2. 三峡库区水环境监测与模拟国际科技合作基地, 重庆 400716;
3. 三峡大学三峡库区生态环境教育部工程研究中心, 宜昌 443000;
4. 加拿大温莎大学大湖环境研究中心, 加拿大安大略省温莎市, N9 B 3P4
2. Innovative Monitoring and Prediction of Non-point Sources Pollution and Water Quality in the Three Gorges Reservoir Catchment, Chongqing 400716, China;
3. Engineering Research Centre of Eco-Environment in the Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, Three Gorges University, Yichang 443000, China;
4. Great Lakes Environmental Research Center, University of Windsor, Windsor, Ontario, Canada, N9 B 3P4
三峡库区蓄水后, 长江干流由于水量和流速大, 仍保持河道型, 而支流库湾则由原来的河流型变为河流湖泊型, 水动力条件、营养的输移和分布模式都发生了显著变化[1, 2].支流回水区水深增加, 流速减缓, 近岸水域纳污能力减小, 部分支流库湾受回水顶托, 营养物质大量富集, 成为富营养化的敏感水域, 出现严重的富营养化状态, 藻类大量生长, 暴发不同程度的水华现象[3~5].在众多有关三峡库区支流富营养化和水华暴发机理的研究中, 春季水体温度分层被认为与春季水华高发有直接联系[6], 回水区水热分层对水华形成有重要作用[7]; 水体稳定, 水层间物质不易传输, 会加速藻类的生长, 并促进底泥营养盐的释放, 形成支流库湾水体富营养[8, 9].
本文将以库区北岸最大支流澎溪河(又名小江)和库区南岸一级支流磨刀溪为研究对象, 通过比较分析库区水华发生的机理.有学者研究证明澎溪河回水区处于中-富营养化状态[10]; 并且对澎溪河高阳平湖的长期、高频定点水质检测表明水体分层为每年春季浮游植物在澎溪河中游高阳平湖斜温层大量繁殖提供了稳定的水流条件[11].同时, 磨刀溪位于三峡库区南岸的一级支流, 与澎溪河毗邻, 其气候、地貌等条件与澎溪河相似, 但目前鲜有见到过对磨刀溪有水华暴发的报道.比较澎溪河和磨刀溪的水质特征和Chl-a含量, 将有助于解释澎溪河水华暴发的成因.本研究分别于2014年春、夏两季水华高发期在澎溪河和磨刀溪调查采样, 在相似气候以及地理条件下, 比较两河的水质、水体分层及Chl-a等因素, 分析水华暴发的内在原因, 以期为库区水体污染治理和水华暴发提供依据.
1 材料与方法 1.1 研究区域澎溪河介于北纬30°49′~31°42′, 东经107°56′~108°54′之间, 发源于重庆开县白泉乡钟鼓村, 年平均径流量达34.1亿m3, 干流全长182 km, 流域面积5 276 km2, 是三峡库区中段、北岸流域面积最大的次级河流[12].流域气候条件受太平洋、印度洋季风及西风环流和青藏高原气旋的影响, 气候类型属亚热带湿润季风气候.流域内的山地多为石灰岩结构, 岩溶发育, 山脊呈锯齿或长垣状, 山岭间河谷深切, 临江最高相对高差达1 000 m左右.平行谷岭间河谷较开阔, 有较宽的河谷平坝.位于澎溪河中游的高阳平湖为库区直接与干流相接的最大湖面, 该处水面变宽, 水体流速降低, 是近年库区水华暴发最为频繁的区域之一.沿澎溪河流域设置8个采样断面(见图 1).
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图 1 三峡库区支流澎溪河及磨刀溪采样分布点示意 Fig. 1 Distribution of sampling sites in Pengxi River and Modao River in TGR |
磨刀溪是三峡库区长江南岸一级支流, 其地理位置介于北纬30°11′~30°56′、东经180°14′~109°01′之间, 发源于重庆市大风堡市级自然保护区, 年总径流量26.94亿m3, 干流全长183 km, 流域面积3 170 km2.流域属于亚热带季风气候, 受东南季风影响[13], 与澎溪河同属一个气候类型.流域内地势为东南高、西北低, 山岭海拔高程在1 000 m左右, 南部最高山峰大风包海拔1 934 m, 河流切割高程约500 m, 相对高差200 m, 属低山、中低山地貌区.沿磨刀溪流域共设置6个采样断面(见图 1).
1.2 样品采集样品采集及测定方法参照文献[14~20]进行, 采样时间为库区春夏水华高发期, 分别于2014年4月17~18日和7月27~28日对两条支流采样, 各断面采样点均位于河道深泓线处, 采样均在1 d内完成.具体方法为:① 环境因子指标:RBR-80220型水质自动分析仪现场测定水温(T)、浊度(Tur)、氧化还原电位(ORP)、水深(Depth)、电导率(Cond)、叶绿素a(Chl-a); ② 各采样点分表层(水下0.5 m)、中层(位于温跃层中部, 温跃层具体深度范围根据多参数水质仪现场读取的深度-温度剖面确定)、底层(湖底上0.5 m) 3层. ③ 过硫酸钾氧化-消解-紫外分光光度法测定总氮(TN)、过硫酸钾氧化-消解-钼锑抗分光光度法测定总磷(TP), 0.45 μm滤膜过滤-过硫酸钾氧化-消解-紫外分光光度法测定溶解性氮(DTN), 0.45 μm滤膜过滤-过硫酸钾氧化-消解-钼锑抗分光光度法测定溶解性磷(DTP); 水体水质富营养化的等级评价参考《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)[21].
1.3 数据处理及分析方法用SPSS 17.0和Excel 2013对环境因子指标进行相关统计分析.
2 结果与分析 2.1 磨刀溪与澎溪河营养盐分布状况比较分析图 2、3显示, 两条河流各断面水体N、P水平均高于国际公认发生富营养化阈值, 即氮<0.2mg·L-1, 磷<0.02 mg·L-1[22].其中, 磨刀溪春季TN含量水平为1.038~2.508 mg·L-1, TP范围在0.037~0.126 mg·L-1, 达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002) 中的Ⅲ类与Ⅳ类水质; 夏季TN、TP平均水平为1.875 mg·L-1、0.075 mg·L-1, 仍为Ⅲ类水质.澎溪河春季TN为1.584~3.545mg·L-1, TP范围0.04~0.109 mg·L-1, 达到了Ⅴ类水质; 夏季水体TN、TP平均含量为1.79 mg·L-1、0.054 mg·L-1, 营养较春季降低, 属于Ⅳ水质.两条河流的溶解性总氮(DTN)含量均较高, 占TN含量的80%以上, 水体中主要还是以溶解性氮为主; 水体中磷的形态分布相似, 溶解性总磷(DTP)占有TP的50%以上.从时间角度, 澎溪河与磨刀溪N、P含量变化趋势相似, 春季稍高于夏季, 澎溪河N、P含量略高于磨刀溪; 从空间水平维度上看, 两条河流情况相似, 上游水体营养盐, 包括TN、TP、DTP、DTN等含量均小于下游水体; 从空间垂直维度看, 无论春、夏季, 磨刀溪与澎溪河中、底层水体TN、TP含量高于表层.
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图 2 磨刀溪2014年春季和夏季营养盐变化 Fig. 2 Changes of nutrients in Modao River in spring and summer, 2014 |
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图 3 澎溪河2014年春季和夏季营养盐变化 Fig. 3 Changes of nutrients in Pengxi River in spring and summer, 2014 |
磨刀溪与澎溪河水体温度及深度断面变化见图 4与图 5.在4月17~18日和7月27~28日两次采样期, 两条河流上游表层水体温度高于河口和长江干流水体, 下层水体温度则与干流相差无几.其中, 春季长江干流水体混合均匀, 整个水体水温为16℃, 而磨刀溪与澎溪河上游表层水体温度均高于20℃(图 4); 夏季水体温度较春季高9℃(图 5); 水体温度由上游向下游呈下降趋势, 河口温度较上游降低5~8℃.两条河流上游均出现分层现象, 各断面温度总体呈现半个倒“U”字型, 分层水体均没有明显混合层, 而只有温跃层+滞温层两个层次, 下游至河口处几乎无分层现象.磨刀溪春季上游水体温表层(0~5 m)内温度随深度明显降低(河口温度不随深度增加而变化), 水深7~10 m处水温有明显转折且低于河口; 夏季于5 m处温跃层与滞温层分开.澎溪河温度变化与磨刀溪类似, 表层(0~10 m)温度降低剧烈, 在10 m处为温跃层与滞温层的转折点.
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图 4 磨刀溪与澎溪河2014年春季温度-深度变化 Fig. 4 Temperature-depth profiles of Modao River and Pengxi River in spring, 2014 |
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图 5 磨刀溪与澎溪河2014年夏季温度-深度变化图谱 Fig. 5 Temperature-depth profiles of Modao River and Pengxi River in summer, 2014 |
从河流横向断面看, 磨刀溪春季水体的Chl-a含量水平较低.磨刀溪河口(即长江干流, MD00) Chl-a含量低于1 μg·L-1, 断面MD03处的Chl-a达到最高值的2.9 μg·L-1, Chl-a含量主要集中于上游.澎溪河河口(长江干流)春季Chl-a浓度低于1 μg·L-1, 但在上游断面PX06处达到最大值60.5 μg·L-1; 澎溪河春季上游PX07断面上层水体Chl-a含量较磨刀溪上游MD05同层次水体高59倍, 整个断面Chl-a含量高出磨刀溪3.3倍, 夏季两条河流差异不明显.两条河流Chl-a富集的时间呈现相反的趋势.磨刀溪夏季Chl-a含量高于春季, 夏季Chl-a含量在断面MD03处达到最高7.48 μg·L-1水平; 澎溪河夏季于PX03断面出现最大值, 为7.8 μg·L-1, 仅为春季同层次Chl-a含量的15%.
从河流纵向断面看, 长江干流断面(PX00与MD00) Chl-a浓度低且不随深度变化, 水体底层(滞温层)趋近于0.5 μg·L-1水平.磨刀溪Chl-a含量在温跃层富集(图 6), 在0~10 m水深的Chl-a含量明显高于其它水体层次; 同样, 澎溪河Chl-a含量水平也集中水体温跃层(图 7), 春季0~5 m水深是Chl-a集中的主要区域, 夏季则在0~8 m层次富集, 滞温层体Chl-a含量与长江干流Chl-a含量(春季0.68 μg·L-1、夏季0.25 μg·L-1)保持一致.对比温度-深度变化图谱(图 4和图 5), 温跃层在两条河流中均是藻类活动的主要区域, 水体分层对于藻类的分布与繁殖起重要的作用.
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图 6 磨刀溪与澎溪河2014年春季Chl-a含量变化 Fig. 6 Chl-a concentration-depth profiles of Modao River and Pengxi River in spring, 2014 |
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图 7 磨刀溪与澎溪河2014年夏季Chl-a含量变化 Fig. 7 Chl-a concentration-depth profiles of Modao River and Pengxi River in summer, 2014 |
如图 8所示, 春季磨刀溪上游水体Chl-a含量明显低于澎溪河, 如PX06、PX07断面温跃层Chl-a平均值分别达到10.3 μg·L-1和10.2 μg·L-1, 而同期MD04、MD05仅为1 μg·L-1与0.9 μg·L-1.澎溪河春季上游PX06、07断面上层水体Chl-a含量为较磨刀溪上游MD05上层水体的60倍.春季是澎溪河水华暴发高峰期; 两河下游Chl-a含量无显著差异性且逐步趋向于河口含量.结合2.1和2.2节可知, 下游水体浮游生物量低的主要原因是受长江干流影响水体未分层导致的, 而与水体N、P营养盐的分布关系不大.夏季两条河流Chl-a浓度相近, 峰值出现在上游, 绝对值低于4.3 μg·L-1, 仍然为上游高于下游; 磨刀溪Chl-a的高浓度则主要集中于夏季, 并出现在MD03断面.
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图 8 磨刀溪与澎溪河Chl-a含量断面分布(平均值) Fig. 8 Modao River and Pengxi River Chl-a content distributions (average value) |
如图 9、10所示, 受来自长江干流水体的影响, 两河河口电导率在春季和夏季均保持在357.17 μS·cm-1左右的水平; 夏季河口电导率较春季低.两条河流春夏季电导率表现出相反变化趋势, 春季澎溪河上游的电导率远高于下游, 如断面PX07的最高电导率为下游断面相同层次的172.48%;而磨刀溪则相反, 上游最低电导率仅为河口74.4%.两条河流电导率剧烈变化层次为水深0~10 m, 联系两河各自的温度-深度图谱(图 4和图 5), 两河春季与夏季电导率均在水体温跃层之间变化.
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图 9 磨刀溪与澎溪河2014年春季电导率-深度变化 Fig. 9 Conductivity-depth variation map of Modao River and Pengxi River in spring, 2014 |
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图 10 磨刀与澎溪河2014年夏季电导率-深度变化 Fig. 10 Conductivity-depth variation map of Modao River and Pengxi River in summer, 2014 |
磨刀溪春季上游断面MD04和MD05的电导率与断面MD03电导率相差76.61 μS·cm-1, 断面MD00~MD03之间并无差异, 可知春季长江回水可达到断面MD03~MD04之间; 夏季磨刀溪上游断面MD04、MD05仍低于下游断面MD00~MD02, 断面MD03呈现较为复杂的变化趋势, 可知夏季磨刀溪回水可达断面MD03, 此处的Chl-a浓度为整条支流最高.在澎溪河, 由于高阳平湖(PX05和PX06之间)的缓冲作用, 澎溪河断面明显可以分为两组, 即PX00~PX04断面为一组, PX05~PX07为一组; PX05断面上层水体电导率高于PX04上层水体, 两者相差136.16 μS·cm-1, 可知澎溪河春季高水位期干流回水顶端位于断面PX04与断面PX05之间(图 9和图 10).
3 讨论三峡库区蓄水后变成了河道型水库, 河道型水库支流区域受气温影响更为显著, 气温对水体的影响主要表现为水温变化和水热分层, 水体分层会影响营养盐的垂向输移和分布[23, 24]; 水温状况及分层现象将直接或间接影响到库区水环境中各种物理、化学和生物过程[25].杨正健等[26]对香溪河的研究也表明, 水体分层是藻类水华暴发的主要原因, 水体分层越明显越容易发生水华; 陈洋等[7]研究表明真光层深度与混合层深度的比值是影响藻类水华暴发的关键因子.澎溪河与磨刀溪春、夏季节水体明显分层, 为温跃层+滞温层模式, 缺乏混合层[27, 11].本研究中两条河流上游水体分层, 上游Chl-a含量高于下游的结果再次证明水华与水体分层的重要关系.
两条河流N、P处于较高水平(高于国际公认发生富营养化的阈值).单从营养盐角度, 两条河流的N、P营养均已达到发生水华的水平[28], 但实际上, 在水华高发期磨刀溪Chl-a含量不高, 澎溪河夏季水华现象也不明显, 表明Chl-a浓度与TN、TP并无明显相关关系, N、P营养不是水华暴发的限制因素, 与郭劲松等[29]对澎溪河水华的研究结果一致.
电导率是衡量水质的重要指标, 反映水中电解质的含量, 水体电导率的大小主要由溶解在水体的离子种类、浓度和水温等决定.洪小筠[30]的研究认为闽江河水体氯离子浓度与电导率呈现较高相关性, 越靠近河口相关性越高; 李秋华等[31]研究认为, 营养盐是导致水库电导率上升的重要因素, 但鲜有学者就电导率在天然水体污染及水体水华暴发中的作用进行研究.本研究的结果表明, 首先依据电导率变化可以判断出三峡库区长江干流到达支流的回水位置, 即澎溪河回水区春季回水区可达断面PX04与PX05之间, 夏季至断面PX02处; 磨刀溪春季和夏季回水区位于断面MD03处.且一般干流回水与支流来水混合处, 水流缓慢, 营养丰富, 也是藻类富集的部位, 也是电导率明显变化的区域; 本研究中, 自回水区域往上, 澎溪河高电导率水域对应着高Chl-a含量; 同时高电导率与高Chl-a浓度均存在于温跃层之中, 电导率与Chl-a表现出极显著的正相关关系(P<0.01).因此, 电导率不仅可用于判定三峡库区干流回水到达区域, 尤其是回水与来水交汇区域; 对水体藻类富集以及水华暴发区位有一定的指示作用.
李秋华等[31]对广东大中型水库电导率分布特征研究表明, 水体富营养化程度较高的水库, NO3-、NH4+和PO43-离子质量浓度相应较高, 电导率也较高; 但澎溪河与磨刀溪水体营养相近而电导率却表现出显著差异性, Chl-a含量也差异显著.有研究指出水体中其他离子对藻类生长有重要作用, 王海明等[32]研究认为Mn2+是限制铜绿微囊藻生长的重要因子; 刘海清等[33]对滇池Zn2+的研究表明, 高Zn2+浓度会抑制滇池藻类生长, 而低浓度则会促进藻类生长; 刘静等[34]以及魏群等[35]研究表明水体中Fe3+、Cr6+对藻类具有抑制作用, 低浓度Fe3+对藻类仍具有一定促进作用; 钟远等[36]研究认为一定浓度硫酸盐可以抑制原有蓝藻和硅藻的生长, 而绿藻的种类和数量增加.而近年来, 大量学者对澎溪河藻类的研究认为澎溪河水体藻类主要以蓝藻、绿藻、甲藻和硅藻为主[37~39]; 因此, 澎溪河水华暴发可能与其他电解质离子浓度有很大关系(SO42-、Cl-1、K+、Na+以及其他矿物离子等).现有对水华的研究集中于N、P营养与水华的关系上, 本研究则证明除水体N、P以外的其他离子不仅能解释澎溪河与磨刀溪电导率的差异性, 对研究澎溪河水华暴发同样具有重要指导意义.
4 结论(1) 澎溪河与磨刀溪在水体N、P营养浓度以及水体分层、Chl-a含量主要分布层次方面均相似, 但澎溪河Chl-a含量在春季水华高发期显著高于磨刀溪, 暴发明显的水华现象.
(2) 两条河流温跃层是藻类生物量积累的主要层次, 也是电导率变化的主要层次.
(3) 电导率的变化对三峡库区支流回水区域具有指示作用, 回水与来水交汇处电导率明显变化, 以此可判定回水所到达区域; 且回水交汇处及上游来水区域Chl-a含量明显高于干流回水区域, 电导率可初步判定水华富集与暴发位置.
(4) 澎溪河上层水体电导率明显高于磨刀溪上层水体; 电导率与Chl-a含量表现出明显的相关关系, 但与水体N、P并无明显相关性; 澎溪河与磨刀溪水体中其他离子对电导率的贡献较大, 且影响水体藻类的生长繁殖.
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