓度等因素的影响，水体pH值随深度的增加而降低。水体溶解氧浓度处于5.5～10.5mg/L，在垂向上呈递减的变化趋势。水库水体浊度较高，受风力扰动较大且随深度的增加而增加。电导率与溶解性固体总量在垂直方向上未出现明显的波动，两者之间的变化趋势具有高度的一致性，证实了可以用电导率大小初步判别水体中溶解性固体总量的论证。除个别水库外，大多数水库水体的叶绿素a浓度<10μg/L，垂向上呈增大、减小和不变三种模式。大多数水库表层水体的藻蓝蛋白浓度低于5000cells/mL，其在垂直方向上的变化与叶绿素a的变化模式一致，指示了蓝藻为大多数水库水体中的优势类群。

水体稳定同位素与昆明大气降水线的分析表明，区域性的大气降水为水库主要的补给来源。相关分析显示，随着水库水深的增加，太阳辐射不断被削弱，水温降低，代表藻类生物量的叶绿素a浓度逐渐减低，造成水体溶解氧含量的降低。冬季水温相对较低，水体中藻类生物量较小，加上太阳辐射随水深的增加不断被削弱，导致植物光合作用减弱，消耗的CO2随之减少，导致水体复氧能力降低，进而造成水体pH值的降低。

可见，各水体参数之间相互影响、相互制约，在长期的区域气候背景和人类活动影响下，形成相对稳定的水环境特征，共同制约着水库生态系统的平衡与发展。因此，水库水环境是一个相对完整、不断发展的综合体，对区域水资源的科学理解、利用与管理，要以多参数水质数据为基础，开展系统、综合的研究。