劉 偉，郝達(dá)平

(江蘇省水文水資源勘測(cè)局淮安分局，江蘇 淮安 223005)

隨著全球氣候變暖及自然條件惡化的加劇，不同地區(qū)均出現(xiàn)了極端氣候事件，其中與人類關(guān)聯(lián)最大且最直觀的即為極端干旱或暴雨災(zāi)害[1-4]。極端氣候事件往往是隨機(jī)且劇烈的，會(huì)對(duì)水環(huán)境帶來短暫但巨大的沖擊[5-8]。這樣的極端氣候事件會(huì)對(duì)水環(huán)境帶來怎樣的影響，是否會(huì)破壞水生態(tài)的平衡，對(duì)其中的物種及生態(tài)鏈帶來怎樣的破壞，是亟需探明的問題。為解決地域性及季節(jié)性水資源分配不均并應(yīng)對(duì)極端氣候條件，人類興建了許多水利工程[9-11]。水利工程調(diào)度逐漸成為水生態(tài)領(lǐng)域不可忽視的人為干擾，其中水利工程調(diào)度對(duì)水環(huán)境，尤其對(duì)水環(huán)境中動(dòng)態(tài)變化的生物會(huì)帶來什么樣的影響未見普適性結(jié)論。

藻類是水環(huán)境中的初級(jí)生產(chǎn)力，其種群結(jié)構(gòu)對(duì)水生食物鏈有決定性作用[12-13]。由于生命周期短且對(duì)生境敏感等特點(diǎn)，其動(dòng)態(tài)變化極易受到周圍環(huán)境變化的影響，因此，藻類常作為水環(huán)境變化的重要指標(biāo)[14-15]。在適合的條件下，藻類存在水華爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，其中以藍(lán)藻水華危害最大。以微囊藻水華為典型的藍(lán)藻水華，不僅會(huì)破壞水生物多樣性，而且因微囊藻會(huì)產(chǎn)生藻毒素會(huì)威脅飲用水安全[16-18]。極端氣候事件如極端干旱通常伴隨高熱天氣，極有可能會(huì)導(dǎo)致微囊藻屬水華[19-20]；降水在一定程度上可以抑制藍(lán)藻水華的暴發(fā)[21-22]，但降水會(huì)使得湖泊徑流變大，營養(yǎng)鹽輸入激增有可能促進(jìn)某些藍(lán)藻的生長，從而誘發(fā)藍(lán)藻風(fēng)險(xiǎn)[23]。在極端氣候條件下的水利工程調(diào)度對(duì)于微囊藻會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響，如何在水利工程調(diào)度過程中減少微囊藻爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)是水環(huán)境領(lǐng)域亟待解決的難題。

本文選取洪澤湖這一水利調(diào)度頻繁的湖泊進(jìn)行為期10年的研究，聚焦氣候變化及水利工程調(diào)度對(duì)微囊藻屬變化的影響及微囊藻的響應(yīng)機(jī)制，以期預(yù)測(cè)微囊藻屬風(fēng)險(xiǎn)，并提出在水利工程調(diào)度和極端天氣的聯(lián)合條件下微囊藻風(fēng)險(xiǎn)防控要點(diǎn)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域

洪澤湖是淮河流域最大的湖泊型水庫，是中國第四大淡水湖。它地處蘇北平原中部西側(cè)，位于淮河中、下游結(jié)合部，是淮河河床的一個(gè)組成部分，在其西北部、西部和南部有時(shí)斷時(shí)續(xù)的低山和崗阜，東部地勢(shì)低平，臨近京杭大運(yùn)河里運(yùn)河段，北枕廢黃河和中運(yùn)河[24]。洪澤湖是蘇北黃淮平原地區(qū)的主要水源，也是南水北調(diào)東線一期工程重要的調(diào)蓄湖泊，它不僅是淮安市生活、生產(chǎn)的重要水源，還承擔(dān)著宿遷、徐州、連云港、鹽城和揚(yáng)州等市的生活、生產(chǎn)用水；安徽省淮北部分地區(qū)和沿淮河兩岸的用水也通過河湖上的水工建筑物(如新汴河上的團(tuán)結(jié)閘)來取得水源。

1.2 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)

洪澤湖湖域面積大，各區(qū)域水質(zhì)存在差異，根據(jù)地理位置以及水文、水力和湖岸、出入湖河道特性等因素，將洪澤湖分為3個(gè)區(qū)：北區(qū)(N區(qū)，即成子湖區(qū)域)、東區(qū)(E區(qū))、西區(qū)(W區(qū))。其中，N區(qū)布設(shè)了成子湖、高湖、洪澤湖區(qū)(宿遷北)、韓橋4個(gè)站點(diǎn)；W區(qū)布設(shè)了洪澤湖區(qū)(宿遷南)、臨淮、溧河洼3個(gè)站點(diǎn)；E區(qū)布設(shè)了洪澤湖區(qū)(淮安西)、洪澤湖區(qū)(淮安北)、西順河3個(gè)站點(diǎn)布設(shè)；三河閘閘灣區(qū)域容易形成死水區(qū)，在此區(qū)域增設(shè)蔣壩站點(diǎn)。

1.3 分析方法

在采樣的同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定透明度、水溫、pH及溶解氧。現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目測(cè)定方法見表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)方法

實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)分析方法，具體見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目分析方法

現(xiàn)場(chǎng)利用15%的魯哥氏液進(jìn)行藻類樣品的固定，靜置濃縮后進(jìn)行密度及種群結(jié)構(gòu)分析[25-26]。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

采用廣義加性模型及皮爾遜相關(guān)性分析環(huán)境因素對(duì)洪澤湖近10年(2011—2020年)微囊藻動(dòng)態(tài)變化的影響。廣義加性模型能直接處理響應(yīng)變量與多個(gè)解釋變量之間的非線性關(guān)系[27-28]。本研究中，以藻密度為非獨(dú)立變量，水溫、降水、總氮、總磷、氮磷比、水深、入湖水量和出湖水量作為解釋變量建立廣義加性模型。廣義加性模型的處理及出圖均由Canoco for Windows 4.5軟件完成。皮爾遜相關(guān)性的處理和分析由SPSS軟件完成。

2 分析與討論

2.1 水質(zhì)及富營養(yǎng)化情況

2011—2020年研究期內(nèi)，在總磷、總氮參與評(píng)價(jià)的情況下，洪澤湖整體水質(zhì)未達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)總磷、總氮不參與評(píng)價(jià)時(shí)，洪澤湖整體水質(zhì)狀況較好，達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)?？偭?、總氮指標(biāo)達(dá)標(biāo)率分別僅為27.9%、19.7%，超標(biāo)倍數(shù)范圍分別為1.01～3.75倍、1.01～4.21倍，平均超標(biāo)倍數(shù)為1.69、1.79倍，不達(dá)標(biāo)情況如圖1所示。2011—2020年洪澤湖總磷整體上處于波動(dòng)略微上升趨勢(shì)，總體維持在Ⅳ類水；總氮整體上處于降低趨勢(shì)，總體處于Ⅴ類水。

圖1 洪澤湖氮磷營養(yǎng)鹽變化趨勢(shì)及水質(zhì)評(píng)價(jià)

不同湖區(qū)水質(zhì)指標(biāo)的Z-score分布情況是：N區(qū)的水深低于平均值的概率較其他2個(gè)湖區(qū)更高，較低的水深為微囊藻屬的繁殖提供了有利條件，是N區(qū)微囊藻屬密度高于其他湖區(qū)的原因之一。在E區(qū)中，氨氮和亞硝酸鹽氮高于平均值的概率較其他氮鹽更高。微囊藻屬屬于非固氮藍(lán)藻，其氨氮競爭力高于其他氮鹽類型，這可能是微囊藻密度在水力擾動(dòng)最大的E區(qū)大于W區(qū)的原因。

采用指數(shù)法評(píng)價(jià)湖庫營養(yǎng)狀態(tài)，2011—2020年，洪澤湖營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值在46.5～63.4之間，2012年年份變化范圍最大，為50.8～63.4；2017年年份變化范圍最小，為47.4～53.9；近10年平均值為54.3。其中營養(yǎng)指數(shù)值超過50，達(dá)到輕度富營養(yǎng)化的月份占總月份的比值達(dá)到89.6%，洪澤湖總體屬于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，非汛期指數(shù)值略低于汛期。洪澤湖營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)總體有降低的趨勢(shì)，總體表現(xiàn)為夏季高，冬春季節(jié)低。

2.2 相關(guān)性分析

整體上洪澤湖微囊藻屬與水溫、磷鹽正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.289、0.164；而與氮鹽、出湖水量及水位均為負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.190、0.108、0.192。

N區(qū)微囊藻與水溫(0.254)、總磷(0.135)呈正相關(guān)，與水位(0.207)、總氮(0.134)、氮磷比(0.227)、入湖水量(0.365)、出湖水量(0.277)呈負(fù)相關(guān)。

E區(qū)微囊藻與水溫(0.255)、降水(0.122)呈正相關(guān)，與水位(0.162)、總氮(0.291)、氮磷比(0.264)呈負(fù)相關(guān)。

W區(qū)微囊藻與水溫(0.252)、總磷(0.238)呈正相關(guān)，與水位(0.238)、總氮(0.311)、氮磷比(0.228)、出湖水量(0.141)呈負(fù)相關(guān)。

微囊藻屬和環(huán)境因子相關(guān)性如圖2所示。

圖2 微囊藻屬和環(huán)境因子相關(guān)性示意圖

洪澤湖檢出微囊藻屬主要有惠氏微囊藻、銅綠微囊藻、水華微囊藻和不定微囊藻等。其中惠氏微囊藻是洪澤湖檢出微囊藻屬的主要優(yōu)勢(shì)種，檢出藻細(xì)胞密度0～2677.78萬個(gè)/L，占檢出微囊藻屬的比例為56.4%，檢出藻細(xì)胞頻率和密度均較高。特別是在夏秋季節(jié)藍(lán)藻暴發(fā)性增長時(shí)期，惠氏微囊藻密度均能達(dá)到很高的優(yōu)勢(shì)級(jí)。惠氏微囊藻與總磷、降水和水溫成明顯正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)分別為0.238、0.182、0.172，環(huán)境因子影響與不定微囊藻、水華微囊藻的相關(guān)性一致。銅綠微囊藻與總磷呈負(fù)相關(guān)，其余與惠氏微囊藻一致。皮爾遜相關(guān)性結(jié)果見表3。

表3 皮爾遜相關(guān)性結(jié)果列表

由于過去10年洪澤湖的氮鹽存在一定的下降趨勢(shì)，所以微囊藻屬與氮鹽負(fù)相關(guān)這一現(xiàn)象不具普適性，僅能說明在洪澤湖水體中，低濃度的氮鹽并不是限制微囊藻生長的主要原因。洪澤湖的水位主要由工程調(diào)度控制，在降水較弱的時(shí)期，通過增強(qiáng)水利調(diào)度，可以抑制微囊藻屬的增長。

2.3 氣候條件及水利調(diào)度對(duì)微囊藻的影響

研究期間，洪澤湖不同區(qū)域微囊藻細(xì)胞密度分布不同，具體為N區(qū)>E區(qū)>W區(qū)。微囊藻密度屬、出入湖水量及降水量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化如圖3所示。

圖3 水溫、出入湖水量、降水和微囊藻的年際變化

(1)氣候變化對(duì)微囊藻屬影響

研究表明，隨著氣溫的上升微囊藻屬細(xì)胞密度呈增加趨勢(shì)，氣溫與微囊藻細(xì)胞密度的相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.289，N、E、W區(qū)微囊藻細(xì)胞密度與氣溫變化趨勢(shì)一致，相關(guān)性系數(shù)分別達(dá)到0.254、0.255、0.252。

(2)水利工程調(diào)度對(duì)微囊藻屬影響

洪澤湖水利工程調(diào)度主要依靠出入湖水利工程，其中入湖流量站點(diǎn)包括懷洪新河雙溝、老濉河泗洪(老)、濉河泗洪(濉)、徐洪河金鎮(zhèn)、新汴河宿縣閘、池河明光以及淮河蚌埠閘；出湖流量站主要為二河閘、三河閘、高良澗閘和高良澗水電站。入湖水量中，蚌埠閘貢獻(xiàn)了74.1%的水量。入湖水量主要集中在E區(qū)和W區(qū)，出湖水量主要集中在E區(qū)，N區(qū)出入湖水量均較低，水體流動(dòng)性較差。

入湖量、出湖量與微囊藻細(xì)胞相關(guān)性分別為-0.107、-0.108，可以看出出湖量與微囊藻細(xì)胞密度呈負(fù)相關(guān)，入湖量與微囊藻細(xì)胞密度亦呈負(fù)相關(guān)。3個(gè)分區(qū)入湖量的相關(guān)性由高到低分別為N>W>E，出湖量的相關(guān)性由高到低分別為N>W>E。由此可以看出，出入湖量對(duì)洪澤湖微囊藻屬的影響較大，且成子湖區(qū)流動(dòng)性對(duì)微囊藻屬的影響大于其他區(qū)域。

在強(qiáng)降水或極度干旱的氣候條件下，洪澤湖會(huì)經(jīng)歷較強(qiáng)的水利調(diào)度，出入湖水量變大。洪澤湖N區(qū)位于湖灣，水流緩慢，出入湖水量較少，主要靠降水補(bǔ)給，高溫干旱天氣造成的水深驟降有利于藍(lán)藻尤其是易聚團(tuán)的微囊藻屬的大量繁殖，因此N區(qū)的微囊藻的異常增殖均伴隨著或滯后于降水的急劇減少。降水少或出入湖水量減少帶來的水力擾動(dòng)減弱可為微囊藻的異常增殖提供適宜的生長環(huán)境。

(3)降水對(duì)微囊藻屬影響

洪澤湖的降水主要集中在5—10月，呈現(xiàn)出較明顯的年際差異性。雖然降水與微囊藻細(xì)胞相關(guān)性系數(shù)為+0.121，但降水較多的月份均出現(xiàn)在溫度較高的月份，且降水最大月份與每年微囊藻密度峰值不一致，由此可以判斷降水與微囊藻細(xì)胞密度的正相關(guān)受溫度影響較大，且正相關(guān)性較弱。3個(gè)分區(qū)降水的相關(guān)性由高到低分別為E>W>N。

通過年際變化分析降水和水利調(diào)度對(duì)于微囊藻屬增殖的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)降水和水利調(diào)度均較弱時(shí)，微囊藻屬會(huì)出現(xiàn)大量增殖的情況。2012年8月、2013年8月、2016年9月及2019年10月，微囊藻屬的大量增殖發(fā)生在弱降水和弱水利調(diào)度同時(shí)出現(xiàn)的月份，而非當(dāng)年水溫最高的月份。2018年9月，N區(qū)微囊藻屬密度達(dá)到了研究期內(nèi)的峰值，亦出現(xiàn)在降水減少且入湖水量少的情況下。當(dāng)降水減少時(shí)，水利調(diào)度的增強(qiáng)會(huì)抑制微囊藻屬的增殖。2011年9月、2012年9月、2014年9月、2015年7—9月、2017年9—10月及2020年8月，微囊藻屬密度的減弱均發(fā)生在降水較弱，但水利調(diào)度增強(qiáng)的月份。這一現(xiàn)象為降水較弱的干旱時(shí)期提供了有效微囊藻屬控制手段。

總體上來說，在水溫較適宜微囊藻生長的夏秋季節(jié)，水溫對(duì)于微囊藻屬增殖的影響弱于降水和水利工程調(diào)度。2019年，洪澤湖區(qū)域遭遇了60年一遇的旱災(zāi)，洪澤湖湖區(qū)面積縮小近一倍，所處流域水量驟降，入湖河流的主要受水湖區(qū)E區(qū)和W區(qū)微囊藻屬出現(xiàn)了異常增殖的現(xiàn)象，微囊藻屬密度達(dá)到了研究期內(nèi)的峰值。而在水體流動(dòng)較差的N區(qū)，微囊藻屬密度變化受旱災(zāi)的影響較其他2個(gè)湖區(qū)弱。在水溫較高的夏秋季節(jié)，如果發(fā)生極度干旱的氣候事件，極有可能出現(xiàn)微囊藻暴發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，且正常狀態(tài)下水利流動(dòng)較大的區(qū)域所受影響最大。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

洪澤湖總磷整體上處于波動(dòng)略微上升趨勢(shì)，而總氮整體上處于降低趨勢(shì)；洪澤湖整體富營養(yǎng)化狀態(tài)為輕度富營養(yǎng)化，非汛期營養(yǎng)指數(shù)值略低于汛期，總體表現(xiàn)為夏季高，冬春季節(jié)低，年際總體有降低的趨勢(shì)。

氣候?qū)ξ⒛以鍖俚挠绊懴禂?shù)為+0.289，氣溫上升與微囊藻屬生長呈顯著正相關(guān)，3個(gè)分區(qū)受氣候變化影響差異性較??；降水對(duì)微囊藻屬的影響系數(shù)+0.121，降水與微囊藻細(xì)胞密度的正相關(guān)受溫度影響較大，且正相關(guān)性較弱；3個(gè)分區(qū)受降水影響為E>W>N；出入湖水量對(duì)微囊藻屬的影響系數(shù)分別為-0.107、-0.108，湖體交換能力的提升與微囊藻屬生長呈顯著負(fù)相關(guān)；3個(gè)分區(qū)受湖體交換的影響為N>W>E，成子湖區(qū)域水體流動(dòng)性對(duì)微囊藻屬的影響大于其他區(qū)域。

3.2 建議

(1)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警預(yù)測(cè)。制定藍(lán)藻水華應(yīng)急預(yù)案，強(qiáng)化預(yù)警監(jiān)測(cè)，當(dāng)降水和水利調(diào)度均較弱時(shí)，應(yīng)關(guān)注微囊藻屬大量增殖的情況，必要時(shí)需加密監(jiān)測(cè)；在夏秋季節(jié)，若遭遇極度干旱，微囊藻暴發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)較大，且原水體流動(dòng)較大的區(qū)域所受影響大；當(dāng)降水減少時(shí)，通過增強(qiáng)水利調(diào)度可以抑制微囊藻屬增殖。

(2)控制氮磷營養(yǎng)鹽。從污染源頭到湖泊出口，通過污染源頭控制、河道截污、湖蕩調(diào)節(jié)、河口濕地、生態(tài)修復(fù)、暢通湖流等多道防線，有效控制湖泊富營養(yǎng)化程度，從根本上控制湖泊水華的發(fā)生。

(3)強(qiáng)化水利工程調(diào)度。通過水利調(diào)度，緩解高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域微囊藻繁殖程度，其中成子湖區(qū)通過開啟二河閘使水體向下游排放，同時(shí)關(guān)閉揚(yáng)莊閘、淮陰閘，打開鹽河閘，使污染水體通過鹽河下排。蔣壩區(qū)域在不違背《淮河洪水調(diào)度方案》規(guī)定的調(diào)度原則、確保防洪安全的前提下，盡可能加大三河閘流量，同時(shí)還可以通過江水北調(diào)工程翻引長江水入洪澤湖緩解。其他區(qū)域可通過南水北調(diào)、江水北凋、引沂濟(jì)淮等工程，調(diào)引水源入洪澤湖搞活水體。

(4)完善全流域管控措施。湖泊管理和治理是一個(gè)長期的過程，相關(guān)法律法規(guī)的制定、新技術(shù)和新方法在改善和修復(fù)湖泊生態(tài)環(huán)境以及湖泊管理中的應(yīng)用、湖泊保護(hù)意識(shí)的提高等等，須經(jīng)過多方面協(xié)同努力，形成全流域管控的合力，才能獲得最佳的生態(tài)環(huán)境效益。