滇中地區水庫水環境特征分析—以楚雄州境內28座水庫為例

段立曾

(云南大學生態與環境學院/高原湖泊生態與治理研究院，云南 昆明 650500)

0 前言

水庫是介于河流與湖泊之間半自然、半人工的生態系統，具有水位不穩定、水置換周期長、生產力低等特點[1-2]。云南省楚雄州境內的水庫眾多(230余座)，水庫類型和功能各異，在區域糧食安全、經濟發展、生態穩定等方面具有重要作用[3]。楚雄州水庫多修建于20世紀五六十年代，運行年代久遠，隨著城市發展和人口劇增，點源、面源污染負荷的增加，水質日益惡化、富營養化不斷加劇[4-5]。導致水庫功能的減弱或喪失，制約地區社會經濟的發展甚至危及人類的健康。

水體的基本理化指標如水溫、pH、溶解氧、透明度、濁度，氮、磷等營養鹽，以及如葉綠素a和藻藍蛋白等生物指標，是深入認識湖庫水體環境的基礎[6-7]。其中，水溫是水環境評價的重要因子之一，對水生態環境系統中的物理、化學和生物過程起著重要作用[8]。葉綠素a濃度、溶解氧含量作為衡量水體富營養化及自凈能力的指標[9]，兩者之間相互影響。水體中藻類的光合作用消耗水中的CO2，釋放出氧氣，造成水體pH值的升高。此外，云南地區大多為喀斯特地區，且地熱資源豐富，導致湖庫水體pH值均較高[10]。淺水型水庫上下層水體容易發生等溫對流，引發營養鹽和懸浮物質的頻繁交換，營養鹽濃度升高進而引發階段性或周期性的水質污染事件[11-12]。九龍甸水庫作為楚雄市飲用水源地，已開展了水質預測[13]、藍藻水華[14]、富營養化[5]等方面的相關研究，楚雄州境內其它大多數水庫的水環境研究則鮮見報道。

本研究選取了楚雄州境內28座不同功能、深度(10 m以內的水庫11座，其余17座深度均在10 m以上，最大水深39 m)的水庫，通過野外監測和室內分析獲取了各水庫的基本水質參數，在認識水庫水環境特征的基礎上，探討了各參數之間的相關關系及其水源補給的主要形式。該研究將豐富水庫水質監測的基礎資料，為楚雄州水庫的利用與管理、水源地保護、環境治理等決策提供依據。

1 研究區概況

楚雄州地處云南省中北部，屬云貴高原西部，居滇中高原的主體部位。該研究區屬亞熱帶季風氣候。由于地形垂直差異明顯，具有立體氣候和小氣候特征。年均降水量800～1000mm，集中于7—10月[15]。

本研究于2017年12月23日—31日，對楚雄州境內的元謀縣、牟定縣、武定縣、南華縣、大姚縣、姚安縣和永仁縣等地區(圖1)(含大、中型13座，小型14座)開展了水庫水體的現場監測和野外采樣工作。

2 材料與方法

2.1 野外采樣與監測

利用多參數水質監測儀(YSI，660V2，美國)，在垂向上以1m為間距，連續測定不同層位的水溫(℃)、pH、溶解氧(mg/L)、濁度(NTU)、電導率(mS/cm)、溶解性固體總量(g/L)、葉綠素(μg/L)、藻藍蛋白(cells/mL)等。監測前校正各參數探頭，測試時間5s，同一水層測試30s并保存6組數據。采集表層水樣于200mL棕色樣品瓶中，低溫、避光保存運回后，過濾以測定氫、氧同位素。

2.2 室內測定與分析

氫、氧同位素：利用同位素儀(美國Picarro，Picarro2140-i型)測定水樣的氫(δD)、氧(δ18O)穩定同位素，δD和δ18O的精度分別為：±1‰、±2‰，測定結果以V-SMOW為標準(‰)，計算公式為：

δ=(R樣品/RV-SMOW-1)×1000 ‰

(1)

式中：R樣品和RV-SMOW分別代表水樣中氫或氧的穩定同位素比率和維也納標準平均海洋水中穩定同位素比率。

通過全球降水同位素監測網(GNIP)獲取了昆明(與樣點水庫最近區)地區的多年降水穩定同位素數據，與水樣測得的δD與δ18O值進行計算和分析。

2.3 數據統計與分析

利用EXCEL整理野外監測數據，檢查和剔除異常值以保留有效數據，通過公式計算水體穩定同位素，利用Grapher軟件繪制各水質特征、統計分析等圖件。

3 結果與討論

圖2為各水庫水體水溫、pH、溶解氧、濁度、葉綠素和藻藍蛋白等參數的垂向變化特征，指示了各水庫的水環境狀況及變化模式。

3.1 水質參數特征及其垂向變化

3.1.1 水溫

湖庫水溫主要受控于太陽輻射的變化并與區域氣溫變化趨于同步[16]。因此，所測水庫水溫隨日氣溫的變化而變化。本次監測的時間為12月，28座水庫水溫在9～17 ℃，介于當地冬季最高氣溫(17 ℃)和最低氣溫(5 ℃)之間。

垂直方向上，28座水庫水溫整體上呈現隨深度增加而遞減的變化趨勢。淺水湖庫易受風力干擾引起水體擾動，造成物質與能量的頻繁交換，制約了熱力分層結構的形成與穩定存在。28座水庫中，新村(水深22m)、尼白祖(水深39m)水庫，水溫分別在13m和34m處發生突變。其它水庫所測點的深度均<20m，未形成熱力分層現象(圖2a)。

3.1.2 pH

如圖2b所示，水庫表層水體的pH值均超過7.8，為弱堿性至堿性，與云南高原湖庫pH值偏高的特征相符。其中，東清水庫水體pH值最高(8.8～9.3)。垂值方向上，表層水體的pH值較高，下層水體的pH值隨深度的增加而降低。其中，尼白祖水庫水體pH值的降低幅度最大(>1)，從表層的8.13降低至底層的7；其次為東清水庫，水庫水深<6m，水體pH值的降幅達0.44。

3.1.3 溶解氧

湖庫水體的溶解氧含量與藻類等植物生長過程中的光合作用密切相關，并參與部分物質的轉換。一般而言，隨著水深的增加，太陽輻射被不斷削弱，藻類生長受限，導致水體中溶解氧濃度下降。28座水庫水體溶解氧濃度特征及變化如圖2 c所示：其中，東清水庫表層水體溶解氧濃度為13.2mg/L，其余27座為5.5～10.5mg/L。垂直方向上，28座水庫水體溶解氧濃度隨深度的增加而逐漸減小，以東清、新河、下口壩、尼白祖4座水庫變化最顯著(除尼白祖水庫外，水庫深度均在10m以內，溶解氧的減小幅度超過4mg/L)。

3.1.4 濁度

如圖2d所示，丙間、河尾、毛板橋3座水庫表層水體的濁度均>10NTU，其中以毛板橋水庫為最高(18～20NTU)。其余水庫表層水體濁度<8NTU，表明水庫表層水體中的懸浮物總量相對較少。垂直方向上，水體濁度隨深度增加而上升。其中，分洲、勐連、土瓜地、丙間、中屯等5座水庫的增加趨勢較為明顯(從表層至底部增加幅度達10NTU)，并表現出越往底層水體濁度增加幅度越大的特征。這是因為水庫深度較小，容易受局部的氣流與風場等的干擾，引起水庫底層水體中底泥、懸浮物及溶解性有機質等發生擾動的效應。

3.1.5 葉綠素a

水體葉綠素a濃度的變化特征如圖2e所示：大部分水庫水體的葉綠素a濃度低于10μg/L。東清、新河水庫表層水體葉綠素a濃度相對較高(超過60μg/L)。垂直方向上，水體葉綠素a濃度呈現增大、減小和不變三種模式。東清(水深10m)、新河(水深6m)2座水庫變化最顯著，表層和底層水體的葉綠素a濃度差值分別高達45μg/L和50μg/L。新河、麥拉、獨田、夜起蓮等4座水庫水深<10m，葉綠素a濃度隨水深的增加而逐漸增大，增幅相對平緩。

3.1.6 藻藍蛋白

藻藍蛋白的含量表征了水體中含葉綠素a的藻類中藍藻為相對優勢類群。從圖2f中可見，28座水庫中，大部分水庫的水體藻藍蛋白濃度低于5000cells/mL。在垂直方向上隨深度的增加而降低，呈現出與葉綠素a濃度的變化相一致的特征。其中，新河、東清兩座水庫表層水體中的藻藍蛋白濃度較高，隨深度增加快速減小，水庫水深在10m以內，表層至底部水體中的藻藍蛋白濃度減小幅度超過10000cells/mL。

3.1.7 電導率和溶解性固體總量

28座水庫水體電導率主要集中于0～0.4mS/cm(除永豐、勐連和丙間水庫外)，垂直方向上，水體電導率分布較均勻，無增大或減少趨勢(圖3a)。

總溶解性固體(TDS)是水化學成分的重要指標，受降雨、蒸發、流域巖石成分等因素的影響明顯，其含量的多少表征了溶解于水中的主要離子的總量[17]。28座水庫水體中溶解性固體總量范圍為0～0.6g/L，在垂直方向上無明顯變化(圖3b)。

電導率可以反映水體中可溶性固體總量(TDS)，也可以作為水體鹽度的度量指標[18-19]。在一定溫度范圍內，當水體化學成分相對穩定時，電導率與TDS之間存在顯著的正相關關系；在缺失數據的情況下，可以通過電導率的大小判別TDS的大致范圍[20-22]。如圖(3a, b)所示，電導率與TDS在垂向上的變化特征趨于一致，直觀地表征了兩者之間顯著的正相關關系。

3.1.8 穩定同位素及水源補給識別

穩定同位素(如2H、18O)作為理想的示蹤劑，廣泛應用于水循環、降水來源、分割河流流量過程線等領域的研究[23]。區域大氣降水線(LMWL)往往偏離全球大氣降水方程并反映該地區降水的水汽來源及其特征。

根據全球大氣水線(MWL)：δ H=8*δ18O+10[24]、西南地區大氣降水線：δ D=7.44*δ18O+6.36[25]等已有研究結果，對楚雄地區28座水庫水體中的δ D、δ18O進行一元線性回歸分析，得到該地區湖庫水體同位素線為：δ H=4.82*δ18O-34.42，R2=0.92。利用全球降水同位素監測網(GNIP)中獲取的昆明降水同位素數據，計算當地大氣降水線：δ H=7.48*δ18O +5.79，R2=0.95，作為樣點水庫地區的大氣降水線(圖4)。

在小流域尺度上，由于湖庫水體停留時間較長、蒸發作用更強，導致楚雄28座水庫水體的同位素線的斜率低于區域大氣降水線。地表水和地下水同位素受區域性降雨的影響更明顯，通過28座水庫水體穩定同位素的特征可知，該地區水庫的主要水源補給為區域性的大氣降水。

3.2 各水體參數之間的相互關系

3.2.1 水溫與葉綠素a、pH

葉綠素a是水體理化性質和生物指標之間綜合作用的表征，具有季節性差異的特征[26]。水溫通過控制藻類體內酶的活性而影響藻類的光合、呼吸、營養鹽吸收利用等生理活動，進而影響藻類的生長[27]。相關分析結果顯示(圖5)，分洲等6座水庫水體的葉綠素a濃度與水溫呈明顯的正相關關系(除分洲、尼白祖水庫外，其余水庫相關系數均達到0.8及以上)；湖庫水溫的變化及分層將影響到水環境的演化過程，以及氮、磷等營養鹽和光照在水體中的分布特征，進而導致水體溶解氧濃度和水生生物垂向分布特征的差異[28]，最終影響浮游植物的生長(葉綠素a與藻藍蛋白濃度的變化)。

垂直方向上，28座水庫作為淺水型湖庫，水體未形成明顯的熱力分層現象。太陽輻射隨水深的增加不斷削減，導致水體水溫和葉綠素a濃度隨深度的增加逐漸減小，兩者的變化呈現一致性。

pH在水體中主要受CO2含量的影響，CO2的含量受水體中溶解性離子、水溫以及生物活動等多種因素的影響[29]。隨著湖庫深度的增加，光照遞減、水溫降低，導致藻類生長的光合作用減弱，藻類生產力降低、水體復氧能力減小，水體pH值隨之下降。研究發現，星云湖水體溫度與pH值之間呈顯著的正相關，相關系數高達0.907[10]。工農等6座水庫的水溫與pH的相關分析顯示：隨著深度的增加，溫度和pH呈現減小的變化趨勢，兩者之間為顯著的正相關關系，相關系數(r)在0.62～0.97(圖6)。水溫與pH的變化將進一步影響水體其它物理、化學和生物過程，進而導致水庫整體水環境狀況的改變。

3.2.2 藻藍蛋白與溶解氧、pH

藻藍蛋白(BGA)作為藍藻的特征色素蛋白，是湖泊水庫中水質變化和水華監測的關鍵指標之一。水體中的溶解氧(DO)濃度主要受生物過程的控制，浮游藻類通過光合作用吸收水中的CO2，釋放出氧氣，電離出氫根離子。當藻類數量上升到一定數量級時，其生命活動的旺盛程度必然對水體的DO變化產生關鍵影響[30]。在自然條件下，對藻類豐富的水體而言，水體DO濃度受植物的光合作用影響愈加顯著并呈現出一定的季節和日變化規律[31]。因此，在藻類暴發的季節，可利用水體DO濃度的日極差開展湖庫水體藻類暴發的簡單預警[32]。冬季水溫總體偏低，藻類和其它水生植物的葉綠素a水平也較低，生物活動少，對水體中DO濃度的影響也相對較小[19]。

如圖7所示：芭蕉凹、新河、東清和下口壩4座水庫水體的藻藍蛋白濃度(代表藍藻豐度)與溶解氧呈現顯著的正相關關系(相關系數>0.87)。值得注意的是，水氣交換、水動力、溫度、有機物合成、化學物質的氧化還原反應以及生物生長、繁殖和新陳代謝等均影響水體中溶解氧濃度特征[33]。因此，結合多個水體參數進行綜合研究，以揭示水體溶解氧(DO)的復雜變化機制。

湖庫水體中浮游植物或藻類含量的增加，將造成水體水色、透明度等的變化。水生生物的呼吸與光合作用影響了水體的某些化學平衡，進而導致水體pH值的變化[10]。藻類對水體中有機酸的吸收和重碳酸鹽的利用，也會引起水體pH的升高。長江中下游68個湖泊調查發現，水體pH值與水溫、溶解氧含量和葉綠素a濃度呈顯著正相關[34]。藻類的生長需要適宜的pH值范圍，因而pH還會影響藻類的生長繁殖速度，進而影響到種群的演替[35]。

芭蕉凹、新河、東清、下口壩等4座水庫藻藍蛋白濃度隨水體深度的增加而減小。與此同時，水體pH值也呈現相同的變化特征，即隨深度增加pH值減小。藻藍蛋白濃度與水體pH值的相關性分析顯示：4座水庫(芭蕉凹、新河、東清、下口壩)的藻藍蛋白濃度與pH值呈顯著正相關，相關系數(r)均達到了0.85及以上(圖8)。基于水庫弱堿性/堿性(pH值為7.8～9.3)水體特征的背景，水體pH與藻類生產量成正相關關系。因此，在無酸雨等特殊事件的情況下，可將pH值作為評價水體藻類生物量的參考指標之一。

4 結論與展望

28座水庫水體溫度(℃)、pH、溶解氧(mg/L)、濁度(NTU)、電導率(mS/cm)、溶解性固體總量(g/L)、葉綠素(μg/L)、藻藍蛋白(cells/mL)、氫氧穩定同位素(δ D、δ18O)等各水體參數在不同水庫呈現出不同的特征及變化模式。

受水庫深度和監測季節、當日時段的差異等多種因素的影響，28座水庫水體表層溫度與監測時間段的氣溫大致相當，在垂直方向上隨深度增加逐漸減小，除個別較深水庫外，其余水庫均未出現明顯的熱力分層現象。水庫水體pH值均較高，為弱堿性至堿性水體。受溫度、葉綠素a濃度等因素的影響，水體pH值隨深度的增加而降低。水體溶解氧濃度處于5.5～10.5mg/L，在垂向上呈遞減的變化趨勢。水庫水體濁度較高，受風力擾動較大且隨深度的增加而增加。電導率與溶解性固體總量在垂直方向上未出現明顯的波動，兩者之間的變化趨勢具有高度的一致性，證實了可以用電導率大小初步判別水體中溶解性固體總量的論證。除個別水庫外，大多數水庫水體的葉綠素a濃度<10μg/L，垂向上呈增大、減小和不變三種模式。大多數水庫表層水體的藻藍蛋白濃度低于5000cells/mL，其在垂直方向上的變化與葉綠素a的變化模式一致，指示了藍藻為大多數水庫水體中的優勢類群。

水體穩定同位素與昆明大氣降水線的分析表明，區域性的大氣降水為水庫主要的補給來源。相關分析顯示，隨著水庫水深的增加，太陽輻射不斷被削弱，水溫降低，代表藻類生物量的葉綠素a濃度逐漸減低，造成水體溶解氧含量的降低。冬季水溫相對較低，水體中藻類生物量較小，加上太陽輻射隨水深的增加不斷被削弱，導致植物光合作用減弱，消耗的CO2隨之減少，導致水體復氧能力降低，進而造成水體pH值的降低。

可見，各水體參數之間相互影響、相互制約，在長期的區域氣候背景和人類活動影響下，形成相對穩定的水環境特征，共同制約著水庫生態系統的平衡與發展。因此，水庫水環境是一個相對完整、不斷發展的綜合體，對區域水資源的科學理解、利用與管理，要以多參數水質數據為基礎，開展系統、綜合的研究。