香溪河庫灣水質特征與非回水區水華響應關系

張慶文,宋林旭,紀道斌,方海濤,何金艷,霍 靜,劉心愿,王耀耀,朱曉聲

香溪河庫灣水質特征與非回水區水華響應關系

張慶文,宋林旭*,紀道斌,方海濤,何金艷,霍 靜,劉心愿,王耀耀,朱曉聲

(三峽大學水利與環境學院,湖北 宜昌 443002)

為探究香溪河在受倒灌影響較弱的河段水華暴發征兆及機理,于水華高發期5~8月對香溪河進行監測,分析電導率、水溫、葉綠素a(Chl-a)以及流速.結果表明,在6~8月,香溪河倒灌現象于XX05點(峽口鎮)處基本結束,XX06~XX09受倒灌來水影響較弱;香溪河于7月暴發水華,各個監測點位上Chl-a含量均值達到100μg/L以上,XX05~XX06與XX07-XX09點位上暴發不同種水華;在水華暴發前后,水體溫度無顯著變化,且并無明顯分層現象,說明水溫分層是水華暴發的主要原因這一理論并不能很好的適用于非回水區;通過對電導率數值的研究發現,數值在垂向上出現顯著拐點,而拐點出現在臨界層與光補償層之間,同時與葉綠素a含量分布呈現顯著負相關性.香溪河總氮(TN)、總磷(TP)平均值為1.849mg/L和0.157mg/L,均超過富營養化的閾值,水體氮磷含量與Chl-a濃度無顯著相關性,水體中除N、P營養鹽外的其它離子對香溪河水華的暴發起著重要作用.在水華消退后,電導率數值又逐漸恢復表層高底層低的垂向線性分布特性,與水華的暴發、消退有著明顯的響應.

香溪河；水溫；電導率；水華預測；臨界層理論；Chl-a

自三峽庫區蓄水后,受水庫干流頂托作用,一些庫灣以及長期處于三峽水庫回水淹沒區的支流由原來的河流型變為河流湖泊型,水動力條件、營養的輸移模式等都發生了顯著變化,水流的運動變得十分緩慢,整體流速小于0.05m/s[1-2],使得營養物質大量富集,成為富營養化的敏感水域,出現嚴重的富營養化狀態,藻類大量生長,暴發不同程度的水華現象[3-4].

香溪河是三峽大壩庫首第一支流,在三峽大壩蓄水后水華頻發,成為了專家學者研究的焦點.在眾多有關香溪河水華暴發機理的研究中,許多專家認為,水溫分層是水華頻發的一個重要原因[5-6],在水體穩定的情況下,水層間物質不易傳輸,會加速藻類的生長;但在非回水區,水溫分層并不明顯,水華亦頻發,因此本文主要針對非回水區水華暴發預警及機理進行研究;水體中充足的營養鹽和適宜藻種吸收的電解質也是水華暴發的主要原因[7],在水庫中兩者含量的變化同時又影響著電導率的變化[8],電導率的大小主要由溶解在水體的離子種類、濃度、水溫、降雨及pH值等決定[9-10],香溪河夏季水溫在 35℃以內,電導率幾乎不受溫度的影響[11],因為選擇非回水區為研究水域,其pH值沒有受到倒灌帶來的直接影響;在持續跟蹤監測期間,并無降雨情況,岸邊沒有受到雨水沖刷而導致河流泥沙含量、濁度改變,所以在研究過程中,水體電導率的大小與溶解質濃度成正比,在水華的生消過程中,電導率數值變化可直接反映水體中營養鹽、離子等物質的消耗.本研究選擇電導率和水溫為主要分析對象,研究電導率與水華生消之間的響應關系,分析受倒灌影響較弱的河段水華暴發的預警及內在原因,旨在為庫區水體污染治理和水華暴發預測及香溪河藻類研究提供依據.

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

香溪河是三峽水庫湖北庫區的最大支流,同時也是靠近三峽大壩的較大支流;該河由北向南貫穿興山縣全境,于秭歸縣香溪鎮東注入長江,在秭歸香溪匯入水庫干流;香溪河干流長94km,流域面積為3099km2;香溪河流域屬亞熱帶大陸性季風氣候,春季冷暖多變,夏季雨量集中,常有暴雨和伏旱,秋季多陰雨,冬季多雨雪,年平均氣溫為16.6℃,流域多年平均流量為40.18m3/s,年均降雨量1015.6mm[12-13].

1.2 樣點布設

表1 點位布設地點

根據香溪河的地形地貌特征、水體的富營養化程度和暴發水華的相關因素,沿香溪河庫灣大約每3km布設一個監測點(圖1),從香溪河口至高陽鎮沿河道中泓共布設10個監測點,依次記為XX00~ XX09.

圖1 香溪河庫灣采樣點分布

1.3 監測方法

2017年6~9月,對香溪河庫灣每個監測點沿垂線方向監測水溫、電導率、水流、水深、營養鹽等參數.其中水溫、電導率、水深等參數由 Hydro lab DS5多參儀(美國)現場測定,其電導率數值是使用Practical Salinity Scale進行計算,該運算法則的描述見文獻[14]的研究;流速采用Vector三維點式流速儀(挪威)現場測定;營養鹽數值根據《水和廢水監測分析方法(第四版)》[15]測定水中葉綠素 a、總氮、總磷濃度,其中實驗測定的葉綠素a對多參中的數值起校正作用.

1.4 臨界層理論

光補償深度(c)為水體中,某一深度處光合作用強度與呼吸強度,即凈生產力為0,該深度即為光補償深度,在臨界層深度0.32~0.35處,即:

c=0.32~0.35cr(1)

臨界層深度(cr)定義為在光補償深度以下,一定存在某一水深,使得此水深以上水體的累計凈生產力為0,這一深度即為臨界層深度:

以此計算出的真光層深度代為臨界層深度.

表2 點位真光層及拐點深度

注:除光衰減系數,其他物理量單位為m.

在7月初,葉綠素a含量遠超暴發閾值,水華也已暴發,對于真光層的計算已無意義,故只列出拐點深度(表2).

2 結果與討論

2.1 選點及水體水動力特性

從圖2中可以看出,在XX00點位上,電導率在0~10m范圍內近似線性變化,在10~50m范圍內數值逆向增長,結合流速,這段受到從干流倒灌進入的水流影響,這與長江干流營養鹽濃度相對較高,干流對支流營養鹽存在明顯的逆向影響相符合,電導率數值直觀的反映出在倒灌影響下,物質被強制交換;水溫在0~10m內呈斜溫層特性,隨深度增加逐漸降低,在10~50m范圍內,溫度降低0.3℃,近似為恒溫層,在底層附近溫度又開始下降,而電導率也隨之變化,呈下降趨勢;電導率數值的變化與溫度的波動較為同步;XX01、XX02點位上,電導率變化分為兩段,在0~15m左右呈線性遞減特性,在15m至底層處波動較為平緩;在XX03~XX05處,電導率隨深度的變化逐漸變為線性關系曲線,表現為由表層高到底層低的下降趨勢,電導率數值能起到很好的示蹤效果,說明在倒灌影響明顯的情況下,電導率數值受水流來源影響大,無法直接研究其數值與水華之間的聯系.

圖2 電導率、水溫與深度關系

圖3 6月流速分布縱剖面圖

由圖3可見:在監測期間,水體最大流速為0.015m/s,水域水流整體平均流速在0.003m/s左右,流速較為緩慢,這也為水華的暴發提供了有利的水動力環境;在距河口16.9km以內,即XX05處,干流水主要以中、底層(10~60m范圍)倒灌異重流形式進入香溪河,上游至距河口16.9km以上的水域,受倒灌影響較弱.結合圖2,倒灌強度的減弱,與電導率-水溫-深度關系曲線有明顯的對應:從XX00到XX05處,電導率數值隨深度由復合型曲線關系到逐漸呈線性關系曲線,突變性降低,這與流速對應性較強.

2.2 電導率等水質指標對水華暴發的響應

如圖4顯示,在5~8月,主要以中、底層倒灌為主,基本上到XX05~XX06(16.9~19.2km)倒灌結束,5月是以表、中層倒灌為主,靠近河口以表,中層倒灌為主,向上游逐漸以中層倒灌為主;在6~7月份期間,倒灌在由XX00到XX04逐漸減弱,在XX05號點上倒灌基本結束,XX06~XX09在各個倒灌中沒有受到倒灌的強制影響,而8月份倒灌影響到XX06號點.為忽略倒灌對水體物質的強制交換的影響,選擇XX06~XX09中的電導率數值作為主要研究對象.

圖4 5~8月流速分布

2.2.1 水體溫度分析 如圖5所示,XX06號點在28號期間,水溫為混合層—溫躍層的組合,在7月6、8號期間,以混合層-溫躍層-恒溫層組合為主;結合流速,水流在XX06處中、底層倒灌現象基本結束;聯系點位真光層及拐點深度表,電導率的拐點均在水體的溫躍層和混合層之間.監測期間,XX07~XX09水體溫度分層并不明顯,整體水溫由表層到底層連續降低,說明選擇的XX07~XX09這段水域未受倒灌的直接影響;而XX09水體底部降溫明顯,表底溫差在7~9℃,且底部2m處出現一段恒溫層,這與上游水來自神農架的冰雪融水有關,夏季期間,神農架來水一般在18℃左右,即XX09底部受上游神農架低溫來水影響;各個點位上水體表層溫度在26~29℃之間,為藍藻、綠藻水華的暴發提供了適宜的水溫.

圖5 6~8月之間水溫分布

2.2.2 葉綠素a濃度 由圖6可見,從河流的橫向斷面看,香溪河水體Chl-a的含量較高,大多數點位Chl-a含量在閾值附近,河口處最大含量在10~ 15μg/L,Chl-a含量由下游向上游遞增,最大值出現在上游XX09號點,Chl-a含量達到95μg/L.

從河流的縱向斷面看,結合水溫-深度及真光層與拐點深度,XX06號點處(距河口19.2km)Chl-a的含量在溫躍層和拐點以上變化較為劇烈; XX07~ XX09這一段水域區間不在回水區內,其水體溫度分層并不明顯,但Chl-a含量在電導率拐點以上變化較為劇烈,表層處含量也達到閾值,而拐點以下含量減至10μg/L.

2.2.3 電導率垂向特性 7月份水華暴發,在6~7月期間,電導率由從表層出現最大值到底層逐漸減小,變為從表層到底層呈現由低到高再到低的變化特性,在前文中已說明在XX06~XX09處電導率數值主要與水體中營養鹽等物質的消耗或補充有關,其數值減少說明水體中營養鹽等物質被消耗而不是因倒灌導致的物質強制交換;在6月,葉綠素a濃度在XX06~XX08處均達到暴發閾值30μg/L以上;同時可以看出,在XX06、XX07、XX08這3個點中,XX08處電導率數值整體上最小,但葉綠素a含量最高.

圖6 6月Chl-a等值線(mg/L)圖

在水華暴發后,對香溪河進行了連續的監測:在7月的5~8號,電導率均出現拐點,拐點均出現在深度1~5米之間, 9號XX09未出現拐點,但其數值為300μS/cm,表層電導率數值相較于其8號時的拐點處數值還低.結合8月電導率-深度,拐點的消失可能是因為XX09號點中底層水體受上游神農架來水影響,其營養物質含量低,電導率數值低,在表層營養物質被吸收后,數值上仍表現為從表層到底層降低的特性.各個點位表層電導率數值在水華暴發期間,隨時間一直下降,表層數值較拐點處數值小了10~ 26μS/cm;根據對香溪河的研究中可以發現,電導率數值在未暴發水華或受倒灌影響較弱時表現規律為表層數值最大,向底層遞減,或為表層到底層數值波動不大.為得到表層到拐點處實際數值的差值,將拐點處與向下幾m處電導率數值進行線性擬合,延伸到表層處,得到的表層電導率數值與實際檢測的表層數值最大相差近40μS/cm,因此在水華暴發過程中,電導率數值波動范圍在40μS/cm左右.

圖7 電導率縱向分布

2.3 討論

三峽水庫蓄水后,香溪河水動力特性受上游來水以及水庫干流影響顯著, 在深度方向具有典型的分層異向流特征[19],溫度在受到上游來水和庫區倒灌來水的影響,變化最為直接,根據楊正健等[20]對香溪河的研究表明,水體分層是香溪河藻類水華暴發的主要原因,水體分層越明顯越容易發生水華,而這次水華暴發期間,在XX06號點處,Chl-a含量在水體溫躍層上變化最為劇烈,且最大值也在溫躍層區間上,但在XX07~XX09點處,干流倒灌對水溫分層的影響明顯消失,溫度分層并不明顯,水體分層是藻類水華暴發的主要原因在這一段水域并不能很好的適用于這段水域,但在6、8號表層出現1m厚的混合層,而根據范緒敏等[21]的研究,混合層深度越大, 葉綠素a濃度越低,在這一河段,溫度混合層的深度變化可以為水華暴發提供預報依據.

在形成水體富營養化的環境后,由前文中所述,因忽略水體倒灌引起的物質強制交換,水華暴發前后河流電導率的變化直接反映營養鹽等物質的消耗或補充.在6月期間,香溪河葉綠素a含量在閾值附近,而表層電導率數值明顯下降,在距水面3~5m處出現顯著拐點,筆者認為:水華的暴發需要吸收大量營養鹽或水中其他離子物質,水體物質含量的減少導致電導率數值明顯下降,在表層出現明顯的逆向增長的區間,形成電導率數值隨深度先增加后降低的關系曲線.在通過SPSS對表層到拐點處葉綠素a的含量與電導率數值分析后,發現兩者存在顯著負相關性,而在未發生水華期間,電導率數值與葉綠素a含量成正相關性,相關性的改變為電導率數值的改變能對水華暴發進行預報提供一定的依據;再結合臨界層理論:混合層出現在光補償層與真光層之間,藻類開始增殖,水華開始發展,水華風險開始產生,而在6月28日,葉綠素a含量在閾值附近,水華有暴發的風險,同時電導率-深度關系曲線中的拐點出現在光補償層和真光層之間,拐點出現的位置是在藻種適宜生長的范圍內,說明藻種在適宜生長的環境中,吸收適宜生長的離子物質和營養鹽,導致表層到拐點處電導率下降,真光層以下的電導率數值隨深度遞減,且真光層以下不適宜藻種生存,即在真光層深度以下電導率數值與Chl-a含量的相關性表現一般,電導率拐點深度與臨界層理論相契合,進一步證明在非回水區電導率數值上拐點的出現可以預測水華的暴發;拐點的深度也可以體現水華暴發深度,針對不同藻種水華,其習性不同暴發深度也不同,拐點深度的不同可以為藻種習性的研究提供一個參考.

由7月份的跟蹤監測顯示:在水華暴發期間,拐點持續存在,表層的電導率數值也持續下降.監測期間,電導率數值減少的范圍在40μS/cm左右,單考慮營養鹽方面,6~7月期間,N、P營養鹽長期且均已達到暴發水華的水平[22],而以N、P對電導率數值降低的貢獻數值來計算,主要營養鹽離子的電導率為: NO3-為5.10(μS/cm)、NH4+為5.24(μS/cm)、PO43-為2.36(μS/cm)[22-23],在水華暴發期間,XX06~XX09電導率數值變化值由營養鹽的消耗所影響的數值應為:-4.035,-4.521,-5.200,-2.478μS/cm,明顯可以看出營養鹽貢獻的數值遠遠不到電導率變化的數值,說明香溪河水華的暴發期間,營養鹽含量充分,不是水華暴發的限制性因素,水華與水體中其他種類離子有關,有研究發現:硅藻水華爆發期間,葉綠素a含量上升,同時水體溶解性硅酸鹽含量顯著下降,兩者在數值上呈負相關,這說明溶解性硅酸鹽含量的降低與Chl-a上升可以預測硅藻水華的暴發,王海明等[25]、鐘遠等[26]研究認為,不同的離子物質對河流中不同藻種的生長繁殖起到抑制或促進的作用,在水華暴發期間,可以根據水體某種離子物質的改變預測某種藻種水華的暴發,也可以根據水體中因某種離子物質含量高二不會發生某種水華的暴發.近年來,大量學者對香溪河藻類的研究認為香溪河水體藻類主要以藍藻、綠藻、甲藻和硅藻為主[27-29],在夏季水華高發期,藻種以綠藻、藍藻為主[30-31],因此,香溪河水華暴發可能與其他電解質離子濃度有很大關系.而在這次水華研究過程中,即7月份香溪河水華暴發過程中,XX05~XX06暴發藍藻水華, XX07~XX09暴發甲藻水華,根據姜偉[32]在對彭溪河的研究中提出的除水體N、P以外的其他離子能解釋澎溪河與磨刀溪電導率的差異性,在對水體各個點位離子物質種類、含量及其變化的研究也許能對不同河段暴發的水華優勢藻種起到預測作用.

3 結論

3.1 電導率數值的變化與水溫變化能很好地貼合,能對確定三峽庫區支流回水區域具有指示作用,回水與來水交匯處電導率明顯變化,以此可判定回水所到達區域及所影響的深度.

3.2 電導率拐點的出現及Chl-a含量達到閾值能對水華暴發有預報作用;針對香溪河不同河段暴發不同水華現象,對不同離子含量進行監測,水華暴發前,某種離子減少,也許能夠預測水華的優勢藻種.

3.3 香溪河營養鹽較為豐富,根據計算,水體N、P在暴發期間變化較小,對電導率變化貢獻15μS/cm左右,N、P營養鹽含量一直處在高于閾值的水平,已不是香溪河非回水區水華暴發的限制性因素;水體中其他離子的變化可能對電導率產生的影響較大,即水華的暴發吸收了水體中其他離子,對藻種的增殖起到了正作用.

3.4 拐點的深度與葉綠素a含量分布有明顯比照關系:拐點上葉綠素a含量較高,均高于水華爆發閾值,拐點下葉綠素a含量明顯降低.拐點深度在1~5m之間,深度不同可能與藻類習性有關,這與藻類研究可以相結合.

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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

張慶文(1995-),男,湖北十堰人,三峽大學碩士研究生,主要研究方向為沉積物遷移轉化過程.

2018-11-21

國家自然科學基金資助項目(51779128,41501297);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07104-005-02)

* 責任作者, 副教授, 280825327@qq.com