朱廣偉，程新良，吳志旭，史鵬程，朱夢圓，許 海，國超旋，趙星辰

1. 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所千島湖生態(tài)系統(tǒng)研究站，江蘇 南京 210008

2. 杭州市生態(tài)環(huán)境局淳安分局，浙江 杭州 311700

我國水庫控制的水資源量超過湖泊，在城市供水等水資源保障中發(fā)揮著極其重要的作用. Yang等[1]通過遙感手段估算了2013年我國水庫及湖泊的水資源量，發(fā)現(xiàn)水庫水資源量已達(dá)天然湖泊的3倍. 水利部發(fā)布的《2020年中國水資源公報》顯示，我國705座大型水庫和3 729座中型水庫的蓄水量為4 358.7×108m3，而同期監(jiān)測的62個湖泊的蓄水量僅為1 423.6×108m3.許多水庫承擔(dān)了重要城市的供水功能. 因此，水源地水庫的水質(zhì)安全風(fēng)險及其影響因素成為地表水生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域中研究的重要內(nèi)容.

營養(yǎng)鹽超標(biāo)及其引發(fā)的藍(lán)藻水華、水質(zhì)異味等問題是我國水庫水源地的主要威脅. 如肖喆等[2]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，生活污水帶來的氨氮入庫強化了長潭水庫的拉氏擬柱孢藻異常增殖問題；Zong等[3]通過遙感手段反演了1990-2016年長江中下游10個水庫的藍(lán)藻水華狀況，結(jié)果顯示這些水庫的藍(lán)藻水華強度均呈增加趨勢；Su等[4-5]調(diào)查了北京市密云水庫及上海市青草沙水庫，均發(fā)現(xiàn)部分水域階段性出現(xiàn)2-甲基異莰醇(2-MIB)等嗅味物質(zhì)；王敏等[6]于2015年調(diào)查了秦皇島市洋河水庫的微囊藻毒素，發(fā)現(xiàn)7月水庫微囊藻毒素濃度最大值可達(dá)10.99 μg/L，對水庫飲水安全構(gòu)成威脅. 2016年暴雨之后的持續(xù)高溫晴熱引發(fā)了富春江水庫發(fā)生藍(lán)藻水華[7]. 因此，揭示大型水庫中營養(yǎng)鹽濃度與藻類異常增殖之間的聯(lián)系至關(guān)重要.

水庫的異味物質(zhì)風(fēng)險與富營養(yǎng)化、藻類水華密切相關(guān). 美國Alabama州某水庫發(fā)生水質(zhì)異味事件，Olsen等開展了異味產(chǎn)生的模擬試驗，發(fā)現(xiàn)只有同時添加氮磷時，才會引發(fā)水體藍(lán)藻生物量增加，產(chǎn)生高濃度2-MIB[8]，表明異味物質(zhì)的產(chǎn)生與營養(yǎng)鹽升高聯(lián)系密切. Wu等[9]在2019年夏季調(diào)查了我國7個主要水庫水源地中的異味物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)水庫中2-MIB的濃度與水體浮游植物葉綠素a(Chla)濃度呈顯著相關(guān).因此，控制水庫氮磷等營養(yǎng)鹽濃度、預(yù)防水庫藻類異常增殖，是保障水庫水源地水質(zhì)安全的前提.

千島湖是我國華東地區(qū)最大的水庫，是長三角戰(zhàn)略水源地和生態(tài)環(huán)境部重點監(jiān)管湖庫之一. 但是千島湖的營養(yǎng)鹽達(dá)標(biāo)問題，特別是磷的達(dá)標(biāo)問題長期困擾著水庫環(huán)境治理與管理. 自2019年9月千島湖開始向杭州市供水，并部分供給嘉興地區(qū)，成為上千萬人口的飲用水源. 1998-1999年千島湖發(fā)生過一定規(guī)模的藍(lán)藻水華[10]，2016年以來，在庫尾街口斷面附近多次發(fā)生過藍(lán)藻水華現(xiàn)象[11]，存在較高的富營養(yǎng)化風(fēng)險. 遙感監(jiān)測表明，30年來，千島湖水體透明度呈下降趨勢[12]，流域建設(shè)用地比例增加[12]，山區(qū)坡地茶果園開發(fā)對水庫的污染風(fēng)險加劇[13-14]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥使用對湖體氮水平的影響甚大[15]，底泥中有機氯農(nóng)藥累積增加[16]. 區(qū)域氣候變化對千島湖水體理化環(huán)境也產(chǎn)生了一定影響，導(dǎo)致湖泊生態(tài)系統(tǒng)更為脆弱，氣溫升高導(dǎo)致湖體水溫分層加劇[17]，底層缺氧現(xiàn)象有加重趨勢[18]；暴雨過程引發(fā)大面積的高濁度羽狀流，對千島湖水質(zhì)產(chǎn)生沖擊[19]，同時引發(fā)有機物的組分發(fā)生變化[20-21]，可能引發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變. 此外，千島湖生態(tài)系統(tǒng)中初級生產(chǎn)者轉(zhuǎn)化效率較低，食物鏈趨于簡單，生態(tài)系統(tǒng)脆弱[22]，也導(dǎo)致水質(zhì)災(zāi)變的風(fēng)險較高.

為進(jìn)一步了解千島湖水體氮磷濃度等關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)及藻類生物量的時空變化特征，厘清千島湖水環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，2020年5月-2021年4月開展了逐月水質(zhì)及藻類加密監(jiān)測，分析了千島湖關(guān)鍵水環(huán)境指標(biāo)的時空分布特征及驅(qū)動機制，以期為千島湖水環(huán)境保護(hù)提供科技支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

千島湖地處浙江省杭州市淳安縣，是1957年開建、1959年9月21日截流蓄水的新安江水庫. 千島湖庫尾新安江段在街口以上隸屬安徽省黃山市歙縣，自省界向西北至歙縣瀹潭村妹灘電站大壩，河長45 km(見圖1)，稱為千島湖水庫的“安徽段”；水庫大壩在建德市境內(nèi)，設(shè)計水位108 m，庫容178.6×108m3，水面面積573.33 km2，平均水深31.13 m，最大水深100 m，死水位線為86 m[23].

圖 1 千島湖流域水系及采樣點布設(shè)Fig.1 Hydrographic chat and sample sites of Qiandaohu Reservoir

千島湖流域總面積11 452.5 km2，其中，安徽省黃山市境內(nèi)面積5 856.1 km2，宣城市績溪縣境內(nèi)面積880.7 km2；浙江省境內(nèi)流域面積4 715.7 km2. 流域地貌以山地丘陵為主，植被覆蓋率在80%以上(見圖1)，多年平均降雨量1 733 mm. 截至2020年，千島湖流域戶籍人口212.2×104人. 生態(tài)環(huán)境部在千島湖設(shè)置了6個國控水質(zhì)斷面，分別為街口、小金山、航頭島、茅頭尖、三潭島和大壩前(見圖1).

1.2 調(diào)查方案

將千島湖水面劃分為7個區(qū)域，分別為新安江安徽段(AH)、西北庫灣(NW)、東北庫灣(NE)、中心庫區(qū)(C)、西南庫灣(SW)、城中湖(LC)及東南庫灣(SE)(見圖1)，各區(qū)分別布設(shè)5、17、12、12、25、9、20個采樣點，共計100個. 于2020年5月-2021年4月每月下旬采樣.

各采樣點根據(jù)不同水深進(jìn)行分層采水：①水深小于10 m，采1層，水下0.5 m處；②水深小于20 m，采3層，分別為水下0.5 m處、Chla濃度最大層(一般在1～5 m處)、近底層(一般在泥上2 m處)；③水深大于30 m，采4層，增加了溫躍層以下的滯水層(一般在15～30 m處，泥上10 m以上). 現(xiàn)場用超聲波測深儀(LT-SSH型，成都西部儀器自動化工程有限公司)獲得水深，用YSI多參數(shù)水質(zhì)儀(EXO型，黃石儀器公司，美國)獲得水溫(WT)、溶解氧(DO)、Chla剖面分布，用塞氏盤測定水體透明度(SD).

浮游植物樣品在Chla濃度最大層采集. Chla濃度最大層確定方法：現(xiàn)場先用YSI多參數(shù)水質(zhì)儀及野外藻類分析儀(BBE，德國)測定垂向水質(zhì)、藻類等參數(shù)剖面，現(xiàn)場導(dǎo)出數(shù)據(jù)，根據(jù)Chla濃度垂向剖面變化找到Chla濃度峰值深度，定為Chla濃度最大層.如果Chla濃度垂向變化平坦，沒有峰值，則根據(jù)經(jīng)驗采集水下5 m處水樣.

1.3 指標(biāo)分析方法

水樣上岸后立即過濾，濾膜為Whatman公司的GF/F膜，孔徑0.7 μm左右. 濾前樣、濾后樣分別冷藏保存，濾前樣用于測定總氮(TN)、總磷(TP)濃度和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)，濾后樣用于測定溶解性總氮(DTN)、溶解性總磷(DTP)以及氨氮(NH3-N)、硝態(tài)氮(NO3-N)、亞硝態(tài)氮(NO2-N)和反應(yīng)性活性磷(FRP)的濃度；濾膜物質(zhì)冷凍后提取測定Chla濃度. TN、DTN濃度分別采用堿性過硫酸鉀氧化、紫外分光光度法測定[24]，TP、DTP濃度分別采用堿性過硫酸鉀氧化、鉬酸氨-酒石酸銻鉀-抗壞血酸顯色法測定[24]，NH3-N、NO3-N、NO2-N、FRP濃度采用流動注射法(Skalar流動注射分析儀，荷蘭)測定，CODMn采用高錳酸鉀氧化還原滴定法測定，Chla濃度采用熱乙醇提取、分光光度法測定[25].

浮游植物群落結(jié)構(gòu)鑒定時，將2 L Chla濃度最大層采集的水樣現(xiàn)場用魯哥試劑固定，帶回實驗室沉降48 h后，濃縮至30 mL，用光學(xué)顯微鏡于10×40倍下鑒定、計數(shù)，根據(jù)近似幾何圖形及經(jīng)驗體積公式估算出單位體積的生物量. 種類鑒定主要參考《中國淡水藻類-系統(tǒng)、分類及生態(tài)》等[26-27].

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

千島湖街口、小金山、三潭島及大壩前4個國控斷面的TN、TP濃度數(shù)據(jù)來自杭州市生態(tài)環(huán)境局淳安分局. 數(shù)據(jù)處理通過Microsoft Excel和R 4.0.5完成；圖件制作采用ArcGIS 10.2及R 4.0.5完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 水體磷濃度的時空變化

千島湖全庫100個采樣點TP濃度逐月分區(qū)平均值如圖2所示. 結(jié)果顯示，TP濃度時空差異較大.空間上安徽段TP濃度顯著較高，年均值為0.052 mg/L，而淳安縣境內(nèi)6個湖區(qū)平均值為0.019 mg/L，其中西北庫灣、中心庫區(qū)、東北庫灣、西南庫灣、東南庫灣、城中湖TP濃度年均值分別為0.031、0.018、0.017、0.017、0.015、0.021 mg/L. 由于此次調(diào)查包含底層水樣，而且樣品預(yù)處理方法也采用湖泊生態(tài)系統(tǒng)觀測方法的通用做法，未經(jīng)沉降處理，會包括更多的顆粒物，因此此次調(diào)查數(shù)據(jù)略高于生態(tài)環(huán)境部門的常規(guī)監(jiān)測值.

圖 2 2020年5月-2021年4月千島湖各湖區(qū)水體TP濃度Fig.2 Total phosphorus concentration in different zones of Qiandaohu Reservoir from May 2020 to April 2021

TP濃度年均值的空間變化既反映出了上游來水的貢獻(xiàn)，如沿新安江主航道方向，安徽段、西北庫灣、中心庫區(qū)、西南庫灣TP濃度連續(xù)下降；同時也反映出城鎮(zhèn)對周邊水域磷濃度的影響，如城中湖TP濃度明顯高于中心庫區(qū). 時間上，2020年5月-2021年4月的12個月中淳安縣境內(nèi)95個監(jiān)測點的TP濃度月均值分別為0.023、0.021、0.030、0.021、0.025、0.018、0.013、0.014、0.014、0.019、0.020、0.016 mg/L，7月暴雨期TP濃度最高，秋冬季枯水期最低，月間相差超過1倍.

對比TP、DTP、FRP濃度(見圖2)發(fā)現(xiàn)，千島湖水體中顆粒態(tài)磷占比超50%. DTP濃度年均值為0.010 mg/L，F(xiàn)RP濃度年均值為0.004 mg/L，分別占TP的48%和19%，年均顆粒態(tài)總磷(PP)占比為52%.DTP濃度年變化趨勢與TP濃度具有較好的一致性，2020年5月-2021年4月的12個月中，淳安縣境內(nèi)95個采樣點的月均值依次分別為0.007、0.007、0.019、0.015、0.013、0.006、0.004、0.008、0.008、0.009、0.006、0.006 mg/L，按照春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)、冬季(12月-翌年2月)統(tǒng)計，DTP/TP(二者濃度之比)分別為32%、57%、39%、54%. 夏季TP濃度最高，而DTP占比也最高，這與夏季暴雨攜帶磷更多是顆粒態(tài)的預(yù)期并不一致.

2.2 水體氮濃度的時空變化

調(diào)查期間100個監(jiān)測點的全年TN濃度平均值為0.92 mg/L，其中安徽段為1.60 mg/L，淳安縣境內(nèi)千島湖95個監(jiān)測點位為0.89 mg/L，時空差異明顯(見圖3). 淳安縣境內(nèi)的西北庫灣、中心庫區(qū)、東北庫灣、西南庫灣、東南庫灣及城中湖的年均值分別為1.18、0.92、0.88、0.73、0.83、0.89 mg/L，沿新安江主航道方向呈逐步下降趨勢. 但是與磷不同，TN的最低值不在東南庫灣，而是西南庫灣.

圖 3 2020年5月-2021年4月千島湖各湖區(qū)水體TN濃度Fig.3 Total nitrogen concentration in different zones of Qiandaohu Reservoir from May 2020 to April 2021

淳安縣境內(nèi)95個監(jiān)測點2020年5月-2021年4月TN濃度依次分別為0.96、1.00、0.96、0.77、0.86、0.85、0.81、0.84、0.81、0.83、1.00、0.98 mg/L，春、夏、秋、冬四季淳安縣境內(nèi)水域TN濃度平均值分別為0.98、0.91、0.84、0.83 mg/L，呈逐季度下降趨勢. 這既體現(xiàn)了春耕、夏播等農(nóng)業(yè)活動對氮面源的貢獻(xiàn)，也與千島湖流域雨、肥同季的氣候背景吻合. 城中湖春、夏、秋、冬四季TN濃度平均值分別為0.87、0.96、0.90、0.83 mg/L，夏季顯著高，秋季也高于春季，與該水域受城市面源氮污染較重有關(guān).

與磷不同，千島湖水體氮主要以溶解態(tài)存在.100個監(jiān)測點位中，DTN、NO3-N、NH3-N、NO2-N濃度年均值分別為0.76、0.588、0.038、0.010 mg/L，分別占TN的83%、64%、4%、1%. 顆粒態(tài)氮(PN)及溶解性有機氮(DON)在TN中占比分別為17%、13%.安徽段、西北庫灣、中心庫區(qū)、東北庫灣、西南庫灣、東南庫灣、城中湖的NH3-N濃度年均值分別為0.089、0.046、0.033、0.032、0.039、0.028、0.030 mg/L，高值區(qū)與農(nóng)業(yè)活動強烈區(qū)相吻合. NH3-N濃度的季節(jié)性變化與TN、NO3-N等不同，其高值期出現(xiàn)在秋季，春、夏、秋、冬四季平均值分別為0.041、0.028、0.055、0.028 mg/L，成因有待深入研究.

2.3 浮游植物Chla濃度的時空變化

全庫所有層位水樣Chla濃度平均值為5.1 μg/L，其中安徽段為11.4 μg/L，淳安縣境內(nèi)為4.8 μg/L，西北庫灣、中心庫區(qū)、東北庫灣、西南庫灣、東南庫灣及城中湖分別為7.8、3.6、5.1、4.9、3.0及4.7 μg/L. 但由于浮游植物在水柱中分層明顯[28-29]，下層水體中Chla很低. 因各區(qū)水深不同，使用垂向多層平均值時，深水區(qū)平均值會被明顯拉低，可比性差. 因此，進(jìn)一步對千島湖Chla濃度時空變化分析時，只考慮Chla濃度最大層的數(shù)據(jù)(見圖4)，以反映浮游植物季節(jié)性增殖差異.

Chla濃度的時空變化與TN、TP明顯不同(見圖4).在空間上，安徽段與西北庫灣的差異變小，除秋末及冬季的4個月外，西北庫灣Chla濃度中位值均高于安徽段. 年均值方面，安徽段、西北庫灣、中心庫區(qū)、東北庫灣、西南庫灣、東南庫灣及城中湖的Chla濃度最大層的Chla濃度年均值分別為13.2、12.5、7.3、6.8、6.6、5.6、8.5 μg/L. 與氮、磷情況不同，城中湖Chla濃度年均值超過了中心庫區(qū).

3-9月藻類生長旺盛期，安徽段水體Chla濃度均低于西北庫灣段(見圖5)，而夏季安徽段Chla濃度為4.1 μg/L，更是低于整個淳安縣境內(nèi)水域平均值(13.7 μg/L). 這表明淳安縣境內(nèi)藻類長勢好于安徽段.

2.4 浮游植物群落結(jié)構(gòu)時空變化

周年調(diào)查期間共鑒定出浮游植物8門89屬132種，其中綠藻門64種，硅藻門32種，藍(lán)藻門20種，裸藻門4種，甲藻門4種，隱藻門4種，金藻門3種. 根據(jù)McNaughton優(yōu)勢度指數(shù)大于0.02的原則，確定優(yōu)勢屬17屬，分別為藍(lán)藻門的鞘絲藻屬(Lyngbya)、假魚腥藻(Pseudoanabaena)、束絲藻屬(Aphanizomenon)、長孢藻屬(Dolichospermum)和微囊藻屬(Microcystis)，硅藻門的曲殼藻屬(Achnanthes)、脆桿藻屬(Fragilaria)、小環(huán)藻屬(Cyclotella)、針桿藻屬(Synedra)和直鏈藻屬(Melosira)，綠藻門的卵囊藻屬(Oocystis)、柵藻屬(Scenedesmus)、纖維藻屬(Ankistrodesmus)、空星藻屬(Coelastrum)和衣藻屬(Chlamydomonas)，以及隱藻門的藍(lán)隱藻屬(Chroomonas)和隱藻屬(Cryptomonas). 全年來看，藍(lán)藻門的5種水華屬生物量占比較高.

圖 4 2020年5月—2021年4月千島湖各湖區(qū)水體Chla濃度最大層的Chla濃度Fig.4 Chla concentration in maximal Chla layer of different zones in Qiandaohu Reservoir from May 2020 to April 2021

圖 5 2020年5月—2021年4月千島湖各湖區(qū)Chla濃度最大層Chla濃度的變化Fig.5 Average Chla concentration in maximal Chla layer of different zones in Qiandaohu Reservoir from May 2020 to April 2021

調(diào)查期間，全庫年均Chla濃度最大層浮游植物生物量(PB)為2.396 mg/L，其中安徽段PB平均值為2.661 mg/L，淳安縣境內(nèi)為2.382 mg/L，總體差別不大(見圖6). 西北庫灣、中心庫區(qū)、東北庫灣、西南庫灣、東南庫灣、城中湖的年均值分別為3.513、1.862、2.470、1.740、2.051、3.688 mg/L，與Chla濃度反映的情況類似. 不同之處是，PB以城中湖為最高，其次是西北庫灣，且兩庫灣均高于安徽段，這進(jìn)一步表明了水庫藻類生長情況與營養(yǎng)鹽濃度的不一致性.此外，PB最低值出現(xiàn)在西南庫灣，東南庫灣PB平均值甚至高于中心庫區(qū)，應(yīng)當(dāng)引起關(guān)注. PB月變化(見圖6)與Chla濃度月變化(見圖5)存在差異，PB的峰值出現(xiàn)在2020年8月，而Chla濃度峰值出現(xiàn)在2021年4月，推測原因是藻類群落組成不同，不同藻類體內(nèi)Chla含量存在差異. PB與Chla濃度不一致的現(xiàn)象在許多水體中都有發(fā)現(xiàn).

圖 6 2020年5月—2021年4月千島湖各湖區(qū)Chla濃度最大層浮游植物生物量的月變化情況Fig.6 Monthly variation of average phytoplankton biomass in maximal Chla layer at different zones of Qiandaohu Reservoir from May 2020 to April 2021

在時間變化上，4-8月西北庫灣PB均較高(見圖6). 夏季3個月西北庫灣的PB平均值為7.755 mg/L，顯著高于安徽段(1.970 mg/L). 西北庫灣秋季、冬季、春季PB平均值分別為1.576、0.827、3.893 mg/L，安徽段分別為1.612、3.306、3.756 mg/L，冬季安徽段顯著高于西北庫灣，春、秋季兩個區(qū)域相近.值得關(guān)注的是，8月西北庫灣、中心庫區(qū)、東南庫灣及城中湖同步出現(xiàn)了藻類生物量激增現(xiàn)象，4個庫灣PB平均值達(dá)到10.915 mg/L，而其余11個月其平均值為1.542 mg/L，顯示出藻類異常增殖問題的突發(fā)性.

不同湖區(qū)各藻門PB月變化如圖7所示. 11月-翌年4月，安徽段水體硅藻占比最高；7月金藻門PB超過硅藻門，8-10月隱藻門PB最高；金藻門和隱藻門PB均超過硅藻門，全年未出現(xiàn)藍(lán)藻門占比最高的現(xiàn)象. 藍(lán)藻門生物量僅在8月達(dá)到了0.849 mg/L，而該月安徽段隱藻門生物量為2.235 mg/L，占絕對優(yōu)勢.

圖 7 2020年5月-2021年4月千島湖不同湖區(qū)各門藻類生物量的月變化情況Fig.7 Monthly variation of phytoplankton biomass of different phylum in 7 ecological zones in Qiandaohu Reservoir from May 2020 to April 2021

在淳安縣境內(nèi)的6個庫區(qū)均出現(xiàn)了多個月份藍(lán)藻占比最高的現(xiàn)象，特別是8-10月，大部分湖區(qū)生物量高值均為藍(lán)藻門. 淳安縣境內(nèi)水域全年P(guān)B平均值為2.523 mg/L，其中藍(lán)藻門PB平均值為1.059 mg/L，硅藻門為0.756 mg/L，比藍(lán)藻門低29%；綠藻門生物量平均值為0.325 mg/L，隱藻門生物量平均值為0.245 mg/L，其余4個門PB年均值之和僅為0.138 mg/L. 因此，調(diào)查期間的夏秋季千島湖出現(xiàn)了全庫性藍(lán)藻占優(yōu)的現(xiàn)象. 中心庫區(qū)、東南庫灣及城中湖在8月藍(lán)藻生物量增幅甚至高于西北庫灣，更顯著高于安徽段，表明即使在水質(zhì)較好的東南庫灣依然會發(fā)生藍(lán)藻的階段性激增現(xiàn)象. 藍(lán)藻的激增過程似乎與營養(yǎng)鹽的關(guān)系并不緊密，如水質(zhì)最好的東南庫灣8月的藍(lán)藻生物量激增，城中湖8月的生物量激增，與兩個庫灣營養(yǎng)鹽排放強度情況并不一致，這為大型深水水庫藍(lán)藻水華風(fēng)險的預(yù)判提出了挑戰(zhàn).

3 討論

3.1 水文過程對深水水庫的水質(zhì)沖擊較大

與自然地貌形成長期滯水區(qū)的天然湖泊不同，水庫是河流筑壩形成的較為短暫存在的靜水水體. 這使得水庫的水文過程往往與天然湖泊明顯不同. 首先，水庫一般存在較明顯的單向流，從湖沼學(xué)特征上可明顯分為河流區(qū)(riverine zone)、過渡區(qū)(transitional zone)及湖泊區(qū)(lacustrine zone)[30]，河流區(qū)水體交換快，熱分層不穩(wěn)定，外源入流過程對河段水質(zhì)的影響起決定作用. 過渡區(qū)水體熱分層相對穩(wěn)定，外源輸入顆粒物大量沉降，但由于仍受較強的外源沖擊，水質(zhì)的穩(wěn)定性也相對較差. 湖泊區(qū)水體熱分層穩(wěn)定，浮游植物等初級生產(chǎn)者的生長往往受營養(yǎng)鹽限制，內(nèi)生有機質(zhì)往往大于外源輸入有機質(zhì). 在具體水庫中，河流區(qū)、過渡區(qū)、湖泊區(qū)的界限并不固定，而是隨著入流強度、湖盆形狀、水深狀況、季節(jié)變化等的不同而存在差異. 水文過程對分區(qū)的影響較大，是水庫水質(zhì)時空變化的重要驅(qū)動力.

調(diào)查期間千島湖出現(xiàn)了歷史罕見的暴雨，春、夏、秋、冬四季降雨量分別為506.8、1 095.6、367.8、86.8 mm. 春夏季的降雨量明顯高于秋冬季. 相應(yīng)地，春、夏、秋、冬四季全庫平均TP分別為0.022、0.026、0.020、0.016 mg/L，與季度降雨量顯著相關(guān). 沿妹灘電站至大壩的新安江主流流向上，有24個監(jiān)測點位. 不同季節(jié)隨妹灘電站距離遠(yuǎn)近各監(jiān)測點位TP濃度值變化如圖8所示.

圖 8 妹灘電站至大壩前沿程水體TP濃度的變化Fig.8 Change of TP concentration with distance down to Meitan Dam in Qiandaohu Reservoir

由圖8可見，降雨量較大的夏季，TP沿程衰減明顯滯緩，TP超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)Ⅱ類水濃度上限值(0.025 mg/L)的分布區(qū)域擴展到三潭島斷面，其他季節(jié)TP濃度高值則均出現(xiàn)在小金山斷面之前. 在枯水期的冬季，Ⅱ類水濃度上限值的分布區(qū)域進(jìn)一步收縮到街口斷面. 這表明不同雨強和入流量條件下，千島湖的混合區(qū)范圍變化較大，勢必對河、湖銜接處的水質(zhì)斷面達(dá)標(biāo)率產(chǎn)生較大影響. 暴雨等水文過程對湖庫水質(zhì)的沖擊現(xiàn)象在其他湖庫也得到關(guān)注. Zhang等[31]發(fā)現(xiàn)，2013年10月6-8日臺風(fēng)菲特過境期間，太湖苕溪入口出現(xiàn)232.5 km2的高濁度羽狀流，高濁度持續(xù)近2周. Mouri等[32]對日本Yahagi暴雨入流攜沙量的模擬分析表明，水庫絕大部分輸沙來自幾場暴雨. 黃誠等[33]觀測了西安水源地金盆水庫2019年8月和9月兩次暴雨過程中水庫水質(zhì)指標(biāo)的垂向變化，發(fā)現(xiàn)暴雨入流引起水庫中下層營養(yǎng)鹽含量明顯升高，在入流過程的后期均出現(xiàn)了水庫水質(zhì)超標(biāo)現(xiàn)象.

湖沼學(xué)分區(qū)方面，由于上游妹灘電站的存在，當(dāng)水深超過20 m時，5-10月全庫基本能維持穩(wěn)定的水溫分層，只有安徽段可以稱為河流區(qū)，在接近街口斷面時，水深已經(jīng)超過20 m，暴雨很難徹底破壞其水溫分層. 自街口至中心湖區(qū)，以及西北庫灣入河口至該庫灣中心、西南庫灣的入湖口至該庫灣中心，均屬于過渡區(qū). 其中整個西北庫灣受安徽來水的沖擊均較大，水體顆粒態(tài)磷沿程沉降作用明顯(見圖8). 其中，西北來水進(jìn)入中心庫區(qū)后很快達(dá)到沉降平衡，進(jìn)入中心庫區(qū)幾公里后，水體TP濃度就接近下游平均值.中心庫區(qū)的大部分水域、西南庫灣一部分、東北庫灣局部以及東南庫灣、城中湖均屬于水庫的湖泊區(qū). 當(dāng)然，中心庫區(qū)、西北庫灣、西南庫灣的湖泊區(qū)的面積大小受降雨入流強度的影響大，具體的湖泊區(qū)范圍會在入湖河道河口前后的10 km內(nèi)變動.

3.2 局部藻類水華風(fēng)險高

千島湖局部庫灣發(fā)生的水華主要有兩類-藍(lán)藻水華、硅藻水華. 其中，1998-1999年連續(xù)2年發(fā)生過較大規(guī)模的藍(lán)藻水華[10]，2016-2019年在西北庫灣的街口斷面至威坪之間也發(fā)生過小規(guī)模的藍(lán)藻水華[11,34]，這些水華現(xiàn)象基本都出現(xiàn)在夏末秋初、雨季之后，這與藍(lán)藻的生物學(xué)特點一致. 水華喜歡熱[35-36]，例如，夏季百花湖水庫藻類群落結(jié)構(gòu)能夠快速演變成以藍(lán)藻為主的結(jié)構(gòu)[37]. 千島湖熱容大、換水快、水溫增加較慢，在春季因溫度低不易形成藍(lán)藻水華，但在梅雨之后，營養(yǎng)鹽大量入庫及伴隨的高溫晴熱天氣共同作用，往往誘發(fā)出藍(lán)藻水華[7]. 第二類水華是硅藻水華. 硅藻總體而言適宜生長的溫度要明顯低于藍(lán)藻，如朱廣偉等[38]對溧陽天目湖6年的監(jiān)測表明，天目湖硅藻大規(guī)模增殖的起始溫度為16 ℃，當(dāng)水溫超過26 ℃以后，硅藻生物量大幅下降. 千島湖的硅藻大規(guī)模增殖時間與天目湖相近，在西北庫灣和其他主要入庫河口區(qū)，甚至在中心庫區(qū)，經(jīng)常在3-5月形成硅藻水華，局部水域水體Chla濃度超過100 μg/L，對水色產(chǎn)生明顯影響.

此次調(diào)查期間夏季千島湖藍(lán)藻水華異常增殖現(xiàn)象明顯，甚至有藍(lán)藻水華風(fēng)險. 2020年8月東南庫灣出現(xiàn)了顯著高的藍(lán)藻生物量峰值，整個庫灣藍(lán)藻生物量平均值達(dá)到6.571 mg/L，在總藻類生物量中占73%，該時期整個東南庫灣的透明度平均值只有2.24 m，其中1/3的點位透明度低于2 m，表明藻類明顯影響了水色. 藍(lán)藻8月快速增加與6-7月異常強的降雨有關(guān). 僅6月和7月的降雨量就達(dá)到980.1 mm，是該地區(qū)有觀測氣象以來的極值. 強降雨將更多的上游營養(yǎng)鹽輸移到東南庫區(qū)，同時將西北庫灣豐度較高的藍(lán)藻門種源也輸移過去，引起藍(lán)藻生物量猛增. 到9月，該區(qū)域藍(lán)藻生物量平均值快速降至0.454 mg/L，表明在沒有持續(xù)外源營養(yǎng)鹽供給的情況下，該水域藍(lán)藻難以長期維持高生物量. 但此次藍(lán)藻快速增殖現(xiàn)象表明了水質(zhì)較好水體藻類異常增殖的突發(fā)性和不確定性，在水源地水質(zhì)安全保障中應(yīng)高度重視.

水質(zhì)較好水庫中發(fā)生藍(lán)藻水華往往與水庫獨特的水文過程有關(guān). 水庫水文過程導(dǎo)致的水體物質(zhì)、藻類等混合過程存在較大的空間差異性，使得局部水體、特定時間具備藍(lán)藻水華發(fā)生的充分條件. 例如，Yang等[39]發(fā)現(xiàn)，在三峽水庫香溪河支流庫灣中，異重流及干支流交匯期間的頂托作用引發(fā)了香溪河支流一些河段經(jīng)常出現(xiàn)藍(lán)藻和硅藻水華. 近年來極端氣候、極端天氣事件發(fā)生頻次均呈增加趨勢，增加了水庫中局部水華發(fā)生的風(fēng)險. 張含笑等[40]對于橋水庫藻類沉積記錄的研究表明，氣候變暖是近年來于橋水庫藍(lán)藻生物量增加的驅(qū)動因素之一. 因此，要高度關(guān)注極端氣候變化和水文過程交互影響在千島湖等水庫水源地中引發(fā)藍(lán)藻水華的風(fēng)險.

此次調(diào)查也表明千島湖水庫中硅藻水華問題應(yīng)引起關(guān)注. 西北庫灣在4月、5月均出現(xiàn)了明顯的硅藻異常增殖現(xiàn)象. 2021年4月該水域22個調(diào)查點位上層水體Chla濃度平均值達(dá)到36.7 μg/L，水色暗黑，而2020年5月該水域Chla濃度平均值達(dá)到了185 μg/L，透明度明顯下降，4月和5月透明度平均值僅為1.25 m，而其余10個月份其平均值為2.09 m.

盡管藻類水華的發(fā)生受水文氣象影響很大，但是在降低其發(fā)生風(fēng)險方面，營養(yǎng)鹽控制仍是根本之策.此次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，千島湖淳安縣境內(nèi)水域的TP濃度平均值為0.019 mg/L，屬于Ⅱ類水，TN濃度平均值為0.89 mg/L，屬于Ⅲ類水. 與保護(hù)目標(biāo)相比，TN、TP濃度年均值均偏高. 丹江口水庫的氮來源分析表明，外源控制是水體氮污染控制的根本策略[41]. 因此，應(yīng)加強千島湖營養(yǎng)鹽來源精準(zhǔn)辨識調(diào)查，對外源、內(nèi)源營養(yǎng)鹽針對性采取控制措施. 鑒于目前藍(lán)藻異常增殖的不確定性，營養(yǎng)鹽控制力度應(yīng)從嚴(yán)，為水華防控留足余地，才能有力保障主要湖區(qū)不發(fā)生藍(lán)藻水華，不產(chǎn)生藻毒素及異味物質(zhì)超標(biāo)等水質(zhì)問題.

根據(jù)Carlson[42]提出的湖泊營養(yǎng)狀態(tài)(TSI)計算方法，采用TP、Chla、SD計算得到的安徽段、西北庫灣、中心庫區(qū)、東北庫灣、西南庫灣、東南庫灣、城中湖的TSI分別為57、51、43、46、45、41、45，安徽段、西北庫灣均處于富營養(yǎng)狀態(tài)，其余庫灣均處于中營養(yǎng)狀態(tài). 淳安縣境內(nèi)的95個監(jiān)測點位TP、Chla、SD對應(yīng)的TSI值〔依次記為TSI(TP)、TSI(Chla)、TSI(SD)〕分別為46、45、43. TSI(Chla)＜TSI(TP)和TSI(Chla)＞TSI(SD)的結(jié)果表明，千島湖浮游植物所需的營養(yǎng)鹽基本得到滿足，浮游植物生長總體上不受光照的影響. 在這種情況下，水體浮游動物、濾食性魚類的牧食作用也可能是藻類生物量高低的重要影響因素. 因此，在水環(huán)境管理方面，還應(yīng)優(yōu)化魚類資源調(diào)控，強化食物鏈對藻類的控制的下行效應(yīng). 同時，應(yīng)重視藻類水華監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，提高水源地水質(zhì)風(fēng)險的防范能力.

4 結(jié)論

a) 2020年5月-2021年4月對千島湖水體營養(yǎng)鹽及浮游植物群落結(jié)構(gòu)的調(diào)查表明，千島湖TN、TP濃度及藍(lán)藻生物量、總藻類生物量等關(guān)鍵水環(huán)境指標(biāo)均存在明顯的時空差異性，在對水庫水環(huán)境風(fēng)險評估時應(yīng)充分考慮. 溫度、降雨、光照等季節(jié)變化因素引起的藻類群落結(jié)構(gòu)演替、流域氮磷入庫負(fù)荷變化、水庫地貌引起的水體交換與熱分層變化等因素是水質(zhì)指標(biāo)時空差異的重要影響因素，特別是洪水過程對水庫營養(yǎng)鹽空間分布及藍(lán)藻異常增殖風(fēng)險均產(chǎn)生明顯影響.

b) 千島湖水庫的水體藻類群落結(jié)構(gòu)及生物量受水文氣象條件變化的影響較大. 夏季藍(lán)藻異常增殖的幅度大、時間短，春季局部庫灣硅藻異常增殖明顯，具有突發(fā)性. 在當(dāng)前全球氣候波動性增大的背景下，水庫管理上應(yīng)進(jìn)一步加強對暴雨過程和藻類異常增殖過程的關(guān)注，提高流域營養(yǎng)鹽控制標(biāo)準(zhǔn)，為藻類異常增殖控制留足余地，并開發(fā)相關(guān)預(yù)測預(yù)警技術(shù)提高風(fēng)險防范能力.