从流域水环境与水利工程影响角度分析汉江水华成因

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摘要：摘 要：水电梯级开发对河流产生的系列生态学效应是当前热点问题，通过梳理近年汉江水华应急监测成果，从水利工程运行与水华发展的关联角度，进一步深入剖析汉江水华发生的成因及影响要素，提出相关应急调度的防控措施和建议，为汉江水华综合防治提供技术支撑

　　摘 要：水电梯级开发对河流产生的系列生态学效应是当前热点问题，通过梳理近年汉江水华应急监测成果，从水利工程运行与水华发展的关联角度，进一步深入剖析汉江水华发生的成因及影响要素，提出相关应急调度的防控措施和建议，为汉江水华综合防治提供技术支撑。

　　关键词：汉江水华;营养盐;叶绿素;水生态群落

　　汉江干流梯级开发在取得巨大社会经济效益的同时，对河流生态系统产生了一定的影响，其中汉江水华作为汉江流域的热点环境问题，呈现逐年频发的态势，严重威胁着区域生态安全。一般认为，汉江水华的产生与汉江充足的营养盐、春季流域适宜的气候、缓慢的水流有关，但也有学者指出，汉江水体营养盐含量丰富，并不能成为汉江水华暴发的诱发因子，水利工程影响下的流量、流速等水文因子才是制约汉江水华发生的关键要素。因此，探究影响汉江水华发生的关键因素，以及如何及时精准地防控水华暴发，是目前亟待解决的问题。

　　1 实验与方法

　　1.1 研究区域与样点布置

　　2018年2月至3月，汉江中下游再次暴发大规模水华，其影响范围、发生历时均明显增加。为进一步分析汉江水华发生、发展和水利工程运行之间的内在联系，2018年7月至2019年3月，项目组在汉江中下游的19个重要控制断面开展了连续的现场观测，其中以丹江口水库和兴隆水库为重要研究对象，分析水利工程运行对汉江水华发生成因的影响，具体监测样点布置如图1所示。

　　1.2 样品采集与分析测试

　　按照《水环境监测规范》要求开展现场水质样品和底质样品的采集，同时利用便携式多参数水质分析仪(YSI-EXO，美国)现场开展部分参数的监测，具体包括水温、pH值、溶解氧、电导率、浊度及叶绿素等。实验室分析参数主要包括总氮、总磷、氨氮、硝氮、叶绿素a、脱镁叶綠素等。水生态样品监测主要包括浮游植物、浮游动物，具体监测分析方法参照相应监测标准执行，其中脱镁叶绿素a测定方法参考文献进行。底质指标主要为总氮、总磷、氨氮、硝氮等，具体测定方法参照《土壤农化分析》。

　　2 结果与分析

　　为进一步理清汉江水华发生的成因，掌握其与流域水利工程运行之间的响应关系，项目组在研究区重要控制断面进行了长时间的连续监测和调查，对汉江水华发生、发展与水利工程运行之间的内在联系有了更进一步的认识。

　　2.1 营养盐分布特征

　　如图2所示，通过19个监测断面2018年7月的监测数据分析显示，丹江口大坝坝前至汉江中下游干流总磷浓度在0.018～0.134 mg/L之间，其中水库库区总磷浓度整体较低，从汉江下游仙桃段开始总磷浓度有所升高。作为汉江的支流，小清河口、唐白河口及汉北河总磷浓度相对较高，分别达到了0.121mg/L、0.200 mg/L和0.125mg/L。长江干流的沌口、汉口总磷浓度约为汉江干流的5～8倍，由此可见，汉江干流总磷浓度总体较低，而其主要支流总磷含量相对较高，是外源输入的主要途径。

　　相对于总磷含量较低的情况，汉江干流总氮含量显著偏高。在各监测断面中，总氮含量范围在1.115～2.349mg/L，其中在库区大坝前水体总氮含量达到了1.250mg/L，为湖库水质评价标准Ⅳ类水水平。汉江主要支流小清河口、唐白河口及汉北河的总氮浓度分别达到了1.478 mg/L、2.349 mg/L及1.215 mg/L。根据相关学者研究成果显示，当水体TN含量大于1.0mg/L时，对于硅藻而言TN已处于相对饱和状态，此时TP含量便成了影响硅藻繁殖的关键因子。

　　因此，从过去的研究成果分析，由于TN含量本底过高，因此在建立TN与其他环境因子联系时往往容易误解为TN与藻类增值影响不大，由此忽略了水体中TN的关键贡献，特别是没有深入研究总氮中硝态氮和氨态氮对藻类增殖的影响。本次调查通过分析总氮含量结构可知，干流水体中总氮主要以硝态氮为主，大约占了总氮含量的70%～90%，而氨氮所占比例较小，不到5%。在主要支流中氨氮含量明显较高，其中小清河口氨氮占总氮含量27%左右，因此，汉江支流面临的农业污染及其他外源性营养输入较为严重。

　　当前普遍认为，水体中合适的氮磷比是促使水华发生的关键因子。通过分析不同时期水体氮磷比发现，水华暴发期(2019年1月)皇庄以下断面氮磷比更接近13，随着水华的消退，各断面氮磷比逐渐升高，逐渐维持在一个稳定的水平。由此可见，当汉江水体氮磷比在13附近时，更易促使水华的发生。

　　2.2 叶绿素时空分布特征

　　图5列出了调查期2018年7月汉江中下游水体叶绿素分布情况，其中叶绿素a含量代表了水体中活体浮游藻类的群落数量，而脱镁叶绿素Pa代表了水体中已衰退的浮游藻类水平。通过图5各监测断面叶绿素a含量可知，汉江支流小清河口、唐白河口及汉北河依旧是藻类分布较密集的区域，叶绿素a的含量在17.75～23.45μg/L之间，可为下游水体输送大量藻源。

　　从图4各监测断面氮磷比可知，叶绿素a含量相对较高地区其氮磷比也越接近13，属于适宜藻类生长环境，因此，当外部条件满足(如气温、光照等)时，该地区极易发生水华灾害。而在汉江中下游皇庄断面开始，叶绿素a含量不断增加，特别在兴隆库区的沙洋断面达到一个峰值，说明藻类在库区已有大量聚集，在兴隆坝下河段也呈一个高密度分布状态。由此可见，只要外部条件满足，该地区仍然有暴发大规模水华风险。通过分析脱镁叶绿素Pa的含量，皇庄至仙桃断面水体中Pa的含量较高，变化范围在4.74～9.71μg/L，这大约为汉江中游襄阳河段的10倍，刚好与2018年2月暴发的水华主要影响分布范围一致。

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