气候事件及水利工程调度对湖泊微囊藻属影响研究

刘 伟，郝达平

(江苏省水文水资源勘测局淮安分局，江苏 淮安 223005)

随着全球气候变暖及自然条件恶化的加剧，不同地区均出现了极端气候事件，其中与人类关联最大且最直观的即为极端干旱或暴雨灾害[1-4]。极端气候事件往往是随机且剧烈的，会对水环境带来短暂但巨大的冲击[5-8]。这样的极端气候事件会对水环境带来怎样的影响，是否会破坏水生态的平衡，对其中的物种及生态链带来怎样的破坏，是亟需探明的问题。为解决地域性及季节性水资源分配不均并应对极端气候条件，人类兴建了许多水利工程[9-11]。水利工程调度逐渐成为水生态领域不可忽视的人为干扰，其中水利工程调度对水环境，尤其对水环境中动态变化的生物会带来什么样的影响未见普适性结论。

藻类是水环境中的初级生产力，其种群结构对水生食物链有决定性作用[12-13]。由于生命周期短且对生境敏感等特点，其动态变化极易受到周围环境变化的影响，因此，藻类常作为水环境变化的重要指标[14-15]。在适合的条件下，藻类存在水华爆发的风险，其中以蓝藻水华危害最大。以微囊藻水华为典型的蓝藻水华，不仅会破坏水生物多样性，而且因微囊藻会产生藻毒素会威胁饮用水安全[16-18]。极端气候事件如极端干旱通常伴随高热天气，极有可能会导致微囊藻属水华[19-20]；降水在一定程度上可以抑制蓝藻水华的暴发[21-22]，但降水会使得湖泊径流变大，营养盐输入激增有可能促进某些蓝藻的生长，从而诱发蓝藻风险[23]。在极端气候条件下的水利工程调度对于微囊藻会产生怎样的影响，如何在水利工程调度过程中减少微囊藻爆发的风险是水环境领域亟待解决的难题。

本文选取洪泽湖这一水利调度频繁的湖泊进行为期10年的研究，聚焦气候变化及水利工程调度对微囊藻属变化的影响及微囊藻的响应机制，以期预测微囊藻属风险，并提出在水利工程调度和极端天气的联合条件下微囊藻风险防控要点。

1 材料和方法

1.1 研究区域

洪泽湖是淮河流域最大的湖泊型水库，是中国第四大淡水湖。它地处苏北平原中部西侧，位于淮河中、下游结合部，是淮河河床的一个组成部分，在其西北部、西部和南部有时断时续的低山和岗阜，东部地势低平，临近京杭大运河里运河段，北枕废黄河和中运河[24]。洪泽湖是苏北黄淮平原地区的主要水源，也是南水北调东线一期工程重要的调蓄湖泊，它不仅是淮安市生活、生产的重要水源，还承担着宿迁、徐州、连云港、盐城和扬州等市的生活、生产用水；安徽省淮北部分地区和沿淮河两岸的用水也通过河湖上的水工建筑物(如新汴河上的团结闸)来取得水源。

1.2 监测站点

洪泽湖湖域面积大，各区域水质存在差异，根据地理位置以及水文、水力和湖岸、出入湖河道特性等因素，将洪泽湖分为3个区：北区(N区，即成子湖区域)、东区(E区)、西区(W区)。其中，N区布设了成子湖、高湖、洪泽湖区(宿迁北)、韩桥4个站点；W区布设了洪泽湖区(宿迁南)、临淮、溧河洼3个站点；E区布设了洪泽湖区(淮安西)、洪泽湖区(淮安北)、西顺河3个站点布设；三河闸闸湾区域容易形成死水区，在此区域增设蒋坝站点。

1.3 分析方法

在采样的同时，现场测定透明度、水温、pH及溶解氧。现场项目测定方法见表1。

表1 现场项目监测方法

实验室监测采用《水和废水监测分析方法》(第四版)分析方法，具体见表2。

表2 实验室项目分析方法

现场利用15%的鲁哥氏液进行藻类样品的固定，静置浓缩后进行密度及种群结构分析[25-26]。

1.4 统计方法

采用广义加性模型及皮尔逊相关性分析环境因素对洪泽湖近10年(2011—2020年)微囊藻动态变化的影响。广义加性模型能直接处理响应变量与多个解释变量之间的非线性关系[27-28]。本研究中，以藻密度为非独立变量，水温、降水、总氮、总磷、氮磷比、水深、入湖水量和出湖水量作为解释变量建立广义加性模型。广义加性模型的处理及出图均由Canoco for Windows 4.5软件完成。皮尔逊相关性的处理和分析由SPSS软件完成。

2 分析与讨论

2.1 水质及富营养化情况

2011—2020年研究期内，在总磷、总氮参与评价的情况下，洪泽湖整体水质未达到地表水环境质量Ⅲ类标准；当总磷、总氮不参与评价时，洪泽湖整体水质状况较好，达到地表水环境质量Ⅲ类标准。总磷、总氮指标达标率分别仅为27.9%、19.7%，超标倍数范围分别为1.01～3.75倍、1.01～4.21倍，平均超标倍数为1.69、1.79倍，不达标情况如图1所示。2011—2020年洪泽湖总磷整体上处于波动略微上升趋势，总体维持在Ⅳ类水；总氮整体上处于降低趋势，总体处于Ⅴ类水。

图1 洪泽湖氮磷营养盐变化趋势及水质评价

不同湖区水质指标的Z-score分布情况是：N区的水深低于平均值的概率较其他2个湖区更高，较低的水深为微囊藻属的繁殖提供了有利条件，是N区微囊藻属密度高于其他湖区的原因之一。在E区中，氨氮和亚硝酸盐氮高于平均值的概率较其他氮盐更高。微囊藻属属于非固氮蓝藻，其氨氮竞争力高于其他氮盐类型，这可能是微囊藻密度在水力扰动最大的E区大于W区的原因。

采用指数法评价湖库营养状态，2011—2020年，洪泽湖营养状态指数值在46.5～63.4之间，2012年年份变化范围最大，为50.8～63.4；2017年年份变化范围最小，为47.4～53.9；近10年平均值为54.3。其中营养指数值超过50，达到轻度富营养化的月份占总月份的比值达到89.6%，洪泽湖总体属于轻度富营养状态，非汛期指数值略低于汛期。洪泽湖营养状态指数总体有降低的趋势，总体表现为夏季高，冬春季节低。

2.2 相关性分析

整体上洪泽湖微囊藻属与水温、磷盐正相关，相关系数分别达到0.289、0.164；而与氮盐、出湖水量及水位均为负相关，相关系数分别达到0.190、0.108、0.192。

N区微囊藻与水温(0.254)、总磷(0.135)呈正相关，与水位(0.207)、总氮(0.134)、氮磷比(0.227)、入湖水量(0.365)、出湖水量(0.277)呈负相关。

E区微囊藻与水温(0.255)、降水(0.122)呈正相关，与水位(0.162)、总氮(0.291)、氮磷比(0.264)呈负相关。

W区微囊藻与水温(0.252)、总磷(0.238)呈正相关，与水位(0.238)、总氮(0.311)、氮磷比(0.228)、出湖水量(0.141)呈负相关。

微囊藻属和环境因子相关性如图2所示。

图2 微囊藻属和环境因子相关性示意图

洪泽湖检出微囊藻属主要有惠氏微囊藻、铜绿微囊藻、水华微囊藻和不定微囊藻等。其中惠氏微囊藻是洪泽湖检出微囊藻属的主要优势种，检出藻细胞密度0～2677.78万个/L，占检出微囊藻属的比例为56.4%，检出藻细胞频率和密度均较高。特别是在夏秋季节蓝藻暴发性增长时期，惠氏微囊藻密度均能达到很高的优势级。惠氏微囊藻与总磷、降水和水温成明显正相关，相关性系数分别为0.238、0.182、0.172，环境因子影响与不定微囊藻、水华微囊藻的相关性一致。铜绿微囊藻与总磷呈负相关，其余与惠氏微囊藻一致。皮尔逊相关性结果见表3。

表3 皮尔逊相关性结果列表

由于过去10年洪泽湖的氮盐存在一定的下降趋势，所以微囊藻属与氮盐负相关这一现象不具普适性，仅能说明在洪泽湖水体中，低浓度的氮盐并不是限制微囊藻生长的主要原因。洪泽湖的水位主要由工程调度控制，在降水较弱的时期，通过增强水利调度，可以抑制微囊藻属的增长。

2.3 气候条件及水利调度对微囊藻的影响

研究期间，洪泽湖不同区域微囊藻细胞密度分布不同，具体为N区>E区>W区。微囊藻密度属、出入湖水量及降水量随时间的动态变化如图3所示。

图3 水温、出入湖水量、降水和微囊藻的年际变化

(1)气候变化对微囊藻属影响

研究表明，随着气温的上升微囊藻属细胞密度呈增加趋势，气温与微囊藻细胞密度的相关性系数达到0.289，N、E、W区微囊藻细胞密度与气温变化趋势一致，相关性系数分别达到0.254、0.255、0.252。

(2)水利工程调度对微囊藻属影响

洪泽湖水利工程调度主要依靠出入湖水利工程，其中入湖流量站点包括怀洪新河双沟、老濉河泗洪(老)、濉河泗洪(濉)、徐洪河金镇、新汴河宿县闸、池河明光以及淮河蚌埠闸；出湖流量站主要为二河闸、三河闸、高良涧闸和高良涧水电站。入湖水量中，蚌埠闸贡献了74.1%的水量。入湖水量主要集中在E区和W区，出湖水量主要集中在E区，N区出入湖水量均较低，水体流动性较差。

入湖量、出湖量与微囊藻细胞相关性分别为-0.107、-0.108，可以看出出湖量与微囊藻细胞密度呈负相关，入湖量与微囊藻细胞密度亦呈负相关。3个分区入湖量的相关性由高到低分别为N>W>E，出湖量的相关性由高到低分别为N>W>E。由此可以看出，出入湖量对洪泽湖微囊藻属的影响较大，且成子湖区流动性对微囊藻属的影响大于其他区域。

在强降水或极度干旱的气候条件下，洪泽湖会经历较强的水利调度，出入湖水量变大。洪泽湖N区位于湖湾，水流缓慢，出入湖水量较少，主要靠降水补给，高温干旱天气造成的水深骤降有利于蓝藻尤其是易聚团的微囊藻属的大量繁殖，因此N区的微囊藻的异常增殖均伴随着或滞后于降水的急剧减少。降水少或出入湖水量减少带来的水力扰动减弱可为微囊藻的异常增殖提供适宜的生长环境。

(3)降水对微囊藻属影响

洪泽湖的降水主要集中在5—10月，呈现出较明显的年际差异性。虽然降水与微囊藻细胞相关性系数为+0.121，但降水较多的月份均出现在温度较高的月份，且降水最大月份与每年微囊藻密度峰值不一致，由此可以判断降水与微囊藻细胞密度的正相关受温度影响较大，且正相关性较弱。3个分区降水的相关性由高到低分别为E>W>N。

通过年际变化分析降水和水利调度对于微囊藻属增殖的影响，发现当降水和水利调度均较弱时，微囊藻属会出现大量增殖的情况。2012年8月、2013年8月、2016年9月及2019年10月，微囊藻属的大量增殖发生在弱降水和弱水利调度同时出现的月份，而非当年水温最高的月份。2018年9月，N区微囊藻属密度达到了研究期内的峰值，亦出现在降水减少且入湖水量少的情况下。当降水减少时，水利调度的增强会抑制微囊藻属的增殖。2011年9月、2012年9月、2014年9月、2015年7—9月、2017年9—10月及2020年8月，微囊藻属密度的减弱均发生在降水较弱，但水利调度增强的月份。这一现象为降水较弱的干旱时期提供了有效微囊藻属控制手段。

总体上来说，在水温较适宜微囊藻生长的夏秋季节，水温对于微囊藻属增殖的影响弱于降水和水利工程调度。2019年，洪泽湖区域遭遇了60年一遇的旱灾，洪泽湖湖区面积缩小近一倍，所处流域水量骤降，入湖河流的主要受水湖区E区和W区微囊藻属出现了异常增殖的现象，微囊藻属密度达到了研究期内的峰值。而在水体流动较差的N区，微囊藻属密度变化受旱灾的影响较其他2个湖区弱。在水温较高的夏秋季节，如果发生极度干旱的气候事件，极有可能出现微囊藻暴发的风险，且正常状态下水利流动较大的区域所受影响最大。

3 结论与建议

3.1 结论

洪泽湖总磷整体上处于波动略微上升趋势，而总氮整体上处于降低趋势；洪泽湖整体富营养化状态为轻度富营养化，非汛期营养指数值略低于汛期，总体表现为夏季高，冬春季节低，年际总体有降低的趋势。

气候对微囊藻属的影响系数为+0.289，气温上升与微囊藻属生长呈显著正相关，3个分区受气候变化影响差异性较小；降水对微囊藻属的影响系数+0.121，降水与微囊藻细胞密度的正相关受温度影响较大，且正相关性较弱；3个分区受降水影响为E>W>N；出入湖水量对微囊藻属的影响系数分别为-0.107、-0.108，湖体交换能力的提升与微囊藻属生长呈显著负相关；3个分区受湖体交换的影响为N>W>E，成子湖区域水体流动性对微囊藻属的影响大于其他区域。

3.2 建议

(1)加强监测和预警预测。制定蓝藻水华应急预案，强化预警监测，当降水和水利调度均较弱时，应关注微囊藻属大量增殖的情况，必要时需加密监测；在夏秋季节，若遭遇极度干旱，微囊藻暴发的风险较大，且原水体流动较大的区域所受影响大；当降水减少时，通过增强水利调度可以抑制微囊藻属增殖。

(2)控制氮磷营养盐。从污染源头到湖泊出口，通过污染源头控制、河道截污、湖荡调节、河口湿地、生态修复、畅通湖流等多道防线，有效控制湖泊富营养化程度，从根本上控制湖泊水华的发生。

(3)强化水利工程调度。通过水利调度，缓解高风险区域微囊藻繁殖程度，其中成子湖区通过开启二河闸使水体向下游排放，同时关闭扬庄闸、淮阴闸，打开盐河闸，使污染水体通过盐河下排。蒋坝区域在不违背《淮河洪水调度方案》规定的调度原则、确保防洪安全的前提下，尽可能加大三河闸流量，同时还可以通过江水北调工程翻引长江水入洪泽湖缓解。其他区域可通过南水北调、江水北凋、引沂济淮等工程，调引水源入洪泽湖搞活水体。

(4)完善全流域管控措施。湖泊管理和治理是一个长期的过程，相关法律法规的制定、新技术和新方法在改善和修复湖泊生态环境以及湖泊管理中的应用、湖泊保护意识的提高等等，须经过多方面协同努力，形成全流域管控的合力，才能获得最佳的生态环境效益。