2018, Vol. 39
三峡水库自2003年蓄水以来, 部分支流多次出现不同程度的水华现象[1], 已成为三峡水库当前主要的水环境问题[2], 引起社会各界的极大关注[3~5].以香溪河库湾为例, 蓄水后由原来的河流水体转变为“湖泊(缓流)水体”, 每年均暴发了不同程度的水华[6], 优势藻种总体上呈现由河流型(硅藻、甲藻)向湖泊型(绿藻、隐藻、蓝藻等)演变的趋势.水华问题又进一步加剧了水体污染, 包括造成水体缺氧引起水生生物窒息、产生藻毒素(蓝藻)等[7]问题严重影响了库区人民的正常生活.如何准确认识水库水华生消机制并进行有效防控是三峡水库目前迫切需要解决的问题.
有研究表明, 营养盐对水华优势种演替具有重要影响[8~10].目前三峡水库支流库湾营养盐来源还不够明确, 部分文献着力于非点源对支流库湾营养盐的贡献研究[11~13], 李重荣等[14]指出影响香溪河水质的主要流域点、面源污染.李凤清等[15]也表明香溪河流域氮、磷营养盐主要以点、面源污染的方式进入河道.胡征宇等[16]认为香溪河库湾营养盐主要来源于其上游古夫河和南阳河, 且磷负荷超过95%.但吉小盼等[17]、罗专溪等[18]指出在三峡水库泄水期, 香溪河库湾的营养状态受干流逆向影响, 张宇等[19]通过计算库湾过流断面总磷、总氮的瞬时通量得出干流倒灌对支流库湾营养盐的补给作用更大[20], 陈媛媛等[21]通过常量离子示踪表明香溪河库湾中游至河口营养盐以中层倒灌补给为主, 而上游段受来流影响更大.
近期研究发现, 三峡水库支流库湾分层异重流季节变化非常显著[22~24], 其与支流上游来水共同作用对支流营养盐季节性变化具有决定性影响, 特别是每年3月上游来水从库湾表层流向长江干流[25], 这一过程对真光层内的营养盐补给可能对藻类水华产生较大影响, 而目前已有的研究尚未阐明清楚.本文通过分析2010~2011年香溪河库湾跟踪监测数据, 利用常量离子示踪技术, 估算了不同水库运行期内长江干流及库湾上游来水分别对支流库湾营养盐的补给量及贡献率, 并讨论了支流营养盐动态补给过程对水华的影响, 以期为深入研究河道型水库支流水华生消机制提供支撑.
1 材料与方法 1.1 监测方案根据香溪河的地形地貌及水华暴发特点, 从河口至回水末端昭君镇, 沿河道中泓线约每间隔3 km布设1个共11个监测点, 依次记为XX00、XX01、XX02、XX03、XX04、XX05、XX06、XX07、XX08、XX09、XX10, 如图 1; 在长江干流郭家坝水域布设1个监测点作为干流对照点, 记为GJB; 在香溪河库湾上游自然河道内设置1个监测点, 记为YT(高水位时取古夫河和南阳河的均值, 低水位时取两河交汇处监测值).采表层水样并带回实验室, 根据文献[26]测定水中总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝氮(NO3--N)、总磷(TP)、正磷酸盐(PO43--P)、叶绿素a(Chl-a)等浓度, 用硅钼黄分光光度法[27]测定溶解性硅酸盐(D-SiO2)浓度, 采用ICS3000离子色谱仪(美国戴安公司)测定常量离子(SO42、Cl-、F-、Mg2+、Ca2+、Na+和K+)浓度, 采用鲁哥沉降法浓缩藻种标本, 在奥林巴斯CX31生物显微镜(10×40倍)下, 根据文献[28]进行藻种的人工鉴定和细胞计数.调查采样期为2010年1月至2011年12月, 常规监测频率为每周1次(常量离子监测频率为水库不同运行时期各1次); 选取香溪河中游峡口镇水域的XX06采样点作为固定加密监测点, 监测指标同上, 监测频率一般为1~2 d一次.
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图 1 香溪河库湾采样点布设位置示意 Fig. 1 Distribution of sampling sites in Xiangxi Bay |
有研究表明, 香溪河库湾当前最大的两大污染源主要是上游来水和长江倒灌[29].假设在不同水位运行期内长江干流和香溪河上游来水水体中常量离子浓度基本稳定, 忽略因水位变化导致的香溪河库湾水体的常量离子浓度变化, 根据二源线性混合模型[30]计算在特定水位运行期内长江干流和上游来水对香溪河库湾水体的贡献率可得:
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(1) |
式中, xCJ和xUp分别为长江倒灌和香溪河上游来水对香溪河水体的贡献率, %, cCJ、cUp和cXX分别为长江水体、香溪河上游来水及香溪河库湾的示踪离子浓度, mg·L-1.
根据库容曲线及实际水位情况可以得到香溪河库湾的库容VXX, m3, 即可得到长江干流倒灌及香溪河上游来水对香溪湾输入的水团量分别为VXXxCJ和VXXxUp, m3; 如果已知长江水体的营养盐浓度MCJ和上游来水营养盐浓度MUp, mg·L-1, 可得长江干流倒灌及香溪河上游来水对香溪河库湾营养盐的贡献量TCJ、TUp, g, 及贡献率μCJ、μUp, %; 如表达式(2)所示,
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(2) |
始终保持有化学保守特性的离子才能作为示踪离子, 即在某一时期内与参照离子具有很好的线性关系[18, 31]. 2011年香溪河库湾常规离子相关性矩阵排列见图 2.从中可知, 若以Cl-作为参照离子, Na+、K+和SO42-与之始终保持较好的线性关系(相关系数R依次为0.94、0.87、0.85);而且只有这4种离子呈显著相关性、并具有良好的线性特征, 说明适合香溪河库湾的示踪离子应该在这4种离子中选取.
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图 2 香溪河库湾常量离子矩阵排列 Fig. 2 Matrix plots of conservative ions in Xiangxi Bay |
图 3是2010~2011年是监测点XX06表层氮、磷、硅营养盐浓度随时间变化规律.其中氮营养盐以总氮(TN)和硝酸盐氮(NO3--N)表征, 磷营养盐以总磷(TP)和磷酸盐(PO43-P)表征, 硅营养盐以溶解性二氧化硅(D-SiO2)表征.从图 3(a)中可以看出, 香溪河库湾总氮浓度略大于硝酸盐氮浓度, 且二者变化趋势基本一致, 说明硝酸盐氮是香溪河氮营养盐的主要组成部分.总体来看, 年内氮营养盐浓度变化过程包含下降、明显升高、波动、下降、缓慢上升这5个阶段.香溪河库湾氮营养盐浓度绝大多数时间均超过0.20 mg·L-1(图中红线值), 处于富营养状态.磷营养盐年内整体变化趋势[图 3(b)]与氮营养盐[图 3(a)]有较大差异, 其变化过程基本可划分为4个阶段：升高、下降、波动、平稳中略有升高.硅酸盐年内整体变化趋势[图 3(c)]与氮营养盐[图 3(a)]相似, 但其过程只分为4个阶段：下降、上升、波动、相对稳定(维持在6.00~8.00 mg·L-1之间).
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图 3 XX06监测点表层营养盐随时间变化过程 Fig. 3 Nutrient variations in the surface layer with time at Site-XX06 |
水库不同运行时期(枯水运用期11月至次年2月、汛前泄水期3~5月、汛期6~8月、汛后蓄水期9~10月)香溪河库湾Cl-与Na+关系分布特征见图 4所示.从中可以看出, Cl-与Na+具有较高的线性关系, 在库湾的分布基本满足稀释线定律[32], 并且离子浓度分布规律均为干流>香溪河库湾>支流来水.但在水库不同运行期内, 香溪河库湾的离子浓度分别与干流、支流来水的差异性有所变化：在枯水运用期的1月, 如图 4(a), 库湾离子浓度更靠近长江干流; 到汛前泄水期, 如图 4(b), 库湾离子浓度已逐渐均匀分布在干流与支流之间, 且略向支流来水倾斜; 到8月汛期, 如图 4(c), 香溪河库湾水体离子浓度基本均匀分布在两者之间; 在汛后蓄水期的10月, 如图 4(d), 此时香溪河库湾离子浓度明显更靠近长江干流而远离上游来水.干、支流Cl-与Na+的浓度存在显著差异(P < 0.01), 并且这种分布差异在三峡水库不同的运行期的变化趋势也十分明显.也说明了通过离子示踪方法来分析香溪河库湾水团混合是可行且可靠的.
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图 4 Cl-与Na+对应关系在三峡水库干支流分布特征 Fig. 4 Spatial distribution of the relation between Cl- and Na+ |
根据水体示踪模型[式(1)], 计算出不同时期的香溪河库湾水体主要来源贡献率见表 1.以Cl-作为示踪离子, 各时期长江干流对支流库湾水体的贡献大小顺序为：汛后蓄水期>枯水运用期>汛前泄水期>汛期, 分别为85.87%、84.98%、66.82%、54.99%. Na+作为示踪离子的计算结果与Cl-的计算结果整体上类似, 说明香溪河库湾水体主要来源于长江干流, 但支流上游来水对库湾水体的贡献亦不可忽略, 尤其在汛前泄水期和汛期.
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表 1 不同水团对香溪河库湾水体的贡献率(保守离子示踪) Table 1 Contribution rate of different water masses to water in Xiangxi Bay (conservative ion tracing) |
以Cl-为示踪剂, 根据营养盐示踪模型[式(2)], 计算出不同时期的香溪河库湾主要营养盐的来源贡献率如表 2.在枯水运用期, 长江干流对香溪河库湾总氮贡献率达到87.67%, 总磷贡献率达到86.75%, 其它营养盐贡献率均超过了80%.到汛前泄水期的4月, 长江干流对支流氮和硅营养盐的贡献率仍然占主导作用, 超过70%, 但对磷营养盐的贡献明显降低, 基本与上游来水的贡献持平; 到汛期, 长江倒灌与上游来水对支流库湾营养盐的贡献相对持平; 到汛后蓄水期, 长江干流对支流营养盐的贡献又超过80%.
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表 2 不同水团对香溪河库湾营养盐的贡献率(Cl-)/% Table 2 Contribution Rate of Different Water Masses to Nutrients in Xiangxi Bay (Cl-)/% |
3 讨论 3.1 不同时期支流库湾真光层营养盐来源的成因分析
有研究表明, 不同时期长江干流以不同的倒灌形式与库湾水体进行物质交换, 不同时期的分层异重流典型分布[22, 33], 如图 5所示：底部倒灌楔[图 5(a)](为底部倒灌的初始阶段)、底部倒灌[图 5(b)]、中层倒灌[图 5(c)]、表层倒灌[图 5(d)], 这些过程必然导致干、支流间营养盐的交换.
在枯水运用期[图 4(a)], 库湾离子浓度更靠近长江干流, 这说明此时香溪河库湾水体化学特征与长江干流更为相似, 而1月无显著的倒灌异重流, 而香溪河上游来水几乎为零, 此时香溪河库湾水体主要是前一年三峡水库蓄水时倒灌进入的长江干流水体.从2月~4月, 香溪河库湾分层异重流开始出现, 并逐步演化为底部倒灌[图 5(b)], 即长江干流水体自底部倒灌入香溪河, 香溪河上游来水逐渐增大, 且以表层水流形式流向干流, 因而导致香溪河库湾离子浓度特征逐渐向香溪河上游来水倾斜[图 4(b)].
到8月汛期[图 4(c)], 香溪河库湾水体离子浓度基本均匀分布在两者之间, 这说明干流倒灌及上游来水在此时对香溪河库湾均具有较强的影响, 这与汛期的不稳定水文事件正好对应.在汛后蓄水期的10月, 如图 4(d), 此时香溪河库湾离子浓度明显更靠近长江干流而远离上游来水, 这说明在蓄水期库湾水体化学特征与长江干流极为相似、受上游来水影响很小, 这一分布特征与该期间发生的表层倒灌异重流事件正好吻合.
一般湖泊及普通水库水体真光层营养盐来源主要包括点源、面源、内源等, 其补给过程主要是水流输移、对流与扩散、内源悬浮以及冬季水体垂向混合(overturn)等, 其中湖泊水体不同水体垂向循环过程对表层营养盐的补给具有重要作用[34].但三峡水库支流库湾与此有显著区别, 分层异重流背景使得库湾真光层营养盐更多受长江干流倒灌和支流上游来水的影响, 尤其是香溪河这样典型的支流, 其上游来水富磷[上游TP(0.24±0.41) mg·L-1>干流TP(0.15±0.11) mg·L-1], 而长江干流含氮[上游TN(0.66±0.57) mg·L-1 < 干流TN(1.11±0.55) mg·L-1]、硅[上游D-SiO2(7.56±3.23) mg·L-1 < 干流D-SiO2(10.36±2.94) mg·L-1]较高, 二者对库湾真光层营养盐的贡献非常显著.以2010年为例, 香溪河库湾满库容时总氮含量约为1 052 t, 总磷含量约为131.53 t.然而, 根据李凤清[15]的计算结果, 上游来水中每年有1 623. 49 t总氮和331. 85 t总磷汇入香溪河库湾, 大于香溪河实际容量, 这说明上游来水的营养盐进入香溪河库湾后并未完全停留在库湾内, 而常量离子示踪也表明, 每年的长江倒灌导致的三峡水库干支流营养盐交换量比上游来水的还要大.这说明, 香溪河库湾干支流交换过程和上游来水入库交换过程对支流营养盐影响要远远超过香溪河库湾其它交换过程.根据常量离子示踪结构来看, 并参照Yang等[35]的氢氧同位素示踪、胡雪[36]的氮同位素示踪的结果, 以年度作为评价时段, 长江干流倒灌贡献要比上游来水贡献更大, 因此, 香溪河库湾水体营养盐主要源于长江干流.
3.2 香溪河库湾营养盐动态补给过程对水华优势种的影响香溪河全库湾的总藻密度月均值变化如图 6, 库湾藻密度季节性规律表现为：迅速增长和峰值分别出现在汛前泄水期和汛期, 汛后蓄水期明显降低, 而枯水期藻密度很低.全年硅藻占优、绿藻次之.此外, 枯水期末(2月)甲藻占优, 汛期末(8月)蓝藻占优.水华情势与分层异重流背景下香溪河库湾营养盐的动态补给过程对应关系如图 7所示.
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图 6 香溪河全库湾藻密度月均值变化 Fig. 6 Monthly average algal cell density in Xiangxi Bay |
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图 7 异重流背景下的营养盐补给过程及藻类优势种演替 Fig. 7 Nutrient remediation process and dominant algae species under density currents in Xiangxi Bay |
当水库处于汛后蓄水期和枯水运行期时, 水库为持续涨水状态或高水位运行.每年9~10月, 异重流为表层倒灌, 库湾真光层内的营养显然主要由长江干流水平输移补给, 而干流水体总磷浓度较其他时期低, 该种条件下水华暴发风险较小, 优势种以硅、绿藻为主.在11月~次年2月, 整个三峡水库上游来水减小, 流域补给的营养盐随之减小, 但此时整个水体滞留时间增大, 库湾氮磷硅营养盐浓度相较于其他时期稳定于中间水平, 但此时期冬季水温较低, 不适宜藻类生长, 因此藻密度很低.
当水库处于汛前泄水期(3~5月), 水库水位持续下降, 异重流模式从底部倒灌楔发展为底部倒灌, 到4月之后, 异重流模式逐渐转变为中层倒灌[图 5(c)].香溪河上游来水流量开始增大, 表层水体中营养盐以上游来水补给为主.该时期上游补给磷营养盐比例增加, 使得库湾磷浓度增加, 藻密度迅速增加, 优势种以硅、绿、隐藻为主.
当水库处于汛期(6~8月)时, 异重流模式为中层倒灌, 水位波动剧烈并时常突降暴雨, 很容易打破水体层化结构导致真光层营养盐补给模式的不断转换, 与图 3显示在此阶段3种营养盐均呈现复杂的波动状态相符.该时期硅营养盐出现最低水平, 因而硅藻优势逐渐消失, 水华优势种以蓝、绿藻为主.
贫营养水体中氮磷比对藻类生长影响较为明显, 氮磷浓度处于较高水平时其比值对藻类生长影响较小[37].香溪河库湾的氮磷营养盐长期处于富营养化水平, 尤其是氮营养盐整体高于0.20 mg·L-1, 因此库湾水华优势种主要受到磷和硅营养盐浓度其变化过程的影响.磷是多数淡水水体中藻类生长的主要限制因子[38~40], 因此库湾磷浓度增加时会引起藻密度剧增, 磷浓度下降时或持续较低时抑制藻类生长.竞争条件下, 蓝藻更适宜于中等偏低营养水平而绿藻适宜于中等偏高营养水平[37], 因此蓝藻除了在8月占优外, 全年其他时期绿藻更具优势.
4 结论(1) 长江干流倒灌和上游来水是香溪河库湾营养盐主要来源; 当水库处于汛后蓄水期和枯水运行期时, 长江干流倒灌的营养盐贡献率超过75%, 远大于上游来水, 为库湾营养盐主要来源; 在汛前泄水期和汛期时, 干流和上游的贡献率差异缩小, 库湾营养盐来源需考虑两者共同的影响, 但干流倒灌仍占据优势; 若以年尺度评价, 库湾营养盐主要来源于长江干流倒灌.
(2) 上游来水磷营养盐浓度较高, 长江干流氮、硅营养盐浓度高; 香溪河库湾营养盐来源贡献率随不同时期异重流模式的变化而变化, 因此库湾营养盐浓度呈现出季节性变化.
(3) 库湾水华优势种季节性变化主要受到磷和硅营养盐动态补给过程影响; 磷浓度上升时藻密度迅速增加, 绿藻比蓝藻更具优势; 磷浓度下降时或持续较低时藻类生长受抑制; 硅浓度降低时硅藻优势逐渐降低.
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