漢江中下游藻華暴發特征及生態流量閾值

何術鋒,胡 威,楊早立,馮 韜,嚴晗璐,林育青*,陳求穩(.南京水利科學研究院生態環境研究所,江蘇 南京009；.上海勘測設計研究院有限公司,上海 00434)

隨著全球氣候變化及人類活動日益頻繁的影響,有害藻類水華在全世界范圍內發生的頻率,規模和持續時間在急劇增加,目前藻類水華已成為全世界面臨的重大水環境問題之一[1-2].引起藻類水華的環境因子通常為充足的氮磷等營養鹽,適宜的氣候條件,緩慢的水動力條件,且常見藻類水華易發生在湖泊,水庫和其他靜止水體環境中[3-4].然而隨著城市化和社會經濟的快速發展,河流興修大量水電樞紐工程,導致天然連通性遭到破壞,水體流速減緩,水力停留時間增加,為河流藻類水華暴發創造了適宜的條件[5-7].尤其對于承擔飲用水源地功能的河流而言,水華暴發給沿岸飲用水安全帶來了嚴重隱患,逐漸引起了廣泛關注.

關于藻類水華的研究多集中在湖泊水庫[8-9],河流型藻類水華的研究較少,一般是對庫區支流及湖庫灣河流的研究,且存在流速較緩,水動力較弱的特點,其水動力特征與湖庫存在一定的相似性,而水利樞紐下游近自然河道的藻類水華研究目前較為局限[10].相比于湖泊,河流最大的特點是具有單向流動性,水華暴發時藻類在水動力條件作用下存在向下游輸移的情況,在流域尺度上對水生態系統造成更為嚴重的影響.同時,研究河流藻類水華不僅僅要考慮氮磷營養鹽,光照,溫度等影響因子,水動力條件是水華暴發的關鍵限制因子[11].Mitrovic 等[12]認為低水動力下長時間的水體滯留過程促使河流藻類水華暴發;對于具體的影響機制,Jeong 等[13]研究韓國洛東江大壩水華暴發時發現硅藻的水體生長滯留時間與流量,流速相關性顯著;在物理,化學條件有利于藻類水華的情況下,Chuo 等[14]發現,水動力循環模式決定了河流水華的暴發;對于漢江流域而言,王紅萍等[15]通過分析漢江水華的水文因子發現,流量增大減緩了藻類的增長速率,抑制了水華的發生;其他研究[16-17]也表明水動力條件可以通過改變藻類運動狀態和水體流動性,進而影響藻類的生長,聚集和擴散.綜上,水動力條件是河流水華暴發的重要影響因子,增強水動力條件能夠對藻類水華生長產生一定的抑制作用,而保障河道內的生態流量是利用水動力解決河流水華暴發的有效途徑之一[18],通過確定水動力閾值調節河流生態流量來達到控制水華的目標,有助于維持河流生態系統的結構和功能的完整性.然而現有河流水華的研究多基于統計方法,水華生長,聚集,輸移與水動力條件之間的響應關系尚不明確.本研究針對漢江中下游藻類水華暴發現象,基于收集的多年水文,水環境和水生態數據,利用主成分分析(PCA)和冗余分析(RDA)識別了藻類水華暴發的主要驅動因子,分析了藻類在不同時期的沿程輸移特征,基于主控因子推求了控制藻類水華暴發的關鍵斷面生態流量,為控制河流藻類水華暴發提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 研究區域

漢江是長江中游第一大支流,河道全長1532km,流域面積約為15.9×104km2,發源于陜西省秦嶺南麓,干流流經陜西,湖北兩省,自武漢匯入長江[19].漢江中下游一般指丹江口水庫下游的黃家港,襄陽,皇莊,仙桃和漢川等主要地區.近年來,由于梯級水利工程的建設運行,水體流動性減弱,加上社會經濟快速發展,排入漢江中下游干支流的污染物增多,支流水體水質持續惡化,導致干流水體富營養化加劇,水華暴發頻繁,近20a 間幾乎隔年就會暴發,特別在2010年后,水華暴發頻率更高,規模更大,迄今為止已達11次之多.漢江中下游河道水華暴發嚴重危害了區域水安全和生態安全,給漢江中下游生態經濟帶建設和流域生態文明建設帶來新的挑戰.本文選取漢江中下游黃家港,襄陽,皇莊,沙洋,潛江,仙桃和漢川斷面為研究對象,詳情見圖1.

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

1.2 數據收集

為全面分析漢江中下游藻類水華的暴發成因,收集了《中國水文年鑒》和湖北省水文水資源局現有的2015～2019年漢江中下游干流7 個斷面的水文,水環境和水生態數據,包括中下游流域1965～2019年黃家港,襄陽,皇莊等6 個水文站水位,流量數據,以及2015,2016,2018年漢江中下游水華暴發最為頻繁的襄陽斷面以下,包括襄陽,皇莊,沙洋,興隆,仙桃和漢川6 個斷面的豐水年,枯水年和平水年水環境水生態數據,水環境指標選取影響藻類生長所需的總氮,總磷,溫度等指標,水生態指標選取藻類密度,藻類生物量來表征,每個斷面單項指標90 組數據,7 個斷面共630 組數據.

1.3 數據處理分析方法

1.3.1 藻類群落特征指數 采用優勢度指數(Y)對藻類群落多樣性進行分析,藻類優勢種是根據物種的出現頻率及個體數量采用優勢度Y 來判定.優勢度Y 計算公式如下:

式中:定義Y>0.02 為優勢種[20];N 為所有物種個體數之和;ni為第i 種的總個體數;fi為該物種在各調查站位中的出現頻率.

1.3.2 群落結構與環境因子影響分析 利用主成分分析(PCA)[21-22]對環境因子進行篩選,通過正交變換將一組可能存在相關性的變量轉換為一組線性不相關的變量,轉換后的這組變量叫主成分,選擇主成分變化系數大于0.6 的環境因子,再將篩選后的環境因子與藻類優勢種群進行冗余分析(RDA)[23-24],分析包括環境數據矩陣和生物群落數據矩陣,先計算出樣方排序值,將樣方排序值與環境因子用回歸分析方法結合起來,再用樣方排序值求種類排序值,所有的生物數據在分析前進行log(x+1)轉換.運用SPSS 22 進行PCA 分析,CANOCO 5 進行RDA 分析.

1.3.3 生態流量計算方法 采用斷面通量法和流速抑制法推求控制藻類水華暴發的流量Qc,Qu,二者取最大值作為最終的藻類水華控制流量結果.

(1)斷面通量法 根據藻類生長及河道內物質運輸,某一時間內某段河道的藻類生物量變化為:藻類生物量增長=凈生長量+輸入通量-輸出通量-死亡量[25],當藻類生物量增長≤0 時,即河段內單位水體藻類逐步減少,水華得到控制,由此可以推算出控制水華所需的流量Qc.

式中:C0為藻類初始密度,g/m3;C2為藻類流入的密度,g/m3;C1為藻類流出的密度g/m3;PMd為藻類凈生長率,d-1;WSd為死亡率,d-1;K 為時段轉換系數;Qc為斷面流量,m3/s.

(2)流速抑制法 利用Excel 2012 中的多項式擬合得到河流水華暴發藻類密度和流速的適宜性曲線,參考斷面實際情況確定藻類水華暴發的流速v,與斷面面積A 相乘得到滿足控制藻類水華暴發的流量Qu.

2 結果與分析

2.1 不同時期藻類水華暴發特征

通過對2015～2019年漢江中下游水華暴發特征進行分析,枯水期共鑒定出藻類群落結構共6 門(藍藻門 Cyanophyta,硅藻門 Bacillariophyta,綠藻門Chlorophyta,隱藻門Cryptophyta,甲藻門Pyrroptata,裸藻門Euglenophyta)11 目32 科共102 種,主要以硅藻為主;豐水期調查到藻類6 門13 目25 科44 種,綠藻門和硅藻門是藻類主要的優勢種群(圖2).

圖2 漢江中下游枯,豐水期藻類結構組成Fig.2 Structure and composition of algae in dry and wet period in the middle and lower Hanjiang River

如表1所示,水華暴發時期主要集中在春季枯水期,優勢種為具星小環藻Cyclotella(Y=0.541).豐水期存在水華暴發的風險,綠藻門和硅藻門是藻類主要的優勢種群,優勢種為小球藻 Chlorella sp.(Y=0.663).

表1 漢江中下游枯,豐水期藻類優勢種Table 1 Dominant algae species in dry and wet periods in the middle and lower Hanjiang River

通過分析豐枯水期各斷面藻類密度和生物量的分布特征(圖3),結果顯示枯水期水華暴發時各斷面藻類密度和生物量均處于較高水平,平均藻類密度為 1.542×107cells/L,平均生物量為0.431mg/L,以藻類密度107cells/L 為標準判定藻類水華暴發[26],黃家港,襄陽,皇莊斷面處于水華未暴發斷面,沙洋斷面以下的藻類平均密度均超過107cells/L,為藻華暴發的主要控制斷面,且沿程藻類密度基本上呈現不斷上升的趨勢,皇莊至漢川斷面藻類密度持續升高,說明該區段內河道內藻類生長速率較大,沿程累積不斷增加.豐水期各斷面沿程藻類密度和生物量均較低,藻類密度最高的斷面在潛江斷面為1.32× 107cells/L,其余各斷面藻類密度均未超過107cells/L,此外,由于豐水期河流水量充沛,流速較大,藻類密度沿程累積效應不明顯,峰值隨水流不斷向下游移動,故未在多斷面上形成水華現象.

圖3 不同時期各斷面藻類密度和生物量沿程變化特征Fig.3 Variation characteristics of algal density and biomass along different sections in different periods

為進一步識別藻類水華暴發期間的關鍵環境因子,利用主成分分析對總氮,總磷,葉綠素a,氨氮,水溫,溶解氧,流速,pH 值等15 個環境因子進行逐步篩選.由表2 得,前兩主成分分別解釋了數據承載量的41.55%和29.08%,選擇PCA 兩主軸變化分數大于0.6 的環境因子,流速,水溫,總磷,高錳酸鹽指數為枯水期的共同環境驅動因子.

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

將篩選后的環境因子與枯水期藻類優勢種群進行冗余分析(RDA),如圖4所示,影響藻類優勢群落的環境因子依次為流速,總磷,高錳酸鹽指數及溫度,其中第一排序軸和第二排序軸累計解釋物種數據的68.8%,流速(F=6.5,P=0.009)解釋藻類優勢種群分布的40.4%,對藻類優勢種群分布的影響達到顯著水平.

圖4 藻類優勢種群與環境因子的RDA 分析Fig.4 RDA analysis of dominant algae population and environmental factors

2.2 水華暴發與流速的響應關系

在漢江中下游選取上,中,下游河段關鍵斷面進行流速分析,以黃家港為上游河段代表斷面,皇莊為中游河段代表斷面,仙桃為下游河段代表斷面.2006～2019年黃家港,皇莊,仙桃站的年均流速變化見表3.由表3可知,各站年平均流量變化趨勢大致相同.在時間上,各站年均流速最大值均出現于2010年,年均流速最小值出現于2014年;總體變化趨勢為2006～2010年呈上升趨勢,隨后下降,至2014年降至最小值,2014年后又有小幅度上升趨勢.空間上,沿水流方向自上而下,流速值逐漸變大,黃家港流速最小,仙桃站流速最大.

表3 漢江中下游2006～2019年黃家港,皇莊,仙桃站流速統計(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)

流速是影響漢江中下游水華暴發的關鍵控制因子,選取2015～2019年實測點位數據,研究不同月份流速與藻類密度的變化趨勢,如圖5所示.漢江中下游年內流速隨時間變化處于先增大后減小的趨勢,在0.18～0.85m/s 之間;而藻類密度的變化趨勢與其相反,且于0.4×107～2.4×107cells/L 之間.枯水期流速較低,在緩慢的水動力作用下藻類不斷地得到營養物質的供應,有利于藻類生長,此時藻類密度處于較高的水平,達到水華暴發的閾值;當流速隨時間的變化逐漸增大時,強水動力作用條件使得斷面藻類發生輸移,不易造成聚集,豐水期時停留在某一斷面的藻類密度不會長時間處于較高水平,不易達到水華暴發的閾值.

圖5 不同時期藻類密度和流速隨時間變化特征Fig.5 The characteristics of algal density and flow velocity change with time in different periods

此外,剔除受水溫影響較大時期的藻類密度數據,通過多項式擬合曲線得到流速和藻類密度的適宜性曲線,如圖6所示,結果表明,流速位于0.287～0.676m/s 時,河流存在水華暴發風險,當流速小于0.462m/s 時,流速對藻類抑制不明顯,當流速超過0.462m/s 時,流速逐漸增大,能有效抑制藻類生長,藻類密度開始不斷減小.

圖6 藻類密度與流速適宜性曲線Fig.6 Suitability curve of algae density and flow velocity

2.3 基于流速與藻類生物量推求生態流量

擬定以漢江中下游沙洋,潛江,仙桃,漢川4 個為藻華控制斷面,以枯水期流速為主控因子,結合斷面通量法以及流速抑制法求得各關鍵斷面的生態流量.計算結果見表4,為防止漢江中下游枯水期藻類水華暴發,建議漢江中下游枯水期12～4月份控制藻類水華的生態流量閾值為:沙洋斷面流量不低于890m3/s,潛江斷面流量不低于918m3/s,仙桃斷面流量不低于953m3/s,漢川斷面流量不低于1075m3/s.

表4 基于藻類水華控制的各斷面生態流量閾值Table 4 Ecological flow threshold of each section based on algae bloom control

3 討論

3.1 水動力對藻類水華的影響

河流藻類水華是一個復雜的生態環境問題,其成因涉及到水文條件,氣候條件,營養物質等因子,本研究通過分析確定了漢江中下游河流藻類水華的主要影響因子為水動力條件.相關研究表明,大多數河流水華暴發期間,營養鹽和溫度的變化并不顯著,影響河流藻類水華暴發的關鍵驅動因子是水文條件[27-29].漢江中下游流域梯級水利樞紐的建設一定程度上影響了流量和流速的變化,包括流量減小,流速減緩,水體滯留時間延長等,這些都在一定程度上促進了藻華的暴發[30-31];同時,也有研究表明河流水位波動和水體攪動對藻類生長產生了一定影響,增加了藻華暴發的頻率和強度[32-33],緩慢的流速和低水位降低了水體交換率,延長了藻類在水體中的滯留時間,從而影響了藻類的聚集,遷移和擴散[34-35],而強流速條件下會產生很大的剪切應力,加速水體的內部循環從而抑制藻類生長,這與本研究結果一致.因此,控制藻類水華的流速存在一定的閾值,該值對藻類水華的形成有決定性作用[36].另一方面,水動力條件可以通過直接影響藻類對養分的吸收而改變藻類種群的增長率,導致不同水動力條件下藻類密度存在明顯的空間異質性[37].楊強等[4]也提出水動力條件的變化可以影響光照條件,藻類營養物質和水體運動狀態直接作用于藻類生長.本文研究結果表明,藻類密度與流速顯著相關,流速對藻類水華的貢獻最大,低流速狀態下藻類密度處于較高水平,這與Wang 等[38]人研究結果一致.此外,本研究建立藻類水華暴發期間藻類密度與流速的非線性擬合曲線,擬合結果較好(R2=0.954),可用于計算控制水華暴發的流速閾值,本文提出的流速閾值為0.462m/s,位于李建等[39]提出的河流水華防控流速閾值0.20～0.67m/s 之間,具有一定的可靠性.RDA 分析結果表明,除了流速,總磷和溫度對藻類生物量也有較大的影響,利貝格最小值定律顯示[40],藻類生長最為關鍵的營養鹽因素是磷元素,與氮元素相比,磷對水體中初級生產力的限制能力遠遠強于氮元素,當水體的氮磷比處于10～25 之間時,是水華暴發的最佳閾值[41].另外,季節更替導致的水體溫度混合變化使得水華暴發存在季節性差異[42-43].綜上,水動力條件的改變是漢江中下游藻類水華暴發的主要原因,但在未來的研究中,還需繼續補充長系列的數據來進一步探索水華與水動力及其他影響因子間的內在影響機制.

3.2 基于藻類水華抑制的生態流量

對于河流等流動性水生態系統,藻類將隨水流進行漂移,通過計算流域內控制藻類水華暴發的生態流量可以實現改變藻類適宜生境的作用[44],一定的流量可以對污染物質以及藻類濃度進行沖刷,遷移,從而達到控制藻類水華的目的.通過分析1992～2019年漢江中下游藻類水華暴發時期枯水期流量變化特征,皇莊,沙洋,仙桃等斷面的流量均值為425m3/s,枯水期流量較少,丹江口水庫下泄流量不足,導致流域內流量小,流速慢,從而形成藻類水華[45].殷大聰等[46]在分析漢江中下游枯水期硅藻水華暴發的水文閾值時發現,保證興隆以上河段不發生水華,對應75%,85%,90%保證率下的平均流量應不低于600,800 和900m3/s,而控制興隆以下河段不發生水華的流量閾值為550,700 和800m3/s,與之相比,本研究中沙洋斷面位于興隆以上河段,計算結果滿足75%保證率下的流量,其余斷面位于興隆斷面以下,均滿足85%保證率下的流量;謝敏等[47]認為當漢江中下游流域的流量達到500m3/s 以上時,流域內不會發生硅藻水華,而劉強等[48]認為以600m3/s 作為藻類水華暴發的臨界流量值,興隆段和襄陽段發生水華的概率低于27%.而本研究提出的流量閾值均大于600m3/s,在一定程度上可以控制藻類水華暴發.此外,針對漢江中下游流域枯水期不同時間段,提出了不同的流量閾值,可根據水華暴發時間進行流量調控,而枯水期流量調控時應結合丹江口水庫,興隆水庫,引江濟漢等工程聯合運營[49],以確保枯水期漢江中下游各斷面流量達到控制水華暴發的流量閾值.

4 結論

4.1 漢江中下游藻華暴發主要發生在枯水期,枯水期藻類優勢種群為硅藻,優勢種為具星小環藻Cyclotella;豐水期優勢種群為綠藻和硅藻,優勢種為小球藻Chlorella sp..

4.2 流速是河流型藻華暴發的關鍵影響因子,低流速存在水華暴發風險,流速超過閾值將抑制藻類生長,漢江中下游控制藻華暴發的流速閾值為0.462m/s.

4.3 基于流速閾值,采用斷面通量法和流速抑制法,確定了漢江中下游水華防控關鍵斷面生態流量,沙洋,潛江,仙桃,漢川斷面流量分別為890,918,953,1075m3/s,滿足河道內生態流量需求.