环境科学  2024, Vol. 45 Issue (9): 5308-5317   PDF    
三峡水库中小洪水调度对支流库湾浮游植物的影响及机制
黎睿1,2,3, 汤显强1,2, 刘新波3, 陈文重4, 王丹阳1,2, 任玉峰3     
1. 长江水利委员会长江科学院流域水环境研究所,武汉 430010;
2. 长江水利委员会长江科学院流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室,武汉 430010;
3. 中国长江电力股份有限公司智慧长江与水电科学湖北省重点实验室,宜昌 443000;
4. 长江水利委员会水文局长江三峡水文水资源勘测局,宜昌 443000
摘要: 中小洪水调度已成为三峡水库汛期的主要调度方式, 为研究三峡水库支流库湾浮游植物对中小洪水调度的响应, 以三峡水库典型富营养化支流香溪河为对象, 调查监测了2020~2021年汛期干支流浮游植物、营养盐及水体理化参数的时空分布特征, 分析了支流库湾浮游植物对中小洪水调度的响应特征.结果表明, 中小洪水调度期间, 香溪河库湾水体叶绿素a(Chl-a)随着坝前水位升高而降低, 而在汛末蓄水期, Chl-a浓度再次升高.中小洪水调度期间, 香溪河浮游植物以绿藻门和硅藻门为主, 其群落组成随中小洪水调度而改变, 当水位变幅增大时, 以硅藻为主, 当水位变幅较小时, 以蓝、绿藻为主.Chl-a浓度对库湾水体TN浓度变化更为敏感, 当库湾水体流速 > 0.25 m·s-1, 或者悬浮泥沙浓度 > 10 mg·L-1时, 水体Chl-a浓度受到抑制.2010年以后, 香溪河库湾典型水华暴发时间转变为以汛期为主, 非汛期水华仅有2次, 需要进一步关注汛期库湾藻类对中小洪水调度的响应.
关键词: 三峡水库      中小洪水调度      浮游植物      悬浮泥沙      水动力条件     
Impact and Mechanism of Medium and Small Flood Regulation in the Three Gorges Reservoir on the Phytoplankton in Tributary Bays
LI Rui1,2,3 , TANG Xian-qiang1,2 , LIU Xin-bo3 , CHEN Wen-zhong4 , WANG Dan-yang1,2 , REN Yu-feng3     
1. Basin Water Environmental Research Department, Changjiang River Scientific Research Institute, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, China;
2. Key Laboratory of Basin Water Resource and Eco-Environmental Science in Hubei Province, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, China;
3. Hubei Key Laboratory of Intelligent Yangtze and Hydroelectric Science, China Yangtze Power Co., Ltd., Yichang 443000, China;
4. Three Gorges Hydrology and Water Ministry of Water Resource Survey Bureau, Changjiang Water Resources Commission, Yichang 443000, China
Abstract: The regulation of small- and medium-sized floods (RSMF) has become the main mode of regulation in the flood season of the Three Gorges Reservoir (TGR). To study the response of phytoplankton in the tributary bays of the TGR to the RSMF, a typical eutrophic tributary of the TGR, Xiangxi River, was investigated for the spatiotemporal distribution characteristics of phytoplankton and nutrients in the main and tributary streams from 2020 to 2021. The response characteristics of phytoplankton in the tributary bays to the RSMF were analyzed. The results indicated that during the RSMF, the chlorophyll a (Chl-a) in the water body of the Xiangxi River decreased with the increase in the water level in front of the dam, whereas during the reservoir impounding at the end of flood season, the concentration of Chl-a increased again. During the RSMF, the Chlorophyta and Diatoma were the main communities of planktonic algae in the Xiangxi River. The phytoplankton community changed with the RSMF. When the water level fluctuation increased, diatoms were the main species, whereas when the water level fluctuation was small, blue and green algae were the main species. The concentration of Chl-a was more sensitive to changes in TN concentration. When the flow velocity was > 0.25 m·s-1 or the suspended sediment content was > 10 mg·L-1, the concentration of Chl-a in the water was inhibited. After 2010, the typical outbreak time of algal blooms in the Xiangxi River Reservoir Bay shifted to the flood season, with only two non-flood season algal blooms. Further attention needs to be paid to the response of algal blooms in the reservoir to small- and medium-sized flood control during the flood season.
Key words: Three Gorges Reservoir      medium and small flood regulation      phytoplankton      suspended sediment      hydrodynamic conditions     

为提高发电和航运效益, 减轻坝下游的防洪压力, 三峡水库在汛期对洪峰流量在30 000~55 000 m3·s-1的洪水进行拦蓄[1]. 2009~2017年汛期, 三峡水库累计拦蓄中小洪水33次, 占总蓄洪次数的82.5%, 蓄洪量893亿m3, 占总蓄洪量的73%[2].汛期中小洪水调度会抬高库区平均水位, 降低水体流速, 水体挟沙能力下降, 加重库区泥沙淤积[1].此外, 水库调度运行还会改变库内水动力条件, 影响磷等生源要素的输送过程, 对水库水环境安全造成一定影响[3].

中小洪水调度带来的防洪风险、发电效益和泥沙淤积问题已得到较多关注[4], 但是中小洪水调度的水环境效应尚不清楚. 2003年, 三峡水库首次蓄水后, 近10条支流暴发了“水华”[5], 2010年三峡水库蓄水至175 m后, 支流库湾“水华”暴发范围和频次显著增加[6], 汛期库湾富营养化水体占比超过50%, 其中水华发生总次数最多的支流为香溪河, 累计达36次[7].三峡水库干支流交汇区污染物的迁移转化频繁且复杂[8], 水库蓄水增强了干支流水体交换, 增加了支流悬浮泥沙浓度[9], 补给了支流库湾营养盐, 使支流库湾水体富营养化风险升高[10].已有大量研究分析了香溪河库湾水华的动态过程及影响因素, 如Li等[11]分析了水位和流量等对浮游植物聚集位置的影响, 提出了抑制支流水华的对策.三峡水库泄、蓄水过程中, 香溪河浮游植物群落结构特征存在差异, 泄水导致浮游植物细胞密度显著增加, 蓄水过程中强烈的倒灌异重流加剧了库湾水体垂向掺混, 增大混合层深度, 对藻类生长起到显著抑制作用[12].洪水调度前, 香溪河藻类优势类群为蓝藻与硅藻, 蓝藻所占比例高于硅藻, 调度结束后, 中上游水域硅藻占优势, 河口区域蓝藻所占比例升高.洪水调度所营造的动态水位对靠近大坝的支流生境造成了强烈冲击和破坏, 导致藻类种类和生物量变化[13].Chuo等[14]基于二维水动力和水质模型, 分析了香溪河流量、水温和叶绿素a的时空变化, 发现汛期蓄水过程中叶绿素a浓度随水温分层改变而变化.

三峡水库的建设和运行改变了水库干支流水、沙、磷的输送格局, 但中小洪水调度对干支流营养物质交换输送特征以及库湾浮游植物对中小洪水调度的响应机制仍待深入研究.然而之前的研究集中在水动力过程[5, 8], 以及汛前泄水(或汛后蓄水)对支流水质及浮游植物的影响[15].因此, 本研究于中小洪水调度期间调查监测了香溪河库湾及长江干流水体中浮游植物生物量、群落结构及营养盐的时空分布特征, 分析调度过程中香溪河库湾各环境因子变化特征, 探究洪水调度与水华之间的响应和相关关系, 旨在为三峡水库水环境效应研究提供参考.

1 材料与方法 1.1 研究区域

香溪河发源于神农架林区, 流经兴山县, 最终在秭归县郭家坝镇注入长江, 河口距三峡大坝约30 km, 是距大坝最近的、流域面积超过1 000 km2的一级支流.香溪河流域面积3 214 km2, 河流平均比降3.32‰, 多年平均径流深584.9 mm[16].香溪河河宽200~700 m, 水深30~100m.根据历史监测记录[17], 三峡水库在145 m水位时, 香溪河回水末端位于河口上游25 km处, 在175 m水位运行时, 回水区最远距河口约40 km.

从香溪河库湾的河口至平邑口沿河道中泓共布设10个采样点(图 1), 依次记为XX01~XX10, 距河口距离依次为1~30 km.在香溪河汇入口上游1 km处设置1个干流断面(CJXX).研究区域内共有3个主要水文站, 其中庙河水文站位于三峡大坝上游约12.6 km处, 是三峡工程专用水文站, 黄陵庙水文站位于三峡大坝下游, 距大坝12 km, 是三峡水库出库控制站, 兴山水文站是香溪河的入库控制站.

图 1 采样断面布置示意 Fig. 1 Location of sampling sections in Xiangxi Bay of Three Gorges Reservoir

1.2 现场调查监测

根据三峡水库调度规程, 每年6月10日三峡水库消落至防洪限制水位145 m, 以保证防洪库容充足, 9月10日水库开始蓄水.本文以每年6月10日至9月5日期间, 入库流量 < 55 000 m3·s-1的洪水调度作为中小洪水调度.分别于2020年和2021年开展现场采样和监测.水温、溶解氧、pH和电导率等指标采用多参数水质监测仪(YSI EXO-2)测定, 测量前和测量完成后均采用仪器推荐方法和标准物质对所用传感器进行校准.现场采用卡盖式采水器采集水样[18], 其中表层水样为水面下0.5 m深度采集, 分层水样根据水深(H)选取相对水深0、0.2、0.6、0.8及1.0深度处样品.采用25号浮游植物生物网采集表层水体浮游植物定性样品[18], 取1 L表层水样加入1%的Lugol试剂保存, 运回实验室浓缩处理后, 委托中国科学院武汉水生生物研究所进行鉴定和计数.

断面流速及水下地形测量由长江水利委员会水文局长江三峡水文水资源勘测局协助完成.按照水文测量规范要求及测流断面实际情况, 在测验断面上布设5条垂线, 采用声学多普勒流速剖面仪(RD Instruments, San Diego, California)测量剖面流速分布. 该设备流速测量范围为±5 m·s-1, 精度为±0.005 m·s-1, 最大测流水深180 m.测量时, 保持船速 < 0.30 m·s-1平稳向对岸行进, 控制每个测回往返流量误差在±5.0%以内, 使用WinRiver软件进行数据采集和分析, 读取ADCP测得该垂线所有流速数据, 然后取平均值作为该垂线相应时段内的平均流速.

1.3 样品分析方法

水样采集后一份立即加入保存试剂, 用于测定总磷(TP)和总氮(TN).一份现场采用已在105℃烘干至恒重的0.45 μm玻璃纤维滤膜过滤, 将滤膜及残渣避光冷藏保存, 用于测定悬浮物(SS)浓度.滤液加入保存剂后, 用于测定溶解态总磷(DTP)、溶解态总氮(DTN)、溶解态磷酸盐(SRP)和硝酸盐氮(NO3--N).所有样品采集完成后均冷藏在4℃冷藏箱, 运回实验室后立即分析.

TP及DTP采用过硫酸钾消解钼蓝比色法测定, TN及DTN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定(UV2600, Shimadzu, Janpan), SRP采用0.45 μm玻璃纤维滤膜过滤后的水样, 用钼蓝比色法直接测定.颗粒态磷(PP)和颗粒态氮(PN)分别为其总量与溶解态总量的差值, 即PP = TP-DTP, PN = TN-DTN.将300~500 mL的水样用Whatman GF/C膜抽滤后, 滤膜用90%丙酮避光低温萃取, 样品经离心后用紫外分光光度法测定叶绿素a浓度[18].

1.4 数据收集与处理

本文使用的三峡水库、香溪河水文数据均在宜昌市水利和湖泊局实时水情数据平台下载获得(http://shj.yichang.gov.cn/content-40447-583098-1.html), 悬浮泥沙监测资料由长江水利委员会水文局长江三峡水文水资源勘测局提供.水位变幅为当日23:00时水位与当日00:00位之差, 当日水位以当日08:00水位表示.图表及统计分析由Origin 2021软件完成, 相关关系用Pearson相关系数表示, 采用t-test探讨环境参数在不同调查时段的差异.采用广义相加模型(GAM)量化了影响水体叶绿素a浓度的主要环境因子, 具体分析步骤参考文献[19], 上述分析在R4.3.1软件中, 通过“mgcv”工具包实现.

2 结果与讨论 2.1 中小洪水调度期间干支流水沙特征

现场共开展了5次调查, 其中有4次为中小洪水调度时期(表 1), 其中2020年7月及2021年9月采样时, 为三峡水库坝前水位持续上升的过程, 而2020年9月为汛末蓄水初期, 水位处于相对稳定的状态.中小洪水调度期间三峡水库入库流量呈多尖峰分布, 入库流量变化范围为16 200~75 000 m3·s-1, 2020年6~8月, 三峡水库出现5次入库洪峰流量超过50 000 m3·s-1的洪水, 并于8月20日出现三峡水库自2003年建库以来最大入库洪峰.汛期三峡水库水位波动较为频繁, 当入库洪水较小时, 水位维持在145~148 m范围内, 当需要调蓄大洪水时, 水位变动幅度增大, 最高水位变幅可达到3.80 m·d-1(2020年8月21日).汛期三峡水库沙峰较为集中, 庙河站悬浮泥沙浓度在3~1202 mg·L-3范围内波动, 其中超过50%的时段, < 50 mg·L-1, 仅有20%的时段 > 10 mg·L-1, 主要集中在8月下旬.

表 1 现场调查期间三峡水库坝前水位、进/出库流量及悬浮泥沙浓度 Table 1 Water level of the TGR, the inflow/outflow, and SS during the investigation

2.2 干支流水环境时空特征

库湾水体ρ(TP)为0.046~0.417 mg·L-1, 长江干流显著高于香溪河(P < 0.05), 平均值为香溪河的1.6~5.1倍.在香溪河库湾表层总磷浓度的空间变化则略有差别.与总磷不同, 香溪河库湾水体ρ(TN)在1.76~3.03 mg·L-1之间波动, 沿程无显著的浓度梯度[图 2(a)].香溪河库湾和长江干流均以颗粒态磷(PP)为主, PP占TP比例平均为60%, 氮以溶解态为主, DTN占TN比例平均为91%.在同一年度, 库湾悬浮泥沙随水位升高而降低, 水体TN随着水位升高而增加, 而TP则呈波动变化[图 2(b)].这表明, 香溪河库湾水体悬浮泥沙和营养盐的分布特征受到三峡水库中小洪水调度的影响.由于洪水调度的影响, 在复杂的水文和水环境条件下, 不同采样频次和采样时间可能得到完全不同的结果.

箱线图中不同字母表示数据在P < 0.05水平具有显著差异, 箱线图上下边缘线分别表示极大值、极小值, 红色圆点表示均值 图 2 香溪河库湾水体总磷、总氮等时空变化变化特征 Fig. 2 Spatiotemporal variation in TP, TN, and SS in the XXB

选择CJXX、XX01和XX08等3个断面中泓垂线(相应断面水深最大值位置)分别表示长江干流、支流河口及支流上游来描述氮磷及悬浮泥沙的垂向分布特征.如图 3所示, 3个断面总磷浓度平均值和浓度范围无显著差异, 但是在垂向分布趋势上呈现显著差异, 在干流TP随着深度增加而增大, 总体呈表层低, 底层高的趋势, 而在河口断面则呈现中层水体TP浓度较高, 而表层和底层TP浓度相对较低的趋势, 在香溪河上游断面则是中层水体TP浓度相对较低, 而表层和底层相对较高.水体SS浓度均表现为中层高、表层和底层较低的趋势, 但是香溪河上游断面由于距河口较远, SS浓度显著低于其他两个断面, 对比不同形态磷的垂向分布趋势可以发现, 3个断面DTP的分布趋势较为一致, 这表明, 水体TP的分布差异主要来自于水体悬浮泥沙浓度, 水体颗粒态磷的浓度因此受到较大影响.水体总氮在垂向分布上, 均表现为表层、底层相对较高, 中层相对较低的趋势, 不同断面之间没有显著差异.

支流流速为正表示水体由库湾流向干流, 流速为负表示水体由干流倒灌进入库湾 图 3 长江干流、香溪河库湾水体不同形态氮磷、SS及流速垂向分布特征 Fig. 3 Vertical distribution characteristics of nitrogen and phosphorus, SS, and velocity in the sampling sections

在调查期间, 长江干流水体温度为23.3~24.2 ℃, 香溪河库湾水温平均值为24.2~25.4 ℃, 略高于长江干流.在汛期干流洪水携带了大量泥沙, 因此水体悬浮物浓度和水体浊度均为干流高于香溪河.在垂向分布上, 表层水体温度较高, 且越靠近支流上游垂向温差越大.干流水体流速相对较高, 平均值为0.1~0.6 m·s-1, 支流流速较小, 且存在不同程度的倒灌现象, 中下层水体尤为明显[图 3(b)].

2.3 浮游植物时空变化特征

2020年7月8日至7月19日, 随着洪水拦蓄, 三峡水库水位持续升高, 香溪河库湾表层水体叶绿素a浓度则显著降低(图 4).在汛末蓄水期(2020年9月17日), 水位开始回落时, 叶绿素a浓度再次升高.这表明, 汛期中小洪水调度引起的水位变化, 对香溪河库湾表层水体浮游植物的聚集有一定的调节作用.

不同小写字母表示数据在P < 0.05水平具有显著差异 图 4 不同水位下香溪河库湾水体Chl-a浓度特征 Fig. 4 Characteristics of Chl-a concentration of the XXB at different water levels

香溪河浮游植物多样性较高, 种类组成较为复杂.调查期间共鉴定出浮游藻类6门40属, 其中绿藻门和硅藻门为香溪河浮游藻类主要组成群落, 其相对丰度达70.1%(图 5), 这与此前的研究结果一致[20].在空间分布上各门类存在较大差异, 裸藻门、绿藻门、隐藻门和硅藻门在所有断面均有分布, 甲藻门和蓝藻门仅在个别断面检出, 其中蓝藻门, 在XX01和XX09的相对丰度高达60%以上(图 5).选择相对丰度 > 5%的功能群代表每个采样点的浮游藻类功能群.调查期间浮游植物可划分为B、D、F、J、Lo、M、MP、P、S1、T、W1和X1等12个功能群, 主要为适宜浑浊且混合相对均匀的中营养水体的类群[21, 22].方灵超等[23]也发现, 香溪河库湾汛期浮游植物优势类群为偏好稳定富营养、耐受高光强且对流速敏感的功能群(G、J和M).

图 5 香溪河库湾浮游植物物种组成时空变化情况 Fig. 5 Spatiotemporal variation in the composition of phytoplankton in the XXB

2020年汛期, 在XX05断面开展了多次定点观测, 中小洪水调度期间该断面浮游植物群落在时间上也经历了较大变动, 蓝藻门、绿藻门始终是优势种, 隐藻门和硅藻门偶尔出现(图 5).在入汛初期(2020-06-15)库湾浮游植物以蓝藻门为主, 其占比高达70%以上, 而在汛中期(2020-07-08~2020-09-05)蓝藻门所占比例显著减少, 优势种群为绿藻门、隐藻门和硅藻门, 在汛末蓄水期(2020-09-17)蓝藻门丰度再次显著升高, 占比达60%~80%.从图 5还可以发现, 当蓝、绿藻丰度较大时, 水位变幅较小, 而当硅藻占比较高时水位变幅相对较高.

2.4 中小洪水调度对库湾浮游植物的影响及机制

以水体叶绿素a浓度为响应变量, 水温、流速等环境因子为解释变量, 识别了中小洪水调度期间影响浮游植物生物量的关键因子.根据GAM分析结果(表 2), 水温及SS等环境因子与叶绿素a浓度之间存在显著的非线性关系, 模型拟合F值大小排序结果为:水温 > SS > SRP > NO3--N > 电导率, 模型的累积解释率为73.10%.这表明香溪河库湾水温对叶绿素a的影响最大, 而水体电导率影响相对较小, 在统计学意义上水体与叶绿素a浓度之间非线性效应不明显.

表 2 广义相加模型检验结果 Table 2 Results of generalized additive models

香溪河库湾及长江干流水体总磷在大部分时段均超过了湖库水体总磷基准值(0.029 mg·L-1, 图 2), 这意味着香溪河库湾水体总磷已超过了藻类暴发的限值[24, 25], 适宜的温度、缓慢的流速和良好的透明度可能就会促进水华的暴发.监测发现, 库湾水体Chl-a浓度与水体TN浓度无显著相关关系(图 6), 当水体ρ(TN) < 2.0 mg·L-1时, 水体Chl-a浓度随着TN浓度升高而显著增加, 香溪河库湾水体TN浓度约有60%的时段均超过了水体富营养化阈值(2.0 mg·L-1[24], 这表明库湾水体浮游植物, 尤其是Chl-a浓度对水体TN的响应受浓度及其他外部因素的影响.何孟奇等[26]通过非线性时序分析也发现总氮较之于总磷对Chl-a的变化影响更为显著.浮游植物对营养盐的响应体现在两方面[27], 一方面是浮游植物个体的光合作用、生长代谢等生命活动, 受到营养盐浓度直接或者间接的调控, 另一方面是浮游植物群落结构和组成受可生物利用营养盐的比例调节, 当营养盐的浓度或比例发生偏移时, 一种或者多种营养盐将会限制浮游植物的生长以及繁殖, 进而改变浮游植物群落结构.对比Chl-a与不同营养物质的响应曲线可以发现, 在香溪河库湾, 中小洪水调度期间水体Chl-a浓度对TN的变化更为敏感, 这表明对支流库湾水华防治而言, 在中小洪水调度期间水体TN的变化更为重要.Huang等[28]研究表明, 在汛期库湾藻类生长主要受到氨氮浓度影响, 而在汛末蓄水期磷逐步成为限制浮游植物生长的限制性因子.

柱状图为总磷、总氮及Chl-a数据分布直方图, 红色曲线为拟合的分布曲线 图 6 香溪河库湾水体Chl-a浓度与TP和TN浓度关系 Fig. 6 Relationship between Chl-a concentration and TP and TN concentration in the XXB

中小洪水调度期间, 香溪河库湾水体ρ(Chl-a)与断面流速均符合Kernel-Smooth分布, 水体ρ(Chl-a)总体在20 μg·L-1以内, 而库湾水体流速则大部分在0.25 m·s-1范围内.水体Chl-a浓度与流速呈显著负相关关系, Chl-a浓度随着流速增加而急剧降低.从现场实测资料来看, 当水体流速 > 0.25 m·s-1时, 水体ρ(Chl-a)处于较低水平(< 15 μg·L-1).这表明, 香溪河库湾抑制藻类暴发的临界流速约为0.25 m·s-1, 这一结果与李哲等[29]在三峡水库澎溪河开展的原位实验结果较为一致, 该研究发现, 在夏季低水位运行条件下, 流速自0.1 m·s-1升高到0.3 m·s-1时, 实验周期内藻类比生长速率呈指数下降, 说明流速升高将对藻类生长产生一定抑制, 当流速位于0.1~0.2 m·s-1之间时实验槽Chl-a的日变化过程总体上同库湾水体一致, 而当流速升高至0.3 m·s-1时, 实验槽中Chl-a浓度的日变化过程同库湾水体的差异明显.

在中小洪水调度期间, 香溪河库湾水体Chl-a浓度随着SS浓度的增加而显著降低, 当ρ(SS) > 10 mg·L-1时, Chl-a浓度不再剧烈变化[图 7(b)].悬浮物对浮游植物种群增长的影响是多种效应叠加的结果[30], 在氮、磷营养水平高、水体交换较为频繁的条件下, 悬浮泥沙成为藻类生长、繁殖的制约因子.悬浮泥沙能携带营养盐, 为浮游植物的种群增长提供营养, 当悬浮泥沙超过一定浓度或持续作用一段时间后, 对浮游植物的负面影响(如光限制、与浮游植物竞争营养盐、吸附藻细胞沉降、重金属等有害物质溶出等)将占主导, 抑制浮游植物的种群增长[31].悬浮泥沙的水下光衰减作用对水华微囊藻的生长未构成绝对限制, 但实验发现ρ(SS)介于0.15 ~ 0.5 g·L-1时即会显著降低水华微囊藻饱和光强、提高暗呼吸速率和光抑制作用[32].

柱状图为总磷、总氮及Chl-a数据分布直方图, 红色曲线为拟合的分布曲线;阴影部分表示拟合结果的95%置信区间 图 7 香溪河库湾水体Chl-a浓度与流速和SS关系曲线 Fig. 7 Relationship between Chl-a concentration and SS concentration and velocity in the XXB

此外, 中小洪水调度还通过改变水体停留时间和干流倒灌形式等影响库湾藻类的分布和群落结构变化. 谢培等[33]研究发现, 坝前水位每变化1 m, 水库滞留时间将相应改变2~6 d, 干流水体与香溪河支流充分混合的时间通常在2.5 d以上[34], 干流对地表水的影响范围为10.7~15.1 km, 因此在水动力和营养物质变化强烈的区域, 浮游植物生物量及群落组成也会频繁改变.三峡水库泄水导致浮游植物细胞密度显著增加, 且随着水位进一步降低而持续增加[12], 而蓄水期间强烈的倒灌异重流作用加剧了库湾水体垂向掺混, 增大混合层深度, 较小的真光层与混合层深度比对藻类生长起到显著抑制作用.汛期香溪河倒灌形式的演变有利于降低香溪河库湾的水华风险[35].彭成荣等[13]认为三峡大坝拦蓄洪水的过程显著改变了香溪河水环境条件, 洪水顶托作用首先改变了支流的水文水动力学特征和水质状况, 随后藻类群落快速变化响应了这种改变.

2.5 对水库中小洪水调度的启示

在汛期, 三峡水库支流库湾超过50%的水体处于富营养状态(表 3).随着三峡水库正常运行, 库湾水环境状况逐步得到改善, 每年支流水华次数由蓄水初期的14次减少为3次, 但是香溪河汛期水华次数却并未减少.据统计三峡水库蓄水以后, 香溪河库湾共发生典型水华(持续时间1周以上、覆盖范围达2 km以上河段的水华)22次, 其中非汛期(主要是春季和秋季)水华12次(表 3). 2010年以后, 典型水华暴发时间转变为以汛期为主, 非汛期水华仅有2次.王鸿洋等[36]分析发现中小洪水调度能够使支流水体扰动增大, 改变库湾水体分层状态, 从而抑制水华暴发.基于现场实测, 本研究也发现中小洪水调度能够在短期内改变库湾浮游植物的群落组成及生物量, 但是调度引起的水体及营养物质交换导致的长期影响也不容忽视. 在汛期, 干流水体温度通常较香溪河低1℃, 支流水体稳定系数整体远大于干流, 水体处于相对稳定状态, 干流水体将从河口断面的中层潜入到库湾[17].由于干流水体中DIN和DIP等溶解性营养盐的浓度相对较高, 这势必会引起干支流营养盐的相互交换[37].这种特殊的水流特性, 为支流库湾的物质运输提供了水动力基础, 使香溪河库湾水体持续处于富营养状态.彭福利等[38]长期监测发现, 三峡水库蓄水后支流回水区ρ(TP)中位值从2006~2008年的0.07 mg·L-1上升至2013~2015年的0.11 mg·L-1.根据现场观测数据和营养盐浓度平均值估算, 长江干流倒灌对支流水体SRP和DIN通量的贡献分别为81.25%和74.02%.当库湾水体流速超过0.25 m·s-1, 或者水体ρ(SS) > 10 mg·L-1均会对水体Chl-a浓度产生抑制作用, 但是出于对水库防洪安全的考虑, 库湾水体流速改变程度有限, 在库湾上游ρ(SS)通常都 < 10 mg·L-1.对于香溪河库湾而言, 由于水体氮磷营养盐过剩, 洪水调度产生的泥沙、水动力条件变化是调节水体藻类增殖的主要因素.目前中小洪水调度已成为三峡水库的主要运行方式之一, 有必要加强中小洪水调度期间的水环境监测, 从营养物质交换、水文气象条件等方面深入了解中小洪水调度的生态环境效应.

表 3 三峡水库蓄水以来洪水拦蓄及支流库湾水华情况1) Table 3 Situation of flood detention and algal bloom in tributary bays since the impoundment of the TGR

3 结论

(1)中小洪水调度期间香溪河库湾水体Chl-a也随之呈下降趋势, 当水位波动较大时硅藻占比较高, 当水位波动较小时蓝绿藻占比较高.

(2)中小洪水调度期间, 影响香溪河库湾Chl-a浓度的流速和悬浮泥沙浓度阈值分别为0.25 m·s-1和10 mg·L-1.

(3)2010年以后, 香溪河典型水华暴发时间转变为以汛期为主.

(4)中小洪水调度期间, 影响支流库湾水体叶绿素a浓度的主要环境因子为水温和悬浮泥沙浓度.

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