水位调度对高原湖库水源地浮游藻类的影响模拟

邓 文 强,袁 素 勤

(1.贵州省水利科学研究院,贵州 贵阳 550002; 2.四川水利职业技术学院,四川 成都 611231)

0 引 言

随着工业化和城市化的迅速发展,作为饮用水源地的大多数湖泊水库都不同程度地出现藻类过量增殖甚至水华现象[1-2],同时带来了诸多严重的危害:藻类在水中的大量增殖会影响水体感观,并发出臭味[3];长江的水华蓝藻如微囊藻、鱼腥藻、束丝藻等会分泌藻毒素,影响人畜的饮水安全甚至引起疾病乃至死亡[4];藻类加速水厂滤池中滤料的堵塞,增加运行维护成本,影响出水水质等。鉴于中国饮用水源地较为严重的富营养化形势,转变传统的水体利用和水体保护的观念,提高污水处理程度和推进湖泊水库保护工作成为饮用水源地保护工作的重要任务[5]。而开发适合水源地当地经济情况、满足水源地保护需要的生态调度控藻技术是亟待解决的关键性问题。

高原湖库水源地藻群生长受高原地区各环境因子的共同影响,主要包括环境温度、光照、水动力条件以及水体氮、磷等营养盐浓度[6-10]。然而,在影响藻类群落组成的众多因素中,一些生态调度措施,例如,水位调度引起的水位波动及物理扰动往往被认为是最主要的影响因素[11],在特定时间下,这种扰动影响着资源在生境中的分布状况,从而改变优势藻种及物种组成,尤其是高原水源地湖库。目前,围绕重点湖库的水华暴发机理已经开展了大量研究,但研究方法单一,不能有效反演湖库藻类生长及藻群演替规律,因此本文通过构建湖库水动力、水质及生态的三维耦合数学模型,对湖库水动力、水质及藻类生长规律开展研究,探索有效的富营养湖库水源地保护与生态调控技术。

1 研究区域概况

红枫湖水库位于贵阳市中心以西28 km,是乌江水系支流猫跳河进行梯级开发而形成的省内面积最大的人工水库之一,同时也是贵州高原上最大的湖库水源地之一。近几十年来,富营养化曾导致红枫湖经历过数次严重的水质恶化事件,探寻生态调度控藻技术对红枫湖水库乃至类似高原湖库水源地的藻类水华防控、水质修复及水源地环境保护均具有重要意义。因此,本文以典型高原湖库红枫湖为例,开展水位调度对高原湖库水源地浮游藻类的影响预测。红枫湖流域面积1 596 km2,正常蓄水位1 240 m,相应水面面积57.2 km2,库容6.01亿m3,湖泊长度16 km,湖岸线长143 km;平均宽度4 km,最大水深45 m,平均深度10.5 m。

2 研究方法

2.1 红枫湖水动力水质生态模型构建

鉴于红枫湖为一深水型高原水库(平均水深25.7 m),且受气象、支流汇入等外力因素的影响,湖区水动力、各环境要素及藻类生长情况在水平向和垂向上均呈现出明显的差异,因此本文选用MIKE 3三维水动力-水质生态模型来反映湖泊整体的水流动态特征。

贵州高原湖库多以蓝藻为优势藻群,故本文以蓝藻作为目标构建高原湖库水质-生态动力学模型。模型中采用浮游藻类碳(PC)、浮游藻类氮(PN)、浮游藻类磷(PP)、叶绿素a(CH)、浮游动物(ZC)、氨氮(NH4)、硝氮(NO3)、无机磷(PO4)、溶解氧(DO)、碎屑碳(DC)、碎屑氮(DN)、碎屑磷(DP)共12个状态变量的物理化学变化来研究湖泊的水质时空变化及其生态动力学过程。对于任一生态变量随时间和空间的变化均采用式(1)所示的物质扩散方程来描述。

(1)

模型中浮游植物状态变量的生化反应项用浮游植物的生长、牧食、沉积、死亡和上浮几个过程表示(见图1)。浮游植物指示因子浮游植物碳PC和叶绿素a CH的生化反应式为

图1 藻类生长动力过程示意

-DEPC-BUOYPC

(2)

-DECH-BUOYCH

(3)

式中:PRPC/PRCH、GRPC/GRCH、SEPC/SECH、DEPC/DECH和BUOYPC/BUOYCH分别表示浮游植物碳/叶绿素a的生产量、被捕食量、死亡量、沉积量和上浮量。其中藻类的生产活动主要取决于光强度、营养盐的利用情况、周围环境的温度条件等,因此藻类生产量和叶绿素a生产量计算式为

PRPC=mypc·F(I)F(T)F(N,P)·PC

(4)

(5)

ik=alfa·teti(T-20)

(6)

(7)

式中:mypc为蓝藻最大生长速率;F(I)为蓝藻生长光限制函数;F(T)为蓝藻生长温度限制函数;F(N,P)为蓝藻营养限制函数;chmi和chma分别表示最小和最大叶绿素a的产生系数,1/(E·m-2·d-1);alfa为藻类在参考温度20 ℃时的饱和光强,E/(m2·d);teti为藻类的饱和光强温度系数;T为水温,℃;pnma和pnmi分别表示藻细胞内部最大氮碳比和最小氮磷比。此外,光照对藻类生长的影响参考文献[12]对藻类生长与光照的关系进行参数化的函数;模型中蓝藻生长的温度限制函数参考Arrhenius指数模型和扬戈逊提出的正态分布温度限制模型[13],营养盐限制函数以Droop理论[14]为依据,主要考虑藻类细胞内部营养盐浓度对藻类生长的影响。

2.2 水位调度对浮游藻类的影响预测

2.2.1水位调度方案设置

本文选取典型年2019年的丰水季6月作为水量调度模拟期。结合红枫湖水位库容线、水库溢流曲线和典型年的实测出库流量,设计3种水位调度方案,见表1。

表1 3种调度方案

选取6月进行水位调控,此处以6月的实际下泄流量变化过程作为调度方案一的泄流边界;对于方案二(水位突降工况)和方案三(水位突升工况),分别拟定短时间(2 d)内泄流突增和入流突增的情况,这两种工况属于极端模拟工况(见图2)。

图2 3种预设调度方案下6月水位变化过程

2.2.2模拟计算条件

利用ArcGIS,根据红枫湖流域DEM文件生成模拟区域,红枫湖水库主要由麦翁河、羊昌河、麻线河和后六河等河流汇入,入流边界为这4条河流的入流流量;模型下边界为红枫湖水库大坝(见图3)。其中模拟中采用的初始条件为2019年6月1日各点位的实测平均值,其中:水动力模块的初始水位为1 236 m,水温为20.4 ℃;生态动力学模型中叶绿素a初始值设为17.2 mg/m3;营养盐TN和TP分别为1.0 mg/L和0.023 mg/L。

图3 红枫湖模型网格和地形

模型中水体表面边界条件主要包括水-气热交换、大气复氧、降雨和蒸发、风速风向等。模拟所用气象边界采用红枫湖水库附近的清镇市气象站的历史观测数据(见图4)。模拟工况下库区的入流边界为库区周边的河流汇入,分别是麦翁河、羊昌河、麻线河和后六河,多年平均流量分别为4.14,12.67,4.13 m3/s和1.44 m3/s;入流水温均取为河流的实测水温21.6 ℃;入流营养盐TN和TP浓度分别为2.0 mg/L与0.2 mg/L。此外,湖区典型风向为东北偏东(ENE)风,平均风速为6.6 m/s。

图4 红枫湖典型年内气候变化过程

本文构建的湖库水源地水动力-水质生态模型中涉及的参数众多,而模型手册为大部分参数尤其是水动力模块提供了推荐值或取值范围。另外,考虑其富营养化特征及蓝藻水华的相似性,本文生态模块参数参考国内重要水源地青草沙水库富营养化模型中蓝藻模拟部分的参数进行取值[15],其中蓝藻最大生长速率mypc取值为1.5/d,蓝藻生长最适温度为30 ℃,蓝藻光饱和强度为13 E/(m2·d),最小叶绿素产量系数chmi为0.05/(E·(m-2·d-1),最大叶绿素产量系数chma为1.5/[E·(m-2·d-1)]。

3 结果与讨论

3.1 模拟结果

3.1.1水动力特征

图5呈现了本研究设计的3个方案流场模拟结果。由图5可知:受盛行风ENE的影响,湖区表面整体上呈现出西南向的平面流。受支流入流的影响,方案一在水位上升期6月8～13日期间,在羊昌河和麻线河入流范围内库区会出现大范围流速高于0.2 m/s 的区域;而在红枫湖库区南湖和北湖连接段普遍呈现出流速高于0.2 m/s的现象。在方案二中,6月13～15日水位突然从1 238.50 m降至1 235.55 m,湖区流动性在水位突降期间明显增加,尤其是在南湖与北湖连接段的流速普遍增加至0.3 m/s 以上。另外,方案三在水位突升期(6月11～13日),湖区流动较方案一有所增强,尤其是在支流入流附近流速增加。

图5 不同调度方案下6月湖区平面流场分布

3.1.2营养盐

事实上,库区营养盐分布同样受水位调控(见图6),短期内加大库区下泄流量,能够有效降低整个库区中营养盐浓度,其中方案二在6月13～15日的水位调度突降降低了库湾处聚集的TP浓度,这种水位调度的营养盐调控效果将持续到在6月30日,尤其时候在水库南区库湾处TP浓度明显下降。方案一和方案三的对比发现:水位突升对湖区的营养盐浓度影响并不明显,这从6月15日的模拟结果对比可以看出,由于将6月初的水位稳定期从1～8日增加到了1～11日,故导致在6月调度时湖区的营养盐浓度反而较方案一有所增加。

图6 不同调度方案下6月15日和30日湖区平面TP浓度分布

3.1.3藻叶绿素a

国内外均有研究指出,水体中的水动力条件流速、流量等与藻类的生长繁殖有着密切的关系,既能直接作用于藻类,同时通过影响水体中营养盐状况与水温层结构而引发水体富营养化。本文的模拟结果同样证实了这一观点,如图7所示,湖区叶绿素a浓度分布与流场具有明显的相关性。其中在盛行风ENE和支流入流的持续作用下,湖区藻叶绿素a浓度呈现出主库区低而库弯高的分布态势,这是因为在库湾区域水流流速低且营养物质易于富集[16]。

另外,通过对比湖区在不同水位调度方案下藻叶绿素a浓度在6月15日和6月30日的分布(见图7)发现,湖区水位变动对藻类生长存在明显的影响。其中方案一和方案二的对比表明:在6月13日之前,两种方案水位的调度和藻类分布均是保持一致的,而在方案二经过6月13～15日水位急降期后,湖区流动明显加强,湖区的藻类生境发生变化,故在15日方案二库区藻类叶绿素a浓度较方案一有所下降,这种水位调度的藻类控制效果将持续到6月30日,尤其是在水库南区库湾处叶绿素a浓度明显下降。而方案一和方案三的对比则证实了调度期间水位突升(方案三 6月11～13日)实际上并不会减缓藻类的繁殖,反而由于增加了水位稳定期(由1～8日增加到了1～11日)的持续时间,导致了湖区的藻类大量聚集增殖,从而造成调度方案三较方案一库区藻类浓度更高,且加大了富营养化风险。

3.2 水位调度的藻类调控作用分析

水位调度对湖库藻类的调控作用可归结为以下两个原因:一是水位突降在加大库区下泄流量的同时,增强了库区水体流动性,达到破坏藻类结构细胞的流速,从而减少了库区藻类细胞在库区的聚集;二是由于营养盐也受水位调度的调控,通过水位调度改善湖区水动力条件也能够有效降低整个库区中营养盐浓度,从而在一定程度上也缓解了因营养盐浓度较高造成的浮游藻类大量增殖的问题。

4 结 论

为了探讨水位调度技术对高原湖库水源地藻类的调控效果,本文基于MIKE 3构建了湖库三维水动力-水质生态模型,并以红枫湖为例,开展了水位调度对高原湖库水源地浮游藻类的影响预测研究。研究表明:水位调度对湖区藻类生长聚集具有明显的调节作用,其中在6月间采取水位突降的调度措施能够达到有效改善库区水动力条件、加大南湖与北湖的水流连通性的目的,而这种水动力引起的库区扰动对降低库区营养盐聚集、打破藻类结构,减少湖区的藻类生物量均具有明显的效果。而长时间稳定的低水位运行并不利于库区藻类防控,在水位调度方案制定时应尽量避免。因此以控制红枫湖水体富营养化发生为目的水位调度,需创造有利于缓解或消除水体富营养的水动力条件,即从流速的角度考虑抑制藻类和从调度流量、时间的角度考虑降低营养盐浓度,在一定程度上可以缓解因水动力条件差和营养盐浓度较高造成的富营养化问题。