三峡库区水位变化下小江流域富营养化的时空变化特征

2020-03-11周瑆玥黄刚朱书景

人民珠江 2020年2期

周瑆玥，黄刚，朱书景

(湖北大学资源环境学院，湖北武汉430062)

自2003年三峡水库蓄水后小江流域富营养化越来越严重，频繁爆发水华现象，尤其在春夏和夏秋的季节交替时期较为严重[1]，且随着时间的推移，小江流域水华现象呈现时间提前、频次增多和范围扩大等趋势[2]。2016年三峡库区38条主要支流富营养化程度较为严重，水华现象大多发生在3—10月[3]。小江是位于三峡库区北岸的一条极为重要的支流，从云阳县双江镇汇入长江，流域面积约5 200 km2，河长182.4 km，天然落差近1 600 m，流经渠口、养鹿、高阳、黄石、双江等众多镇市。小江流域水体的污染情况也将影响周边水环境质量和附近居民生活用水和景观用水等，因此对于三峡库区支流的富营养化研究愈发重要。

近年来对于三峡库区的研究多从水质中营养物质的汇集状况以及浮游植物群落的变化特征这方面入手，根据水体中叶绿素a、总氮、总磷、透明度等数据判断水体受污染程度是较为常用的方法[4]，而通过三峡水库区浮游植物和周边植被群落分布特点来反应水体水质和生态环境状况的研究也正在逐渐开展[5-6]。而磷作为水体富营养化的一个重要因素，是浮游植物繁殖的必需元素，也是评价浮游植物现存量的一个重要指标，浮游植物体内磷含量会随着水体营养水平的提高呈现规律性的变化[7]。因此,通过研究浮游植物体内总磷含量的变化可以对水华消长的规律进行分析。但是,目前通过直接测定浮游植物体内总磷含量，在三峡库区水位变化的条件下评估三峡水库小江流域水质及环境变化的研究却鲜见报道。

本文通过取样检测实验分析的方式，对三峡库区小江流域浮游植物在不同水位时期体内总磷的变化特征进行了分析，同时对小江流域各监测断面的水质进行测定，旨在了解在三峡库区水位变化的情况下小江流域水华现象的时空分布特征，研究两者的相关性，为三峡库区支流水体的水华特征识别及防治提供基础。

1 材料与方法

1.1 采样点布置

2017年12月、2018年3和6月在小江流域设置5个采样点，分别位于渠口(上游Ⅰ)、养鹿(上游Ⅱ)、高阳(中游Ⅰ)、黄石(中游Ⅱ)、双江(下游)，见图1。

图1 采样断面位置

1.2 样品采集与分析

水质监测指标为总氮、总磷，利用采样器在水下0.5 m处进行采样。总氮采用GB 11894—1989《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》硫酸钾-紫外分光光度法测定；总磷采用GB/T 11893—1989《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》钼酸铵分光光度法测定[8]。

浮游植物的采集分为定性和定量两步，用浮游生物采集网在水中画“∞”进行采集，所采集水样用4 %福尔马林溶液固定，将浮游植物进行过滤及脱水处理。

对样品采用过硫酸钾-钼酸铵分光光度法进行样品中总磷的测定。利用式(1)进行计算[9]。

(1)

式中Wp——固体样品中总磷的含量，%；C——标准曲线上查取得总磷含量，μg；50——固体样品经过硫酸钾氧化消解后稀释的体积，ml；V——上清液吸取体积，ml；m——称取的固体样品的质量，g。

2 结果与分析

2.1 三峡水库水位变化

通过中华人民共和国长江海事局收集资料可知三峡库区历年水位变化，选取2017年12月、2018年3月以及6月的每日水位变化数据，同时选取2017年11月至2018年10月的月水位变化，见图3。

图2 2017年12月、2018年3月、2018年6月每日水位变化

图3 三峡库区全年 (2017年11月至2018年10月)水位变化

由图3可知，三峡库区水位在1—6月的时候呈下降趋势，在6月份的时候三峡库区水位达到最低水位(145.34 m)，在6—12月的时候呈上升趋势，其中在9—12月为缓慢上升。

对于三峡库区支流来说，即在小江流域，水中的N、P是影响水体富营养化的主要因素。但是有学者在对比了三峡水库蓄水前后的环境变化，发现水体中的营养盐以及气候条件均没有发生显著的变化[10]。然而在三峡水库蓄水后，库区频繁爆发水华现象且主要集中在支流库湾，而在干流极为少见，并且水华主要爆发时间集中在春夏秋三季，冬季极为少见。因此，在一些早期的研究中，有学者认为水华现象的爆发是由于三峡水库建设工程导致的支流流速缓慢造成的[11]。对比水库蓄水前后，在营养盐、季节性引起的温度和光照等因素没有较大变化的情况下，由图3可以看出，具有显著变化的水动力条件或许是小江流域水华爆发的一个主要诱因。

2.2 小江流域水质的变化

实验期间对小江流域水质指标总磷、总氮进行测定，渠口、养鹿、高阳、黄石、双江5个断面的TP、TN数据见图4、5。

图4 小江流域各断面水中TP变化

图5 小江流域各断面水中TN变化

水质指标中TP、TN是衡量一个水体富营养化程度的重要指标，由图4、5可知，3月时小江流域各监测断面的TP和TN含量最高，以渠口为例，其TP、TN指数分别为0.132、3.210 mg/L，而12月最低。同时从变化趋势可以看出高阳地区的TP、TN含量高于其他地区，3月时分别达到0.161、3.450 mg/L，黄石次之，可以认为高阳和黄石地区水体富营养程度相较其他地区高，即小江流域中游地区较易发生水体的富营养化。

2.3 三峡库区水位变化对小江流域水华的影响

自三峡库区蓄水以来，有学者对三峡库区小江流域的浮游植物群落组成进行了探究，其主要以绿藻类为主，蓝藻和硅藻类次之[12]。本文选取2017年12月以及2018年的3月及6月对渠口、养鹿、高阳、黄石、双江五处的浮游植物并对其体内总磷的含量进行了测定，见表1、图6。

表1 浮游植物体内总磷含量单位：%

注：表中数据为平均值。

图6 浮游植物体内总磷含量

在3月份的时候，各取样点所采取的浮游植物体内总磷含量最高，分别达到了0.244 8%(上游Ⅰ)、0.185 2%(上游Ⅱ)、0.707 7%(中游Ⅰ)、0.581 3%(中游Ⅱ)、0.159 6%(下游)，均高于6月和12月。

目前，有学者对三峡库区支流水华现象进行了研究，根据多年的富营养化监测资料表明，每年的春季(3—5月)都是支流回水区富营养化的一个主要的时期[13]，而秋季支流富营养化的水平相交春季较低[14]。由图6可以看出，在3月份的时候，对比6月及12月，浮游植物体内总磷含量最高。磷是浮游植物生长繁殖的一个主要的元素，而植物体内总磷含量也可以直接指示藻类的现存量以及繁殖的强度，更可以直接观测到水华现象发生的程度。因此，由图6可以看出，在3月小江流域水华发生及富营养化的程度最高，其次6月份时测得的浮游植物体内总磷的含量也要高于12月，则6月份水华发生的现象也要高于12月，同时在同一时段内小江流域中游爆发水华现象的几率也是最高，这与小江流域水质指标TP、TN的变化趋势一致。

由图2、3得出，在3月的时候三峡库区水位正处在迅速下降趋势，到6月达到最低点，12月的时候库区水位处于缓慢上升的趋势。在三峡库区泄水过程中，小江流域的流速和流量均在逐渐减少。潘晓洁等[15]通过流速、流量和浮游植物细胞密度的回归分析结果表明，在泄水过程中浮游植物密度与流速、流量呈负相关关系，与本次研究结果相符合。由于三峡库区独特的河道型水库特点，使得该水域的生态环境和水动力变化不同于一般的湖泊，更与天然河道有着明显的差别，库区水位的调动更容易影响该流域水流流速等方面的变化，对水华的爆发产生一定的影响。在3月水库泄水时，库区水位较低，小江流域流速和流量下降，水体自净稀释能力下降，同时水体的滞留时间变长，水体中的沉淀物质更容易沉降，营养盐更容易被浮游植物吸收，以致浮游植物体内总磷含量的增加，使浮游植物大量繁殖生长，出现水体富营养化及水华现象。因此，当小江流域流速和流量下降的时候，更容易发生水华现象，可以认为，水库蓄水产生的缓流态是水华现象发生的直接诱因。而在12月的时候，库区水位增高且处于缓慢上升的趋势，小江流域流量较高，由于水体的流动性较强，流速较快，水体富营养化不明显，很少会发生水华现象，由本次研究的结果也可看出，在12月时浮游植物体内总磷含量较低，这与小江流域水质中TP、TN的变化趋势一致。

2.4 库区水位变化对小江流域上、中、下游水华现象的影响

由图4、5、6可知，中游Ⅰ、Ⅱ处采样点的水质指标和浮游植物体内总磷含量远高于上游和下游，说明在小江流域中游处爆发水华的几率和频率要大于上游和中游。这是由于在上游处水体的流动性较中游更强，水体中的营养物质净化较快，浓度较低，比较中游发生水华的频率要低。而在下游处由于和长江相接，支流流入长江，与长江水相混合，水中的营养物质得到稀释，因此发生水华的几率要低。

通过比较三峡库区水位的变化与上、中、下游5处采样点水质和浮游植物体内总磷的变化，发现当水位发生变化时，无论升降，对于小江流域中游水华现象的影响要大于上游和下游。对比6月和12月时，当库区水位上升后，中游水体浮游植物体内总磷含量骤降，幅度大于上游和中游，说明当库区水位上升后，水体流速加快，中游水华现象得到极大的改善。