香溪河库湾水质特征与非回水区水华响应关系

张庆文,宋林旭,纪道斌,方海涛,何金艳,霍 静,刘心愿,王耀耀,朱晓声

香溪河库湾水质特征与非回水区水华响应关系

张庆文,宋林旭*,纪道斌,方海涛,何金艳,霍 静,刘心愿,王耀耀,朱晓声

(三峡大学水利与环境学院,湖北 宜昌 443002)

为探究香溪河在受倒灌影响较弱的河段水华暴发征兆及机理,于水华高发期5~8月对香溪河进行监测,分析电导率、水温、叶绿素a(Chl-a)以及流速.结果表明,在6~8月,香溪河倒灌现象于XX05点(峡口镇)处基本结束,XX06~XX09受倒灌来水影响较弱;香溪河于7月暴发水华,各个监测点位上Chl-a含量均值达到100µg/L以上,XX05~XX06与XX07-XX09点位上暴发不同种水华;在水华暴发前后,水体温度无显著变化,且并无明显分层现象,说明水温分层是水华暴发的主要原因这一理论并不能很好的适用于非回水区;通过对电导率数值的研究发现,数值在垂向上出现显著拐点,而拐点出现在临界层与光补偿层之间,同时与叶绿素a含量分布呈现显著负相关性.香溪河总氮(TN)、总磷(TP)平均值为1.849mg/L和0.157mg/L,均超过富营养化的阈值,水体氮磷含量与Chl-a浓度无显著相关性,水体中除N、P营养盐外的其它离子对香溪河水华的暴发起着重要作用.在水华消退后,电导率数值又逐渐恢复表层高底层低的垂向线性分布特性,与水华的暴发、消退有着明显的响应.

香溪河；水温；电导率；水华预测；临界层理论；Chl-a

自三峡库区蓄水后,受水库干流顶托作用,一些库湾以及长期处于三峡水库回水淹没区的支流由原来的河流型变为河流湖泊型,水动力条件、营养的输移模式等都发生了显著变化,水流的运动变得十分缓慢,整体流速小于0.05m/s[1-2],使得营养物质大量富集,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[3-4].

香溪河是三峡大坝库首第一支流,在三峡大坝蓄水后水华频发,成为了专家学者研究的焦点.在众多有关香溪河水华暴发机理的研究中,许多专家认为,水温分层是水华频发的一个重要原因[5-6],在水体稳定的情况下,水层间物质不易传输,会加速藻类的生长;但在非回水区,水温分层并不明显,水华亦频发,因此本文主要针对非回水区水华暴发预警及机理进行研究;水体中充足的营养盐和适宜藻种吸收的电解质也是水华暴发的主要原因[7],在水库中两者含量的变化同时又影响着电导率的变化[8],电导率的大小主要由溶解在水体的离子种类、浓度、水温、降雨及pH值等决定[9-10],香溪河夏季水温在 35℃以内,电导率几乎不受温度的影响[11],因为选择非回水区为研究水域,其pH值没有受到倒灌带来的直接影响;在持续跟踪监测期间,并无降雨情况,岸边没有受到雨水冲刷而导致河流泥沙含量、浊度改变,所以在研究过程中,水体电导率的大小与溶解质浓度成正比,在水华的生消过程中,电导率数值变化可直接反映水体中营养盐、离子等物质的消耗.本研究选择电导率和水温为主要分析对象,研究电导率与水华生消之间的响应关系,分析受倒灌影响较弱的河段水华暴发的预警及内在原因,旨在为库区水体污染治理和水华暴发预测及香溪河藻类研究提供依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

香溪河是三峡水库湖北库区的最大支流,同时也是靠近三峡大坝的较大支流;该河由北向南贯穿兴山县全境,于秭归县香溪镇东注入长江,在秭归香溪汇入水库干流;香溪河干流长94km,流域面积为3099km2;香溪河流域属亚热带大陆性季风气候,春季冷暖多变,夏季雨量集中,常有暴雨和伏旱,秋季多阴雨,冬季多雨雪,年平均气温为16.6℃,流域多年平均流量为40.18m3/s,年均降雨量1015.6mm[12-13].

1.2 样点布设

表1 点位布设地点

根据香溪河的地形地貌特征、水体的富营养化程度和暴发水华的相关因素,沿香溪河库湾大约每3km布设一个监测点(图1),从香溪河口至高阳镇沿河道中泓共布设10个监测点,依次记为XX00~ XX09.

图1 香溪河库湾采样点分布

1.3 监测方法

2017年6~9月,对香溪河库湾每个监测点沿垂线方向监测水温、电导率、水流、水深、营养盐等参数.其中水温、电导率、水深等参数由 Hydro lab DS5多参仪(美国)现场测定,其电导率数值是使用Practical Salinity Scale进行计算,该运算法则的描述见文献[14]的研究;流速采用Vector三维点式流速仪(挪威)现场测定;营养盐数值根据《水和废水监测分析方法(第四版)》[15]测定水中叶绿素 a、总氮、总磷浓度,其中实验测定的叶绿素a对多参中的数值起校正作用.

1.4 临界层理论

光补偿深度(c)为水体中,某一深度处光合作用强度与呼吸强度,即净生产力为0,该深度即为光补偿深度,在临界层深度0.32~0.35处,即:

c=0.32~0.35cr(1)

临界层深度(cr)定义为在光补偿深度以下,一定存在某一水深,使得此水深以上水体的累计净生产力为0,这一深度即为临界层深度:

以此计算出的真光层深度代为临界层深度.

表2 点位真光层及拐点深度

注:除光衰减系数,其他物理量单位为m.

在7月初,叶绿素a含量远超暴发阈值,水华也已暴发,对于真光层的计算已无意义,故只列出拐点深度(表2).

2 结果与讨论

2.1 选点及水体水动力特性

从图2中可以看出,在XX00点位上,电导率在0~10m范围内近似线性变化,在10~50m范围内数值逆向增长,结合流速,这段受到从干流倒灌进入的水流影响,这与长江干流营养盐浓度相对较高,干流对支流营养盐存在明显的逆向影响相符合,电导率数值直观的反映出在倒灌影响下,物质被强制交换;水温在0~10m内呈斜温层特性,随深度增加逐渐降低,在10~50m范围内,温度降低0.3℃,近似为恒温层,在底层附近温度又开始下降,而电导率也随之变化,呈下降趋势;电导率数值的变化与温度的波动较为同步;XX01、XX02点位上,电导率变化分为两段,在0~15m左右呈线性递减特性,在15m至底层处波动较为平缓;在XX03~XX05处,电导率随深度的变化逐渐变为线性关系曲线,表现为由表层高到底层低的下降趋势,电导率数值能起到很好的示踪效果,说明在倒灌影响明显的情况下,电导率数值受水流来源影响大,无法直接研究其数值与水华之间的联系.

图2 电导率、水温与深度关系

图3 6月流速分布纵剖面图

由图3可见:在监测期间,水体最大流速为0.015m/s,水域水流整体平均流速在0.003m/s左右,流速较为缓慢,这也为水华的暴发提供了有利的水动力环境;在距河口16.9km以内,即XX05处,干流水主要以中、底层(10~60m范围)倒灌异重流形式进入香溪河,上游至距河口16.9km以上的水域,受倒灌影响较弱.结合图2,倒灌强度的减弱,与电导率-水温-深度关系曲线有明显的对应:从XX00到XX05处,电导率数值随深度由复合型曲线关系到逐渐呈线性关系曲线,突变性降低,这与流速对应性较强.

2.2 电导率等水质指标对水华暴发的响应

如图4显示,在5~8月,主要以中、底层倒灌为主,基本上到XX05~XX06(16.9~19.2km)倒灌结束,5月是以表、中层倒灌为主,靠近河口以表,中层倒灌为主,向上游逐渐以中层倒灌为主;在6~7月份期间,倒灌在由XX00到XX04逐渐减弱,在XX05号点上倒灌基本结束,XX06~XX09在各个倒灌中没有受到倒灌的强制影响,而8月份倒灌影响到XX06号点.为忽略倒灌对水体物质的强制交换的影响,选择XX06~XX09中的电导率数值作为主要研究对象.

图4 5~8月流速分布

2.2.1 水体温度分析 如图5所示,XX06号点在28号期间,水温为混合层—温跃层的组合,在7月6、8号期间,以混合层-温跃层-恒温层组合为主;结合流速,水流在XX06处中、底层倒灌现象基本结束;联系点位真光层及拐点深度表,电导率的拐点均在水体的温跃层和混合层之间.监测期间,XX07~XX09水体温度分层并不明显,整体水温由表层到底层连续降低,说明选择的XX07~XX09这段水域未受倒灌的直接影响;而XX09水体底部降温明显,表底温差在7~9℃,且底部2m处出现一段恒温层,这与上游水来自神农架的冰雪融水有关,夏季期间,神农架来水一般在18℃左右,即XX09底部受上游神农架低温来水影响;各个点位上水体表层温度在26~29℃之间,为蓝藻、绿藻水华的暴发提供了适宜的水温.

图5 6~8月之间水温分布

2.2.2 叶绿素a浓度 由图6可见,从河流的横向断面看,香溪河水体Chl-a的含量较高,大多数点位Chl-a含量在阈值附近,河口处最大含量在10~ 15µg/L,Chl-a含量由下游向上游递增,最大值出现在上游XX09号点,Chl-a含量达到95µg/L.

从河流的纵向断面看,结合水温-深度及真光层与拐点深度,XX06号点处(距河口19.2km)Chl-a的含量在温跃层和拐点以上变化较为剧烈; XX07~ XX09这一段水域区间不在回水区内,其水体温度分层并不明显,但Chl-a含量在电导率拐点以上变化较为剧烈,表层处含量也达到阈值,而拐点以下含量减至10µg/L.

2.2.3 电导率垂向特性 7月份水华暴发,在6~7月期间,电导率由从表层出现最大值到底层逐渐减小,变为从表层到底层呈现由低到高再到低的变化特性,在前文中已说明在XX06~XX09处电导率数值主要与水体中营养盐等物质的消耗或补充有关,其数值减少说明水体中营养盐等物质被消耗而不是因倒灌导致的物质强制交换;在6月,叶绿素a浓度在XX06~XX08处均达到暴发阈值30µg/L以上;同时可以看出,在XX06、XX07、XX08这3个点中,XX08处电导率数值整体上最小,但叶绿素a含量最高.

图6 6月Chl-a等值线(mg/L)图

在水华暴发后,对香溪河进行了连续的监测:在7月的5~8号,电导率均出现拐点,拐点均出现在深度1~5米之间, 9号XX09未出现拐点,但其数值为300µS/cm,表层电导率数值相较于其8号时的拐点处数值还低.结合8月电导率-深度,拐点的消失可能是因为XX09号点中底层水体受上游神农架来水影响,其营养物质含量低,电导率数值低,在表层营养物质被吸收后,数值上仍表现为从表层到底层降低的特性.各个点位表层电导率数值在水华暴发期间,随时间一直下降,表层数值较拐点处数值小了10~ 26µS/cm;根据对香溪河的研究中可以发现,电导率数值在未暴发水华或受倒灌影响较弱时表现规律为表层数值最大,向底层递减,或为表层到底层数值波动不大.为得到表层到拐点处实际数值的差值,将拐点处与向下几m处电导率数值进行线性拟合,延伸到表层处,得到的表层电导率数值与实际检测的表层数值最大相差近40µS/cm,因此在水华暴发过程中,电导率数值波动范围在40µS/cm左右.

图7 电导率纵向分布

2.3 讨论

三峡水库蓄水后,香溪河水动力特性受上游来水以及水库干流影响显著, 在深度方向具有典型的分层异向流特征[19],温度在受到上游来水和库区倒灌来水的影响,变化最为直接,根据杨正健等[20]对香溪河的研究表明,水体分层是香溪河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,而这次水华暴发期间,在XX06号点处,Chl-a含量在水体温跃层上变化最为剧烈,且最大值也在温跃层区间上,但在XX07~XX09点处,干流倒灌对水温分层的影响明显消失,温度分层并不明显,水体分层是藻类水华暴发的主要原因在这一段水域并不能很好的适用于这段水域,但在6、8号表层出现1m厚的混合层,而根据范绪敏等[21]的研究,混合层深度越大, 叶绿素a浓度越低,在这一河段,温度混合层的深度变化可以为水华暴发提供预报依据.

在形成水体富营养化的环境后,由前文中所述,因忽略水体倒灌引起的物质强制交换,水华暴发前后河流电导率的变化直接反映营养盐等物质的消耗或补充.在6月期间,香溪河叶绿素a含量在阈值附近,而表层电导率数值明显下降,在距水面3~5m处出现显著拐点,笔者认为:水华的暴发需要吸收大量营养盐或水中其他离子物质,水体物质含量的减少导致电导率数值明显下降,在表层出现明显的逆向增长的区间,形成电导率数值随深度先增加后降低的关系曲线.在通过SPSS对表层到拐点处叶绿素a的含量与电导率数值分析后,发现两者存在显著负相关性,而在未发生水华期间,电导率数值与叶绿素a含量成正相关性,相关性的改变为电导率数值的改变能对水华暴发进行预报提供一定的依据;再结合临界层理论:混合层出现在光补偿层与真光层之间,藻类开始增殖,水华开始发展,水华风险开始产生,而在6月28日,叶绿素a含量在阈值附近,水华有暴发的风险,同时电导率-深度关系曲线中的拐点出现在光补偿层和真光层之间,拐点出现的位置是在藻种适宜生长的范围内,说明藻种在适宜生长的环境中,吸收适宜生长的离子物质和营养盐,导致表层到拐点处电导率下降,真光层以下的电导率数值随深度递减,且真光层以下不适宜藻种生存,即在真光层深度以下电导率数值与Chl-a含量的相关性表现一般,电导率拐点深度与临界层理论相契合,进一步证明在非回水区电导率数值上拐点的出现可以预测水华的暴发;拐点的深度也可以体现水华暴发深度,针对不同藻种水华,其习性不同暴发深度也不同,拐点深度的不同可以为藻种习性的研究提供一个参考.

由7月份的跟踪监测显示:在水华暴发期间,拐点持续存在,表层的电导率数值也持续下降.监测期间,电导率数值减少的范围在40μS/cm左右,单考虑营养盐方面,6~7月期间,N、P营养盐长期且均已达到暴发水华的水平[22],而以N、P对电导率数值降低的贡献数值来计算,主要营养盐离子的电导率为: NO3-为5.10(µS/cm)、NH4+为5.24(µS/cm)、PO43-为2.36(µS/cm)[22-23],在水华暴发期间,XX06~XX09电导率数值变化值由营养盐的消耗所影响的数值应为:-4.035,-4.521,-5.200,-2.478µS/cm,明显可以看出营养盐贡献的数值远远不到电导率变化的数值,说明香溪河水华的暴发期间,营养盐含量充分,不是水华暴发的限制性因素,水华与水体中其他种类离子有关,有研究发现:硅藻水华爆发期间,叶绿素a含量上升,同时水体溶解性硅酸盐含量显著下降,两者在数值上呈负相关,这说明溶解性硅酸盐含量的降低与Chl-a上升可以预测硅藻水华的暴发,王海明等[25]、钟远等[26]研究认为,不同的离子物质对河流中不同藻种的生长繁殖起到抑制或促进的作用,在水华暴发期间,可以根据水体某种离子物质的改变预测某种藻种水华的暴发,也可以根据水体中因某种离子物质含量高二不会发生某种水华的暴发.近年来,大量学者对香溪河藻类的研究认为香溪河水体藻类主要以蓝藻、绿藻、甲藻和硅藻为主[27-29],在夏季水华高发期,藻种以绿藻、蓝藻为主[30-31],因此,香溪河水华暴发可能与其他电解质离子浓度有很大关系.而在这次水华研究过程中,即7月份香溪河水华暴发过程中,XX05~XX06暴发蓝藻水华, XX07~XX09暴发甲藻水华,根据姜伟[32]在对彭溪河的研究中提出的除水体N、P以外的其他离子能解释澎溪河与磨刀溪电导率的差异性,在对水体各个点位离子物质种类、含量及其变化的研究也许能对不同河段暴发的水华优势藻种起到预测作用.

3 结论

3.1 电导率数值的变化与水温变化能很好地贴合,能对确定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及所影响的深度.

3.2 电导率拐点的出现及Chl-a含量达到阈值能对水华暴发有预报作用;针对香溪河不同河段暴发不同水华现象,对不同离子含量进行监测,水华暴发前,某种离子减少,也许能够预测水华的优势藻种.

3.3 香溪河营养盐较为丰富,根据计算,水体N、P在暴发期间变化较小,对电导率变化贡献15µS/cm左右,N、P营养盐含量一直处在高于阈值的水平,已不是香溪河非回水区水华暴发的限制性因素;水体中其他离子的变化可能对电导率产生的影响较大,即水华的暴发吸收了水体中其他离子,对藻种的增殖起到了正作用.

3.4 拐点的深度与叶绿素a含量分布有明显比照关系:拐点上叶绿素a含量较高,均高于水华爆发阈值,拐点下叶绿素a含量明显降低.拐点深度在1~5m之间,深度不同可能与藻类习性有关,这与藻类研究可以相结合.

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Relationship between water quality of Xiangxi River Reservoir and the algal blooms in non-return area in the Three Gorges Reservoir Area.

ZHANG Qing-wen, SONG Lin-xu*, JI Dao-bin, FANG Hai-tao, HE Jin-yan, HUO Jing, LIU Xing-yuan, WANG Yao-yao, ZHU Xiao-sheng

(College of Hydraulic and Environmental Engineering, Three Gorges University, Yichang 443002, China)., 2019,39(7)：3018~3026

In order to explore the signs and mechanisms of the algal blooms in the river where the backwater of the Xiangxi River are weak. Based on field data during the high-period, such as temperature, conductivity, Chl-a and the flow rate, the Xiangxi River backflow phenomenon basically ended at XX05(XiaKou Town), so the study was conducted at XX06-XX09; the algal blooms happened in July , Chl-a was above 100μg/L, and different kinds of algal blooms on XX05-XX06 and XX07-XX09; in the study area, the water temperature stratification was not obvious. The theory that water temperature stratification was the main cause of blooms was not very suitable for this water area. The study of conductivity showed that there was a significant inflection point in the vertical direction, and the inflection point depth was between the critical layer and the light compensation layer, and had a significant negative correlation with the distribution of chlorophyll a content. The average values ​​of total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) in Xiangxi River were 1.849mg/L and 0.157mg/L, which exceeded the criterion of the eutrophication. The nitrogen and phosphorus content had no significant correlation with Chl-a. Other ions except N and P nutrients played an important role in the algal blooms. After the algal blooms, the conductivity gradually recovered lower from the surface to the bottom vertically, and had obvious response with the bloom and regression of algal blooms.

Xiangxi River；algal blooms；conductivity；prediction of algal blooms；critical depth theory；Chl-a

X524

A

1000-6923(2019)07-3018-09

张庆文(1995-),男,湖北十堰人,三峡大学硕士研究生,主要研究方向为沉积物迁移转化过程.

2018-11-21

国家自然科学基金资助项目(51779128,41501297);国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07104-005-02)

* 责任作者, 副教授, 280825327@qq.com