三峡水库自2003年6月蓄水以来, 水库干流水体整体维持在Ⅱ类, 但支流水体普遍存在不同程度的水体富营养化和水华问题, 水华优势藻种从河流型甲藻、硅藻向湖泊型的蓝绿藻演替^[1], 引起社会的广泛关注, 特别是蓝藻藻毒素的释放, 严重影响支流库湾水生态环境安全.诸多研究表明^[2~4]蓝藻水华的形成是适宜的光照、充足的营养盐及缓慢的水动力条件共同作用的结果.受水库干流顶托作用, 香溪河库湾水流运动变缓, 大多小于0.05 m·s^{-1[5, 6]}, 出现一定程度上的水温分层现象.现场观测结果表明：降雨过程总是伴随着水华的消退, 降雨过程是影响藻类水华生消敏感动力学过程.降雨过程通常伴随复杂的气象条件改变, 而除降雨本身从水-气界面对水体形成掺混扰动外, 降雨过程将导致上游来流及区间坡面汇流携带营养盐、泥沙等物质大量进入支流库湾, 大大地改变香溪河库湾中营养盐输移路径、转化规律、水温结构、环流模式等^[7], 进而影响库湾藻类水华生消过程.由于降雨过程多生境因子协同作用, 加上香溪河库湾特殊的水动力背景条件, 致使水华消退过程机制尚不明晰, 有必要开展深入研究.纪道斌等^[8]对藻类的迁移路径与混合层深度的改变未作深入讨论. 2016年5月24日至6月2日对降雨前后香溪河库湾进行跟踪监测, 根据Sverdrup^[9~11]提出的临界层理论, 分析了降雨期间三峡库区香溪河库湾水流、混合层深度、叶绿素a浓度特征, 尝试揭示降雨对香溪河库湾水华的消退机制.

香溪河是三峡水库库首区域最大的支流, 位于110°25′~111°06′E、30°57′~31°34′N, 流域总面3 183 km², 发源于位于湖北省西北部的神农架国家森林公园, 年径流量19.56亿m³, 多年平均流量63.5 m³·s^-1[12], 向南流经兴山县和秭归县, 在香溪镇(距三峡大坝32 km)注入长江^[13].香溪河流域气候为亚热带大陆季风气候, 年降雨量为800~1 400 mm, 降水分布不均匀, 夏季以暴雨为主, 河水暴涨暴落, 河流溪涧性特征明显, 洪峰历时一般为2~3 d^[14]. 2003年三峡水库蓄水以后, 香溪河变成湖泊型支流, 优势藻种正从最初的河道型水华优势种(硅藻、甲藻)向湖泊型水华优势种(蓝绿藻)演替, 并多次暴发严重水华^[15].

根据香溪河的地形地貌, 沿河道中泓线设10个监测点, 间距约3 km, 从河口到上游依次记为XX00~XX09(见图 1), 此次由于水华情势分布, 故选取XX00、XX02、XX04、XX06、XX08为监测点.

图 1

Fig. 1

图 1 采样点分布示意 Fig. 1 Sampling sites

监测指标包括有流速、水温、水深、叶绿素a浓度、水体透明度SD、降雨量和气温.水温、叶绿素a浓度用EXO多参仪从表层到水底连续均匀地进行监测; 水深和流速采用Vector三维点式流速仪现场测定; 水体透明度SD采用塞氏透明度板测量; 降雨量和气温由兴山县气象局提供.

真光层深度(Z_eu)是植物光合作用能有效发生的水体深度, 一般取为水下光合作用有效辐射为水面1%处对应的深度^[16].不同水体真光层深度差异显著, 针对三峡水库水体, 在已有研究基础上, 本研究采用透明度的2.7倍^[17]作为真光层深度, 即：

(1)

混合层深度Z_mix定义为水体上层垂直混合充分的水层, 水体密度或温度沿深度变化很小, 不同的混合层深度, 藻类生物量、光照和营养物质的分布有较大的差别^[18].不少学者从水温或水体密度角度^[19]对Z_mix计算进行研究, 针对三峡水库水体, 在已有的研究基础上, 采取表层水体温差≤0.5、1℃处对应的水深^{[20, 21]}.本研究选取表层水体温差≤1℃处对应的水深为混合层深度Z_mix.

根据国家降雨量分级, 表 1为香溪河流域2010~2014年降雨分级结果, 从中可知, 流域以中小降雨为主, 其中小雨约占总数的79.3%, 中雨约占13.2%, 日降雨量超过25 mm·d^-1的大雨仅占总量7.5%.

表 1 (Table 1)

表 1 香溪河流域2010~2014年降雨次数 Table 1 Rainfall profiles of Xiangxi Bay from 2010 to 2014 年份 小雨 (< 10mm·d-1) 中雨 (10~25 mm·d-1) 大雨 (25~50 mm·d-1) 暴雨 (50~100 mm·d-1) 大暴雨 (>100 mm·d-1) 2010 97 17 3 2 0 2011 91 16 9 2 1 2012 109 13 5 2 0 2013 86 17 7 1 0 2014 104 18 9 3 2

表 1 香溪河流域2010~2014年降雨次数 Table 1 Rainfall profiles of Xiangxi Bay from 2010 to 2014

2016年5月24日至6月2日兴山县有不同程度降雨, 5月27日中雨, 日降雨量21 mm; 6月1日小雨, 日降雨量9.4 mm; 6月2日大雨, 日降雨量36.8 mm(见图 2).兴山水文站监测数据显示, 降雨之前香溪河上游来流量为28 m³·s^-1; 5月27日降雨后, 上游来流量骤增至54 m³·s^-1, 增加近2倍, 6月2日强降雨后, 上游来水最大流量骤增至112 m³·s^-1, 增大4倍.气温因降雨而降低, 5月27日午时气温为16℃, 较5月24日26℃降低了10℃; 6月1日午时气温为24℃, 较5月31日降低了0.5℃; 6月2日午时气温为18℃, 较5月31日28℃降低了10℃.湿度随降雨增大, 5月27日午时湿度为90%, 较5月24日50%升高了40%; 6月1日午时湿度为84%, 较5月31日升高了4%; 6月2日午时湿度为96%, 较5月31日升高了10%.

图 2

Fig. 2

白色箭头表示水流由河口流向库湾上游, 黑色箭头表示水流由库湾上游流向河口, 箭头长度表示流速的大小 图 2 2016年气温随降雨量变化 Fig. 2 Temperature versus precipitation in 2016

图 3显示了5月27日和6月2日两次降雨前后香溪河库湾的流速时空分布.从中可见5次水流过程均出现了明显的异重流现象. 5月的26、27、28和31日长江干流水体均以表层异重流的形式倒灌入香溪河库湾, 倒灌至距河口约24 km, 且上游来水均以顺坡底部异重流形式流向河口. 5月27日由于降雨水体紊流增加, 倒灌平均深度由15 m加深到27 m, 上游来水平均流速也由5月26日的0.05 m·s^-1增至0.07 m·s^-1. 6月2日, 长江干流水体均以底层异重流的形式倒灌入香溪河库湾, 倒灌至距河口约3 km, 上游来水平均流速为0.09 m·s^-1, 此次上游来水平均流速为监测期间峰值.

图 3

Fig. 3

图 3 2016年降雨前后香溪河库湾流速沿程纵剖面 Fig. 3 Longitudinal velocity profiles at a bay of Xiangxi River Reservoir before and after rainfall in 2016

图 4为2016年5月24日至6月2日香溪河库湾水温分层变化, 从5月24日至6月2日, 香溪河库湾表层水温均呈先降低后升高再降低的趋势, 表底层温差也呈相同的变化趋势.在5月27日、6月1日、6月2日降雨期间, 表层水温均降低, 导致香溪河库湾表底层温差也减小, 在6月2日表底层水温差最小, 分层最弱. XX06在6月2日表底层温差2.05℃较5月31日4.08℃降低2.03℃; XX08在6月2日表底层温差1.43℃较5月31日4.96℃降低3.53℃.降雨使香溪河库湾表层水温降低, 以致表底层温差减少, 水温分层减弱; 且降雨对水温分层改变迅速, 在短时间内就有明显效果.

图 4

Fig. 4

图 4 各点位水温分层每日变化 Fig. 4 Daily variations in water temperature stratification at each point

表 2为监测期间水华暴发时XX06表层藻类密度统计, 从中可知, 香溪河库湾在5月31日和6月1日暴发蓝藻, 优势藻种为微囊藻. 5月31日总蓝藻密度占总藻密度的94%, 微囊藻密度占总蓝藻密度的75%; 6月1日总蓝藻密度占总藻密度的95%, 微囊藻密度占总蓝藻密度的77%.

表 2 (Table 2)

表 2 水华暴发期间XX06表层藻类密度统计/cells·L-1 Table 2 Algal density profiles of XX06 cross-section during algal blooming/cells·L-1 日期 (月-日) 蓝藻 绿藻 硅藻 多甲藻 微囊藻 席藻 小球藻 衣藻 小环藻 菱形藻 05-31 2.3×108 7.8×106 8.0×106 2.2×106 6.7×106 2.0×106 0.9×106 06-01 1.9×108 5.6×106 5.8×106 1.0×106 5.1×106 1.2×106 0.4×106

表 2 水华暴发期间XX06表层藻类密度统计/cells·L-1 Table 2 Algal density profiles of XX06 cross-section during algal blooming/cells·L-1

叶绿素a是一种常用的度量藻类生物量的化学指标. 图 5为降雨前后香溪河库湾表层叶绿素a浓度分布特征.香溪河库湾表层叶绿素a浓度整体呈减少后升高再减少的趋势.在5月27日、6月1日、2日降雨时, 香溪河库湾表层叶绿素a浓度降低, 在降雨停止后, 叶绿素a浓度会重新升高.降雨前后距河口较近的XX00和XX02表层叶绿素a浓度一直保持在较低浓度(≤5 μg·L^-1), 受降雨影响不大; XX04、XX06、XX08表层叶绿素a浓度随降雨变化明显. 5月31日XX06表层叶绿素a浓度38.590 μg·L^-1; XX08表层叶绿素a浓度40.350 μg·L^-1, 均超过水华暴发阈值30 μg·L^-1, 暴发水华. 6月2日降雨期间XX06表层叶绿素a浓度下降到6.157 μg·L^-1; XX08表层叶绿素a浓度下降到3.630 μg·L^-1, 香溪河库湾水华消退.

图 5

Fig. 5

图 5 降雨前后库湾表层叶绿素a浓度分布 Fig. 5 Distribution of chlorophyll-a concentration at the surface of the reservoir bay before and after rainfall

降雨对藻类水华消退作用受到普遍认同^[22], 随着降雨强度增加, 藻类水华消退过程越明显.而三峡水库支流库湾发生水华的主要诱因应归于水动力条件的改变.有关水动力条件与藻类生长之间的关系已有一些研究^[23~27].就香溪河流域而言, 作为典型农林复合小流域, 河流汇流随降雨陡涨陡落^[12], 使香溪河库湾的水动力条件发生改变^[28].香溪河出现的分层异重流现象, 主要是温差异重流^{[29, 30]}.根据降雨前后香溪河库湾流速沿程纵剖面图的分析[图 3(a)和3(d)], 可以得到未降雨时长江干流水体以表层异重流^{[31, 32]}的形式倒灌进入香溪河, 香溪河上游来水以底部顺坡异重流流向河口; 这与[图 6(a)和6(b)]未降雨时香溪河库湾叶绿素a浓度动态分布特征非常吻合.在未降雨期间, 受表层异重流影响, 香溪河库湾表层水体藻类随倒灌水体逐步往库湾上游迁移; 由于干支流水体的交换, 库湾表层水体少量藻类随上游水体底部顺坡异重流形式流向河口[图 6(a)和6(b)], 但由于库湾水体流速较慢^[5], 表层水体叶绿素浓度依然很高(图 5). 5月27日中雨, 香溪河库湾异重流形式未发生改变[图 3(b)], 但库湾上游来流量增大, 加快了库湾水体的交换, 库湾表层水体藻类流向河口速率增大, 使得库湾上游表层叶绿素浓度降低(图 5). 6月2日大雨, 受降雨影响库湾上游来流量骤增, 大量低温水体流入香溪河, 香溪河库湾异重流形式发生改变[图 3(e)], 库湾水体整体流向河口, 库湾表层水体藻类也随水流向河口方向迁移, 致使河口处叶绿素a浓度增大[图 6(c)].流速的改变影响了藻类的迁移路径, 由于库湾上游回水末端为水华暴发敏感区域, 降雨导致的入流增加将有助于缓解该区域水华暴发, 但流速的增加并不是水华消失的根本原因.

图 6

Fig. 6

图 6 降雨前后库湾藻浓度动态分布 Fig. 6 Dynamic distribution of algae concentration at the reservoir bay before and after rainfall

Sverdrup^[9]认为水温分层导致水体混合层深度(Z_mix)小于临界层深度是海洋春季暴发水华的根本原因, 为此建立了海洋春季水华暴发的临界层理论(Critical Depth Theory).该理论假设在营养盐充足的条件下, 浮游植物生长与水下光强成线性关系, 由于光强沿水深垂向呈指数衰减, 故浮游植物初级生产力在水下也呈指数型衰减.另假设包括呼吸、捕食、沉降、分解等导致藻类生物量降低的广义呼吸作用垂向上为常数.将生产力累计总量与广义呼吸作用相等, 即累计净生产力为零时水深记为临界层深度.若水体出现较强温度分层, Z_mix≤Z_eu, 则浮游植物生长不受光照限制, 这时候就会暴发高强度水华; 反之, 若Z_mix＞Z_eu, 即在水温分层不显著的情况下, 浮游植物颗粒容易被掺混至真光层以下, 其接受光照的机会大大减小, 生长就受到光限制.这一理论也被用来解释淡水湖泊水华的季节性暴发和演替的规律.与临界层理论相对应, Z_eu/Z_mix值也存在一个临界值, 低于临界值浮游植物生长会受光限制而不易暴发水华^{[33, 34]}. Jensen等^[35]考虑日照时间长短的季节性变化, 将光混比Z_eu/Z_mix临界值定为一个范围:0.2~0.35.由于香溪河库湾地处亚热带, 日照时间长短存在显著季节性差异, 因此春、秋、冬季取0.35, 夏季取0.2^[36], 本文选取0.35作为临界值.此次监测的Z_eu/Z_mix见图 7.

图 7

Fig. 7

图 7 各点位Zeu、Zmix、Zeu/Zmix的每日变化 Fig. 7 Daily variations in Zeu, Zmix, Zeu/Zmix at each point

三峡水库蓄水后, 水库干流及其支流流速急剧下降, 香溪河库湾的平均流速降至0.001 2~0.003 7 m·s^-1[37], 导致水体滞留时间大幅延长, 有助于水温分层的发育^[38].春季气温和太阳辐射强度急剧上升, 导致表层水体快速升温而底部相对滞后, 从而导致水温出现分层^[39], 是三峡水库支流库湾春季水华暴发的根本原因.而随着水体混合层深度不断扩大, 水温分层减弱, 浮游植物颗粒容易被掺混至真光层以下, 其接受光照的机会大大减小, 生长就受到光限制^[40~44].降雨期间上游大量低温来水由底部进入香溪河库湾, 导致水体掺混、涡旋, 水温分层减弱^{[42, 44]}.随着降雨强度增加, 坡面汇流流量增加, 并携带大量泥沙进入水体, 致使水体混合层加深, 垂向扰动增强^{[24, 45]}, 水温分层减弱.这与本次监测的(图 7)混合层深度随时间变化过程(图 4)、水温分层变化过程完全相符, 在靠近香溪河库湾上游的XX06和XX08在降雨期间受上游来水影响更为显著.在临界层理论中^[6], 真光层深度的大小直接影响到藻类的生长, 而在此次监测中香溪河库湾水体真光层深度均小于混合层深度, 且降雨前后变化不大(图 7).故临界层理论不能对5月31日XX06、XX08暴发水华做出解释, 而Jensen等^[35]所提出的光混比Z_eu/Z_mix临界值却完全符合本次香溪河库湾水华暴发规律(图 7).在降雨过程中, 混合层Z_mix骤降是光混比Z_eu/Z_mix突增的直接原因(图 7).降雨过程能通过增加水体混合层深度来减弱水温分层(图 4、7), 破坏藻类的生长繁殖环境^{[33, 34]}, 是水华消失的根本原因, 降雨强度越大、水华抑制作用越明显.但当温度升高时, 混合层深度减少, 藻类重新繁殖, 进而暴发水华(图 5).降雨的抑制作用表现为阶段性, 并不能从根本上解决三峡库区支流库湾水华暴发问题.

(1) 香溪河库湾上游来流量随着降雨程度的加深而增加, ,香溪河库湾倒灌模式也会随之发生改变, 但流速的变化仅改变了藻类的迁移路径, 并不是水华消失的根本原因.

(2) 不同程度的降雨对库湾水体真光层影响不大, 但中、大降雨会使库湾平均混合层深度增加8 m左右.水体混合层加深, 水温分层减弱, 改变了藻类生长环境, 是水华消失的根本原因.

(3) 降雨的抑制作用表现为阶段性, 短时期内对香溪河库湾水华浓度的降低有明显作用.但随着降雨结束, 在2~3 d适宜光照、温度条件下, 混合层深度减少, 水温分层加剧, 藻类重新繁殖, 进而暴发水华.