宋云龍， 張金松*， 朱 佳， 高靜思， 王 麗， 陶 益， 張 麗

1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院土木與環(huán)境工程學(xué)院， 廣東 深圳 518055 2．深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與環(huán)境工程學(xué)院， 廣東 深圳 518055 3．深圳市水質(zhì)檢測(cè)中心， 廣東 深圳 518055 4．清華大學(xué)深圳研究生院， 廣東 深圳 518055 5．深圳市國(guó)家氣候觀象臺(tái)， 廣東 深圳 518040

西麗水庫(kù)葉綠素a時(shí)空分布特征及其影響因素

宋云龍1， 張金松1*， 朱 佳2， 高靜思1， 王 麗3， 陶 益4， 張 麗5

1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院土木與環(huán)境工程學(xué)院， 廣東 深圳 518055 2．深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與環(huán)境工程學(xué)院， 廣東 深圳 518055 3．深圳市水質(zhì)檢測(cè)中心， 廣東 深圳 518055 4．清華大學(xué)深圳研究生院， 廣東 深圳 518055 5．深圳市國(guó)家氣候觀象臺(tái)， 廣東 深圳 518040

以典型亞熱帶供水型水庫(kù)——西麗水庫(kù)為研究對(duì)象，對(duì)其2013年4月—2014年6月藻類ρ(Chla)及其相關(guān)環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析了藻類ρ(Chla)時(shí)空演變規(guī)律及其與環(huán)境因子的關(guān)系．結(jié)果顯示：西麗水庫(kù)ρ(TChla)(TChla為總?cè)~綠素a)為2．65～60．35 μgL，其中藍(lán)藻ρ(Chla)為0．77～30．58 μgL，硅藻ρ(Chla)為0．77～31．62 μgL，綠藻ρ(Chla)為0．77～12．71 μgL．汛期(6—9月)優(yōu)勢(shì)藻為藍(lán)藻，其他時(shí)期硅藻占優(yōu)勢(shì)，綠藻全年處于較低水平．藻類分布具有明顯的空間異質(zhì)性，ρ(Chla)整體呈西北庫(kù)區(qū)高東南庫(kù)區(qū)低的特點(diǎn)，汛期白芒河入庫(kù)區(qū)域ρ(Chla)偏高，存在一定的藻華風(fēng)險(xiǎn)．汛期盛行西南風(fēng)，平均風(fēng)速為2．7 ms，有利于藻類自高濃度的西部庫(kù)區(qū)向東遷移，一定程度上降低了藻華風(fēng)險(xiǎn)．水庫(kù)流場(chǎng)空間差異較大，水體流速為0．005～0．025 ms，水庫(kù)主導(dǎo)流向?yàn)闁|北—西南，對(duì)西北庫(kù)區(qū)的高濃度藻類起到稀釋作用．Pearson相關(guān)分析和典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)顯示，溫度、有機(jī)物以及徑流量是影響藻類生長(zhǎng)和分布的前三位因子，磷是藻類生長(zhǎng)的限制性營(yíng)養(yǎng)鹽．

西麗水庫(kù)； 葉綠素a； 時(shí)空分布； 環(huán)境因子； 相關(guān)分析； 典范對(duì)應(yīng)分析

水體富營(yíng)養(yǎng)化引起的藻華是我國(guó)面臨的日益嚴(yán)重的水環(huán)境問(wèn)題．目前藻華的研究集中在藻華嚴(yán)重的太湖、巢湖、滇池和三峽水庫(kù)等大型湖庫(kù)[1- 4]，對(duì)藻類濃度相對(duì)較低但敏感度更高的飲用水水源水庫(kù)關(guān)注較少．藻類生長(zhǎng)和演替受水質(zhì)、氣象和水動(dòng)力等多種因素共同影響[5- 6]，現(xiàn)有研究多關(guān)注其中某一方面，對(duì)多因素的綜合影響研究較少．對(duì)藻類集中爆發(fā)的春夏時(shí)期研究較多[7- 8]，對(duì)藻類風(fēng)險(xiǎn)較低的秋冬季節(jié)研究不足，尤其是對(duì)藻類生物量年際演變規(guī)律的研究更少．藻類爆發(fā)的本質(zhì)是其生物量長(zhǎng)期演變和聚集的最終體現(xiàn)，忽略整個(gè)演變過(guò)程而只關(guān)注藻類爆發(fā)時(shí)段則難以全面認(rèn)識(shí)和深入理解藻華機(jī)理．

傳統(tǒng)藻類研究技術(shù)手段主要有分光光度法和顯微鏡計(jì)數(shù)法兩大類．前者只能檢測(cè)總ρ(Chla)，對(duì)藻類群落結(jié)構(gòu)揭示能力不充分[9]．后者可將不同藻類鑒別開來(lái)，但由于不同種類的藻細(xì)胞體積相差可達(dá)幾百倍，顯微鏡計(jì)數(shù)法反映藻類生物量的能力欠佳．調(diào)制熒光儀根據(jù)藍(lán)藻、綠藻和硅藻等的葉綠素a熒光特性差異，可分別測(cè)得相應(yīng)的ρ(Chla)，使研究者在掌握藻類生物量的同時(shí)更深入的探究藻類群落演替規(guī)律[10- 12]．目前關(guān)于西麗水庫(kù)的研究相對(duì)較少，并且多關(guān)注水質(zhì)方面，藻類與環(huán)境因子關(guān)系的研究比較缺乏．因此課題組對(duì)西麗水庫(kù)ρ(Chla)及其相關(guān)環(huán)境因子進(jìn)行了15個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測(cè)，研究了藻類爆發(fā)、消退、休眠、復(fù)蘇和再爆發(fā)全過(guò)程ρ(Chla)時(shí)空演變規(guī)律，識(shí)別了藻類高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，分析了藻類與其關(guān)鍵環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系，為預(yù)防藻類爆發(fā)，維護(hù)水生態(tài)安全提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐．

1 材料與方法

1．1 采樣點(diǎn)的布設(shè)

1．1．1 采樣點(diǎn)

對(duì)西麗水庫(kù)10個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行每月1～2次采樣監(jiān)測(cè)，采樣點(diǎn)布設(shè)見(jiàn)圖1，其中1號(hào)采樣點(diǎn)靠近麻磡河，2號(hào)采樣點(diǎn)靠近東江來(lái)水口，3號(hào)采樣點(diǎn)靠近西麗湖壩，4、5號(hào)采樣點(diǎn)為庫(kù)心活水區(qū)，6號(hào)采樣點(diǎn)靠近自來(lái)水廠取水口，7號(hào)采樣點(diǎn)為死水區(qū)，8號(hào)采樣點(diǎn)靠近農(nóng)業(yè)污染源，9號(hào)采樣點(diǎn)靠近鐵崗水庫(kù)取水口，10號(hào)采樣點(diǎn)靠近白芒河．

圖1 采樣點(diǎn)布設(shè)Fig．1 Location map of sample sites

1．1．2 采樣水層

每個(gè)點(diǎn)位分3～5層采樣，表層為水面下10 cm左右水層，透光層水樣在與透明度同深度處采取，溫躍層為水體1 m內(nèi)溫度變化超過(guò)1 ℃水層，活性層為ρ(DO)為2 mgL水層，底層為底泥上方約10 cm水層，其中表層、透光層和底層始終納入監(jiān)測(cè)范圍，溫躍層和活性層視WT(水溫)和ρ(DO)分布狀況而定，出現(xiàn)即監(jiān)測(cè)．

1．2 試驗(yàn)方法

采用ZPY- 1型采水器分層采樣并分別保存，水樣采集后2 h內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，4 ℃保存，當(dāng)天完成ρ(Chla)的測(cè)定，ρ(TOC)、ρ(CODMn)、ρ(TP)、ρ(TN)、ρ(NH4+-N)、ρ(NO3--N)、ρ(Fe)和ρ(Silicate)等2 d內(nèi)完成檢測(cè)．ρ(Chla)采用調(diào)制熒光儀(德國(guó)WALZ Phyto- PAM)測(cè)定，并定期與《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[13]中的丙酮萃取分光光度法校正；WT、水深、pH、ρ(DO)、濁度采用多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀(美國(guó)YSI 6600V2型)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定；透明度采用塞氏盤現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定；ρ(CODMn)采用酸性高錳酸鉀法測(cè)定；ρ(TP)采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定；ρ(Silicate)采用硅鉬藍(lán)分光光度法測(cè)定；ρ(TN)、ρ(NH4+- N)、ρ(NO3-- N)采用流動(dòng)分析儀(法國(guó)Alliance- Futura)測(cè)定，ρ(TOC)采用總有機(jī)碳分析儀(GE- Siever 5310C)測(cè)定；水庫(kù)流場(chǎng)采用SonTek RiverSurveyor M9流場(chǎng)儀監(jiān)測(cè)．

1．3 時(shí)期劃分

根據(jù)氣象條件將全年劃分為5個(gè)時(shí)期：前汛期為2013年和2014年4—6月，后汛期為2013年7—9月，高溫?zé)o雨期為2013年10—11月，冬季枯水期為2013年12月—2014年2月，溫度躍升期為2014年3月．

1．4 數(shù)據(jù)分析

藻類與環(huán)境因子間的雙變量關(guān)系采用Pearson相關(guān)分析在SPSS 20．0上進(jìn)行，藻類與環(huán)境因子間的綜合相關(guān)關(guān)系采用CCA在XLSTAT 2010上進(jìn)行．藻類平面分布圖是根據(jù)各點(diǎn)位藻類總ρ(Chla)在相應(yīng)氣候期內(nèi)的多月平均值，通過(guò)克里金插值法，在ArcMap 10．2上生成，水庫(kù)流暢分布圖在Matlab．R2012上繪制．

2 結(jié)果與討論

2．1 葉綠素a時(shí)空分布特征

相對(duì)于太湖、巢湖和滇池等大型天然湖泊[14- 17]，西麗水庫(kù)ρ(Chla)處于較低范圍，表現(xiàn)出城市供水水源水庫(kù)的鮮明特征．由圖2可見(jiàn)，西麗水庫(kù)藻類ρ(TChla)平均值為16．84 μgL，最高為60．35 μgL，出現(xiàn)在2014年4月10號(hào)采樣點(diǎn)透光層；最低為1．45 μgL，出現(xiàn)在2013年11月采集的2號(hào)采樣點(diǎn)表層.監(jiān)測(cè)期內(nèi)ρ(Chla)呈現(xiàn)V型變化趨勢(shì)：從2013年4月開始快速增加，并于2013年前汛期達(dá)到全年最高水平(21．85 μgL)，后汛期繼續(xù)維持高濃度(17．95 μgL)，高溫?zé)o雨期濃度開始下降(13．86 μgL)，冬季枯水期跌至全年最低水平(7．01 μgL)，2014年溫度躍升期藻類開始復(fù)蘇(8．85 μgL)，至2014年前汛期又劇增至高濃度水平(24．82 μgL)，并且比去年同期高13．59%．2013年前汛期藻類濃度高于后汛期，是因?yàn)榍把雌诹饔虻乇砦廴疚餄舛雀?，?qiáng)降雨對(duì)流域地表的沖刷作用將大量的營(yíng)養(yǎng)鹽帶入水庫(kù)[18]，促進(jìn)藻類快速生長(zhǎng)，而后汛期地表徑流帶入的營(yíng)養(yǎng)鹽相對(duì)較少．2013年7月在暴雨后采樣，ρ(Chla)明顯降低．究其原因：①連續(xù)陰雨天氣不利于藻類生長(zhǎng)②暴雨對(duì)藻類濃度產(chǎn)生稀釋作用．

注: 各組柱由左至右采樣點(diǎn)編號(hào)為1～10.圖2 ρ(TChla)隨時(shí)間變化Fig．2 Annual trend in total chlorophyll-a

由圖3可見(jiàn)，西麗水庫(kù)主要藻類是硅藻和藍(lán)藻，綠藻次之．硅藻ρ(Chla)平均值為7．81 μgL，最高為31．62 μgL，出現(xiàn)在2014年4月的10號(hào)采樣點(diǎn)，月均最高值為2014年4月的18．44 μgL，月均最低值為2014年1月的3．56 μgL．藍(lán)藻ρ(Chla)平均值為7．34 μgL，最高值為30．58 μgL，出現(xiàn)在2013年6月的10號(hào)采樣點(diǎn)，月均最高值為2014年6月的13．15 μgL，月均最低值為2014年1月的1．73 μgL．綠藻ρ(Chla)平均值為3．31 μgL，最高值為12．71 μgL，出現(xiàn)在2013年6月的10號(hào)采樣點(diǎn)，月均最高值為2014年5月的7．81 μgL，月均最低值為2013年12月的0．51 μgL．總體上東北庫(kù)區(qū)(1、2、3號(hào)采樣點(diǎn))硅藻比例明顯偏高，這與東江來(lái)水硅藻含量高有關(guān)．白芒河庫(kù)灣(8、9、10號(hào)采樣點(diǎn))藍(lán)藻優(yōu)勢(shì)明顯，這可能是因?yàn)槿霂?kù)河流帶來(lái)的高濃度營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)適宜藍(lán)藻大量繁殖．南部庫(kù)區(qū)(4、5、6、7號(hào)采樣點(diǎn))硅藻和藍(lán)藻優(yōu)勢(shì)度相當(dāng)．

注: 各組柱由左至右采樣點(diǎn)編號(hào)為1～10.圖3 藍(lán)藻、 綠藻、 硅藻ρ(Chla)隨時(shí)間變化Fig．3 Annual trend in chlorophyll-a of cyonophyta， bacillariophyta and chlorophyte

圖4反映了藻類種群結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，硅藻和藍(lán)藻交替占優(yōu)勢(shì)，而綠藻全年處于較低水平．2013年4月藍(lán)藻比例為25．25%，之后快速上升，6月達(dá)到38．64%，超越硅藻成為優(yōu)勢(shì)藻類，9月達(dá)到峰值50.62%；之后逐步降低，2013年12月—2014年2月為30%左右，處于最低水平；2014年3月起隨著氣溫升高，藍(lán)藻開始復(fù)蘇，并在前汛期迅速增加，5月超越硅藻，重新成為優(yōu)勢(shì)藻類．硅藻與藍(lán)藻存在激烈的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，其生長(zhǎng)趨勢(shì)與藍(lán)藻相反：2013年4—6月比例為44．31%～65．11%，優(yōu)勢(shì)明顯；6—9月比例降為26．55%～35．33%，低于藍(lán)藻；10月比例迅速上升，再次成為優(yōu)勢(shì)藻類，并且于12月末達(dá)到峰值63．62%，并將優(yōu)勢(shì)一直維持到2014年4月．綠藻比例為7．03%～28．18%，全年處于較低水平，呈現(xiàn)出前汛期高而秋冬低的演變規(guī)律；與2013年相比，2014年綠藻比例明顯降低，水庫(kù)藻類多樣性降低．綜合可見(jiàn)硅藻從10月至來(lái)年4月占優(yōu)勢(shì)，藍(lán)藻從5月至9月優(yōu)勢(shì)明顯，而綠藻濃度常年處于較低水平．

圖4 藻類種群結(jié)構(gòu)變化Fig．4 Community structure of phytoplankton

2．2 藻類高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域識(shí)別

綜合考慮水環(huán)境質(zhì)量和水廠對(duì)藻類的去除能力，認(rèn)為ρ(TChla)<20 μgL無(wú)藻華風(fēng)險(xiǎn)，20 μgL≤ρ(TChla)<40 μgL存在輕度藻華風(fēng)險(xiǎn)，40 μgL≤ρ(TChla)<60 μgL存在中度藻華風(fēng)險(xiǎn)，ρ(TChla)≥60 μgL存在高藻華風(fēng)險(xiǎn)．圖5反映了藻類ρ(TChla)在各氣候期的平面分布情況．西麗水庫(kù)ρ(TChla)整體呈現(xiàn)西北庫(kù)區(qū)高東南庫(kù)區(qū)低的特點(diǎn)．2號(hào)采樣點(diǎn)是東江來(lái)水進(jìn)入西麗水庫(kù)的位置，水質(zhì)較優(yōu)，硅藻優(yōu)勢(shì)明顯，是全庫(kù)ρ(TChla)最低處(10．25 μgL)，無(wú)藻華風(fēng)險(xiǎn)．1號(hào)采樣點(diǎn)是麻磡河入庫(kù)區(qū)，徑流帶入的藻類和營(yíng)養(yǎng)鹽增加了水庫(kù)的藻華風(fēng)險(xiǎn)，但由于靠近2號(hào)采樣點(diǎn)，受到大量東江來(lái)水的稀釋作用，風(fēng)險(xiǎn)有所緩解．3、4、5號(hào)采樣點(diǎn)位于水庫(kù)活水區(qū)，水體交換迅速，流速大，ρ(TChla)為10．74～12．38 μgL，無(wú)藻華風(fēng)險(xiǎn)．6號(hào)采樣點(diǎn)位于水庫(kù)最南端，是自來(lái)水廠取水口，遠(yuǎn)離麻磡河和白芒河，水體流速高，ρ(TChla)平均值為12．41 μgL，無(wú)藻華風(fēng)險(xiǎn)．10號(hào)采樣點(diǎn)是白芒河入庫(kù)區(qū)域，徑流帶入大量的營(yíng)養(yǎng)鹽和藻類，使得其附近的整個(gè)庫(kù)灣藻類濃度一直處于全庫(kù)最高水平(26．32 μgL)，汛期表層最高ρ(TChla)達(dá)到60．35 μgL，藻華風(fēng)險(xiǎn)極高，高溫?zé)o雨期也存在一定風(fēng)險(xiǎn)，容易爆發(fā)局部藍(lán)藻水華，是需要密切關(guān)注的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域．8號(hào)采樣點(diǎn)附近存在荔枝園，部分肥料和農(nóng)藥等面源污染進(jìn)入水庫(kù)后引起氮磷濃度升高，為藻類生長(zhǎng)提供了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，存在較高的藻類風(fēng)險(xiǎn)．9號(hào)采樣點(diǎn)是鐵崗水庫(kù)取水口，該區(qū)域庫(kù)形狹長(zhǎng)，水體交換緩慢，其ρ(TChla)處于較高水平(14．82 μgL)，汛期存在藻華風(fēng)險(xiǎn)．從時(shí)間上看，高溫?zé)o雨期、冬季枯水期和溫度躍升期各采樣點(diǎn)均無(wú)藻華風(fēng)險(xiǎn)，汛期尤其是前汛期8、9、10號(hào)采樣點(diǎn)不同程度存在藻華風(fēng)險(xiǎn)．

圖5 不同氣候期內(nèi)ρ(TChla)平面分布Fig．5 Chlorophyll- a chart in different climatic period

2．3 庫(kù)內(nèi)藻類輸移規(guī)律分析

2．3．1 風(fēng)對(duì)藻類遷移的影響

水體表面風(fēng)速和風(fēng)向?qū)υ孱惖妮斠朴绊戯@著[19- 21]．研究認(rèn)為，當(dāng)風(fēng)速小于3 ms時(shí)，藻類在水面順風(fēng)漂流；當(dāng)風(fēng)速大于3 ms時(shí)，風(fēng)浪會(huì)將表面漂浮的藻類帶入水下，發(fā)生垂直方向上的遷移[22- 23].由表1可見(jiàn)，2013年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，頻率為19%，平均風(fēng)速2．1 ms．2014年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北偏東風(fēng)和東北風(fēng)，頻率均為16%，平均風(fēng)速分別為2．3、2．2 ms．監(jiān)測(cè)期間深圳主導(dǎo)風(fēng)風(fēng)速小于3 ms，主要促使西麗水庫(kù)藻類沿水面漂散，導(dǎo)致西麗水庫(kù)藻類呈現(xiàn)西北庫(kù)區(qū)高東南庫(kù)區(qū)濃度低的分布特點(diǎn)．2013年9月—2014年4月主要盛行東北偏北風(fēng)或東北風(fēng)，在風(fēng)力作用下，藻類從低濃度的東北部向高濃度的西南部遷移，風(fēng)加劇了藻類聚集，但其間西麗水庫(kù)藻類處于低濃度狀態(tài)，因此不會(huì)引發(fā)藻華風(fēng)險(xiǎn)．2013年6月、8月以及2014年5月、6月主導(dǎo)風(fēng)為西南風(fēng)，促進(jìn)了水庫(kù)西部的高濃度藻類向東部遷移擴(kuò)散，有利于疏散高濃度藻團(tuán)，降低藻華風(fēng)險(xiǎn)．2013年4月、5月、7月以及2014年4月主導(dǎo)風(fēng)為東北風(fēng)或東北偏東風(fēng)，則會(huì)促進(jìn)藻類向西南庫(kù)區(qū)聚集，加劇藻華風(fēng)險(xiǎn)．10號(hào)采樣點(diǎn)位于西麗水庫(kù)西北角的狹長(zhǎng)庫(kù)灣區(qū)域，不論是東北風(fēng)還是西南風(fēng)，均不利于區(qū)域內(nèi)藻類輸散，爆發(fā)局部藻華的風(fēng)險(xiǎn)較高．此外，深圳地處東南沿海，汛期時(shí)有臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)，最大風(fēng)速為8．1～12．7 ms，極大可風(fēng)速可達(dá)14．5～24．3 ms，風(fēng)向?yàn)槲髂掀巷L(fēng)或西南風(fēng)．臺(tái)風(fēng)引發(fā)巨大波浪，促使表層藻類在垂直方向上劇烈運(yùn)動(dòng)，加上暴雨的沖刷作用，使得表層聚集的藻類快速回到中下層水體，降低藻類水華風(fēng)險(xiǎn)．

表1 西麗水庫(kù)風(fēng)速、風(fēng)向統(tǒng)計(jì)分析

2．3．2 流場(chǎng)對(duì)藻類遷移的影響

西麗水庫(kù)是典型的調(diào)水供水型水庫(kù)，接納大量的東江水并轉(zhuǎn)供給下游的鐵崗水庫(kù)，水體更新速度快于天然湖泊．圖6是水庫(kù)流場(chǎng)分布圖，受人工的供水和調(diào)水的影響，水庫(kù)流場(chǎng)空間差異大：在東江來(lái)水口、鐵崗水庫(kù)取水口以及河流入水口處，水體流速達(dá)0．020～0．025 ms，而死水區(qū)(7號(hào)采樣點(diǎn))水體流速為0．005 ms左右．與風(fēng)驅(qū)動(dòng)為主導(dǎo)因素的太湖流場(chǎng)0．005～0．010 ms的流速[24]相比，西麗水庫(kù)水體流速明顯偏高．低水力停留時(shí)間和高水體流速是西麗水庫(kù)保持較低藻類濃度的重要原因．

西麗水庫(kù)主導(dǎo)流向是東江進(jìn)水口(2號(hào)采樣點(diǎn))—西麗湖壩(3號(hào)采樣點(diǎn))—庫(kù)心(4號(hào)采樣點(diǎn))—西部庫(kù)區(qū)(8號(hào)采樣點(diǎn))．優(yōu)質(zhì)的東江來(lái)水自東北流向西南，確保了東半庫(kù)區(qū)水質(zhì)優(yōu)良，對(duì)西半庫(kù)區(qū)高濃度藻類起到稀釋作用．次主導(dǎo)流向是東江進(jìn)水口(2號(hào)采樣點(diǎn))—西麗湖壩(3號(hào)采樣點(diǎn))—庫(kù)心(5號(hào)采樣點(diǎn))—水廠取水口(6號(hào)采樣點(diǎn))，次主導(dǎo)流向流程短，不與河流交匯，外源污染少，確保水廠取水口水質(zhì)良好．白芒河入庫(kù)區(qū)域是西麗水庫(kù)藻類濃度最高的區(qū)域，該區(qū)域水體流速高，水體交換強(qiáng)烈，有利于藻類的擴(kuò)散，降低了局部藻類爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)．麻堪河來(lái)水中含有較高濃度的藻類，入庫(kù)后受到主導(dǎo)流場(chǎng)的影響，藻類向西南方向疏散．整體上看，西麗水庫(kù)水由藻類濃度低的東部庫(kù)區(qū)流向藻類濃度高的西部庫(kù)區(qū)，對(duì)西部和西北部庫(kù)區(qū)的高濃度藻類起到稀釋作用，但不利西部庫(kù)區(qū)高濃度的藻類向中東部擴(kuò)散．

注：箭頭是表示該點(diǎn)位水體流速的矢量，箭頭大小表示流速大小，箭頭方向表示流速方向．圖6 西麗水庫(kù)流場(chǎng)分布Fig．6 Flow field distribution of Xili Reservior

2．4ρ(Chla)與環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)性分析

2．4．1ρ(Chla)與水質(zhì)因子雙變量相關(guān)分析

表2反映了ρ(Chla)與水質(zhì)因子的相關(guān)關(guān)系．由表2可見(jiàn)，不同藻類與環(huán)境因子相關(guān)關(guān)系存在顯著差異．總藻、硅藻和綠藻的主要相關(guān)因子一致，按相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大小排序依次為水溫>pH>ρ(NO3--N)>ρ(Silicate)>ρ(TN)，其中ρ(Chla)與ρ(Silicate)負(fù)相關(guān)，與其他環(huán)境因子為正相關(guān)．藍(lán)藻ρ(Chla)與多個(gè)水質(zhì)因子存在較高相關(guān)性，依次是水溫>ρ(TOC)>pH>ρ(CODMn)>ρ(Silicate)>ρ(Fe)>透明度>ρ(TN)>濁度．

水溫對(duì)于藍(lán)藻、硅藻和綠藻的ρ(Chla)均是首要影響因子，這與Lü等[25]的研究結(jié)果相一致．西麗水庫(kù)汛期水溫為23～32 ℃，與藍(lán)藻的最適宜溫度范圍(25～33 ℃)重疊，容易爆發(fā)藍(lán)藻水華，因此汛期要加強(qiáng)對(duì)水溫和藍(lán)藻的監(jiān)測(cè)．水溫與硅藻和綠藻的相關(guān)性小于藍(lán)藻，原因可能是藍(lán)藻在適宜的水溫中大量增殖，在與硅藻、綠藻的競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)，一定程度上抑制了硅藻和綠藻的生長(zhǎng)．

pH與3種藻類均存在一定相關(guān)性．西麗水庫(kù)pH為6．51～8．76，汛期和旱期平均pH分別為7．89和7．25，呈現(xiàn)汛期高而旱期低的特點(diǎn)，這與藍(lán)藻的變化規(guī)律相一致．常淳等[26]在于橋水庫(kù)也發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律．Berge等[27]認(rèn)為，當(dāng)pH在6．5～8．5范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，藻類的生長(zhǎng)速率基本不變．西麗水庫(kù)pH變化可能是藻類增殖的結(jié)果而非原因，因?yàn)樵孱惖墓夂献饔煤秃粑饔玫壬顒?dòng)對(duì)pH影響顯著[28- 29]．白天光照充足，光合作用明顯大于呼吸作用，吸收CO2使水體pH升高．夜間以呼吸作用為主，生成CO2使pH降低．水質(zhì)和藻類的監(jiān)測(cè)是在白天進(jìn)行，因此檢測(cè)到高藻期間水體pH明顯升高．

西麗水庫(kù)ρ(TN)和ρ(TP)平均值分別為1．41、0．023 mgL，TNTP〔即ρ(TN)ρ(TP)〕約為61．相關(guān)分析顯示，ρ(Chla)與ρ(TN)存在一定相關(guān)性，與ρ(TP)無(wú)明顯相關(guān)性．西麗水庫(kù)ρ(TN)略低于天然湖泊，而ρ(TP)僅為其15左右[30]，營(yíng)養(yǎng)鹽處于較低水平．吳雅麗等[31]認(rèn)為，太湖春季藻類生長(zhǎng)的ρ(TP)閾值為0．059 mgL，而夏季藻類生長(zhǎng)旺盛，對(duì)TP需求量更高．與天然湖泊較高的藻類葉綠素a含量相比，西麗水庫(kù)藻類濃度明顯處于低水平，原因可能是ρ(TP)較低，在一定程度上限制了藻類大量生長(zhǎng)．

ρ(TOC)和ρ(CODMn)與藍(lán)藻相關(guān)性較高，可能的原因有：①高濃度的有機(jī)物為藻類增殖提供充足的碳源；②藍(lán)藻本身即為有機(jī)物，作為TOC和COD的一部分被檢測(cè)出來(lái)．透明度與藍(lán)藻負(fù)相關(guān)，濁度與藍(lán)藻正相關(guān)，說(shuō)明藍(lán)藻的爆發(fā)是水體濁度升高、透明度降低的重要原因．

表2 藻類ρ(Chla)與水質(zhì)因子Pearson相關(guān)系數(shù)

注：*表示在0．05水平上顯著相關(guān)；**表示在0．01水平上顯著相關(guān)．

2．4．2ρ(Chla)與水動(dòng)力和氣象因子雙變量相關(guān)分析

同一天各點(diǎn)位的水動(dòng)力因子和氣象因子數(shù)值相同，數(shù)據(jù)特征與水質(zhì)因子不同，因此單獨(dú)分析其與藻類ρ(Chla)的相關(guān)性．由表3可見(jiàn)，總藻、硅藻和綠藻的主要相關(guān)因子一致，依次為HRT>濕度>日照時(shí)數(shù)>氣壓，其中與HRT、濕度為正相關(guān)，與日照時(shí)數(shù)、氣壓為負(fù)相關(guān)．與藍(lán)藻相關(guān)的因子較多，依次為氣壓>濕度>氣溫>降水量>徑流量>HRT，其中與氣壓負(fù)相關(guān)，與其他因子正相關(guān)．HRT與3種藻類均存在較高的相關(guān)性，硅藻、綠藻與HRT相關(guān)性更高，并且水體流速與3種藻類均有一定的負(fù)相關(guān)性，說(shuō)明優(yōu)化水利調(diào)度，加快水體流動(dòng)性，降低HRT，是抑制藻類生長(zhǎng)的有效途徑．氣壓與3種藻類成負(fù)相關(guān)性，尤其是與藍(lán)藻相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0．692；濕度與3種藻類正相關(guān)，與藍(lán)藻相關(guān)系數(shù)高達(dá)0．624．目前還沒(méi)有氣壓、濕度與藻類生長(zhǎng)存在直接因果關(guān)系的報(bào)道．降水量、徑流與藍(lán)藻相關(guān)系數(shù)分別為0．441和0．422，是因?yàn)檠雌诮涤陮?duì)流域的沖刷，以地表徑流的形式將大量的藍(lán)藻和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)帶入水庫(kù)[18]．

表3 藻類ρ(Chla)與水動(dòng)力和氣象因子Pearson相關(guān)系數(shù)

Table 3 Pearson correlation coefficients between chlorophyll-a and hydrodynamicmeteorological factors

表3 藻類ρ(Chla)與水動(dòng)力和氣象因子Pearson相關(guān)系數(shù)

水動(dòng)力∕氣象因子ρ(Chla)總藻藍(lán)藻硅藻綠藻HRT0．423??0．366??0．423??0．423??水體流速-0．154?-0．179?-0．112-0．189?氣溫0．0490．472??0．0410．041氣壓-0．200??-0．692??-0．200??-0．201??日照時(shí)數(shù)-0．253??0．088-0．253??-0．253??濕度0．348??0．624??0．348??0．348??降水量0．0870．441??0．0830．083蒸發(fā)量-0．125-0．029??-0．126-0．124徑流量0．0510．422??0．0510．052風(fēng)速0．0250．138?0．0240．025

注：*表示在0．05水平上顯著相關(guān)，**表示在0．01水平上顯著相關(guān)．

2．4．3 葉綠素a與環(huán)境因子典范對(duì)應(yīng)分析

利用CCA研究了水質(zhì)、水動(dòng)力和氣象因子的綜合作用對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖7．F1特征值為0．079，解釋率為80．66%．水溫與F1軸關(guān)系最為密切，其次是氣溫，這說(shuō)明F1軸主要反映了溫度的變化．溫度是影響西麗水庫(kù)藻類生長(zhǎng)和分布的首要因子，藍(lán)藻和綠藻位于F1軸正方向，硅藻位于F1軸負(fù)方向，這說(shuō)明溫度的升高有利于藍(lán)藻和綠藻在水體中占優(yōu)勢(shì)，而對(duì)硅藻不利．即水溫升高后，藍(lán)藻和綠藻競(jìng)爭(zhēng)力高于硅藻．氣壓與F1軸顯著負(fù)相關(guān)，可能是由氣壓與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)這一氣象規(guī)律引起的．F2特征值為0．019，解釋率為19．34%．ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(Silicate)與F2軸最相關(guān)，因此F2軸代表了水體中的氮、磷和硅等營(yíng)養(yǎng)鹽成分．ρ(TN)位于F2軸負(fù)向而ρ(TP)和ρ(Silicate)位于正向，這說(shuō)明西麗水庫(kù)由氮鹽豐富態(tài)向磷鹽豐富態(tài)轉(zhuǎn)變更有利于藻類生長(zhǎng)，磷是西麗水庫(kù)的限制性營(yíng)養(yǎng)鹽．ρ(TOC)和ρ(CODMn)代表的有機(jī)物是藻類的第二大類影響因子，水體有機(jī)污染程度高的時(shí)期或區(qū)域中藻類生長(zhǎng)繁殖速度快．徑流量和降水量是藻類的第三大影響因子，這可能是因?yàn)榘酌⒑雍吐榇|河等河流污染相對(duì)嚴(yán)重，前汛期徑流將流域內(nèi)的大量藻類和有機(jī)物帶入水庫(kù)．ρ(Fe)與F2軸呈明顯的負(fù)相關(guān)性，因?yàn)镕e是藻類光合作用和新陳代謝的必要元素，對(duì)藻類生物量和生長(zhǎng)速率均有重要影響[32- 33]．日照時(shí)數(shù)、蒸發(fā)量、pH、ρ(NO3--N)和ρ(NH4+-N)對(duì)藻類的影響也比較微弱，ρ(DO)、HRT和透明度等與藻類沒(méi)有明顯相關(guān)性．

環(huán)境因子：DO—ρ(DO)；TOC—ρ(TOC)；COD—ρ(CODMn)；TP—ρ(TP)；TN—ρ(TN)； 氨氮—ρ(NH4+-N)；硝酸鹽氮—ρ(NO3--N)；鐵—ρ(Fe)；硅酸鹽—ρ(Silicate)．圖7 ρ(Chla)與環(huán)境因子CCA分析Fig．7 Canonical correspondence analysis of environmental factors and phytoplankton

3 結(jié)論

a)ρ(TChla)時(shí)間變化規(guī)律為前汛期>后汛期>高溫?zé)o雨期>溫度躍升期>冬季枯水期．硅藻在冬春季節(jié)占優(yōu)勢(shì)，藍(lán)藻在汛期占優(yōu)勢(shì)，綠藻全年處于低濃度水平．ρ(TChla)整體呈西北庫(kù)區(qū)高東南庫(kù)區(qū)低的分布規(guī)律，汛期白芒河入庫(kù)區(qū)域ρ(TChla)偏高(以藍(lán)藻為主)，是藻華高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)．8號(hào)采樣點(diǎn)由于農(nóng)業(yè)面源污染的進(jìn)入，在汛期也存在一定藻華風(fēng)險(xiǎn)，其他點(diǎn)位藻華風(fēng)險(xiǎn)較低．

c) Pearson相關(guān)分析和CCA結(jié)果基本一致，溫度是藻類生長(zhǎng)和分布的第一影響因子，TOC和COD代表的有機(jī)物以及徑流量和降水量分列第二位和第三位，磷是藻類生長(zhǎng)的限制性營(yíng)養(yǎng)鹽．藍(lán)藻的關(guān)鍵環(huán)境因子與硅藻、綠藻存在一定差異．

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Spatial and Temporal Characteristics of Chlorophyll-a and Influencing Factors in Xili Reservoir

SONG Yunlong1， ZHANG Jinsong1*， ZHU Jia2， GAO Jingsi1， WANG Li3， TAO Yi4， ZHANG Li5

1．School of Civil and Environment Engineering， Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School， Shenzhen 518055， China 2．School of Architectural and Environmental Engineering， Shenzhen Polytechnic， Shenzhen 518055， China 3．Shenzhen Water Quality Testing Center， Shenzhen 518055， China 4．Graduate School at Shenzhen， Tsinghua University， Shenzhen 518055， China 5．Shenzhen National Climate Observatory， Shenzhen 518040， China

A fifteen-month field observation was conducted from April 2013 to June 2014 in Xili Reservoir，a public drinking water supply reservoir in Shenzhen．The spatial and temporal distribution of environmental factors and chlorophyll-a concentration were studied，and their relationship was analyzed．The results indicated that the average ofρ(TChla)was 16．84 μgL，ranging from 2．65-60．35 μgL．The annual averageρ(Chla)of Cyanophyta was 7．34 μgL，ranging from 0．77-30．58 μgL．The annual averageρ(Chla)of Bacillariophyta was 7．81 μgL，ranging from 0．77-31．62 μgL．The annual averageρ(Chla)of Vhlorophyta was 3．31 μgL，ranging from 0．77-12．71 μgL．Cyanophyta was the primary species in the rainy season，while Bacillariophyta was the primary species in the other months．There was obvious spatial heterogeneity in the community of phytoplankton at Xili Reservoir．Chlorophyll-a concentration decreased gradually from the northwest to the southeast．In the rainy season，ρ(Chla)near Baimang River was very high，and there was a risk of algal blooming．Wind blew at 2．7 ms from the southwest in the rainy season．As a result，phytoplankton moved in the wind′s direction，reducing the risk of algal blooming in the western reservoir．The spatial heterogeneity of flow field at Xili Reservoir was obvious．The water flow rate was 0．005-0．025 ms，and the leading flow was from the northeast to the southwest．High concentrations of algae in the western part of Xili Reservoir were diluted by the leading flow．The results of Pearson correlation analysis and canonical correspondence analysis revealed that water temperature(WT)，ρ(TOC)and rain capacity were the most significant factors for algal blooms．Phosphorus was the restricting factor of algae growth．

Xili Reservoir； chlorophyll-a； temporal and spatial variations； environmental factors； correlation analysis； canonical correspondence analysis

2016- 10- 02

2016- 11- 29

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201301047)；深圳科技創(chuàng)新項(xiàng)目基礎(chǔ)研究(JCYJ20140508155916418)

宋云龍(1983-)，男，山東威海人，songyunlongwater@163．com．

*責(zé)任作者，張金松(1963-)，男，黑龍江哈爾濱人，教授，博士，主要從事飲用水安全保障研究，zhangjinsong@waterchina．com

X524

1001- 6929(2017)04- 0510- 10

A

10．13198j．issn．1001- 6929．2017．01．70

宋云龍，張金松，朱佳，等．西麗水庫(kù)葉綠素a時(shí)空分布特征及其影響因素[J]．環(huán)境科學(xué)研究，2017，30(4)：510-519.

SONG Yunlong，ZHANG Jinsong，ZHU Jia，etal．Spatial and temporal characteristics of chlorophyll-a and influencing factors in Xili Reservoir[J]．Research of Environmental Sciences，2017，30(4)：510-519.