蓄水期間三峽水庫-葛洲壩水庫上下游藻類分布規(guī)律

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(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

長江三峽工程具有防洪、發(fā)電、航運和發(fā)展庫區(qū)經濟等巨大經濟效益和社會效益，但同時庫區(qū)生態(tài)環(huán)境也受到了一定影響。水庫蓄水使庫區(qū)水位抬升，水流逐漸減緩，水體擴散能力減弱,受大壩攔截回水頂托的作用，富營養(yǎng)化加劇，庫灣和各支流水華風險逐步加大[1]。有關三峽水庫浮游植物群落結構的研究已有很多，但主要集中在典型支流[2]，近年來對庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的研究也逐步從支流擴大到長江干流[3]。本文僅對三峽水庫蓄水過程中藻類分布進行了比較研究。

1 研究方法

1.1 采樣點

從三峽水庫上游培石斷面至葛洲壩下游虎牙灘斷面，共設置8個監(jiān)測斷面，各斷面間距約30 km。其中三峽水庫設置培石(PS)、官渡口(GDK)、巴東(BD)、廟河(MH) 4個斷面，葛洲壩下游設置宜昌(YC)、虎牙灘(HYT) 2個斷面，兩壩之間設置黃陵廟(HLM)、南津關(NJG) 2個斷面。葛洲壩以上各斷面設3條采樣垂線，每條垂線取上、中、下3層水樣，將各斷面所取水樣進行等量混合作為一個斷面樣品，按需加保存劑封存保管。

1.2 監(jiān)測項目

主要監(jiān)測項目有：總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH4-N)、硝酸鹽氮(NO3-N)、高錳酸鹽指數(CODMn)、溶解氧(DO)、水溫(T)、懸浮物(SS)、流量(Q)、藻密度。

1.3 分析方法

除現(xiàn)場測定水溫和溶解氧以外，其他指標采取混合水樣后帶回實驗室分析。水溫用溫度計測定；DO用溶氧儀測定；TN測定采用GB11894—89《水質總氮的測定》[4]中的堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法完成；TP測定采用GB11893—89《水質總磷的測定》[5]中的鉬酸銨分光光度法；NO3-N測定采用SL86—1994《水中無機陰離子測定》[6]中的離子色譜法；NH4-N 測定采用GB7479—87《水質銨的測定》[7]的納氏試劑比色法；CODMn測定采用GB11892—89《高錳酸鹽指數的測定》[8]中的高錳酸鉀法；SS測定采用GB11901—89《水質懸浮物的測定》[9]中的重量法 。

在各采樣點采集2～5 L水樣，加水樣體積的1%魯哥氏溶液固定，搖勻水樣倒入沉淀器中，靜置24 h后用于藻類鑒定計數。充分沉淀后用虹吸管慢慢吸去上清液至留下含沉淀物的水樣20～25 mL，放入50 mL的定量樣品瓶中，用吸出的少量上清液沖洗沉淀器2～3次，一并放入樣品瓶中定容到50 mL。將定量樣品搖勻用移液槍迅速吸出0.1 mL置于 0.1 mL計數框內。具體分析方法參照SL167-2014《水庫漁業(yè)資源調查規(guī)范》[10]以及《淡水浮游微生物研究方法》[11]。

圖1 2016年8～11月藻類在各斷面的分布情況

2 監(jiān)測成果

2.1 藻類時間分布規(guī)律

圖1為2016年8～11月藻類在各斷面的分布情況。

黃陵廟斷面硅藻占總細胞密度比例最大，達到90%，官渡口最小為66%。綠藻占總細胞密度的比例相對均勻，黃陵廟最小為9%，巴東最大為25%。在廟河斷面藻細胞總密度和硅藻密度有較為明顯的變化。

8～10月，總細胞密度和硅藻密度從上游培石至下游虎牙灘呈逐漸遞減趨勢;11月培石斷面的總細胞密度和硅藻密度低于官渡口和巴東，除培石斷面外其他各斷面細胞總密度和硅藻密度依然保持逐漸降低的趨勢。8～11月，各斷面藻類出現(xiàn)的種類并不一致，硅藻和綠藻出現(xiàn)幾率最高，隱藻出現(xiàn)較少。培石斷面各月均有隱藻出現(xiàn)，三峽庫區(qū)4個斷面在11月也有隱藻出現(xiàn)。隨著蓄水水位抬升，總藻細胞密度的極大值點由黃陵廟斷面逐步向培石斷面移動。硅藻占總細胞密度的百分比越來越大，占比由75%上升至95%;相反綠藻占比從20%以上降至5%以下;藍藻、隱藻對總量的貢獻非常有限。

2.2 藻類空間分布規(guī)律

圖2 2016年8～11月各斷面不同藻類分布

圖2為不同藻類在各斷面的分布。由圖可知,8個斷面出現(xiàn)了3種比較典型的變化規(guī)律：①先減小后增大呈“V”型，如巴東、廟河、南津關、宜昌、虎牙灘5個斷面，其中巴東變化的轉折點發(fā)生在9月，其他斷面則延遲到10月；②先增加后減小再增加呈“N”型，如官渡口和黃陵廟斷面，9月和10月是兩類藻細胞密度較大的月份；③先增大后減小呈“A”型，培石斷面9月藻細胞密度較高。

各月份硅藻的細胞密度都占有絕對優(yōu)勢，在11月均達到最大，在其他月份差異不大。培石斷面綠藻細胞密度在10月份最大，其他各斷面綠藻細胞密度均較低。上游培石和官渡口斷面以及下游宜昌斷面至少有兩個月出現(xiàn)藍藻，其他斷面出現(xiàn)藍藻不超過1個月。

圖3 2016年8～11月各監(jiān)測項目的含量、指數分布

以巴東-廟河斷面為界，上游3個斷面平均藻細胞密度均超過400 cells/mL，范圍在300～500 cells/mL；下游5個斷面均低于400 cells/mL，范圍在200～300 cells/mL。培石斷面總細胞密度最大值出現(xiàn)在8～10月，官渡口斷面最大總細胞密度出現(xiàn)在11月。巴東斷面各月總細胞密度同時高于或同時低于相鄰兩個斷面，成為一個明顯的細胞總量轉折點。

2.3 理化因子變化規(guī)律

圖3為8～11月各監(jiān)測項目的含量和指數分布。由圖可知：

(1)各月份水中氨氮的含量變化不大，均在0.08～0.11 mg/L，其中宜昌和虎牙灘斷面在9月出現(xiàn)一個較高值，明顯高于其他月份。在7,8,10,11月中，除宜昌和虎牙灘外，其他斷面水中氨氮含量最大值、最小值交替出現(xiàn)，存在一定的波動規(guī)律。

(2)各斷面水中硝酸鹽氮含量在各月份均有明顯差異。8月硝酸鹽氮含量在廟河斷面有明顯的變化，各斷面9月硝酸鹽氮含量均為最低。以廟河為界，上游3個斷面總體上硝酸鹽含量8月>10月>11月>9月，廟河斷面硝酸鹽含量11月>8月>10月>9月，廟河以下各斷面硝酸鹽含量8月>11月>10月>9月。

(3)總氮沿程變化與硝酸鹽氮變化規(guī)律基本一致。10月總氮含量從培石到巴東經過緩慢地增長后，在廟河斷面迅速下降并在三峽水庫以下斷面逐漸穩(wěn)定，廟河以上斷面總氮含量在1.80 mg/L左右，廟河以下各斷面則降至1.70 mg/L以下。8月各斷面總氮含量在2.00 mg/L左右，9月降至1.60 mg/L左右，10～11月總氮含量呈先上升后下降趨勢。

(4)總磷的變化最為明顯?？偭缀吭?月和11月維持在0.090 mg/L，但三峽大壩和葛洲壩壩前的廟河與南津關兩個斷面在9月的總磷含量發(fā)生明顯變化，廟河斷面的總磷含量在10月也發(fā)生了變化。

(5)10月和11月溶解氧含量呈相反的變化趨勢，但在廟河斷面溶解氧的含量水平變化最為明顯；8月和9月廟河斷面以上各斷面溶解氧的變化規(guī)律基本一致，并在廟河斷面達到相同的含量水平，廟河斷面以下各斷面則呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律。

(6)同一月內各斷面間的水溫變化不大，不同月之間各斷面水溫變化比較明顯，最大溫差在5℃以上。8月和9月各斷面水溫在26℃～27℃，且9月水溫高于8月，水溫相差0.7℃～1.0℃；10月和11月水溫在21℃～24℃，10月各斷面水溫高于11月各斷面水溫，同一斷面10月和11月間水溫有較大差距，水溫相差1.2℃～2℃。廟河斷面以上水溫差異較小，廟河斷面以下水溫差異則較大。

(7)高錳酸鹽指數是反映水體有機及無機可氧化物污染的常用指標。在一定條件下，用高錳酸鉀氧化水樣中的某些有機物及無機還原性物質，由消耗的高錳酸鉀量計算相當的氧含量。在規(guī)定條件下，許多有機物只能部分被氧化，易揮發(fā)的有機物也不包含在測定值之內。各斷面高錳酸鹽指數在8～11月逐月降低，由2.5 mg/L的最高值降至1.9 mg/L。各月高錳酸鹽指數在廟河斷面有明顯變化，南津關斷面也有類似變化。

(8)懸浮物含量各月都呈現(xiàn)從上游培石斷面至下游虎牙灘斷面逐漸減小的趨勢。各斷面在8月懸浮物含量最大，在廟河斷面出現(xiàn)一次快速下降而后又上升的變化過程，該斷面在其他月份也存在類似變化過程。

2.4 水文要素變化規(guī)律

各斷面流量在8月最大，超過28 000 m3/s,其他各月則降至14 000 m3/s。由于三峽大壩在8月實施排洪泄水，廟河斷面以下各斷面流量逐漸增加；9～10月三峽大壩實施攔蓄洪水，廟河斷面以下各斷面流量減小。各斷面在8～11月的流量變化詳見圖4。

圖4 2016年8～ 11月各斷面流量變化曲線

3 分析與討論

3.1 理化因子的影響

溶解氧的含量變化與水溫和水深都有一定關系，水深變化可以改變水體壓強，對氧的溶解度造成影響；水深增加，水體壓強增大，從而使得溶解氧含量增大[12]。水溫也是影響水體氧溶解的因素之一，溫度升高會使溶解氧濃度降低。水溫是藻類生長的重要影響因子，通過光合作用、酶促反應或呼吸作用，直接影響藻類細胞生長增殖等過程。一般而言，藻類適宜的生長溫度為15℃～30℃，溫度過高或過低都不利于藻類的生長。該研究中水溫滿足藻類的一般生長條件。8～11月溶解氧與水溫呈負相關，另外在此期間水位逐漸升高，水深增加，取表、中、底各層中的水，水體溶解氧含量也相應增加。同時，藻類光合作用也是增加水中溶解氧的一種途徑。8～10月水體懸浮物含量逐漸減少，使水體透光性逐步增強。8月懸浮物含量最高，藻類光合作用強度最小，溶解氧含量最低，同時較低的光合作用也使藻類的生長繁殖受到抑制，藻細胞密度較低。

3.2 營養(yǎng)鹽的影響

銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽等多種營養(yǎng)鹽的存在，一方面可作浮游植物和水生植物的營養(yǎng)素，有些還可供魚類和其他水生動物及細菌直接吸收；另一方面還會對水質的pH值、硬度、堿度等產生一定影響[12]。銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽屬于氮素，是無機氮。一般浮游植物最先利用的是銨態(tài)氮，其次是硝態(tài)氮，最后是亞硝態(tài)氮。亞硝酸氮是不穩(wěn)定的中間產物，在缺氧的條件下，其含量的增加對魚類和其他水生動物有一定毒性。

水庫的營養(yǎng)鹽主要來源為上游水流[13-14]。氮在庫區(qū)或河流中的增加主要來源于農業(yè)用化肥和流域內的大氣沉降[12]。磷是由沿岸流域土壤和水體中沉積物內源釋放而來[14]。有機質來源于藻類的光合作用、上游水體的輸入，動、植物碎屑等。氮、磷等營養(yǎng)鹽也是影響浮游植物生長的重要因素，通常情況下，浮游植物會隨著水體中氮、磷濃度的增加而快速增殖。三峽水庫蓄水以后，庫區(qū)干流水體總磷濃度從庫尾到庫首沿程下降，豐水期尤為突出。這種變化主要是由于庫區(qū)水位抬高后，流速減小引起的泥沙沉降所致。因為磷容易被泥沙所吸附，隨著泥沙的沉降，磷的含量也逐漸降低。8月和9月的水體溫度有利于藻類的生長，藻類對磷的吸收使表層水體磷被轉移到生物體內。分析發(fā)現(xiàn)，硝酸鹽氮與藻類呈正相關性，與銨氮呈負相關性，總氮與藻類的負相關性較弱，與總磷的負相關性也較弱?？偭缀坎皇窃孱惿L的限制性因素，氮含量對藻類的影響要大于磷對藻類的影響。一般認為，大壩建成后水流變緩、透明度增加、有機質和營養(yǎng)鹽含量增加，一系列條件的改變有利于浮游植物的生長繁殖，必定使得庫區(qū)內藻類種屬和數量有所增加[15]。研究發(fā)現(xiàn)，三峽庫區(qū)的浮游植物種類和數量不算太多，也無明顯的種類變化[2]，特別是在干流區(qū)域尚未發(fā)現(xiàn)浮游植物大量繁殖的現(xiàn)象。三峽水庫是典型的峽谷型水庫，由于干流水域狹窄、流量大、流速高和換水頻率快等因素使得浮游藻類大量增殖的概率極小。

同時，由于三峽水庫對營養(yǎng)鹽的滯留效應，使氨氮、硝酸鹽氮、總氮、總磷等被水庫攔截并截留在水庫內部，隨著泥沙沉入庫底，在合適的條件下又成為內源釋放。在大壩前的廟河斷面，多項水質參數均出現(xiàn)明顯變化，也是使廟河斷面成為比較重要的水質監(jiān)測斷面之一。藻類密度變化的節(jié)點則在巴東-廟河斷面之間，較水質節(jié)點向上游提前，可能是由于泥沙或藻類沉降引起。培石至巴東泥沙裹挾藻類開始沉降，在巴東斷面降到一個較低的值，到了廟河斷面，水體流速減小適合藻類增殖，同時在巴東至廟河斷面的這段距離內各支流向干流水體提供了新藻源，使廟河斷面藻細胞密度有所增加；另外較小的流速也利于硅藻類快速沉降，水體藻細胞密度又一次降低。在流量較為穩(wěn)定的斷面，藻細胞密度也較為穩(wěn)定。隨著流量、流速的減小，藻細胞密度的節(jié)點會繼續(xù)向上游移動，而水質節(jié)點則不會有太大的變化。

4 結 論

通過對蓄水期藻類密度和水質參數的分析表明：①水文條件成為現(xiàn)階段藻類密度的關鍵影響因素，水庫營養(yǎng)鹽對藻類的密度的貢獻有限。②巴東和廟河斷面分別成為藻細胞密度變化的節(jié)點和水質參數變化的節(jié)點。③硅藻占總藻細胞密度的絕大多數，空間上各斷面藻細胞密度自上而下逐漸降低，時間上各斷面在11月藻細胞密度相對較高。