烏江上游梯級水庫水體富營養化研究

魏 浪,夏 霆,嚴志程,卞勛文

(1.中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院,貴州貴陽 550081;2.南京工業大學環境學院,江蘇南京 210002;3.河海大學環境科學與工程學院,江蘇南京 210098)

烏江上游梯級水庫水體富營養化研究

魏 浪1,夏 霆2,嚴志程3,卞勛文3

(1.中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院,貴州貴陽 550081;2.南京工業大學環境學院,江蘇南京 210002;3.河海大學環境科學與工程學院,江蘇南京 210098)

以烏江上游洪家渡、東風、索風營和烏江渡4座梯級水庫為研究區域,于2007年開展了現場監測和調查,分別對4座水庫富營養化狀況和影響原因進行初步研究。結果表明:洪家渡水庫枯水期為貧營養狀態,豐水期為貧-中營養狀態;東風和索風營水庫枯、豐水期均為中營養狀態;烏江渡水庫枯、豐水期均為中-富營養狀態。自上游至下游梯級水庫水體富營養化程度趨于嚴重;梯級電站大壩阻隔引起的水動力條件變化,N、P等營養鹽輸入條件,網箱養殖,日照和水溫條件均對庫區富營養化狀況產生了重要影響。

烏江;梯級開發;富營養化;水庫

水電開發在帶來巨大社會效益和經濟效益的同時,對生態環境也產生了影響,尤其是流域梯級水庫開發的影響更為深遠。梯級水庫富營養化狀況受地形、地質和氣候等自然條件以及人類生產、生活等多層次和多尺度因素綜合影響,能在很大程度上反映河流生態環境的變化特征[1-2]。烏江為貴州省第一大河流,也是我國十三大水電能源基地之一,近年來,烏江已建、正建的梯級水電工程已對區域經濟發展和河道生態環境產生了重大影響。筆者選擇烏江上游已建4座梯級水庫,初步探討其富營養化特征和影響因素,希冀能為烏江流域的科學管理以及更深入地研究梯級水電工程的生態效應提供參考。

1 研究區概況

烏江發源于貴州省西北部烏蒙山東麓,南源三岔河發源于貴州威寧縣的鹽倉,北源六沖河發源于貴州赫章縣的媽姑(圖1)。從1971年烏江渡電站開工至今,烏江干流共規劃有12個梯級電站。為探索梯級水庫的影響效應,筆者選擇烏江上游(包括北源)已建好的洪家渡、東風、索風營和烏江渡4座連續梯級水庫為研究區域(表1)。研究區河谷切深達170m以上,水位由上游洪家渡電站的1140m過渡到下游烏江渡電站的760m,落差達380m,烏江渡壩址以上流域面積27790km2,為整個烏江流域面積的1/3,壩址處多年平均流量483m3/s。研究區屬亞熱帶季風氣候,年平均氣溫為13℃左右,云量多,太陽輻射總量少、日照少,降雨量年內分配極不均勻,一般5月進入汛期,到10月汛期結束,5～10月降水量約占全年的83%左右。研究區山地多、平地少,城市化水平較低,以農業為主,且耕作方式較為原始。

圖1 研究區域及各水庫監測斷面設置

表1 研究區水電站主要指標

2 研究方法

根據4個水庫回水段的長度共設置15個采樣監測斷面。其中洪家渡、東風和索風營水庫分別設置3個斷面,庫區觀測范圍為25km左右,烏江渡6個斷面,庫區觀測范圍為大壩上游55km。分別于2007年4月上旬(枯水期)和8月上旬(豐水期)開展現場調查與監測,水質監測包括Chl-a、CODMn、SD、DO、TN、TP等項目,同時進行浮游藻類的采集及定量鏡檢觀察。水樣以及藻類的采集、保存和分析方法參照文獻[3]。

根據監測結果,結合水體綜合營養狀態指數(TLI)、藻類密度與藻類Shannon-weaver指數(H′)[4]進行各水庫富營養化評價。

3 結果與討論

3.1 水質、藻類調查結果

各水庫枯、豐水期水質平均監測結果見表2。由監測結果看,4個庫區DO質量濃度為8.5～9.6mg/L,且4個庫區之間差異不大,除洪家渡外,其余水庫枯水期DO濃度優于豐水期;TN質量濃度,洪家渡較低,實測值均低于0.7mg/L,其余 3庫質量濃度值均較高,除枯水期索風營外,均值均大于1.5mg/L,烏江渡庫區TN質量濃度斷面實測值差異較大,由庫尾至庫首濃度逐漸增大,其中豐水期2個斷面質量濃度值高于3mg/L;TP質量濃度和TN相似。洪家渡庫區TP質量濃度最低,在0.01mg/L左右,東風和索風營庫區 TP質量濃度基本上在0.07mg/L左右,烏江渡庫區TP質量濃度最高,最高值達到了0.24mg/L;CODMn質量濃度各庫區均較低,基本在3mg/L以下,除烏江渡水庫外,其余3庫枯水期CODMn質量濃度均高于豐水期;Chl-a質量濃度上游洪家渡、東風和索風營3庫較低,質量濃度值均小于3mg/m3,且豐水期優于枯水期,烏江渡水庫濃度值較高,豐水期高于枯水期,豐水期實測濃度最高值達到了13.1mg/m3;4個庫區SD值均較大,平均值均在1.5m以上,自上游至下游SD值漸趨變小。從以上監測結果,可知烏江4個梯級庫區從上游到下游營養鹽和Chl-a濃度總體上呈逐級增加的趨勢,且富營養化主要水質控制因子為N和P。各監測斷面TN、TP與Chl-a實測濃度變化見圖2(監測斷面序號自上游至下游排列)。

表2 各水庫水質監測平均結果

兩次調查共檢出藻類103種,分屬于藍藻門、隱藻門、甲藻門、金藻門、硅藻門和綠藻門等6門55屬。各水庫枯、豐水期浮游藻類平均細胞密度值與優勢種見圖3。從圖中可以看出,在枯水期,從上游的洪家渡水庫到下游的烏江渡水庫,藍藻門和綠藻門藻類數量不斷增加,硅藻門藻類數量變化不大,在索風營水庫數量最大。在豐水期,從洪家渡水庫到烏江渡水庫,藍藻門和綠藻門藻類數量先逐漸減小,到烏江渡水庫后發生突增;硅藻門藻類數量也從洪家渡水庫的數量最多漸變到索風營水庫的數量最少,在烏江渡水庫又有所回升。洪家渡、東風和烏江渡水庫的枯水期藻類總數量都小于豐水期的數量,而索風營水庫枯水期藻類總數量大于豐水期。

圖2 各監測斷面TN、TP與Chl-a實測質量濃度變化

圖3 各水庫浮游藻類分布及細胞密度

監測結果表明,綠藻、硅藻和藍藻構成了烏江上游4座梯級水庫藻類優勢種,其中檢測到的綠藻種類最多,除索風營水庫豐水期綠藻種數占檢測到總藻種數的40.6%外,其余各庫豐水期和枯水期綠藻種數占檢測到總藻種數百分比都達到50%以上,其中東風水庫豐水期綠藻種數占檢測到總藻種數百分比達67.9%。綠藻門的卵囊藻屬(Oocystis)、盤星藻屬(Pediastrum)、柵藻屬(Scenedesmus)、角星鼓藻屬(Staurastrum)和鼓藻屬(Cosmarium)是檢測到包含種最多的屬。

3.2 富營養化評價結果

參照文獻[4],選擇 Chl-a、TN 、TP、SD 和 CODMN指標計算出各庫區綜合營養狀態指數TLI,同時根據藻類種數和相應密度計算出H′指數(表3)。計算結果表明,4個庫區枯、豐水期TLI值均呈自上游到下游逐漸增大趨勢,各庫枯、豐水期相差不大,豐水期略好;藻類H′值枯、豐水期總體上呈自上游到下游逐漸減小趨勢,各庫枯水期值優于豐水期。按文獻[4]規定的評判標準,可知洪家渡枯、豐水期TLI值均小于30,應為貧營養狀態,但由于在豐水期藻類密度較大,且H′指數值小于3,可綜合判定豐水期洪家渡水庫為貧-中營養狀態。東風、索風營兩庫枯、豐水期TLI值均在30～50內,且藻類密度值與H′指數值均符合相應的中營養標準,因此均綜合判定為中營養化狀態。下游烏江渡水庫枯水期TLI值大于50,應為富營養狀態,但按照藻類密度值與H′指數值均符合中營養狀態標準,因此綜合判定為中-富營養化狀態;豐水期雖然烏江渡水庫TLI值與H′指數值均符合中營養標準,但藻密度值大于100已符合富營養化標準,因此也綜合判定為中-富營養化狀態。評判結果見表3。

表3 各水庫富營養化評價結果

評判結果表明,烏江渡水庫枯、豐水期均呈現輕度的富營養化趨勢,盡管上游洪家渡、東風、索風營3座水庫目前綜合營養化狀況較好,但總體上看,4座梯級水庫自上游到下游富營養化狀況呈加重趨勢,這一現象應引起重視。

3.3 富營養化影響因素初步探討

3.3.1 庫區水體滯留時間

建壩后水庫流速減緩,使水體的交換作用減弱,不利于污染物移送,易導致營養鹽的富集并促進藻類生長。根據本次調查與評價結果,烏江梯級水庫N、P營養鹽、Chl-a濃度以及藻密度均呈自上游至下游逐漸增大變化。水庫蓄水后,隨著水體滯留時間變長,浮游植物擁有更長的生長繁殖周期,在適宜的營養條件下數量會顯著增長,水體發生富營養化的幾率增大。烏江上游4個梯級水庫的水體滯留時間排序為:洪家渡、烏江渡、東風、索風營(表 4)。洪家渡水庫屬多年調節水庫,滯留時間長,盡管營養鹽濃度較低,但水力停留時間長,以致形成數量較大的硅藻群落。而東風、索風營水庫的滯留時間都比較短,尤其在豐水期,水流滯留時間太短,藻類難以在短時間內迅速增長繁殖,不能形成穩定的藻類群體,使得即使在豐水期較適宜的溫度條件下,藻類也難以大量增長。

表4 各水庫不同水期平均滯留時間

3.3.2 N、P等營養鹽條件

N、P等營養鹽條件是表征湖庫水體出現富營養化并影響浮游藻類生長的重要因素。一般認為,湖庫水體出現富營養化的N、P臨界質量濃度分別為0.2mg/L和0.02mg/L。根據表2結果可知,除洪家渡水庫TP質量濃度低于0.02mg/L外,其余水庫豐、枯水期N、P質量濃度水平均超過了這一臨界濃度,營養鹽偏高為浮游藻類的生長創造了條件,這也是庫區藻類組成和數量變化的重要影響因素。

本次調查表明,烏江梯級庫區水質受周邊污染源及上游、支流匯入條件影響較大。盡管多數庫區周邊居民居住分散,生活性污染源少,但水質受礦產污染源和水土流失面污染源影響較大,如兩岸的黔西氮肥廠、黔西磷肥廠、息烽重鈣廠及息烽造紙廠等,流域內水土流失較高,同時由于居民耕作方式較為原始,耕地施用的農藥和化肥等N、P易隨地表徑流進入河流與水庫。并且,洪家渡上游來水的營養鹽尤其是N濃度背景輸入條件較高,支流匯入的水質較差,均嚴重影響了庫區水質。就污染輸入而言,進入烏江渡庫區污染源要明顯高于上游庫區,使得烏江渡水庫營養鹽濃度較高,同時使得烏江渡水庫在豐水期維持較高的藻類密度。

3.3.3 光照與水溫

光照為影響藻類生存的必要條件。烏江上游水庫均為高山峽谷型地貌,高山遮擋,影響水庫光照。根據烏江流域氣象條件統計,流域日照偏低,全年只有7、8、9三個月日照時數最高,高于30%;同時據鴨池河水文站統計資料,這三個月日平均水溫分別為23℃、21.7℃、20.6℃,適合藻類生長(15～ 30℃),使得藻類生長條件豐水期優于枯水期,這也是烏江庫區藻密度豐水期大于枯水期原因之一。

河道筑壩后,水庫易出現水溫分層現象,并改變下泄水水溫條件。同步監測表明,豐水期洪家渡、東風水庫水溫分層現象明顯,下泄低溫水影響下游水庫,使得表層平均水溫從洪家渡的26.5℃分別降低到東風水庫的24.5℃、索風營水庫的21.9℃。而索風營屬混合型水庫,水體混合均勻,無分層現象,對下游的烏江渡沒有下泄低溫水影響,由于沿程增溫作用,表層水溫由索風營水庫的21.9℃,再上升到烏江渡水庫的27℃。由表3可以看出,受下泄低溫水影響的東風和索風營水庫在豐水期浮游植物數量分別為46×104個/L和39×104個/L,遠遠低于不受下泄低溫水影響的洪家渡水庫的76.9×104個/L和烏江渡水庫的176.5×104個/L。低溫下泄水和浮游植物數量之間有一定關系,低溫在一定程度上能夠降低豐水期浮游植物數量。相比于東風和索風營庫區,豐水期洪家渡和烏江渡庫區發生水體富營養化的幾率更大。

3.3.4 網箱養魚

本次調查發現,烏江渡水庫從漩塘到大壩前遍布養魚網箱,對水庫營養鹽和藻類生長條件均形成重要影響。網箱養魚需要投加餌料,如果魚類不能完全攝食就會產生殘餌,加上養殖魚類的排泄物,容易造成水體營養鹽增加,促進浮游藻類的生長。根據本次調查,同時參考同類地區水庫網箱養魚的數據統計[5],可計算出當年烏江渡水庫由網箱養魚向水體輸入的N、P負荷量分別達278.85t/a、54.43t/a。近年來烏江渡庫區網箱養殖量逐年增長,這些N、P負荷進入水體,嚴重影響了水體營養鹽濃度和藻類生長條件。同時網箱養魚還有可能使得浮游動物被魚類攝食,減輕浮游藻類的被攝食壓力,加快藻類的增殖速率,洪家渡、東風、索風營水庫沒有人工養殖或放養,浮游動物和濾食性魚類的生物量低,難以顯著地影響浮游藻類生長。烏江渡水庫藻密度較高應與庫內大量網箱養殖密切相關。

4 結 語

a.2007年現場監測表明,洪家渡、東風、索風營和烏江渡4個庫區DO濃度與SD值均較大,DO濃度4個庫區之間差異不大,SD值4個庫區自上游至下游漸趨變小。烏江4個梯級庫區從上游到下游營養鹽和Chl-a濃度總體上呈逐級增加的趨勢,富營養化主要水質控制因子為N和P。

b.綠藻、硅藻和藍藻構成了烏江上游4座梯級水庫藻類優勢種。洪家渡、東風和烏江渡水庫的枯水期藻類數量都小于豐水期的數量,而索風營水庫枯水期藻類數量大于豐水期。枯水期4個庫區自上游至下游藍藻門和綠藻門藻類數量不斷增加,硅藻門藻類數量基本穩定,在索風營水庫數量最大;豐水期4個庫區自上游至下游藍藻門和綠藻門藻類數量先逐漸減小,到烏江渡水庫后發生突增;硅藻門藻類數量也從洪家渡水庫的數量最多漸變到索風營水庫的數量最少,在烏江渡水庫又有所回升。

c.洪家渡水庫枯水期為貧營養狀態、豐水期為貧-中營養化狀態,東風和索風營水庫枯、豐水期均為中營養化狀態,烏江渡水庫枯、豐水期均為中-富營養化狀態,自上游至下游梯級水庫富營養化程度有趨于嚴重的特征,烏江渡水庫枯、豐水期均呈現了輕度的富營養化趨勢。

d.除了梯級大壩阻隔引起的水體滯留變化及N、P等營養鹽條件外,日照和水溫、網箱養殖條件均對庫區富營養化狀況產生了重要影響。

[1]BONACCI O,ROJE-BONACCI T.The influence of hydroelectrical development on the flow regime of the Karstic River Cetina[J].Hydrological Process,2003,17:1-16.

[2]CULLAJ A,HASKO A,MIHO A,et al.The quality of Albanian natural watersand thehuman impact[J].Environment International,2005,31:133-146.

[3]國家環境保護總局.水和廢水監測分析方法[M].4版.北京:中國環境科學出版社,2002.

[4]金相燦,屠清瑛.湖泊富營養化調查規范[M].北京:中國環境科學出版社,1990:208-232.

[5]許德芝.紅楓湖網箱養魚對水質的影響[J].環境,2002(2):43.

Eutrophication in upstream cascade reservoirs of Wujiang River

WEI Lang1,XIA Ting2,YAN Zhi-cheng3,BIAN Xun-wen3
(1.HYDROCHINA Guiyang Engineering Corporation,Guiyang550081,China;2.College of Environment,Nanjing University of Technology,Nanjing210002,China;3.College of Environmental Science and Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China)

Field monitoring and investigation of the Hongjiadu,Dongfeng,Suofengying,and Wujiangdu cascade reservoirswere carried out,and the status and influences of eutrophicationwere studied in 2007.The results showed that the Hongjiadu Reservoir had a low level of nutrients in the dry season,and a low to medium level of nutrients in the flood season;Dongfeng and Suofengying reservoirs had a medium level of nutrients both in the dry and flood seasons;the Wujiangdu Reservoir had a medium to high nutrient level both in the dry and flood seasons;and the degree of eutrophication tended to increase from upstream to downstream.The change of hydrodynamic conditions due to the cutting off of the dam,the inputs of nitrogen and phosphorus,net cage fish farming,sunlight,and water temperature most affected the reservoir eutrophication.

Wujiang River;cascade development;eutrophication;reservoirs

TV211.1

A

1004-6933(2010)04-0039-04

10.3969/j.issn.1004-6933.2010.04.011

魏浪(1978—),男,貴州桐梓人,工程師,主要從事環境保護評價研究。E-mail:weilang@ghidri.com.cn

夏霆(1973—),講師。E-mail:xiating92@163.com

2009-02-16 編輯:高渭文)