周瑆玥，黃剛，朱書景

(湖北大學資源環(huán)境學院，湖北武漢430062)

自2003年三峽水庫蓄水后小江流域富營養(yǎng)化越來越嚴重，頻繁爆發(fā)水華現(xiàn)象，尤其在春夏和夏秋的季節(jié)交替時期較為嚴重[1]，且隨著時間的推移，小江流域水華現(xiàn)象呈現(xiàn)時間提前、頻次增多和范圍擴大等趨勢[2]。2016年三峽庫區(qū)38條主要支流富營養(yǎng)化程度較為嚴重，水華現(xiàn)象大多發(fā)生在3—10月[3]。小江是位于三峽庫區(qū)北岸的一條極為重要的支流，從云陽縣雙江鎮(zhèn)匯入長江，流域面積約5 200 km2，河長182.4 km，天然落差近1 600 m，流經(jīng)渠口、養(yǎng)鹿、高陽、黃石、雙江等眾多鎮(zhèn)市。小江流域水體的污染情況也將影響周邊水環(huán)境質(zhì)量和附近居民生活用水和景觀用水等，因此對于三峽庫區(qū)支流的富營養(yǎng)化研究愈發(fā)重要。

近年來對于三峽庫區(qū)的研究多從水質(zhì)中營養(yǎng)物質(zhì)的匯集狀況以及浮游植物群落的變化特征這方面入手，根據(jù)水體中葉綠素a、總氮、總磷、透明度等數(shù)據(jù)判斷水體受污染程度是較為常用的方法[4]，而通過三峽水庫區(qū)浮游植物和周邊植被群落分布特點來反應水體水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境狀況的研究也正在逐漸開展[5-6]。而磷作為水體富營養(yǎng)化的一個重要因素，是浮游植物繁殖的必需元素，也是評價浮游植物現(xiàn)存量的一個重要指標，浮游植物體內(nèi)磷含量會隨著水體營養(yǎng)水平的提高呈現(xiàn)規(guī)律性的變化[7]。因此,通過研究浮游植物體內(nèi)總磷含量的變化可以對水華消長的規(guī)律進行分析。但是,目前通過直接測定浮游植物體內(nèi)總磷含量，在三峽庫區(qū)水位變化的條件下評估三峽水庫小江流域水質(zhì)及環(huán)境變化的研究卻鮮見報道。

本文通過取樣檢測實驗分析的方式，對三峽庫區(qū)小江流域浮游植物在不同水位時期體內(nèi)總磷的變化特征進行了分析，同時對小江流域各監(jiān)測斷面的水質(zhì)進行測定，旨在了解在三峽庫區(qū)水位變化的情況下小江流域水華現(xiàn)象的時空分布特征，研究兩者的相關(guān)性，為三峽庫區(qū)支流水體的水華特征識別及防治提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 采樣點布置

2017年12月、2018年3和6月在小江流域設置5個采樣點，分別位于渠口(上游Ⅰ)、養(yǎng)鹿(上游Ⅱ)、高陽(中游Ⅰ)、黃石(中游Ⅱ)、雙江(下游)，見圖1。

圖1 采樣斷面位置

1.2 樣品采集與分析

水質(zhì)監(jiān)測指標為總氮、總磷，利用采樣器在水下0.5 m處進行采樣?？偟捎肎B 11894—1989《水質(zhì)總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》硫酸鉀-紫外分光光度法測定；總磷采用GB/T 11893—1989《水質(zhì)總磷的測定鉬酸銨分光光度法》鉬酸銨分光光度法測定[8]。

浮游植物的采集分為定性和定量兩步，用浮游生物采集網(wǎng)在水中畫“∞”進行采集，所采集水樣用4 %福爾馬林溶液固定，將浮游植物進行過濾及脫水處理。

對樣品采用過硫酸鉀-鉬酸銨分光光度法進行樣品中總磷的測定。利用式(1)進行計算[9]。

(1)

式中Wp——固體樣品中總磷的含量，%；C——標準曲線上查取得總磷含量，μg；50——固體樣品經(jīng)過硫酸鉀氧化消解后稀釋的體積，ml；V——上清液吸取體積，ml；m——稱取的固體樣品的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 三峽水庫水位變化

通過中華人民共和國長江海事局收集資料可知三峽庫區(qū)歷年水位變化，選取2017年12月、2018年3月以及6月的每日水位變化數(shù)據(jù)，同時選取2017年11月至2018年10月的月水位變化，見圖3。

圖2 2017年12月、2018年3月、2018年6月每日水位變化

圖3 三峽庫區(qū)全年 (2017年11月至2018年10月)水位變化

由圖3可知，三峽庫區(qū)水位在1—6月的時候呈下降趨勢，在6月份的時候三峽庫區(qū)水位達到最低水位(145.34 m)，在6—12月的時候呈上升趨勢，其中在9—12月為緩慢上升。

對于三峽庫區(qū)支流來說，即在小江流域，水中的N、P是影響水體富營養(yǎng)化的主要因素。但是有學者在對比了三峽水庫蓄水前后的環(huán)境變化，發(fā)現(xiàn)水體中的營養(yǎng)鹽以及氣候條件均沒有發(fā)生顯著的變化[10]。然而在三峽水庫蓄水后，庫區(qū)頻繁爆發(fā)水華現(xiàn)象且主要集中在支流庫灣，而在干流極為少見，并且水華主要爆發(fā)時間集中在春夏秋三季，冬季極為少見。因此，在一些早期的研究中，有學者認為水華現(xiàn)象的爆發(fā)是由于三峽水庫建設工程導致的支流流速緩慢造成的[11]。對比水庫蓄水前后，在營養(yǎng)鹽、季節(jié)性引起的溫度和光照等因素沒有較大變化的情況下，由圖3可以看出，具有顯著變化的水動力條件或許是小江流域水華爆發(fā)的一個主要誘因。

2.2 小江流域水質(zhì)的變化

實驗期間對小江流域水質(zhì)指標總磷、總氮進行測定，渠口、養(yǎng)鹿、高陽、黃石、雙江5個斷面的TP、TN數(shù)據(jù)見圖4、5。

圖4 小江流域各斷面水中TP變化

圖5 小江流域各斷面水中TN變化

水質(zhì)指標中TP、TN是衡量一個水體富營養(yǎng)化程度的重要指標，由圖4、5可知，3月時小江流域各監(jiān)測斷面的TP和TN含量最高，以渠口為例，其TP、TN指數(shù)分別為0.132、3.210 mg/L，而12月最低。同時從變化趨勢可以看出高陽地區(qū)的TP、TN含量高于其他地區(qū)，3月時分別達到0.161、3.450 mg/L，黃石次之，可以認為高陽和黃石地區(qū)水體富營養(yǎng)程度相較其他地區(qū)高，即小江流域中游地區(qū)較易發(fā)生水體的富營養(yǎng)化。

2.3 三峽庫區(qū)水位變化對小江流域水華的影響

自三峽庫區(qū)蓄水以來，有學者對三峽庫區(qū)小江流域的浮游植物群落組成進行了探究，其主要以綠藻類為主，藍藻和硅藻類次之[12]。本文選取2017年12月以及2018年的3月及6月對渠口、養(yǎng)鹿、高陽、黃石、雙江五處的浮游植物并對其體內(nèi)總磷的含量進行了測定，見表1、圖6。

表1 浮游植物體內(nèi)總磷含量 單位：%

注：表中數(shù)據(jù)為平均值。

圖6 浮游植物體內(nèi)總磷含量

在3月份的時候，各取樣點所采取的浮游植物體內(nèi)總磷含量最高，分別達到了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，有學者對三峽庫區(qū)支流水華現(xiàn)象進行了研究，根據(jù)多年的富營養(yǎng)化監(jiān)測資料表明，每年的春季(3—5月)都是支流回水區(qū)富營養(yǎng)化的一個主要的時期[13]，而秋季支流富營養(yǎng)化的水平相交春季較低[14]。由圖6可以看出，在3月份的時候，對比6月及12月，浮游植物體內(nèi)總磷含量最高。磷是浮游植物生長繁殖的一個主要的元素，而植物體內(nèi)總磷含量也可以直接指示藻類的現(xiàn)存量以及繁殖的強度，更可以直接觀測到水華現(xiàn)象發(fā)生的程度。因此，由圖6可以看出，在3月小江流域水華發(fā)生及富營養(yǎng)化的程度最高，其次6月份時測得的浮游植物體內(nèi)總磷的含量也要高于12月，則6月份水華發(fā)生的現(xiàn)象也要高于12月，同時在同一時段內(nèi)小江流域中游爆發(fā)水華現(xiàn)象的幾率也是最高，這與小江流域水質(zhì)指標TP、TN的變化趨勢一致。

由圖2、3得出，在3月的時候三峽庫區(qū)水位正處在迅速下降趨勢，到6月達到最低點，12月的時候庫區(qū)水位處于緩慢上升的趨勢。在三峽庫區(qū)泄水過程中，小江流域的流速和流量均在逐漸減少。潘曉潔等[15]通過流速、流量和浮游植物細胞密度的回歸分析結(jié)果表明，在泄水過程中浮游植物密度與流速、流量呈負相關(guān)關(guān)系，與本次研究結(jié)果相符合。由于三峽庫區(qū)獨特的河道型水庫特點，使得該水域的生態(tài)環(huán)境和水動力變化不同于一般的湖泊，更與天然河道有著明顯的差別，庫區(qū)水位的調(diào)動更容易影響該流域水流流速等方面的變化，對水華的爆發(fā)產(chǎn)生一定的影響。在3月水庫泄水時，庫區(qū)水位較低，小江流域流速和流量下降，水體自凈稀釋能力下降，同時水體的滯留時間變長，水體中的沉淀物質(zhì)更容易沉降，營養(yǎng)鹽更容易被浮游植物吸收，以致浮游植物體內(nèi)總磷含量的增加，使浮游植物大量繁殖生長，出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化及水華現(xiàn)象。因此，當小江流域流速和流量下降的時候，更容易發(fā)生水華現(xiàn)象，可以認為，水庫蓄水產(chǎn)生的緩流態(tài)是水華現(xiàn)象發(fā)生的直接誘因。而在12月的時候，庫區(qū)水位增高且處于緩慢上升的趨勢，小江流域流量較高，由于水體的流動性較強，流速較快，水體富營養(yǎng)化不明顯，很少會發(fā)生水華現(xiàn)象，由本次研究的結(jié)果也可看出，在12月時浮游植物體內(nèi)總磷含量較低，這與小江流域水質(zhì)中TP、TN的變化趨勢一致。

2.4 庫區(qū)水位變化對小江流域上、中、下游水華現(xiàn)象的影響

由圖4、5、6可知，中游Ⅰ、Ⅱ處采樣點的水質(zhì)指標和浮游植物體內(nèi)總磷含量遠高于上游和下游，說明在小江流域中游處爆發(fā)水華的幾率和頻率要大于上游和中游。這是由于在上游處水體的流動性較中游更強，水體中的營養(yǎng)物質(zhì)凈化較快，濃度較低，比較中游發(fā)生水華的頻率要低。而在下游處由于和長江相接，支流流入長江，與長江水相混合，水中的營養(yǎng)物質(zhì)得到稀釋，因此發(fā)生水華的幾率要低。

通過比較三峽庫區(qū)水位的變化與上、中、下游5處采樣點水質(zhì)和浮游植物體內(nèi)總磷的變化，發(fā)現(xiàn)當水位發(fā)生變化時，無論升降，對于小江流域中游水華現(xiàn)象的影響要大于上游和下游。對比6月和12月時，當庫區(qū)水位上升后，中游水體浮游植物體內(nèi)總磷含量驟降，幅度大于上游和中游，說明當庫區(qū)水位上升后，水體流速加快，中游水華現(xiàn)象得到極大的改善。

3 結(jié)論

從本次研究中，得出以下結(jié)論。

a) 當三峽庫區(qū)水位較低(163 m)時所測得的浮游植物體內(nèi)總磷含量最高，達到了0.707 7%(中游Ⅰ)；當三峽庫區(qū)水位較高(173 m)時所測得的浮游植物體內(nèi)總磷含量最低，為0.038 6%(上游Ⅱ)。

b) 小江流域各監(jiān)測斷面在3月份的TP和TN含量最高，而12月份最低，這與小江流域水華現(xiàn)象發(fā)生的時間變化規(guī)律一致，而小江流域中游水質(zhì)的TP、TN與上、下游相比較高。

c) 小江流域水華現(xiàn)象的發(fā)生規(guī)律與三峽庫區(qū)水位變化有一定聯(lián)系，水動力條件的變化是水華現(xiàn)象發(fā)生的一個主要原因，當庫區(qū)水位較低(低于163 m)且持續(xù)下降時，小江流域水華現(xiàn)象爆發(fā)頻繁，而在三峽庫區(qū)水位較高(高于173 m)時極少爆發(fā)水華。

d) 水華現(xiàn)象在小江流域中游發(fā)生最為頻繁，同時三峽庫區(qū)水位的變化對小江流域中游水華現(xiàn)象的發(fā)生影響最大，上、下游次之。