郭詩君，王小軍，韓品磊，鄭保海，蔣葉青，郭 坤，3，韓雪梅，李百煉，4，高肖飛，李玉英**

(1:南陽師范學(xué)院水資源與環(huán)境工程學(xué)院，河南省南水北調(diào)中線水源區(qū)流域生態(tài)安全國際聯(lián)合實驗室，南水北調(diào)中線水源區(qū)水安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，南陽 473061)(2:南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局渠首分局，南陽 473000)(3:奧爾胡斯大學(xué)生物科學(xué)系，奧爾胡斯 8000，丹麥)(4:加州大學(xué)河濱分校環(huán)境科學(xué)系，河濱CA 92521，美國)(5:中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所，城市環(huán)境與健康重點實驗室，水生態(tài)健康研究組，廈門 361021)

湖泊、水庫等水體資源是社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障. 隨著經(jīng)濟(jì)快速的發(fā)展及城鎮(zhèn)化的推進(jìn),水資源供需矛盾突出,水體“水華”現(xiàn)象頻發(fā),水庫生態(tài)系統(tǒng)健康、水質(zhì)管理及水體富營養(yǎng)化防治逐漸受到重視[1-5]. 國內(nèi)外學(xué)者通過對分層型湖庫藻類分布規(guī)律研究發(fā)現(xiàn),藻類數(shù)量及群落結(jié)構(gòu)主要受水溫、光照強(qiáng)度、透明度、水位波動和水質(zhì)營養(yǎng)因子等因素影響,藻類多樣性和水質(zhì)因子均存在時空差異性[6-10]. 浮游藻類是水生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者,葉綠素a(Chl.a)是衡量水體初級生產(chǎn)力的重要指標(biāo),也是反映水體富營養(yǎng)化程度的主要指標(biāo),是湖沼學(xué)和水環(huán)境科學(xué)中的一項關(guān)鍵的水環(huán)境參數(shù)[11-16]. 因此,研究Chl.a濃度的時空分布規(guī)律及其與藻類以及環(huán)境因子的關(guān)系,更能全面地了解水庫不同生態(tài)區(qū)的生態(tài)特征,對防控水體富營養(yǎng)化具有重要意義.

南水北調(diào)中線工程有效緩解了我國北方水資源嚴(yán)重短缺的局面,其水源地丹江口水庫水質(zhì)安全事關(guān)沿線1.2億人飲水安全問題. 丹江口水庫是一個功能全面的水利樞紐工程,因各種自然和人為因素影響,其水生態(tài)安全風(fēng)險仍然存在[6]. 自丹江口水庫建成后,學(xué)者們從水文、水環(huán)境和水生生物等不同角度對丹江口水庫進(jìn)行水生態(tài)學(xué)調(diào)查研究[15-19],但以往研究側(cè)重于水域表層空間尺度,在垂向分布上關(guān)注較少,尤其在動態(tài)調(diào)水的持續(xù)擾動下[20-24]. 中線工程從水庫調(diào)出的水是通過從渠首位點(Q)開始的引水渠(2.2 km)經(jīng)渠首大壩底層水調(diào)出,基于調(diào)出水的特性從庫區(qū)不同生態(tài)水域垂向尺度研究影響水庫水質(zhì)的關(guān)鍵因子尤為重要. 本研究于2017年5月-2019年10月對丹江口水庫漢庫和丹庫2個庫區(qū)的7個水平監(jiān)測位點,水面下0.5、5、10和20 m的4個垂向水層Chl.a濃度和常規(guī)水質(zhì)因子按季度進(jìn)行了連續(xù)3年監(jiān)測,采用相關(guān)分析、偏門特檢驗和多元回歸分析探討水庫不同水層水質(zhì)因子間的相關(guān)性以及影響不同水層Chl.a濃度的關(guān)鍵驅(qū)動因子,旨在為丹江口水庫生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水質(zhì)科學(xué)管理提供數(shù)據(jù)支持,同時為中線工程生態(tài)調(diào)度和我國水庫生態(tài)學(xué)研究積累重要的資料.

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

表1 丹江口水庫分層監(jiān)測位點位置特征

丹江口水庫是由丹庫和漢庫組成的并聯(lián)式水庫(32°32′～33°22′N,111°22′～112°01′E),以供水、防洪和發(fā)電為主,兼具灌溉和旅游等功能. 庫區(qū)屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的季風(fēng)性氣候,氣候溫和,四季分明,年均日照時間2046 h,年均降水量804 mm,年均氣溫15.8℃,無霜期229 d. 2014年中線工程運(yùn)行后水庫正常蓄水位為170 m,蓄水量為290.5億m3,水域面積為1022.75 km2,最深達(dá)80多米,水面最寬處20多千米,最窄處不足300 m. 漢江來水量占總來水量的90%.

本研究基于研究目標(biāo)和水庫的地理位置特征選擇丹江口水庫2個庫區(qū)7個水平監(jiān)測位點作為研究位點,丹庫設(shè)4個監(jiān)測位點: 渠首(Q)、宋崗(S)、庫心(K)和黑雞嘴(H); 漢庫設(shè)2個監(jiān)測位點: 壩上(B)和浪河口(L); 湖北和河南兩省的交界處設(shè)1個監(jiān)測位點:臺子山(T) (表1); H和L為匯水區(qū). 研究區(qū)域底質(zhì)均為淤泥. 漢江和丹江水庫的入庫區(qū)分別為站點L和大壩站點B與H,庫區(qū)站點為S、K與T,出水引水區(qū)為站點Q.

1.2 水層設(shè)置

屈月明等研究發(fā)現(xiàn)丹江口水庫真光層深度的變化范圍為1.036～15.350 m[23]. 基于Chl.a濃度垂向不均一性分布[25]、丹江口水庫水域季節(jié)分層特征[24]和丹江口水庫浮游藻類在水層20 m以上分布特征[13],本研究將Chl.a樣品采集深度為20 m以上,分別為水面下0.5 m (表層)、5 m、10 m和20 m的4個水層.

1.3 樣品采集

2017年5月至2019年10月間1月、5月、7月和10月上旬,在7個監(jiān)測位點按照《水與廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》[26]采集Chl.a樣品和水質(zhì)理化因子樣品. 水溫(WT,℃)、電導(dǎo)率(EC,μS/cm)、pH和溶解氧(DO,mg/L)用YSI Pro Plus 多參數(shù)水質(zhì)分析儀測定.

1.4 樣品分析方法

1.5 水質(zhì)營養(yǎng)狀態(tài)評價

本文采用營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(trophic state index,TSI)來評價丹江口水庫水體營養(yǎng)狀態(tài),該指標(biāo)基于Chl.a、塞氏盤透明度(SD,m)、CODMn、TN和TP計算得到[26]. 當(dāng)30

1.6 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2017 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析,所有數(shù)據(jù)分析及可視化均在Origin 9.0和R 3.5.0中完成. 使用vegan包進(jìn)行偏Mantel分析.

2 結(jié)果

2.1 丹江口水庫不同分層Chl.a濃度時空動態(tài)變化及營養(yǎng)狀態(tài)評價

由圖1可見,所有4個水層的Chl.a濃度以及4個水層該指標(biāo)的多年平均值皆表現(xiàn)出大壩處最高的現(xiàn)象. 各層規(guī)律分別為: 0.5 m水層,總趨勢是東北向西南遞增,庫心和渠首為特殊低值區(qū); 5 m水層,總趨勢仍是東北向西南遞增,靠近西庫岸處為特殊低值區(qū); 10 m水層,總趨勢為從北向南遞減后再遞增,低值區(qū)在東庫岸附近; 20 m水層,本指標(biāo)的水平分布規(guī)律性不強(qiáng)(所以沒有為之構(gòu)建等值線);就各層平均值來看,表現(xiàn)為東北向西南遞增的趨勢,庫心偏東的部位為低值區(qū),渠首與其他部位相比處于中等水平.

圖1 丹江口水庫不同水層葉綠素a濃度等值線圖(B：壩上; H：黑雞嘴; K：庫心; L：浪河口; Q：渠首; S：宋崗; T：臺子山; 下同)

2017年5月至2019年5月間分布于2個庫區(qū)的7個監(jiān)測位點營養(yǎng)狀態(tài)、透明度和分層Chl.a在不同位點之間存在較大差異(圖2). 漢江庫區(qū)大壩處(B)TSI最高,而且漢江入庫站點L和大壩站點B的TSI大于丹庫和出水水體,丹庫庫心位點K的TSI最低,但是庫區(qū)內(nèi)的丹江入庫(H)、臺子山(T)以及碼頭庫灣位點(S)的TSI并沒有表現(xiàn)出明顯差異,說明丹庫水體TSI可能并沒有太多受到漢江來水高營養(yǎng)的影響,這可能與水體的引水位置一般位于深層水體位置有關(guān). 而引水區(qū)Q站點的TSI是略小于丹庫庫區(qū)以及入庫區(qū)水體,但高于丹庫庫心. 盡管如此,所有庫區(qū)位點的TSI均在50～60區(qū)間,表明丹江口水庫水體均處于中富營養(yǎng)狀態(tài). 此外,丹庫庫心位點K具有最高的平均透明度(4.9 m),透明度較高的則是漢江入庫區(qū)(L)和壩上站點(B),而丹江入庫處位點H以及庫區(qū)位點Q和位點S具有最低的平均透明度(3.4 m左右),這可能與丹江庫入?yún)^(qū)流速及庫區(qū)水深有關(guān). 圖2展示了垂直分層上Chl.a濃度在不同位點之間具有一定的差異性和波動性(圖2),可以看出隨著深度的增加Chl.a濃度逐漸減小,0.5 m深度具有最高的平均Chl.a濃度. 研究期間在漢庫庫體位點B觀察到了最高的Chl.a濃度(6.56 μg/L). 在0.5 m和5 m深度上,漢庫庫體位點B具有最高的平均Chl.a濃度(分別為2.6和1.8 μg/L),其次是漢江入庫處位點L(分別為2.1和1.8 μg/L),且具有較大的波動范圍,丹庫庫體及引水區(qū)Chl.a濃度均在1.5 μg/L或更低濃度范圍波動. 而在10 m的水深,壩上B、漢江入庫L及丹江入庫區(qū)H的Chl.a濃度是略高于庫區(qū)及引水區(qū)的. 在20 m的水深處,除漢庫庫體位點B外,其他站點Chl.a濃度均小于1.5 μg/L. 綜合分析,Chl.a濃度從高到低依次為漢江來源>丹江來源≥出水區(qū). 漢江來源水體具有較高的TSI和表層Chl.a濃度,且各位點Chl.a濃度存在垂直分層上的差異,而且除漢江來源水體外,丹江入庫區(qū)在10 m水深具有較高Chl.a濃度,由于20 m水深光照少的原因,光合作用較弱,Chl.a濃度較低,且許多時間濃度接近0. 另外,值得注意的是,丹庫庫心在各個分層水體中均具有較低的Chl.a濃度,這可能與中線水源區(qū)庫區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境有關(guān).

圖2 丹江口水庫不同位點的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、透明度及不同水層葉綠素a濃度

Chl.a濃度的時間動態(tài)如圖3所示,2017-2019年丹江口水庫Chl.a濃度存在年際差異,Chl.a濃度呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(圖3). 在垂直水體中,2019年7月,在漢庫入庫區(qū)L和漢江庫區(qū)壩上位點B各水層均觀察到了Chl.a濃度極高值. 在0.5 m表層水體中,2017年和2018年具有相似的變化趨勢,且除位點L和B外,其他位點的濃度略高于2019年. 而在5 m深水體中,2018年和2019年Chl.a濃度高于2017年. 在深層水體(10 m和20 m)中,除了位點L和B外,2018年Chl.a濃度均高于其他年份. 因此,隨著城鎮(zhèn)化的進(jìn)程,建議應(yīng)該更多地監(jiān)測水體中Chl.a濃度的動態(tài)變化. 2017年9-10月中線水源區(qū)漢江流域發(fā)生明顯秋汛,平均降雨量達(dá)393 mm,9-10月水庫累計來水量高達(dá)235億m3; 在丹江口水庫及上游水庫群聯(lián)合調(diào)度情況下,丹江口水庫進(jìn)行了大壩加高后第二次高水位蓄水(最高到167.00 m),并穩(wěn)定運(yùn)行一定時期,庫區(qū)水體與上游來水以及庫區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境的綜合作用,由于水域生態(tài)過程滯后性,致使2018年的Chl.a濃度高于2017年和2019年. 漢庫B與匯水區(qū)H直到2019年仍然高于前2年,同時也明顯高于丹庫與渠首; 渠首出水質(zhì)量明顯優(yōu)于2018年和2017年. 連續(xù)三年的監(jiān)測結(jié)果說明上游來水和高水位的蓄水未影響到中線調(diào)水水質(zhì).

由圖3可知,丹江口水庫Chl.a濃度四季變化明顯,從高到低依次為夏季>秋季>春季>冬季,與夏季相比,秋、春、冬季的降幅分別為63.91%、122.36%和136.83%. 夏季Chl.a濃度在漢庫壩上和漢江入庫區(qū)2個監(jiān)測位點明顯高于其他季節(jié)和其他位點,丹庫中入庫匯區(qū)黑雞嘴位點為第三. 各位點在2017年Chl.a濃度時間上變化并無太大差異,而在2018年,丹江入庫區(qū)H和漢江壩上B在夏季明顯高于其他位點,而且2018年之后,漢江壩上B和漢江入庫區(qū)L在夏季均出現(xiàn)了Chl.a濃度的極高值,雖然出水位點Q僅在2018年表現(xiàn)出較高Chl.a濃度,但漢江Chl.a濃度的逐年增加應(yīng)該引起關(guān)注. 另外,所有水層的Chl.a濃度的極高值有逐年增加的趨勢,而且2019年漢江入庫和壩上位點的極值最為突出.

圖3 2017年5月-2019年10月丹江口水庫葉綠素a濃度時空動態(tài)

2.2 丹江口水庫水質(zhì)因子動態(tài)變化

圖4 丹江口水庫不同位點不同水層營養(yǎng)鹽濃度差異

2.3 丹江口水庫葉綠素a與水質(zhì)因子的偏Mantel分析

表2 丹江口水庫不同水層葉綠素a濃度與水質(zhì)因子的偏Mantel檢驗

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

水庫富營養(yǎng)化的加劇導(dǎo)致水體水質(zhì)惡化,有害藻類增加,給飲用水水源區(qū)造成了極大的威脅[1,27]. 本研究結(jié)果表明,丹江口水庫Chl.a濃度有逐年增加的趨勢,雖然在庫區(qū)引水區(qū)并無發(fā)現(xiàn)較高的Chl.a濃度,但在庫區(qū)表層及引水區(qū)的5 m水層均發(fā)現(xiàn)了較高的NH3-N濃度和波動,而NH3-N作為藻類主要的氮源,為藻類提供了生長的機(jī)會；另外,NH3-N多來自于人類活動排放. 因此,對庫區(qū)Chl.a濃度和營養(yǎng)鹽的長期監(jiān)測,這將促進(jìn)學(xué)者對丹江口水庫污染源及其潛在生態(tài)威脅的認(rèn)識和理解. 而且，大壩靜水區(qū)位點更有利于藻類的生長及Chl.a濃度的升高. 研究發(fā)現(xiàn),丹江口水庫水體Chl.a濃度在不同年份間有差異,這可能與2017年9月開始丹江口水庫第二次水位提升有關(guān)[21]. 另外,發(fā)現(xiàn)Chl.a濃度隨著年份有增加的趨勢,其中2019年的多個極值均發(fā)生在丹江和漢江入庫區(qū)及其壩上位點,這可能與丹江和漢江較高濃度TP和NH3-N的輸入有關(guān). 因此,庫區(qū)各支流輸入的管理是需要重點關(guān)注的區(qū)域[28]. 深層水庫通常具有季節(jié)性分層的特點,而溫度是驅(qū)動水體分層和分層時間長短的重要因子[31]. Chl.a濃度在大壩處最高的現(xiàn)象可歸因于大壩處流速低,且營養(yǎng)鹽滯留,從而造成Chl.a富集[20,29-30]; 在0.5 m水層所表現(xiàn)出的渠首為特殊低值區(qū)的現(xiàn)象可能與調(diào)水有關(guān)[12-13,15];Chl.a濃度水平分布規(guī)律在20 m層已不復(fù)存在,并且深層的葉綠素a濃度變異系數(shù)也明顯低于0.5 m層,意味著造成Chl.a水平分布格局的原因來自水面以上和周邊地表的因素和過程,而非來自水體深處[23,25,30]. 而隨著氣候變暖,分層期延長及用水量的改變,都將改變水體浮游藻類群落的動態(tài)變化[2,5]. 另外,已有研究表明,湖泊夏季浮游藻類最大值多出現(xiàn)在水面以上10 m左右,且存在分層之間較大的差異[30]. 在丹江口水庫深水的庫區(qū)同樣發(fā)現(xiàn)類似的情況. 而引水口通常設(shè)置在較深水層,因此,對丹江口水庫垂向上的Chl.a濃度及其主要驅(qū)動因子的研究,對于下游的水體供應(yīng)具有重要的意義.

3.2 結(jié)論

1) 丹江口水庫處于中營養(yǎng)化水平,Chl.a濃度具有逐年增加的趨勢,且極高值有逐漸增加的趨勢.

2)丹江口水庫營養(yǎng)鹽和Chl.a濃度均存在較大的空間異質(zhì)性,入庫區(qū)具有較高營養(yǎng)鹽和Chl.a濃度,表明源頭污染源控制和監(jiān)測對于丹江口水庫管理的重要性.

3)不同位點Chl.a濃度的重要驅(qū)動因子存在較大差異,對丹江口水庫各位點的管理應(yīng)該區(qū)分，不同生態(tài)區(qū)采取針對性的管理措施.