汉江中下游藻华暴发特征及生态流量阈值

何术锋,胡 威,杨早立,冯 韬,严晗璐,林育青*,陈求稳(.南京水利科学研究院生态环境研究所,江苏 南京009；.上海勘测设计研究院有限公司,上海 00434)

随着全球气候变化及人类活动日益频繁的影响,有害藻类水华在全世界范围内发生的频率,规模和持续时间在急剧增加,目前藻类水华已成为全世界面临的重大水环境问题之一[1-2].引起藻类水华的环境因子通常为充足的氮磷等营养盐,适宜的气候条件,缓慢的水动力条件,且常见藻类水华易发生在湖泊,水库和其他静止水体环境中[3-4].然而随着城市化和社会经济的快速发展,河流兴修大量水电枢纽工程,导致天然连通性遭到破坏,水体流速减缓,水力停留时间增加,为河流藻类水华暴发创造了适宜的条件[5-7].尤其对于承担饮用水源地功能的河流而言,水华暴发给沿岸饮用水安全带来了严重隐患,逐渐引起了广泛关注.

关于藻类水华的研究多集中在湖泊水库[8-9],河流型藻类水华的研究较少,一般是对库区支流及湖库湾河流的研究,且存在流速较缓,水动力较弱的特点,其水动力特征与湖库存在一定的相似性,而水利枢纽下游近自然河道的藻类水华研究目前较为局限[10].相比于湖泊,河流最大的特点是具有单向流动性,水华暴发时藻类在水动力条件作用下存在向下游输移的情况,在流域尺度上对水生态系统造成更为严重的影响.同时,研究河流藻类水华不仅仅要考虑氮磷营养盐,光照,温度等影响因子,水动力条件是水华暴发的关键限制因子[11].Mitrovic 等[12]认为低水动力下长时间的水体滞留过程促使河流藻类水华暴发;对于具体的影响机制,Jeong 等[13]研究韩国洛东江大坝水华暴发时发现硅藻的水体生长滞留时间与流量,流速相关性显著;在物理,化学条件有利于藻类水华的情况下,Chuo 等[14]发现,水动力循环模式决定了河流水华的暴发;对于汉江流域而言,王红萍等[15]通过分析汉江水华的水文因子发现,流量增大减缓了藻类的增长速率,抑制了水华的发生;其他研究[16-17]也表明水动力条件可以通过改变藻类运动状态和水体流动性,进而影响藻类的生长,聚集和扩散.综上,水动力条件是河流水华暴发的重要影响因子,增强水动力条件能够对藻类水华生长产生一定的抑制作用,而保障河道内的生态流量是利用水动力解决河流水华暴发的有效途径之一[18],通过确定水动力阈值调节河流生态流量来达到控制水华的目标,有助于维持河流生态系统的结构和功能的完整性.然而现有河流水华的研究多基于统计方法,水华生长,聚集,输移与水动力条件之间的响应关系尚不明确.本研究针对汉江中下游藻类水华暴发现象,基于收集的多年水文,水环境和水生态数据,利用主成分分析(PCA)和冗余分析(RDA)识别了藻类水华暴发的主要驱动因子,分析了藻类在不同时期的沿程输移特征,基于主控因子推求了控制藻类水华暴发的关键断面生态流量,为控制河流藻类水华暴发提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域

汉江是长江中游第一大支流,河道全长1532km,流域面积约为15.9×104km2,发源于陕西省秦岭南麓,干流流经陕西,湖北两省,自武汉汇入长江[19].汉江中下游一般指丹江口水库下游的黄家港,襄阳,皇庄,仙桃和汉川等主要地区.近年来,由于梯级水利工程的建设运行,水体流动性减弱,加上社会经济快速发展,排入汉江中下游干支流的污染物增多,支流水体水质持续恶化,导致干流水体富营养化加剧,水华暴发频繁,近20a 间几乎隔年就会暴发,特别在2010年后,水华暴发频率更高,规模更大,迄今为止已达11次之多.汉江中下游河道水华暴发严重危害了区域水安全和生态安全,给汉江中下游生态经济带建设和流域生态文明建设带来新的挑战.本文选取汉江中下游黄家港,襄阳,皇庄,沙洋,潜江,仙桃和汉川断面为研究对象,详情见图1.

图1 汉江中下游地理位置Fig.1 Geographical location of the middle and lower Hanjiang River

1.2 数据收集

为全面分析汉江中下游藻类水华的暴发成因,收集了《中国水文年鉴》和湖北省水文水资源局现有的2015～2019年汉江中下游干流7 个断面的水文,水环境和水生态数据,包括中下游流域1965～2019年黄家港,襄阳,皇庄等6 个水文站水位,流量数据,以及2015,2016,2018年汉江中下游水华暴发最为频繁的襄阳断面以下,包括襄阳,皇庄,沙洋,兴隆,仙桃和汉川6 个断面的丰水年,枯水年和平水年水环境水生态数据,水环境指标选取影响藻类生长所需的总氮,总磷,温度等指标,水生态指标选取藻类密度,藻类生物量来表征,每个断面单项指标90 组数据,7 个断面共630 组数据.

1.3 数据处理分析方法

1.3.1 藻类群落特征指数 采用优势度指数(Y)对藻类群落多样性进行分析,藻类优势种是根据物种的出现频率及个体数量采用优势度Y 来判定.优势度Y 计算公式如下:

式中:定义Y>0.02 为优势种[20];N 为所有物种个体数之和;ni为第i 种的总个体数;fi为该物种在各调查站位中的出现频率.

1.3.2 群落结构与环境因子影响分析 利用主成分分析(PCA)[21-22]对环境因子进行筛选,通过正交变换将一组可能存在相关性的变量转换为一组线性不相关的变量,转换后的这组变量叫主成分,选择主成分变化系数大于0.6 的环境因子,再将筛选后的环境因子与藻类优势种群进行冗余分析(RDA)[23-24],分析包括环境数据矩阵和生物群落数据矩阵,先计算出样方排序值,将样方排序值与环境因子用回归分析方法结合起来,再用样方排序值求种类排序值,所有的生物数据在分析前进行log(x+1)转换.运用SPSS 22 进行PCA 分析,CANOCO 5 进行RDA 分析.

1.3.3 生态流量计算方法 采用断面通量法和流速抑制法推求控制藻类水华暴发的流量Qc,Qu,二者取最大值作为最终的藻类水华控制流量结果.

(1)断面通量法 根据藻类生长及河道内物质运输,某一时间内某段河道的藻类生物量变化为:藻类生物量增长=净生长量+输入通量-输出通量-死亡量[25],当藻类生物量增长≤0 时,即河段内单位水体藻类逐步减少,水华得到控制,由此可以推算出控制水华所需的流量Qc.

式中:C0为藻类初始密度,g/m3;C2为藻类流入的密度,g/m3;C1为藻类流出的密度g/m3;PMd为藻类净生长率,d-1;WSd为死亡率,d-1;K 为时段转换系数;Qc为断面流量,m3/s.

(2)流速抑制法 利用Excel 2012 中的多项式拟合得到河流水华暴发藻类密度和流速的适宜性曲线,参考断面实际情况确定藻类水华暴发的流速v,与断面面积A 相乘得到满足控制藻类水华暴发的流量Qu.

2 结果与分析

2.1 不同时期藻类水华暴发特征

通过对2015～2019年汉江中下游水华暴发特征进行分析,枯水期共鉴定出藻类群落结构共6 门(蓝藻门 Cyanophyta,硅藻门 Bacillariophyta,绿藻门Chlorophyta,隐藻门Cryptophyta,甲藻门Pyrroptata,裸藻门Euglenophyta)11 目32 科共102 种,主要以硅藻为主;丰水期调查到藻类6 门13 目25 科44 种,绿藻门和硅藻门是藻类主要的优势种群(图2).

图2 汉江中下游枯,丰水期藻类结构组成Fig.2 Structure and composition of algae in dry and wet period in the middle and lower Hanjiang River

如表1所示,水华暴发时期主要集中在春季枯水期,优势种为具星小环藻Cyclotella(Y=0.541).丰水期存在水华暴发的风险,绿藻门和硅藻门是藻类主要的优势种群,优势种为小球藻 Chlorella sp.(Y=0.663).

表1 汉江中下游枯,丰水期藻类优势种Table 1 Dominant algae species in dry and wet periods in the middle and lower Hanjiang River

通过分析丰枯水期各断面藻类密度和生物量的分布特征(图3),结果显示枯水期水华暴发时各断面藻类密度和生物量均处于较高水平,平均藻类密度为 1.542×107cells/L,平均生物量为0.431mg/L,以藻类密度107cells/L 为标准判定藻类水华暴发[26],黄家港,襄阳,皇庄断面处于水华未暴发断面,沙洋断面以下的藻类平均密度均超过107cells/L,为藻华暴发的主要控制断面,且沿程藻类密度基本上呈现不断上升的趋势,皇庄至汉川断面藻类密度持续升高,说明该区段内河道内藻类生长速率较大,沿程累积不断增加.丰水期各断面沿程藻类密度和生物量均较低,藻类密度最高的断面在潜江断面为1.32× 107cells/L,其余各断面藻类密度均未超过107cells/L,此外,由于丰水期河流水量充沛,流速较大,藻类密度沿程累积效应不明显,峰值随水流不断向下游移动,故未在多断面上形成水华现象.

图3 不同时期各断面藻类密度和生物量沿程变化特征Fig.3 Variation characteristics of algal density and biomass along different sections in different periods

为进一步识别藻类水华暴发期间的关键环境因子,利用主成分分析对总氮,总磷,叶绿素a,氨氮,水温,溶解氧,流速,pH 值等15 个环境因子进行逐步筛选.由表2 得,前两主成分分别解释了数据承载量的41.55%和29.08%,选择PCA 两主轴变化分数大于0.6 的环境因子,流速,水温,总磷,高锰酸盐指数为枯水期的共同环境驱动因子.

表2 环境因子主成分分析Table 2 Principal component analysis of environmental factors

将筛选后的环境因子与枯水期藻类优势种群进行冗余分析(RDA),如图4所示,影响藻类优势群落的环境因子依次为流速,总磷,高锰酸盐指数及温度,其中第一排序轴和第二排序轴累计解释物种数据的68.8%,流速(F=6.5,P=0.009)解释藻类优势种群分布的40.4%,对藻类优势种群分布的影响达到显著水平.

图4 藻类优势种群与环境因子的RDA 分析Fig.4 RDA analysis of dominant algae population and environmental factors

2.2 水华暴发与流速的响应关系

在汉江中下游选取上,中,下游河段关键断面进行流速分析,以黄家港为上游河段代表断面,皇庄为中游河段代表断面,仙桃为下游河段代表断面.2006～2019年黄家港,皇庄,仙桃站的年均流速变化见表3.由表3可知,各站年平均流量变化趋势大致相同.在时间上,各站年均流速最大值均出现于2010年,年均流速最小值出现于2014年;总体变化趋势为2006～2010年呈上升趋势,随后下降,至2014年降至最小值,2014年后又有小幅度上升趋势.空间上,沿水流方向自上而下,流速值逐渐变大,黄家港流速最小,仙桃站流速最大.

表3 汉江中下游2006～2019年黄家港,皇庄,仙桃站流速统计(m/s)Table 3 Flow velocity statistics of Huangjiagang,Huangzhuang and Xiantao Stations in the Middle and lower Hanjiang River from 2006 to 2019(m/s)

流速是影响汉江中下游水华暴发的关键控制因子,选取2015～2019年实测点位数据,研究不同月份流速与藻类密度的变化趋势,如图5所示.汉江中下游年内流速随时间变化处于先增大后减小的趋势,在0.18～0.85m/s 之间;而藻类密度的变化趋势与其相反,且于0.4×107～2.4×107cells/L 之间.枯水期流速较低,在缓慢的水动力作用下藻类不断地得到营养物质的供应,有利于藻类生长,此时藻类密度处于较高的水平,达到水华暴发的阈值;当流速随时间的变化逐渐增大时,强水动力作用条件使得断面藻类发生输移,不易造成聚集,丰水期时停留在某一断面的藻类密度不会长时间处于较高水平,不易达到水华暴发的阈值.

图5 不同时期藻类密度和流速随时间变化特征Fig.5 The characteristics of algal density and flow velocity change with time in different periods

此外,剔除受水温影响较大时期的藻类密度数据,通过多项式拟合曲线得到流速和藻类密度的适宜性曲线,如图6所示,结果表明,流速位于0.287～0.676m/s 时,河流存在水华暴发风险,当流速小于0.462m/s 时,流速对藻类抑制不明显,当流速超过0.462m/s 时,流速逐渐增大,能有效抑制藻类生长,藻类密度开始不断减小.

图6 藻类密度与流速适宜性曲线Fig.6 Suitability curve of algae density and flow velocity

2.3 基于流速与藻类生物量推求生态流量

拟定以汉江中下游沙洋,潜江,仙桃,汉川4 个为藻华控制断面,以枯水期流速为主控因子,结合断面通量法以及流速抑制法求得各关键断面的生态流量.计算结果见表4,为防止汉江中下游枯水期藻类水华暴发,建议汉江中下游枯水期12～4月份控制藻类水华的生态流量阈值为:沙洋断面流量不低于890m3/s,潜江断面流量不低于918m3/s,仙桃断面流量不低于953m3/s,汉川断面流量不低于1075m3/s.

表4 基于藻类水华控制的各断面生态流量阈值Table 4 Ecological flow threshold of each section based on algae bloom control

3 讨论

3.1 水动力对藻类水华的影响

河流藻类水华是一个复杂的生态环境问题,其成因涉及到水文条件,气候条件,营养物质等因子,本研究通过分析确定了汉江中下游河流藻类水华的主要影响因子为水动力条件.相关研究表明,大多数河流水华暴发期间,营养盐和温度的变化并不显著,影响河流藻类水华暴发的关键驱动因子是水文条件[27-29].汉江中下游流域梯级水利枢纽的建设一定程度上影响了流量和流速的变化,包括流量减小,流速减缓,水体滞留时间延长等,这些都在一定程度上促进了藻华的暴发[30-31];同时,也有研究表明河流水位波动和水体搅动对藻类生长产生了一定影响,增加了藻华暴发的频率和强度[32-33],缓慢的流速和低水位降低了水体交换率,延长了藻类在水体中的滞留时间,从而影响了藻类的聚集,迁移和扩散[34-35],而强流速条件下会产生很大的剪切应力,加速水体的内部循环从而抑制藻类生长,这与本研究结果一致.因此,控制藻类水华的流速存在一定的阈值,该值对藻类水华的形成有决定性作用[36].另一方面,水动力条件可以通过直接影响藻类对养分的吸收而改变藻类种群的增长率,导致不同水动力条件下藻类密度存在明显的空间异质性[37].杨强等[4]也提出水动力条件的变化可以影响光照条件,藻类营养物质和水体运动状态直接作用于藻类生长.本文研究结果表明,藻类密度与流速显著相关,流速对藻类水华的贡献最大,低流速状态下藻类密度处于较高水平,这与Wang 等[38]人研究结果一致.此外,本研究建立藻类水华暴发期间藻类密度与流速的非线性拟合曲线,拟合结果较好(R2=0.954),可用于计算控制水华暴发的流速阈值,本文提出的流速阈值为0.462m/s,位于李建等[39]提出的河流水华防控流速阈值0.20～0.67m/s 之间,具有一定的可靠性.RDA 分析结果表明,除了流速,总磷和温度对藻类生物量也有较大的影响,利贝格最小值定律显示[40],藻类生长最为关键的营养盐因素是磷元素,与氮元素相比,磷对水体中初级生产力的限制能力远远强于氮元素,当水体的氮磷比处于10～25 之间时,是水华暴发的最佳阈值[41].另外,季节更替导致的水体温度混合变化使得水华暴发存在季节性差异[42-43].综上,水动力条件的改变是汉江中下游藻类水华暴发的主要原因,但在未来的研究中,还需继续补充长系列的数据来进一步探索水华与水动力及其他影响因子间的内在影响机制.

3.2 基于藻类水华抑制的生态流量

对于河流等流动性水生态系统,藻类将随水流进行漂移,通过计算流域内控制藻类水华暴发的生态流量可以实现改变藻类适宜生境的作用[44],一定的流量可以对污染物质以及藻类浓度进行冲刷,迁移,从而达到控制藻类水华的目的.通过分析1992～2019年汉江中下游藻类水华暴发时期枯水期流量变化特征,皇庄,沙洋,仙桃等断面的流量均值为425m3/s,枯水期流量较少,丹江口水库下泄流量不足,导致流域内流量小,流速慢,从而形成藻类水华[45].殷大聪等[46]在分析汉江中下游枯水期硅藻水华暴发的水文阈值时发现,保证兴隆以上河段不发生水华,对应75%,85%,90%保证率下的平均流量应不低于600,800 和900m3/s,而控制兴隆以下河段不发生水华的流量阈值为550,700 和800m3/s,与之相比,本研究中沙洋断面位于兴隆以上河段,计算结果满足75%保证率下的流量,其余断面位于兴隆断面以下,均满足85%保证率下的流量;谢敏等[47]认为当汉江中下游流域的流量达到500m3/s 以上时,流域内不会发生硅藻水华,而刘强等[48]认为以600m3/s 作为藻类水华暴发的临界流量值,兴隆段和襄阳段发生水华的概率低于27%.而本研究提出的流量阈值均大于600m3/s,在一定程度上可以控制藻类水华暴发.此外,针对汉江中下游流域枯水期不同时间段,提出了不同的流量阈值,可根据水华暴发时间进行流量调控,而枯水期流量调控时应结合丹江口水库,兴隆水库,引江济汉等工程联合运营[49],以确保枯水期汉江中下游各断面流量达到控制水华暴发的流量阈值.

4 结论

4.1 汉江中下游藻华暴发主要发生在枯水期,枯水期藻类优势种群为硅藻,优势种为具星小环藻Cyclotella;丰水期优势种群为绿藻和硅藻,优势种为小球藻Chlorella sp..

4.2 流速是河流型藻华暴发的关键影响因子,低流速存在水华暴发风险,流速超过阈值将抑制藻类生长,汉江中下游控制藻华暴发的流速阈值为0.462m/s.

4.3 基于流速阈值,采用断面通量法和流速抑制法,确定了汉江中下游水华防控关键断面生态流量,沙洋,潜江,仙桃,汉川断面流量分别为890,918,953,1075m3/s,满足河道内生态流量需求.