夏 瑞,張 遠(yuǎn),王 璐,張永勇，竇 明，喬云峰，張孟衡*

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012 2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101 3.鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450001

河流水華是近年來(lái)全球新顯現(xiàn)的流域水生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，由于其相對(duì)于湖泊和水庫(kù)在流域中的涉及范圍和尺度更大，通常造成的負(fù)面影響和后果也更加嚴(yán)重[1-4].漢江作為我國(guó)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶中游的重要組成部分和南水北調(diào)中線工程的水源地，近10年來(lái)多次暴發(fā)的嚴(yán)重水華事件在全球范圍內(nèi)的其他大型河流中鮮有發(fā)生[5-6].隨著舉世矚目的南水北調(diào)中線工程于2014年正式通水運(yùn)行，今后高強(qiáng)度人類活動(dòng)對(duì)我國(guó)流域及區(qū)域大尺度水文循環(huán)過(guò)程的影響將更加顯著，大型河流水華暴發(fā)與水文、水環(huán)境和水生態(tài)之間相互影響作用過(guò)程中一些新的科學(xué)問(wèn)題亟待研究和探索[7-9].

當(dāng)前主流觀點(diǎn)認(rèn)為，導(dǎo)致河流水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵要素包括營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷、水文條件、溫度和光照等[10-11].近年來(lái)，河流生態(tài)學(xué)家通過(guò)實(shí)際案例研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化中氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽、溫度和光照是主要限制因子的結(jié)論，大型河流水體水華暴發(fā)通常與水文情勢(shì)的變化密切相關(guān)[12-13].如Jeong等[13]研究發(fā)現(xiàn)，韓國(guó)洛東江大壩的下泄水量和流速與硅藻中冠盤藻和銅綠微囊藻的水體生長(zhǎng)滯留時(shí)間相關(guān)性顯著；Huber等[14]通過(guò)分析德國(guó)Muggelsee河水華暴發(fā)的特征趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)低流速下的營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)河流中硅藻生長(zhǎng)的影響限制減弱，即使污染負(fù)荷減少水華現(xiàn)象依然發(fā)生；其他研究[15-16]表明，水體擾動(dòng)可以通過(guò)改變河流泥沙含量、水體流動(dòng)性和藻類運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等，進(jìn)而影響藻類營(yíng)養(yǎng)鹽吸收、藻類聚集和擴(kuò)散；Bonacci等[17-18]研究發(fā)現(xiàn)，在枯水期河流通常容易發(fā)生水華現(xiàn)象，且相比于非水華暴發(fā)期河流水位更低；Matos等[19]針對(duì)人類活動(dòng)對(duì)河流水量季節(jié)性變化的影響，研究了不同水文情勢(shì)下的河流富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生概率，辨析了可能導(dǎo)致水華暴發(fā)的關(guān)鍵要素；Lee等[20]通過(guò)研究韓國(guó)松島市人造海水運(yùn)河水力特性對(duì)河流藻類生長(zhǎng)趨勢(shì)的影響，發(fā)現(xiàn)河流水華暴發(fā)的位置受滯水面積和垂向流速的影響較為顯著，河道中藻密度通常與水文條件和營(yíng)養(yǎng)鹽的攝入密切相關(guān).此外，許多國(guó)內(nèi)學(xué)者專門圍繞漢江水華暴發(fā)的多個(gè)可能影響因素開(kāi)展研究[21-28]，為識(shí)別大型河流水華的特征和成因提出了重要的成果和理論基礎(chǔ).如竇明等[21]通過(guò)分析1992—1998年漢江下游水文、水質(zhì)和溫度等要素的變化特征，初步識(shí)別了可能導(dǎo)致漢江下游水華暴發(fā)的關(guān)鍵要素及其演變規(guī)律；謝平等[22]研究了多種調(diào)水情境下漢江中下游多個(gè)環(huán)境要素的變化特征和趨勢(shì)，結(jié)果表明丹江口下泄流量的改變對(duì)漢江下游水華暴發(fā)的影響最為嚴(yán)重；XIA等[5]針對(duì)可能導(dǎo)致漢江水華暴發(fā)的多要素構(gòu)建了河流富營(yíng)養(yǎng)化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，識(shí)別了溫度和降雨變化對(duì)河流水華的重要增益作用；殷大聰?shù)萚23]研究了2011年漢江中下游水華暴發(fā)優(yōu)勢(shì)種硅藻的生物學(xué)特性，提出了可能導(dǎo)致河流水華暴發(fā)的水文和水環(huán)境參數(shù)的閾值.

河流型水華通常伴隨著高強(qiáng)度人類活動(dòng)和氣候變化的雙重影響，是一個(gè)復(fù)雜要素影響下的水生態(tài)系統(tǒng)問(wèn)題[3,25-30].然而，當(dāng)前多數(shù)針對(duì)河流型水華的研究主要是基于室內(nèi)試驗(yàn)或某幾年的短期監(jiān)測(cè)資料得出的結(jié)論，對(duì)于可能導(dǎo)致大型河流水華暴發(fā)的多要素變化趨勢(shì)和特征缺乏綜合研判[23].該研究面向我國(guó)南水北調(diào)中線工程影響區(qū)的漢江下游典型河流水華的特征識(shí)別問(wèn)題，基于系統(tǒng)收集的長(zhǎng)時(shí)間序列氣象、水文、水環(huán)境和水生態(tài)的定量化匹配數(shù)據(jù)，利用多種數(shù)學(xué)分析方法，對(duì)可能導(dǎo)致漢江下游水華暴發(fā)的影響因子開(kāi)展特征檢測(cè)，探析不同水華暴發(fā)時(shí)期主要驅(qū)動(dòng)因素的變化差異，以期為揭示大型河流水華暴發(fā)成因和優(yōu)化上游水利工程調(diào)度提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與漢江水華暴發(fā)事件

圖1 漢江流域中下游基本概況Fig.1 Overview of the middle and lower reaches of Hanjiang River Basin

漢江是長(zhǎng)江的第一大支流，位于106°E～114°E、30°N～34°N之間，全河長(zhǎng)約 1 570 km，其上、中、下游分別以丹江以上950 km、鐘祥以上230 km以及鐘祥以下至漢江河口(武漢)約380 km為界，漢江中下游流域基本概況如圖1所示.近年來(lái)，漢江下游河段水文情勢(shì)由于受堤岸影響相對(duì)較為穩(wěn)定，豐水期和枯水期河寬分別約為400和100 m.漢江中下游多年平均氣溫為15～17 ℃.漢江多年平均流量約 1 700 m3/s，通常在7—8月之間可達(dá)到峰值；枯水期為11月—翌年6月，徑流量占全年的35%，其中冬末春初流量最低，約不到全年的2%.由于下游河口附近受長(zhǎng)江上游來(lái)水和降雨季節(jié)性影響，流域全年徑流變化十分顯著，不同水期最小和最大徑流差約6倍，歷史上洪水災(zāi)害發(fā)生頻繁.

1992—2018年漢江下游水華暴發(fā)主要事件特征如表1所示.歷史監(jiān)測(cè)和相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果表明：①漢江于1992年2月中旬在中下游首次暴發(fā)水華以來(lái)，此后于1998年、2000年、2003年、2008—2011年、2012年、2016—2018年同期暴發(fā)過(guò)大規(guī)模水華，迄今為止有11次之多，尤其近10年來(lái)發(fā)生更為頻繁；當(dāng)漢江水體藻密度大于1.0×107L-1時(shí)，河流呈現(xiàn)較為明顯的水華特征[21,23,31-32].②自1992年首次暴發(fā)水華以來(lái)，漢江多數(shù)水華事件僅發(fā)生在每年2—3月的春初時(shí)段，多為枯水期.③相比較一般的湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題，漢江河流型水華暴發(fā)的范圍(50～400 km)更廣，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)(1—4月均有發(fā)生)，一次通常持續(xù)10～15 d，且頻次更高(1個(gè)月內(nèi)多次暴發(fā)).④歷史上漢江下游武漢段水華以硅藻水華為主，優(yōu)勢(shì)種多為小環(huán)藻和冠盤藻，近10年來(lái)部分河段偶有綠藻為優(yōu)勢(shì)種群的情況，藻密度自丹江口水庫(kù)以下干流河段呈逐漸增加的趨勢(shì).⑤研究[33]發(fā)現(xiàn)，漢江下游(襄樊段以下)水體中的TN和硅酸鹽等營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷長(zhǎng)期處于較高飽和水平，已經(jīng)滿足春季暴發(fā)硅藻水華所需的基本條件.

表1 漢江下游水華事件特征Table 1 Characteristics of algal bloom events in downstream of Hanjiang River

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

選取漢江下游水華發(fā)生最為頻繁和嚴(yán)重的武漢市區(qū)河段(白鶴嘴—琴斷口—宗關(guān))為研究對(duì)象，系統(tǒng)收集了2004—2014年漢江流域和中下游干流的氣象、水文、水質(zhì)和藻類同步匹配數(shù)據(jù)，包括全流域1960—2015年15個(gè)氣象站和雨量站逐日數(shù)據(jù)，1965—2013年漢江中下游的7個(gè)水文站逐日水位和流量數(shù)據(jù)，以及2004—2014年漢江下游水華暴發(fā)最為頻繁的武漢段，包括白鶴嘴—琴斷口—宗關(guān)3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的逐月(上、中、下旬)水環(huán)境和水生態(tài)數(shù)據(jù)，水環(huán)境指標(biāo)選取可能影響河流水華暴發(fā)過(guò)程中藻類生長(zhǎng)所需的TP、TN、水溫以及能夠參考表征水體富營(yíng)養(yǎng)化的Chla、CODMn等5項(xiàng)指標(biāo)，水生態(tài)指標(biāo)選取藻密度，其中在11年期間匹配的資料主要在2月、3月、4月、9月和10月的上、中、下旬，每個(gè)斷面單項(xiàng)指標(biāo)有165組數(shù)據(jù)，武漢段3個(gè)斷面共計(jì)495組數(shù)據(jù).

1.3 分析方法

采用的分析方法主要包括MK檢驗(yàn)(Mann-Kendall)和突變分析.MK檢驗(yàn)是當(dāng)前用于分析長(zhǎng)序列氣象和水文變化的一種非參數(shù)方法，能夠分析大量長(zhǎng)時(shí)間序列的非正態(tài)分布的樣本數(shù)據(jù)，并不受少數(shù)異常值和是否為線性條件的影響.基本計(jì)算公式：

(1)

(2)

式中，S為MK檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)變量，n為時(shí)長(zhǎng)，Xj和Xk分別為相應(yīng)的水文時(shí)段，Sgn(Xj-Xk)為階躍函數(shù).

當(dāng)n>10時(shí)，正態(tài)系統(tǒng)變量計(jì)算見(jiàn)式(3).

(3)

基于式(3)，當(dāng)滿足Z為正態(tài)分布條件，并且α置信水平上的|Z|≥Z1-α2時(shí)，統(tǒng)計(jì)變量Z的絕對(duì)值越大則說(shuō)明目標(biāo)變化趨勢(shì)越顯著；采用當(dāng)前較為常用的置信度為95%(α=0.05)的雙尾顯著檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn).此外，MK突變分析可用于識(shí)別某個(gè)時(shí)期變量的關(guān)鍵突變過(guò)程，從而計(jì)算變量的主要變化周期節(jié)點(diǎn)和趨勢(shì).其中對(duì)具有n個(gè)樣本的時(shí)間序列計(jì)算公式見(jiàn)式(4)～(8)：

(4)

(5)

(6)

E(Sk)=k(k+1)/4

(7)

Var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72

(8)

式中，UFk為基于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布并基于X時(shí)間序列計(jì)算的統(tǒng)計(jì)系列，顯著水平α.通常UFk的正負(fù)值代表趨勢(shì)的上升或下降，與UBk曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列節(jié)點(diǎn)則為突變時(shí)段.

注：兩個(gè)虛線之間為置信區(qū)間.下同.圖2 1961—2015年漢江下游年均降雨量和年均氣溫的變化趨勢(shì)與突變分析Fig.2 Annual average rainfall variation trend and mutation test in downstream of Hanjiang River during 1961-2015

2 結(jié)果與討論

2.1 漢江中下游氣候要素變化特征

基于漢江流域中下游年均降雨量(1961—2015年)和年均氣溫(1961—2012年)長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，對(duì)漢江下游多年氣候變化特征開(kāi)展MK檢驗(yàn)和突變分析，辨識(shí)近50年來(lái)漢江下游區(qū)域降雨量和氣溫變化趨勢(shì)，結(jié)果如表2所示.由表2可見(jiàn)：1961—2015年流域年均降雨量總體變化趨勢(shì)未通過(guò)顯著性水平為5%的檢驗(yàn)(Z=0.039)，總體變化呈不顯著下降趨勢(shì)；1961—2010年漢江下游年均氣溫Z絕對(duì)值為5.698，通過(guò)了99%(2.576)的顯著度檢驗(yàn)，說(shuō)明近50年漢江下游氣溫上升趨勢(shì)十分顯著.

表2 1961—2015年漢江下游年均降雨量和年均氣溫MK檢驗(yàn)Table 2 The MK nonparametric test of annual average rainfall in downstream of Hanjiang River during 1961-2015

注：1) 為1961—2015年的數(shù)據(jù)；2) 為1961—2012年的數(shù)據(jù).

年均降雨量變化趨勢(shì)突變分析結(jié)果(見(jiàn)圖2)表明，1961—2015年漢江下游年均降雨量變化趨勢(shì)不顯著，自20世紀(jì)60年代至70年代初達(dá)到峰值，80年代后期呈起伏振蕩狀態(tài)，并于2003年之后呈現(xiàn)一定程度的下降.UF和UB曲線基本位于0.05置信區(qū)間范圍內(nèi)，交點(diǎn)主要發(fā)生在2008年，之后呈顯著下降趨勢(shì)，說(shuō)明在漢江頻繁暴發(fā)水華的近15年期間漢江下游降雨量相比較1961—1999年有一定程度減弱.

年均氣溫變化趨勢(shì)突變分析結(jié)果(見(jiàn)圖2)表明，1991—2010年漢江下游年均氣溫上升趨勢(shì)顯著，比1961—1990年平均上升了1.13 ℃，氣候變暖特征明顯.UF和UB曲線交點(diǎn)主要發(fā)生在1989年，說(shuō)明自1989年以后漢江下游氣溫發(fā)生突變，進(jìn)入溫度顯著上升周期，并于2005年左右達(dá)到峰值后下降明顯.鑒于漢江下游于1992年和2008年前后均暴發(fā)了嚴(yán)重的水華事件，且流域年均氣溫和年均降雨量分別在1990年和2008年前后發(fā)生突變，說(shuō)明漢江下游氣候變化尤其是短時(shí)的降雨和氣溫突變過(guò)程將可能對(duì)水華的暴發(fā)產(chǎn)生較大影響.

2.2 漢江中下游水文要素變化特征

在流域氣候要素特征分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步針對(duì)漢江中下游黃家港、皇莊、沙洋、仙桃水文站4個(gè)斷面的徑流過(guò)程開(kāi)展分析.漢江下游水文站流量變化MK檢驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表3)表明，漢江下游河道流量在1965—2013年總體變化趨勢(shì)不明顯，但其中黃家港和仙桃的Z絕對(duì)值接近顯著水平，說(shuō)明可能受丹江口水庫(kù)下泄流量減少影響，漢江中下游和下游流量呈現(xiàn)一定的下降趨勢(shì).

表3 1965—2013年漢江下游主要水文站流量變化MK檢驗(yàn)Table 3 Flow variation MK test of main hydrological stations in downstream of Hanjiang River during 1965-2013

漢江中下游水文趨勢(shì)突變分析結(jié)果(見(jiàn)圖3)表明，1965—2013年漢江中下游徑流量變化自20世紀(jì)90年代前經(jīng)歷過(guò)多次較為強(qiáng)烈的豐枯水期交替過(guò)程，其中從20世紀(jì)60年代末至80年代初是豐水期，1985年后至今受丹江口水庫(kù)來(lái)水影響顯著下降.此外，受丹江口水庫(kù)下泄流量影響，黃家港河段流量變化較其他下游水文站的流量變化更加顯著，其UF和UB曲線相交于1985年和2009年，表明自1985年后流量呈顯著下降趨勢(shì)；其余河段包括下游皇莊、沙洋和仙桃的流量總體突變結(jié)果相似，UF和UB曲線相交于1990年和2009年，表明漢江下游徑流過(guò)程在1990年和2009年前后發(fā)生明顯突變，1990年以后下游總體流量呈顯著下降趨勢(shì)，與漢江1992年后的水華暴發(fā)時(shí)間較為吻合.

為進(jìn)一步辨識(shí)漢江下游水文情勢(shì)在不同年代周期的特征，針對(duì)1965—2013年漢江下游主要水文站的年均流量和距平變化開(kāi)展分析，以10 a為1個(gè)周期，其中以1965—1969年丹江口水庫(kù)改造時(shí)相對(duì)自然條件下的黃家港水文站徑流變化過(guò)程為基準(zhǔn)時(shí)段做比較，結(jié)果如表4所示.

圖3 1965—2013年漢江中下游主要水文站年均徑流量變化突變分析Fig.3 Annual average water flow mutation in Middle and lower reaches of the Hanjiang River during 1965-2013

由表4可見(jiàn)：1970—1979年漢江中下游皇莊和沙洋水文站的年均流量減少趨勢(shì)最明顯；1980—1989年漢江下游主要水文站的年均流量均呈上升趨勢(shì)，其中增加最明顯的是皇莊，增加了29.94%，變化最小的是沙洋，增加了24.73%；1990—1999年年均流量均呈大幅減少趨勢(shì)，其中離丹江口水庫(kù)最近的黃家港變化最大，減少了26.71%，變化最小的是皇莊，減少了13.05%；2000—2009年年均流量均呈減少趨勢(shì)，其中黃家港降幅最大，減少了13.91%；沙洋變化最小，減少了1.34%；2010—2013年年均流量總體呈上升趨勢(shì)，其中黃家港升幅最大，達(dá)16.64%，仙桃變化最小，減少了5.09%.近20年漢江下游年均流量主要呈下降趨勢(shì)，2010—2013年有所回升，其中變幅最大的是離丹江口水庫(kù)最近的黃家港河段.綜上，自1992年漢江下游武漢段發(fā)生水華以來(lái)，距離武漢段上游最近的仙桃水文站多年平均流量在之后的20年內(nèi)共計(jì)減少了約10%，其中1990—1999年減少了14%，2000—2009年減少了5.93%；而以上2個(gè)時(shí)間段正是水華暴發(fā)最嚴(yán)重的2個(gè)時(shí)期.

2.3 漢江下游水環(huán)境要素變化特征

表4 1965—2013年漢江下游主要水文站的流量變化Table 4 Hydrological variations in downstream of Hanjiang River during 1965-2013

圖4 2004—2014年春季江下游武漢段水環(huán)境要素變化特征趨勢(shì)Fig.4 Changes of water quality factors in Wuhan section of downstream Hangjiang River during the spring of 2004-2014

在漢江中下游長(zhǎng)序列尺度氣候和水文變化分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析2004—2014年漢江下游武漢段水環(huán)境指標(biāo)的特征，結(jié)果如圖4所示.由圖4可見(jiàn)：2004—2014年春季漢江下游武漢段ρ(Chla)呈振蕩起伏變化，并于2008年以后趨于平穩(wěn)，其中2007—2013年ρ(Chla)較2004—2007年有較大幅度上升，高值出現(xiàn)在2006年、2009年、2012年和2013年春季，從變化幅度來(lái)看，2005年和2007年漢江下游ρ(Chla)極值差異最小，2006年和2009年極值差異變化最大；漢江下游ρ(TP)總體趨勢(shì)不明顯，范圍為0.05～0.28 mg/L，峰值主要在2004年、2008年、2011年和2012年，與水華發(fā)生時(shí)間較為匹配；ρ(TN)于2006—2011年呈一定程度上升趨勢(shì)，武漢段ρ(TN)變化范圍為1.53～2.63 mg/L，峰值出現(xiàn)在2011年、2013年和2014年，其他時(shí)間段的變化則相對(duì)較為平緩；ρ(CODMn)主要峰值發(fā)生在2008年和2011年，2012年以后存在較為明顯的下降過(guò)程，變化范圍為2.04～5.33 mg/L，其中2008—2011年ρ(CODMn)較其他年份高，說(shuō)明漢江下游水華發(fā)生期間水質(zhì)狀況較差；2004—2010年漢江下游水溫整體呈下降趨勢(shì)，2011—2014年呈上升趨勢(shì)，主要峰值發(fā)生在2004年和2007年春季，而水華發(fā)生期間的水溫相對(duì)于非水華發(fā)生年較低，實(shí)測(cè)范圍為10.0～15.03 ℃，說(shuō)明水華暴發(fā)時(shí)水體中藻類對(duì)于低溫可能具有較強(qiáng)的耐受性.

圖5 2004—2014年漢江下游藻密度變化Fig.5 Variation of algal density in downstream of Hanjiang River during 2004-2014

2.4 漢江下游藻密度變化特征

藻密度趨勢(shì)分析結(jié)果(見(jiàn)圖5)表明，2008—2011年，漢江下游藻密度個(gè)數(shù)均超過(guò)了2.0×107L-1，尤其2008年漢江下游春季的水華暴發(fā)導(dǎo)致武漢段的藻密度峰值高達(dá)5.3×107L-1，ρ(Chla)峰值為30.93 μg/L，是漢江下游近20年最為嚴(yán)重的一次水華事件.雖然在2004年、2005年和2013年的藻密度監(jiān)測(cè)結(jié)果(>0.6×107L-1)也存在較為接近水華發(fā)生臨界值的時(shí)間段，但遠(yuǎn)不及2008—2011年的嚴(yán)重程度，相關(guān)報(bào)道記載和實(shí)地調(diào)研過(guò)程中也未發(fā)現(xiàn)明顯的水華現(xiàn)象.

此外，通過(guò)對(duì)2004—2014年月尺度上、中、下旬的多年平均藻密度(見(jiàn)圖6)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)藻密度變化較大的月份通常為每年的2月中旬和下旬以及3月中旬，其他時(shí)段藻密度變化并不顯著，說(shuō)明水華發(fā)生時(shí)間通常從2月中旬持續(xù)到3月中旬，而在每年的1月至2月中旬及3月下旬以后很少發(fā)生.結(jié)果表明，每年的2月中下旬至3月中旬將是漢江水華暴發(fā)的重點(diǎn)防控時(shí)段.

圖6 2004—2014年春季漢江下游月尺度上多年平均藻密度變化Fig.6 Monthly algal density variation in downstream Hangjiang River during the spring of 2004-2014

2.5 漢江下游不同水華暴發(fā)時(shí)期環(huán)境影響要素特征綜合識(shí)別

鑒于漢江水華通常僅在每年春季的2—3月暴發(fā)，為進(jìn)一步分析多要素與藻密度之間的影響規(guī)律，重點(diǎn)針對(duì)不同水華暴發(fā)時(shí)期的多要素特征差異開(kāi)展研究，其中水華年為2008—2011年，共計(jì)4 a，非水華年為2004—2007年和2012—2014年，共計(jì)7 a，旨在探索可能導(dǎo)致漢江水華暴發(fā)的關(guān)鍵因子和演變規(guī)律.

氣象水文要素特征分析結(jié)果(見(jiàn)表5)表明，水華年的1—3月漢江下游降雨量比非水華年增加了86 mm，氣溫減少了1 ℃，漢江中游(丹江口)下泄流量減少了132 m3/s，漢江下游(仙桃)流量減少了125 m3/s，長(zhǎng)江(漢口)水位下降了0.28 m，長(zhǎng)江(漢口)流量減少了951 m3/s，漢江下游(仙桃)流速和長(zhǎng)江(漢口)流速分別減少了0.04和0.02 m/s.結(jié)果表明，在不同水華暴發(fā)時(shí)期漢江下游氣象和水文情勢(shì)差異較為顯著，其中水華暴發(fā)時(shí)期漢江下游和長(zhǎng)江河口的水文情勢(shì)均低于非水華年，尤其是流量和水位差異較為顯著.此外，由于長(zhǎng)江干流(漢口水文站)水文量級(jí)要遠(yuǎn)大于漢江，水華年和非水華年二者流量差異接近 1 000 m3/s，因此長(zhǎng)江水文變異性對(duì)漢江下游的影響會(huì)更加顯著.

水生態(tài)環(huán)境要素特征分析結(jié)果(見(jiàn)表6)表明：水華年漢江下游水體中藻密度顯著高于非水華年，峰值均大于1.0×107L-1，2008年藻密度峰值最高，達(dá)5.10×107L-1；ρ(Chla)的差異并不明顯，水華年的ρ(Chla)相比非水華年升高了0.54 μg/L，且2006年達(dá)到最大值(12.88 μg/L)；水華年ρ(TP)相比非水華年升高了0.03 mg/L，且2008年達(dá)到最大值(0.18 mg/L)；水華年ρ(TN)上升了0.04 mg/L，峰值發(fā)生在2011年，達(dá)2.16 mg/L，ρ(TN)無(wú)論是在水華年還是非水華年均處于較高的程度；水華年ρ(CODMn)相比非水華年上升了0.35 mg/L，峰值發(fā)生在2004年，達(dá)3.47 mg/L，但總體來(lái)看漢江下游在2004—2014年水質(zhì)狀況較差.

由圖7可見(jiàn)，非水華年和水華年的影響要素多年平均值變化差異較為顯著，其中變化程度從大到小依次為ρ(TP)(27.27%)、丹江口水庫(kù)下泄流量(-15.51%)、仙桃流量(-13.98%)、ρ(CODMn)(11.78%)、降雨量(8.27%)、氣溫(-8.02%)、漢口流量(-7.35%)、ρ(Chla) (6.38%)、仙桃流速(-4.76%)、漢口流速(-2.04%)、ρ(TN)(2.07%)、漢口水位(-1.84%)、仙桃水位(-0.62%).

漢江下游主要水文指標(biāo)在非水華年均顯著大于水華年，是不同水華暴發(fā)時(shí)期的主要變異因子，說(shuō)明緩慢的河流水文情勢(shì)(包括低流量、緩流速和低水位)對(duì)于水華暴發(fā)通常具有較為顯著的影響.此外，由于流量變化自身基數(shù)較大，不同水華年流量特征變化差異相對(duì)于流速和水位而言更加敏感，其中丹江口水庫(kù)下泄流量、仙桃流量和漢口的流量變化在不同水華年差異更顯著，說(shuō)明漢江和長(zhǎng)江水文情勢(shì)變化對(duì)于漢江下游水華暴發(fā)存在綜合影響效應(yīng)，這也與南水北調(diào)中線工程和三峽水利工程的生態(tài)調(diào)度密切相關(guān)，從而導(dǎo)致強(qiáng)人類活動(dòng)干擾下的河流水華暴發(fā)成因機(jī)制更加復(fù)雜.相比流量的影響，水華暴發(fā)期間漢江下游水位和流速變異相對(duì)較小，其原因主要也和本身基數(shù)較小有關(guān)，通常在水華暴發(fā)時(shí)期呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)狀態(tài)，如仙桃流速(-4.76%)、漢口流速(-2.04%)、漢口水位(-1.84%)、仙桃水位(-0.62%)，如何科學(xué)分離和識(shí)別水文要素多因子對(duì)河流藻類生長(zhǎng)的交互影響作用，還有待進(jìn)一步開(kāi)展深入研究.

表5 2004—2014年春季漢江下游氣象水文要素特征Table 5 Characteristics of meteorological and hydrological elements in downstream Hangjiang River during the spring of 2004-2014

表6 2004—2014年春季漢江下游水環(huán)境要素特征Table 6 Characteristics of water environment factors in downstream Ha6ngjiang River during the spring of 2004-2014

注：變化差異百分比=(水華年平均值-非水華年平均值)非水華年平均值×100%.圖7 2004—2014年漢江下游非水華年與水華年水生態(tài)環(huán)境影響要素特征差異Fig.7 Analysis results of water eco-environment factors in downstream Hangjiang River during 2004-2014

相比水文情勢(shì)的影響，漢江下游水環(huán)境要素在不同水華暴發(fā)時(shí)期的變異性也較為顯著，其中水華年的水質(zhì)濃度平均值更高，如水華年ρ(TP)和ρ(CODMn)顯著高于非水華年，尤其是ρ(TP)在水華年相對(duì)于非水華年增加了27.27%，ρ(CODMn)增加了11.78%，說(shuō)明漢江下游水質(zhì)變化尤其是ρ(TP)變化對(duì)于水華的發(fā)生十分敏感.然而，ρ(Chla)和ρ(TN)在不同水華發(fā)生時(shí)期差異不明顯，相比非水華年僅增加了6.38%和2.07%，說(shuō)明水體中ρ(TN)等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度可能長(zhǎng)期處于較高水平，初步認(rèn)為ρ(TP)是漢江下游水華暴發(fā)的主要營(yíng)養(yǎng)鹽限制因子，在緩慢水文條件下漢江下游水質(zhì)的變異尤其是ρ(TP)的突變,可能直接導(dǎo)致河流水華的暴發(fā).

氣象指標(biāo)中的降雨量和氣溫在不同水華年也存在較大差異，其中多年平均降雨量在非水華年更高，比非水華年增加了8.27%，與該時(shí)段漢江下游下降的水文情勢(shì)呈相反的變化趨勢(shì)，說(shuō)明該區(qū)域徑流過(guò)程受人類活動(dòng)包括閘壩的影響可能較大，不同水期對(duì)于漢江下游河道徑流影響特征不是十分明顯.此外，水華期間的多年平均氣溫比非水華年更低，平均下降了8.02%，說(shuō)明漢江水華暴發(fā)通常在相對(duì)低溫的條件下，這與硅藻適宜在低溫環(huán)境中生長(zhǎng)的特征十分吻合，也是河流型水華暴發(fā)的主要優(yōu)勢(shì)藻種.硅藻通常僅需要較低的溫度即可滿足最佳生長(zhǎng)條件，加之緩慢水文情勢(shì)的作用，進(jìn)一步促進(jìn)了漢江下游水華的暴發(fā).因此，在水文和營(yíng)養(yǎng)鹽要素影響基礎(chǔ)上，區(qū)域氣候變化的影響可能對(duì)漢江下游水華的暴發(fā)產(chǎn)生了一定的增益作用.

基于以上針對(duì)漢江下游大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化特征的分析和研究，并結(jié)合前期相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研，認(rèn)識(shí)到漢江下游水華暴發(fā)問(wèn)題的本質(zhì)是一個(gè)多要素影響下水文與生態(tài)交叉學(xué)科的綜合應(yīng)用與系統(tǒng)識(shí)別問(wèn)題.這個(gè)復(fù)雜的多要素高階影響過(guò)程不僅包括自然氣候條件下降雨對(duì)流域水文徑流過(guò)程的改變，還包括溫度改變對(duì)藻類生長(zhǎng)過(guò)程的直接影響.在高強(qiáng)度人類活動(dòng)干擾下，上游水利工程建設(shè)和閘壩調(diào)度進(jìn)一步導(dǎo)致了下游河道水文徑流過(guò)程的改變；同時(shí)，人類生產(chǎn)生活排污增加了水體中總磷營(yíng)養(yǎng)鹽等污染負(fù)荷從而導(dǎo)致水環(huán)境質(zhì)量的改變.氣象、水文和水質(zhì)的綜合作用影響共同導(dǎo)致了河流水生態(tài)退化的結(jié)果.鑒于河流生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，該研究主要基于大量長(zhǎng)序列實(shí)測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，針對(duì)不同水華暴發(fā)時(shí)期主要影響因子開(kāi)展了特征檢測(cè)和差異識(shí)別，獲得了一些初步定性的結(jié)論.后續(xù)研究有待進(jìn)一步通過(guò)結(jié)合大數(shù)據(jù)挖掘、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)和物理模型等綜合現(xiàn)代化分析手段，緊密耦合流域水文過(guò)程、河道水動(dòng)力水質(zhì)過(guò)程、水生態(tài)過(guò)程相互作用機(jī)制，探索復(fù)雜河流水文條件下水生態(tài)系統(tǒng)的多要素交互影響，定量化識(shí)別導(dǎo)致河流型暴發(fā)水華的關(guān)鍵因素及其貢獻(xiàn)，建立變化環(huán)境影響下的河流生態(tài)系統(tǒng)模擬模型和預(yù)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，科學(xué)辨識(shí)復(fù)雜河流水文條件下水華暴發(fā)的響應(yīng)規(guī)律和內(nèi)在作用機(jī)制，科技支撐和服務(wù)水生態(tài)文明建設(shè)和河流生態(tài)保護(hù)修復(fù)的國(guó)家重大需求.

3 結(jié)論

a) 2013—2015年漢江下游降雨量減少明顯，氣溫顯著升高，干暖氣候特征為河流水華暴發(fā)提供了適宜的氣候條件.2003—2012年漢江中下游主要水文站徑流量均呈現(xiàn)不同程度的減少，總體水質(zhì)狀況較差，尤其是ρ(TN)、ρ(CODMn)和ρ(TP)一直維持在較高水平，2月中旬和3月上旬是漢江下游水質(zhì)相對(duì)較差的一段時(shí)期.

b) 2008—2011年漢江下游水華暴發(fā)最為嚴(yán)重，2008年后水華發(fā)生季節(jié)時(shí)間有明顯前移趨勢(shì)，每年春季的2月中下旬至3月中旬是漢江水華暴發(fā)的重點(diǎn)防控時(shí)段.

c) 多影響要素綜合分析結(jié)果表明：TP營(yíng)養(yǎng)鹽超標(biāo)、低流量對(duì)于漢江下游河流水華的發(fā)生具有較大的影響；河流型硅藻水華的暴發(fā)通常對(duì)低溫具有更強(qiáng)的耐受性，相比較藍(lán)綠藻更容易滿足溫度條件，加之緩慢水文情勢(shì)和TP營(yíng)養(yǎng)鹽過(guò)量攝入等多要素的共同作用，容易導(dǎo)致水華在河流水系中頻繁暴發(fā).