香溪河庫灣春季水華縱向分布對水層結構的響應

劉 流 劉德富 黃鈺鈴 王從鋒

（三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002）

春季水華在富營養化水體的普遍暴發是一個世界性難題，各國學者已做了大量研究.Sverdrup［1］在1953年提出了解釋海洋春季水華暴發的經典臨界層理論，首次提出了水溫分層誘發春季水華的概念模型，并成功應用于解釋湖泊和水庫中水華暴發和浮游植物群落結構演替過程［2－4］.三峽水庫支流庫灣是典型的深水河道型庫灣，對其春季水華暴發的特點和誘因，前人也已開展了大量研究.易仲強［5］發現香溪河庫灣春夏期間存在顯著的水溫分層，徐耀陽［6］和王嵐［7］發現香溪河庫灣水華的暴發具有空間異質性，并根據縱向差異將香溪河庫灣自下游往上游劃分為干流區、湖泊區、過渡區和河流區［8］.生態分區可以為支流水華的防控提供重要參考.王玲玲［9］得出庫灣沿程浮游植物生物量與上游來流流量呈顯著負相關，提出通過調節上游來流流量來控制支流水華.

然而，他們都忽略了香溪河庫灣分層異重流的存在［10］.分層異重流作為一個重要驅動力，極大地改變了庫灣水體的理化分布格局［5，11］，其在支流庫灣的潛入深度、潛入厚度和影響范圍將隨水溫分層的季節性變化和三峽水庫的水位調度而改變，反過來導致支流庫灣水溫分層的縱向差異，從而直接或間接影響水華暴發情勢［11］.因此，不能對香溪河庫灣進行簡單的縱向分區.為驗證以上理論，本研究于2010年春季水華期間對香溪河庫灣的水動力、水溫、營養鹽等環境因子進行了現場監測，研究分層異重流對庫灣水溫分層的影響，并試圖解釋庫灣春季水華浮游植物縱向分布差異的主導因素.

1 材料與方法

香溪河是三峽水庫庫首區域最大的一條支流，流域總面積3 095km2，長94km，多年平均流量為47.4 m3／s［12］.它起源于位于湖北省西北部的神農架國家森林公園，向南流經興山縣和秭歸縣，在香溪鎮注入長江.2003年6月三峽水庫初次蓄水后，距香溪河與長江干流交匯點26km范圍以內即被回水淹沒，形成一個典型的深水河道型庫灣.本研究于2010年4月18日對香溪河庫灣進行了現場監測，三峽水庫干流設置一對照點CJXX，庫灣設點XX00～XX10，在未被庫灣回水淹沒的天然河道設置一對照點XXYT，如圖1所示.

采用馬駿［13］提出的三峽水庫支流庫灣低流速條件下的測流方法測香溪河庫灣流速.獲得的流速數據包括3個方向：東（Ve），北（Vn），垂向（Vu）.水平向的流速由Ve和Vn投影在河流主泓線上合成，本研究忽略了垂向上的流速.用水質多參數儀（Hydrolab，美國HACH公司）測量水深、水溫和電導率剖面.采用薩氏透明度板測量水體透明度，IL1400A水下光量子儀測量光合作用有效輻射（400～700nm）.現場取350mL水樣2瓶帶回實驗室參考《水和廢水分析方法》（第4版）［14］測定水體總氮（TN）、總磷（TP）和溶解性硅酸鹽（D－Si）及葉綠素a（Chl.a）濃度.

圖1 香溪河庫灣采樣點分布圖

真光層深度（Zeu）一般定義為水下光合作用有效輻射為水面的1%處對應的深度［15］.為簡化計算或彌補水下光強數據缺失，也可通過建立Zeu與水體透明度（SD）的關系式來計算Zeu.本文采用Zeu＝1.802 1SD＋1.818 2作為計算Zeu的公式［16］.水體表面混合層深度（Zmix）是水體上層垂直混合充分的水層.本文采用水溫垂向梯度不超過0.2℃／m時對應的深度計算.

2 結果分析

2.1 分層異重流特性

三峽水庫干流水體的化學成分與支流庫灣存在顯著差別，電導率作為水體中溶解質濃度的表征，可用來示蹤倒灌異重流的運動過程.圖2給出了4月18日香溪河庫灣的異重流沿縱剖面分布（白色箭頭表示水流流入庫灣，黑色箭頭表示水流流出庫灣；背景為電導率等值線，白色表示高電導率，黑色表示低電導率）.整體來看，香溪河庫灣的流速極低.三峽水庫干流水體由表層30m處倒灌進入香溪河庫灣，在距干支流交匯點約2km處表層異重流開始下潛為中層異重流，至距干支流交匯點約2km處異重流分為兩部分，大部分水體以中層異重流形式繼續下潛，小部分仍以表層異重流形式運行直至庫灣回水末端.異重流兩部分厚度均沿程減小.上游來流以底部異重流形式潛入庫灣，在庫灣中游約20km處出現分叉，一部分形成中層異重流，另一部分仍以底部異重流形式流出庫灣.

圖2 香溪河庫灣異重流縱剖面分布

2.2 水溫及光學分布特性

異重流水體一般混合比較均勻，因此異重流潛入深度的水溫結構會發生改變.香溪河庫灣水溫垂向分布如圖3所示.

圖3 香溪河庫灣水溫垂向分布

由圖3可以看出，三峽水庫干流水體基本不存在水溫分層（最大水溫垂向梯度僅為0.07℃／m），而香溪河庫灣下游XX00水溫分層極其微弱，表層異重流水體水溫幾乎均勻分布（最大水溫垂向梯度僅為0.09℃／m）；XX01～XX02河段呈現相同的垂向水溫結構，由于異重流在該河段自中層潛入，異重流的存在導致水體沿垂向在表層出現強制性分層（XX01處10 m以下最大水溫垂向梯度僅為0.06℃／m）；XX03自10m以下水溫分層不顯著（最大水溫垂向梯度僅為0.14℃／m），10m以上的表層水溫呈現較大梯度（最大水溫垂向梯度為0.35℃／m），XX04出現同樣的垂向水溫結構，水溫垂向梯度轉折點出現在15m；庫灣中游XX05～XX06河段受分層倒灌異重流影響，水溫沿垂向出現雙溫躍層結構；XX07～XX08河段已不受中層倒灌異重流的影響，沿垂向呈現顯著的水溫分層（平均水溫垂向梯度為0.27℃／m），但受表層倒灌異重流影響，表層5m以上呈現不同的水溫梯度（5m以下平均水溫垂向梯度僅為0.11℃／m），庫灣上游XX09～XX10河段呈現同樣的水溫結構.受分層異重流影響，香溪河庫灣呈現獨特的水溫分層結構，缺乏一般湖庫水溫分層出現的典型溫躍層.

海洋和湖泊水體混合層深度一般取決于水溫分層及風的 季節性 變化［18－19］.盧 晨晨［20］對三峽庫區河陸風規律的研究發現，三峽庫區地面平均風速小于2 m／s；且香溪河庫灣地形狹窄，風的最大傳播距離不超過2km.因此，風對香溪河庫灣的Zmix影響不顯著，香溪河庫灣Zmix的變化主要取決于水溫分層的發育.圖4給出了2010年4月18日香溪河庫灣的Zmix縱向分布.可以看出，由于水溫分層不顯著，三峽水庫干流和干支流交匯點附近的Zmix很大，幾乎到底，自XX01至庫灣回水末端Zmix呈現近似V字型分布，庫灣中游XX05處Zmix達到11.97m.這是由于原有的水體混合層深度與上游異重流潛入深度相接，加深了水體混合層.圖4也給出了Zeu的縱向分布，Zeu范圍為2.72～8.49m，自庫灣下游往回水末端遞減.

圖4 香溪河庫灣Zmix和Zeu縱向分布

2.3 營養鹽分布特性

圖5給出了2010年4月18日三峽水庫干流和香溪河庫灣的主要營養鹽濃度縱向分布.可以看出，干支流TN濃度值整體較高，在0.68～1.90mg／L范圍內波動；TN的縱向分布大致呈V字型，兩端高、中上游XX07～XX09河段較低，最大值出現在XX10；而庫灣上游來流TN濃度卻低于XX10.TP整體值也偏高，在0.09～0.53mg／L范圍內波動；TP大致自下游往上游呈遞增趨勢，回水末端XXYT最高.

氮磷比是衡量浮游植物生長是否受到氮或磷相對限制的一個重要指標，TN／TP＝16時浮游植物生長不受氮或磷的相對限制［21］.由圖5可以看出，干流及庫灣回水氮磷比均小于16，在5.21～13.56范圍內波動，沿縱向大致呈遞減態勢，在上游回水末端略有上升.D－Si濃度在三峽水庫干流較高，而在香溪河庫灣中下游XX00～XX04河段均呈現較高濃度（大于7.00mg／L），自XX05至庫灣回水末端整體呈U字型分布，D－Si濃度在0.16～5.10mg／L范圍內波動，中上游XX06～XX08河段D－Si最低（均小于0.5 mg／L）；庫灣上游來流D－Si濃度（7.00mg／L）與中下游河段處于同一水平.

圖5 三峽水庫干流和香溪河庫灣主要營養鹽縱向分布

可以看出，三峽水庫干支流的TN、TP濃度整體均較高，滿足浮游植物生長需要，而其空間分布差異性較大.正如吉小盼［11］指出的，倒灌異重流對TN逆向補給效應顯著.受昭君鎮生活污水排放影響，回水末端XX10河段TN濃度顯著高于中上游和上游來流.而由于香溪河庫灣流域為富磷礦區，上游來流TP濃度極高（0.56mg／L），TP在庫灣的縱向分布受上游來流影響顯著.氮磷比的縱向分布顯示，整個干支流均存在潛在的氮限制，而在庫灣中上游尤為顯著.上游來流與水庫干流D－Si濃度基本持平，中上游河段低D－Si濃度表明硅藻水華繁殖消耗了大量溶解性硅酸鹽.

3 討 論

圖6給出了干支流Zeu／Zmix和Chl.a的縱向分布，Zeu／Zmix是一個判別光照在垂向的分布和水體在垂向上的摻混對藻類生長的影響的綜合指標［22］，Chl.a常被用來表征浮游植物生物量［23］.可以看出，Zeu／Zmix在水庫干流及干支流交匯點附近均很小（0.12），下游河段 XX01～XX04呈現較大值，其中XX01、XX02均大于11；庫灣中游XX05處出現Zeu／Zmix極小值（0.38），中上游河段XX06～XX10的Zeu／Zmix值在1.41～1.88范圍內波動.Chl.a濃度的縱向分布存在顯著差異，三峽水庫干流Chl.a濃度極低，香溪河庫灣中下游河段XX00～XX04濃度值范圍為0.94～2.10mg／m3，而自 XX05至回水末端 Chl.a濃度沿程劇增，最大值高達161.41mg／m3，暴發了嚴重的水華.

圖6 三峽水庫干流和香溪河庫灣

關于浮游植物生物量對水溫分層的響應，已有學者做了大量研究.在營養鹽、水溫等因子滿足浮游植物生長條件下，若水體出現較強溫度分層，Zeu／Zmix＞1時，浮游植物生長不受光照限制，這時候就會暴發高強度水華；反之，若Zeu／Zmix＜1，即在水溫分層不顯著時，浮游植物顆粒就會被摻混至真光層以下，其接受光照的機會大大減小，生長就受到光限制［24］.但若Zeu／Zmix?1，即Zmix極小，營養鹽受水溫分層阻隔無法進入水體混合層，Zmix內的營養鹽會很快消耗殆盡，無垂向遷移能力的浮游植物生長會受到營養鹽限制［25］；與之相反，Zeu／Zmix存在一個閾值，約處于0.2～0.35［24］之間（春季取0.35），小于這個閾值，由于浮游植物生物量的積累小于損失，則不可能暴發水華.因此，Zeu／Zmix＝1是水華暴發的最有利條件［25］.

香溪河庫灣的營養鹽條件對水華暴發無絕對限制，只在庫灣中上游存在潛在的氮、硅限制，然而中上游卻暴發了高強度的水華，顯然無法用王嵐［8－9］對支流庫灣的分區理論來解釋.而庫灣Zeu／Zmix的縱向分布差異可以很好的解釋這一現象，三峽水庫干流和干支流交匯點附近Zeu／Zmix＜0.35，因此Chl.a濃度極低；而XX01～XX04河段Zeu／Zmix?1，由圖7可以看出，該河段以硅藻、綠藻等無浮力或中性浮力藻類為主，這些藻類在高強度水溫分層（Zmix很小）條件下，極易發生沉降損失，因此Chl.a濃度也極低；庫灣中游XX05點Zeu／Zmix＞0.35，之后中上游XX06～XX10河段Zeu／Zmix＞1，暴發了高強度的硅藻水華.圖7顯示，甲藻只在香溪河庫灣干支流交匯點附近XX00和回水末端XX10出現，這與甲藻喜高摻混水流密切相關；綠藻在三峽水庫干流至庫灣中游均存在，而硅藻主要出現在XX04～XX10，并在XX06～XX10河段占優.這也解釋了圖5中庫灣中上游D－Si濃度偏低的現象.

圖7 三峽水庫干流和香溪河庫灣浮游植物群落結構縱向分布

而由圖4可知，Zeu／Zmix值主要由Zmix決定，因此，香溪河庫灣水華情勢縱向分布的差異主要由水溫分層的差異決定，也在很大程度上受分層異重流的潛入深度和運行距離影響.而本文限于篇幅，只研究了香溪河庫灣的一次春季水華，因此，未來有必要對香溪河庫灣的分層異重流運動規律和浮游植物分布及演替過程進行長系列觀測，探討不同水庫運行期及水庫調度過程下浮游植物縱向分布及群落演替規律，以建立水庫調度與支流庫灣水華縱向分布的響應關系，為三峽水庫的生態調度提供支撐.

4 結 論

1）春季香溪河庫灣出現顯著的分層異重流，水庫干流水體以表中層異重流形式倒灌進入庫灣，而上游來流首先以底部異重流形式潛入庫灣，隨后形成中層異重流.

2）分層異重流極大地改變了香溪河庫灣的水溫結構，水庫干流水溫不分層，而支流香溪河庫灣中受復雜的分層異重流影響出現獨特的水溫垂向分層結構，缺乏典型的溫躍層，且在中游出現雙溫躍層形式.

3）三峽水庫干流和香溪河庫灣水華暴發均不存在營養鹽絕對限制，水庫干流通過倒灌異重流對庫灣的TN進行補給，而庫灣上游來流是庫灣高TP濃度的重要原因，庫灣中上游受氮相對限制較顯著.

4）香溪河庫灣春季以硅藻水華為主，受水溫分層影響，香溪河庫灣Zeu／Zmix值沿縱向分布呈現極大差異性，從而導致浮游植物生物量和群落結構的縱向分布差異，而分層異重流導致這種差異的根本驅動力，因此，弄清異重流運行規律及特性對庫灣水華的研究至關重要.

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