控制汉江中下游春季硅藻水华的关键水文阈值及调度策略

殷大聪，尹正杰，杨春花，王 冬

（1.长江水利委员会长江科学院，430010，武汉；2.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，430010，武汉）

水文

控制汉江中下游春季硅藻水华的关键水文阈值及调度策略

殷大聪1，2，尹正杰1，2，杨春花1，2，王 冬1，2

（1.长江水利委员会长江科学院，430010，武汉；2.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，430010，武汉）

导致汉江水华暴发的主要因素为高营养盐负荷、缓慢的流速、较小的流量、晴好的气候条件等原因。对水华暴发期间的汉江中下游主要水文站点的水文学特性进行了分析，研究提出了汉江中下游春季水华暴发的关键水文阈值，并提出了控制汉江中下游春季硅藻水华暴发的生态调度策略，研究结果可为南水北调中线工程的科学调度提供依据和参考。

汉江；南水北调；丹江口水库；水华；水文阈值；硅藻

汉江，又称汉水，发源于陕西省宁强县嶓冢山，流经陕西省、湖北省的十多个县市区，先后接纳十余条支流，于武汉的汉口龙王庙汇入长江，干流全长1 577 km，是长江最长的一级支流。丹江口水库大坝以上为上游，河谷狭窄，水流湍急；丹江口大坝至钟祥为中游，河谷宽阔，洲滩多，水流缓；钟祥至汉口龙王庙为下游，处于江汉平原腹地，河道弯曲，比降小，水流缓慢。

位于汉江上游的丹江口水库是南水北调中线工程的水源地，该工程的实施可以有效缓解北京、天津、石家庄、郑州等大型城市的缺水状况，具有十分重要的战略地位。

然而，自1992年以来，汉江中下游多次暴发严重的春季硅藻水华。水华发生时，水色呈现棕褐色，并伴有浓烈的腥臭味，不仅影响汉江中下游沿途居民生产生活的正常进行，同时也对南水北调中线工程的顺利实施产生一定影响，迫切需要开展汉江中下游春季硅藻水华控制的对策措施研究。

本研究通过对比分析汉江中下游历年水华暴发年份与无水华年份的水文条件特点，研究提出控制汉江中下游春季硅藻水华暴发的水文阈值，为汉江中下游春季硅藻水华的预测预警及防治提供技术支持和参考。

一、汉江中下游春季硅藻水华暴发的原因分析

自1992年汉江中下游首次暴发春季硅藻水华以来，至今已经发生过十多次，几乎每两年一次，特别是近年，水华暴发的频率和强度都有逐年增加的趋势。国内许多学者对汉江春季硅藻水华暴发的原因展开了大量的研究工作，总结分析已有的研究成果，汉江中下游春季硅藻水华暴发的原因主要集中在以下3个方面。

1.营养盐负荷加剧

水华现象是水体积累过量的氮磷营养盐，促使水体藻类大量增殖，个别藻类成为绝对优势种，导致水体表观异常，因而影响水体正常服务功能的现象。20世纪90年代以前，汉江水质基本可以达到地表水II类标准，但是随着经济的发展，外源营养物不断输入，导致汉江水体的营养盐含量逐年上升；殷大聪等（2012）在汉江水华暴发期间，对取自汉江宗关段的原水进行了室内培养研究，实验设置了不同的流速条件、光照强度和水温。研究结果发现在各自的实验条件下，水体都产生了严重的硅藻水华，表明汉江水体氮磷营养盐已经足够满足汉江春季硅藻水华暴发所需。

2.缓慢的水流条件促进了藻类增殖

水文动力学条件改变可以加快水体的水平和垂直交换速率，一方面可以促进水体污染物的扩散和降解，同时可以减缓藻类的增殖速率甚至抑制藻类的增殖，从而达到控制水华的目的。河流水华的暴发，主要是由于水流趋缓，营养盐降解缓慢，从而促进了藻类增殖，导致水华发生，特别是库湾及主要入库支流发生水华的频率非常高。汉江水华暴发期集中在春季，此时汉江处于枯水期，流量小，水流缓慢，水体的透明度增加，有利于藻类的增殖，从而产生水华现象。

3.气候条件

水华的暴发，除了水文和营养盐要素外，还必须要有适宜的气候条件，特别是光照条件，强光能够促进藻类的快速增殖，从而产生水华现象。通过对1992年以来汉江春季硅藻水华暴发期间的天气条件分析发现，发生水华的年份都呈现持续的晴好天气。

二、控制汉江中下游春季硅藻水华的策略

水华的暴发是藻类自身的生理生态学特性与外界环境条件相互作用的结果，当外界环境条件适宜该藻类大量增殖时，暴发大规模水华的可能性增加。从历次水华暴发的环境条件来看，大都是汉江正处于枯水期，流量偏小，流速偏低。因此，导致汉江水华暴发的主要因素为高营养盐负荷、缓慢的流速、较低的流量、晴好的气候条件等原因。

由于降低营养盐负荷难以在短时间内实现，气候条件难以控制但可以预测，只有水文条件可以人为控制，短期内控制汉江中下游春季硅藻水华的有效措施是控制丹江口大坝的下泄流量。因此，要研究控制汉江中下游水华暴发的关键水文阈值，通过调控不利于水华发生的水文条件而实现对水华的控制。

三、汉江中下游春季硅藻水华暴发的关键水文阈值分析

对于河流水华而言，水文要素是决定水华暴发的最主要因素，包括流态、流速、流量等，而最直接的影响因素是流速。流速变幅大，相对复杂，而对某个固定河道断面而言，流量与流速间存在一定的相关关系。因此，从流量的角度研究提出控制汉江中下游水华暴发的水文阈值，不仅合理，且具有现实可操作性。

因此，本研究拟依据1992年以来汉江中下游主要水文站点1—3月的实测水文数据，分析汉江中下游历次水华事件发生年份与未发生年份1—3月份的流量特征，计算不同流量级别下发生水华的概率，据此推求控制汉江中下游水华暴发的流量阈值。

从历次水华暴发的区间范围来看，主要在钟祥至汉江河口区间的干、支流（东荆河）。考虑到汉江中下游引江济汉工程已于2014年9月正式通水，可增加汉江兴隆水利枢纽以下干流的流量350～500 m3/s，有利于抑制汉江兴隆以下干流春季硅藻水华暴发。因此，本研究以汉江兴隆段为界，将汉江中下游干流河段分为上下两段，兴隆以上河段选择沙洋水文站为代表站，兴隆以下河段以仙桃水文站为代表站，分别提出控制汉江中下游水华暴发的水文阈值。

1.控制兴隆以上干流水华暴发的水文阈值

对于兴隆以上干流河段，统计分析沙洋站1992—2012年以来水华暴发期间（1—3月）的枯水流量特征。由于水华的暴发是一个由低密度到高密度逐渐发展的过程，根据汉江水华暴发期间的多年跟踪调查结果发现，在枯水期持续的低流速条件和适宜的气候条件下，汉江中下游极易暴发硅藻水华。因此重点分析水华发生期间的最小7日平均流量。对于发生水华的年份，统计分析水华发生前及过程中的7日最小平均流量；而对于没有发生水华的年份，分析1—3月间的7日最小平均流量。

本研究分析的前提是忽略了天气条件因素的影响，在汉江中下游营养盐负荷水平能满足发生水华所需且调水后可能进一步增加的条件下，可以认为汉江中下游春季水华发生与否仅与当时的水文条件密切相关。

沙洋站1992—2012年1—3月的7日最小平均流量范围为265～1 224 m3/s，以 50 m3/s为步长单位，统计分析在不同流量区间范围内发生水华的次数。运用频率分析的方法，分析水华发生的频率与对应流量之间的相关关系，据此得到不同流量下发生水华频率分析表（表1）。通过该表可以看出，1992—2012年间10次水华事件中有7次是发生在7日最小流量为 600 m3/s以下，有 3次发生在750 m3/s以上 （2008年后的最近 3次）；流量越大则高于该流量发生水华的次数越小，当流量高于900 m3/s时，无水华事件发生。

对沙洋站 7日最小平均流量和其对应的水华发生频率进行了对数拟合，拟合相关系数达到85.5%（图1）。通过拟合关系图推求得到了不同流量最小7日平均流量下不发生水华的概率（见表2）。由表2可见，要保证兴隆以上河段不发生水华，对应75%、85%、90%保证率下的最小7日平均流量应不低于600 m3/s、800 m3/s和900 m3/s。

表1 沙洋站7日最小平均流量范围内水华发生频率分析

图1 沙洋站最小7日平均流量与不发生水华频率拟合关系

表2 沙洋站最小7日平均流量下不发生水华的概率

2.控制兴隆以下汉江干流水华暴发的水文阈值

同样地，对兴隆以下汉江干流河段，统计分析仙桃水文站1992—2012年以来水华暴发期间（1—3月）的枯季流量特征，得出不同流量下发生水华的频率分析表（表3）。

对仙桃站7日最小平均流量和其对应的水华发生频率进行了对数拟合，拟合相关系数达到92.3%（图2），通过拟合关系图推求得到了不同流量最小7日平均流量下不发生水华的概率（表4）。

可见，仙桃站在500 m3/s流量下只能保证70%的概率不发生水华，有别于已有相关研究认为“仙桃站最小流量大于500 m3/s就能控制水华”的论断。该论断可能是基于2005年以前的水华事件样本得出的，而2009年后发生水华的最小流量有了明显的增加，从而导致仙桃站控制水华发生的最小流量也有了增加。基于目前的样本数据，仙桃站在 75%、85%、 90%保证率下不发生水华的最小7日平均流量分别应不低于550 m3/s、700 m3/s和800 m3/s。

四、控制汉江中下游春季硅藻水华暴发的生态调度策略

汉江中下游春季水华暴发有着明显的时空特性。从时间上看，水华主要集中在春季的1月底至3月中下旬，特别是2月份前后相对集中；从空间来看，汉江中下游春季硅藻水华主要空间范围为钟祥以下至汉口，尤其是潜江以下至河口的汉江干流。

南水北调中线调水后，近期年调水约40亿m3，远期2020年调水95亿m3，兴隆以上河段受调水的影响较大，枯水期水量将明显减少。由于实施了引江济汉工程，枯水期兴隆以下江段可由引江济汉工程补充流量350～500 m3/s。因此，控制汉江中下游水华暴发的水量调度方案应以兴隆枢纽为界分别实施调度，对汉江兴隆以上干流江段的水华问题，主要依靠丹江口水库加大下泄流量控制水华；对于兴隆以下江段的水华问题，主要依靠兴隆水利枢纽工程与引江济汉工程联合运用，补充加大下游仙桃站流量。

控制汉江中下游春季硅藻水华的调度方式定为应急调度，其调度方案为：

①对汉江兴隆以上汉江干流江段，若藻类密度累积接近 106个/L时，则以应急调度方式加大丹江口水库下泄流量，使得沙洋站的流量增加到900 m3/s（对应90%的保证率），即可达到控制汉江兴隆以上春季水华的目的。

表3 仙桃站7日最小平均流量范围内水华发生频率分析

图2 汉江仙桃站最小7日流量与不发生水华频率拟合关系

表4 仙桃站最小7日平均流量下不发生水华的概率

②对汉江兴隆以下汉江干流江段，若藻类密度累积接近 106个/L时，则以应急调度方式加大兴隆水利枢纽下泄与引江济汉调水工程联合运用，补充汉江水量使得仙桃站的流量增加到800 m3/s（对应90%的保证率），即可达到控制汉江兴隆以下春季硅藻水华的目的。

③若兴隆以上和以下河段硅藻密度接近106个/L时，则考虑丹江口水库、兴隆水利枢纽和引江济汉工程的联合运行，在丹江口水库加大下泄流量至满足沙洋站900 m3/s的7日最小平均流量时，兴隆水利枢纽同步加大下泄流量，并配合引江济汉工程，满足仙桃站800 m3/s的7日最小平均流量。 ■

[1]唐友尧，王桂荣.汉江 “水华”成因分析及防治[J].重庆环境科学，2001（5）.

[2]殷大聪，郑凌凌，宋立荣.汉江中下游早春冠盘藻水华暴发过程及其成因初探[J].长江流域资源与环境，2011（4）.

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责任编辑 张金慧

Key hydrological thresholds related to algae bloom in middle and lower reaches of Hanjiang River and studies on mitigation measures

Yin Dacong,Yin Zhengjie,Yang Chunhua,Wang Dong

Algae bloom in the Hanjiang River Basin is mainly caused by high nutrient loads,slow flows,small runoff and sunny weather conditions.In accordance with hydrological features of main stations in the middle and lower reaches of the Hanjiang River,key hydrological thresholds at the time of occurring of algae bloom in the spring are examined.Ecological measures for controlling algae bloom are proposed.The study results can be used as a technical base and of reference value for scientific regulation of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project.

Hanjiang River;South-to-North Water Diversion;Danjiangkou Reservoir;algae blooms;hydrological threshold;diatom

TV123+X171.4

B

1000-1123（2017）09-0031-04

2016-12-17

殷大聪，高级工程师，研究方向为流域生态环境，重点研究水华发生的生理生态学机制。

自然科学基金项目资助（51279011）；国家重点研发计划项目资助（2016YFC0502201）；中央级公益性科研院所基金项目(CKSF2012041/SZ）。