汛期水库调度对小江水华的影响

2024-01-18黄宇波曹光荣范向军舒卫民毕永红

长江科学院院报 2024年1期

黄宇波,曹光荣,范向军,杨霞,舒卫民,毕永红

(1.中国长江三峡集团有限公司流域枢纽运行管理中心,湖北宜昌 443133; 2.湖北省智慧水电技术创新中心,武汉 430000; 3.中国科学院水生生物研究所,武汉 430072)

0 引言

三峡水库是重要的淡水资源库,水库回水长度达660 km,库容393亿m3,有100多条支流,支流库湾是水华易发区域。一些学者指出,削减营养负荷是控制水库水华的治本之策,但由于支流营养负荷大部分来自干流补给,这一策略短期内难以实现[1],而通过水库调度破坏藻类生长的适宜条件,是抑制水库水华的重要手段。早期一些研究认为,可通过增加下泄流量、拉大流速来抑制藻类生长从而控制水华[2]。然而,原位监测数据表明,泄水期该手段对藻类生物量的抑制效应不明显,泄水后期叶绿素a浓度甚至出现上升,而蓄水期该手段能有效抑制库湾水华[3]。支流存在异向分层流态,蓄水过程中,水库干支流间的水体交换程度增强,支流水体分层程度降低,且支流悬沙的含量增加,导致香溪河库湾叶绿素a浓度在蓄水期间降低[4]。有学者提出加大电站日调节,增加水位波动和干支流交换,促进库湾污染物降解从而抑制藻类生长[5]。

通过年际比较发现,水库水位波动频繁,水库叶绿素a含量降低。刘德富等[6]提出通过“潮汐式调度”方式抑制水华,其原理是通过水位波动,增大混合层与真光层比值,消除水华。由于干支流存在水温和泥沙密度差,三峡库区支流普遍存在分层异重流现象,支流水体靠近河口分层弱,靠近上游水体分层强。研究发现,分层异重流驱动下的混合层与临界层的关系变化决定水华生消过程,混合层与真光层比例降低,导致水华暴发,而水华的消退与混合层深度的增加有关[6],当混合层深度与真光层比值>2.8时,可抑制三峡水库水华[7]。通过现场监测与水动力模拟,水位抬升对支流香溪河水华有抑制作用,且水位日变幅越大,抬升时间越长,抑制效果越好[8]。然而,这些研究多源于被动调度监测结果,虽然明确了调度原理,但缺少结合发电、防洪等目标的具体调度策略,没有提出明确的调度阈值。目前开展主动调度抑制水华的研究较少。

小江是三峡库区长江北岸流域面积最大的一级支流,距三峡大坝约247 km, 河长182.4 km, 流域面积5 173 km2,年均流量116 m3/s,三峡库区境内长度117.5 km,涉及三峡库区开县、云阳2个区县众多集镇。本研究结合三峡水库调度规程和已有研究成果,按照入库流量>18 000 m3/s时,三峡水库实施以3 d库水位至少抬升2 m为主要策略的防控水华的生态调度,并进行跟踪监测,分析水库调度对水环境和藻类的影响,评估防控水华的效果,为水库水环境管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

以小江河口(XJ点)为重点,干流设置一个样点CJ(离小江河口5 km之内),小江支流样点从下游往上游依次为XJ、HS02、HS01、GY02、GY01、QM02、QM01(图1),其中XJ点在水深0.5、1、2、5、10 m分层监测。

图1 监测样点布置Fig.1 Layout of monitoring sites

1.2 样品采集及分析

1.2.1 样品采集

用25#浮游生物网采集定性样品,并用适量4%甲醛进行固定,定量样品在距离水面0.5 m处用5 L玻璃采样器取定量样品置于瓶中,加入1%鲁哥氏液现场固定,样品静置,沉降并浓缩至30 mL,充分摇匀后吸取0.1 mL至浮游计数框[10],在显微镜下计数,藻类鉴定参照文献[11]。

1.2.2 分析方法

水体稳定系数是评价水体垂向混合程度及水体分层状态的参数,水体稳定系数越大,水体垂向越稳定,越易形成分层水体;水体稳定系数越小,越易形成混合水体。本研究中,以XJ样点0～10 m 水层作为藻类生长的真光层,水体稳定度以0～10 m水层的密度差与4 ℃和5 ℃纯水的密度差的比值来计算,水体密度用水温估算[12]。

为探究调度期间藻类多样性的变化趋势,计算Shannon-Wienner物种多样性指数H′,公式为

(1)

式中Pi为统计时段内物种i的数量在该时段采样总数量中所占的比例。

监测时间为6月24日—7月3日,采用Kruskal-Wallis秩检验,比较调度前期、调度期、调度后期水环境参数差异。用Pearson 相关分析探究水位和水库环境的关系。采用逐步回归分析筛选对藻类生物量影响最大的环境因子,并用冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)探究环境因子对不同藻类的影响大小。为探究水位、降雨等因素与水库水环境和藻类生物量的关系,构建结构方程模型,将逐步回归分析筛选的相关参数代入模型并进行调整,使最终模型达到最优,用以解释水库调度和气象因素对藻类生物量的影响路径和影响程度。相关分析、逐步回归分析在SPSS 13.0中完成,用Canoco5.0完成RDA分析,在R软件中利用“lavaan”包构建结构方程模型。

2 结果与分析

2.1 不同调度期环境因子变化

对所有监测样点进行分组,A为变动回水区(QM—GY段),B为常年回水区(XJ—HS段),C为长江干流对照点。整个监测时段,6月25—28日水位持续抬升,日均水位从145.69 m升至148.62 m,6月29日之后维持在148.60 m左右。6月25—27日、7月1日均出现降雨,其中27日降雨量最大,达到41.5 mm(图2(a))。将整个时段划分为调度前期(6月24日)、调度期(6月25—27日)、调度后期(6月28日—7月3日)。6月25—28日水位持续抬升阶段水柱表层与水下10 m的温差较大,调度结束后,温差减小,水体混合度增加(图2(b))。

图2 调度期间降雨量、水温的变化Fig.2 Variation of rainfall and water temperature during reservoir operation

表1 水华调度不同时期环境因子Table 1 Environmental parameters during different operation stages

2.2 藻类动态变化

从藻类组成(图3)来看,水华期间小江藻类以蓝藻(Cyanophyta)为主,蓝藻相对丰度占比均在80%以上,且从上游至下游,蓝藻相对丰度占比从80.36%逐渐升高至97.67%,隐藻(Cryptophyta)、甲藻(Pyrrophyta)、硅藻(Bacillariophyta)、绿藻(Chlorophyta)相对丰度占比很低。

图3 不同样点藻类组成Fig.3 Algal composition at different sampling sites

在调度初始阶段,常年回水区藻类叶绿素a浓度均值为58.33 μg/L, 达到中度水华标准[13],高于变动回水区(6.59 μg/L),长江干流藻类叶绿素a浓度维持在较低水平(0.05 μg/L)。6月28日后常年回水区叶绿素a浓度降至6.41 μg/L ,和变动回水区藻类叶绿素a浓度(5.15 μg/L)接近(图4(a))。随着调度进行,藻类多样性指数逐渐上升,常年回水区多样性指数从0.71升至1.66,变动回水区从0.85升至1.57;调度后期,藻类多样性指数分别下降至0.64和0.41(图4(b))。分组检验显示常年回水区藻类生物量显著高于变动回水区和长江干流(p<0.01)。常年回水区生物量均值与水位均值显著负相关(相关系数r=-0.94,p<0.01, 统计量N=10),而变动回水区与长江干流对调度的响应不明显。总体上,藻类多样性先升高后降低(图3)。

图4 不同区域藻类叶绿素a浓度与多样性指数变化Fig.4 Chlorophyll a concentration and Shannon-Wiener diversity index in different areas

变动回水区在调度前后藻类叶绿素a浓度无显著差异(图4(c)),常年回水区调度后叶绿素a浓度显著降低(p<0.01)(图4(d))。

2.3 藻类与环境因子的关系

RDA分析(图5)显示,轴1和轴2共解释了65.07%的藻类群落结构变化,其中轴1主要与水温、氮磷、COD浓度等水体理化特性有关,而轴2主要与水位有关。水温和磷酸盐以及水位是藻类演替的重要因子。水温的贡献度超过50%,磷酸盐次之,贡献度达到17.3%,其次是水位,对藻类群落变化的贡献度达到7.6%。RDA中,水位与水温、COD负相关,而与硝酸盐氮正相关(表2)。

表2 环境因子RDA结果Table 2 Results of RDA on environmental factors

图5 水华期间藻类与环境因子RDA结果Fig.5 RDA result of the relationship between algal community and environmental factors during water bloom

逐步回归分析显示,小江藻类生物量受氮磷、水温、电导率和化学需氧量的影响,其中TN、COD、水温与生物量正相关,而与硝氮、磷酸盐、电导率负相关,以上环境因子共解释了79%的藻类生物量变化(R2=0.79)(表3)。

表3 藻类生物量与环境因子逐步回归分析Table 3 Stepwise regression analysis between algal biomass and environmental parameters

通过构建结构方程模型,探讨降雨以及水库调度对水体环境因子和藻类的影响。模型相对拟合指数达到0.996,标准化残差(SRMR=0.033)和均方根误差(RMSEA=0.032)<0.05,说明模型拟合较好。结果显示,降雨和水位调度对磷酸盐的影响不显著,但降雨和水位均与COD显著负相关,而COD与叶绿素a浓度呈显著正相关,并且水位抬升也能显著降低叶绿素a浓度。

3 讨论

3.1 水位抬升过程缓解水华

水库调度增强水体混合是水华防控的重要措施,其防控机制包括混合过程入流水体对藻类的稀释效应,破坏藻类生长的适宜环境来抑制藻类增殖,以及在生理水平上影响藻类代谢。有学者提出了针对三峡水库支流水华的“潮汐式”生态调度方案,利用水位波动抑制水华,通过历史统计数据分析,水位抬升阶段,抬升幅度达到0.5 m/d, 抬升时长≥5 d,叶绿素a浓度下降的概率大[14]。在福建省的水库相关研究显示,水位日变幅>2 m/月,能将藻类生物量控制在较低水平,且水位降低容易诱发蓝藻水华[15]。Ye等[16]提出,水位日变幅与叶绿素a浓度具有较好的相关性,水位上升或者下降均能降低叶绿素a浓度,但水位上升抑制藻类水华的效果更明显,持续的水位抬升,使倒灌异重流从中层移动至表层,从而降低支流表层水温和稳定分层[17]。本次防控水华生态调度,利用入库流量小幅增加的有利条件,采取以水位抬升为主的抑制水华调度措施,日均水位升幅0.88 m,对小江回水区水华起到了较好的抑制作用,进一步证实水位抬升在防控水库支流水华中的关键作用。

水位抬升增强干支流混合。监测显示,小江水华严重区域主要集中在黄石—河口段(图1),常年回水区的生物量高于变动回水区,同时高于长江干流生物量(图4(a))。长江干流流速大,混合均匀,变动回水区主要受上游来流影响,而常年回水区受回水顶托呈湖泊态,流速较低[18],透明度高于变动回水区,因此三峡水库支流库湾常年回水区一般是水华敏感区域[19],同时常年回水区对库区水位变动响应最快。以往研究表明,增大水体混合是抑制蓝藻水华的常用方法,效果好坏取决于混合强度[20]。混合强度低,可能会加剧水华程度,但是当水体混合足够打破蓝藻竞争优势时,效果较好。监测数据也显示长江干流藻类生物量远低于小江回水区生物量(图4(a)),当水库水位逐渐抬升时,大量来自干流的水体进入常年回水区,干支流水体混合使干流水体对水华区高密度的藻类产生稀释,减弱水华强度。

与以往研究结论类似,大幅度和较长时间的水位抬升,通过干支流水体交换对支流高叶绿素a含量水体形成稀释作用,同时减弱水体稳定度,抑制藻类生长[4]。 Ji等[8]从水动力角度总结了水位抬升对藻类水华的影响大致分为两类,当抬升幅度较小,干支流水体交换较弱,水循环的范围很小,不至于破坏库湾分层,这种情形下对水华的抑制不明显。随着抬升幅度的增大,在支流形成较大范围的逆时针环流模式,干支流水体交换增强,当水位日变幅高于0.2 m/d时,能有效抑制水华。通过CE-QUAL-W2 模型分析,水位日变幅上升或下降均能降低库湾TN浓度,对控制水华有利[21]。研究发现,当三峡水库水位日抬升1.0～1.5 m时,即能使支流库湾形成中、上层水体流入库湾,下层水体流出库湾的水循环过程[4],能有效抑制藻类生物量。通过对小江监测藻类监测数据统计发现,水位日变幅在-1～1 m/d时,日变幅越趋近于0,叶绿素a浓度出现峰值的频率越高[22]。因此,单独依靠三峡水库0.2 m/d的日变幅,对水华的影响可能较弱。也有学者指出,当干流水位日变幅达到3.8 m/d时,能显著打破支流库湾水温分层,抑制香溪河库湾水华[23]。然而,考虑到发电、航运等需求,这一水位变幅在常规调度中很难实现。在大宁河调查发现,水位日变幅<0.25 m/d时,难以破坏库湾水温分层,对藻类生长抑制不明显[24]。这些研究表明,较小的水位变幅并不能达到控制水华的效果,较大水位变幅则与常规调度存在一定冲突。本研究在认识到水位抬升能够抑制水华的基础上,进一步结合调度规程,与发电、航运、水资源利用等调度条件相协同,提出当来水达到18 000 m3/s时,以3 d至少2 m的幅度抬升水位,高于以往文献提出的抑制水华的最低水位日变幅阈值,同时又使这一调度条件具备可操作性,在不影响水库其它功能的情况下最大限度发挥抑制水华的调度效果。

水华期间微囊藻为优势藻种,调度前期,藻类多样性指数较低,而随调度进行,藻类多样性指数增加(图4(b))。调度前期,稳定的水位条件下,形成微囊藻水华,与其自身生理特性有关。微囊藻对高温具有较好的适应性,光饱和点低,能在弱光条件下高效进行光合作用,并且能抗强光损伤,在中性或碱性环境中,都能进行活跃的光合作用[25]。富营养化水体中,微囊藻具有生长优势,因为微囊藻具有伪空胞,能进行浮力调节,在藻密度较高的条件下,通过调节获取更多光照,因而相比于其它藻类有竞争优势[26]。调度后期水体稳定度降低(图6),说明调度打破了稳定的水力条件,另一方面推测一定幅度的水体混合作用抵消了微囊藻的浮力调节,进而削弱了蓝藻的竞争优势,抑制蓝藻水华的扩张[27]。

图6 调度期间水体稳定度的变化Fig.6 Variation of water stability during the operation

3.2 调度的综合效果

水库调度可以改变水体环境、抑制水华。本研究结果显示,水库调度后,水温、电导率、pH值、总氮浓度显著降低,TP、硝氮浓度升高(表1)。降雨显著降低水温,抑制水华藻类生长,促进水华消退(表1)。逐步回归分析表明,藻类生物量与氮磷营养盐、水温、电导率等因素有关。充足的营养盐基础、较强的水体稳定性以及较高水温的前提下,水华发生前期较低的氮磷比、较高的光照强度可能是微囊藻复苏的诱导因子[28]。RDA结果显示,水位、水温、硝氮、磷酸盐、浊度、COD是显著影响藻类群落结构的环境因子,水温的贡献度最大,水位的贡献度仅次于水温和磷酸盐(表2)。其中,水位与水温、COD、磷酸盐、浊度负相关。路径分析显示,水位对藻类生物量有直接的抑制作用(图7)。模型研究发现,水位抬升能降低库湾水体水温,而水位消落则产生相反的效果,水位变化降低库湾TN浓度[21]。说明水位抬升直接抑制水华或者通过间接降低水温和营养盐来改变藻类增殖的环境条件,控制水华。