烏江上游梯級水庫水體富營養(yǎng)化研究

魏 浪,夏 霆,嚴(yán)志程,卞勛文

(1.中國水電顧問集團貴陽勘測設(shè)計研究院,貴州貴陽 550081;2.南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210002;3.河海大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210098)

烏江上游梯級水庫水體富營養(yǎng)化研究

魏 浪1,夏 霆2,嚴(yán)志程3,卞勛文3

(1.中國水電顧問集團貴陽勘測設(shè)計研究院,貴州貴陽 550081;2.南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210002;3.河海大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210098)

以烏江上游洪家渡、東風(fēng)、索風(fēng)營和烏江渡4座梯級水庫為研究區(qū)域,于2007年開展了現(xiàn)場監(jiān)測和調(diào)查,分別對4座水庫富營養(yǎng)化狀況和影響原因進(jìn)行初步研究。結(jié)果表明:洪家渡水庫枯水期為貧營養(yǎng)狀態(tài),豐水期為貧-中營養(yǎng)狀態(tài);東風(fēng)和索風(fēng)營水庫枯、豐水期均為中營養(yǎng)狀態(tài);烏江渡水庫枯、豐水期均為中-富營養(yǎng)狀態(tài)。自上游至下游梯級水庫水體富營養(yǎng)化程度趨于嚴(yán)重;梯級電站大壩阻隔引起的水動力條件變化,N、P等營養(yǎng)鹽輸入條件,網(wǎng)箱養(yǎng)殖,日照和水溫條件均對庫區(qū)富營養(yǎng)化狀況產(chǎn)生了重要影響。

烏江;梯級開發(fā);富營養(yǎng)化;水庫

水電開發(fā)在帶來巨大社會效益和經(jīng)濟效益的同時,對生態(tài)環(huán)境也產(chǎn)生了影響,尤其是流域梯級水庫開發(fā)的影響更為深遠(yuǎn)。梯級水庫富營養(yǎng)化狀況受地形、地質(zhì)和氣候等自然條件以及人類生產(chǎn)、生活等多層次和多尺度因素綜合影響,能在很大程度上反映河流生態(tài)環(huán)境的變化特征[1-2]。烏江為貴州省第一大河流,也是我國十三大水電能源基地之一,近年來,烏江已建、正建的梯級水電工程已對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和河道生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了重大影響。筆者選擇烏江上游已建4座梯級水庫,初步探討其富營養(yǎng)化特征和影響因素,希冀能為烏江流域的科學(xué)管理以及更深入地研究梯級水電工程的生態(tài)效應(yīng)提供參考。

1 研究區(qū)概況

烏江發(fā)源于貴州省西北部烏蒙山東麓,南源三岔河發(fā)源于貴州威寧縣的鹽倉,北源六沖河發(fā)源于貴州赫章縣的媽姑(圖1)。從1971年烏江渡電站開工至今,烏江干流共規(guī)劃有12個梯級電站。為探索梯級水庫的影響效應(yīng),筆者選擇烏江上游(包括北源)已建好的洪家渡、東風(fēng)、索風(fēng)營和烏江渡4座連續(xù)梯級水庫為研究區(qū)域(表1)。研究區(qū)河谷切深達(dá)170m以上,水位由上游洪家渡電站的1140m過渡到下游烏江渡電站的760m,落差達(dá)380m,烏江渡壩址以上流域面積27790km2,為整個烏江流域面積的1/3,壩址處多年平均流量483m3/s。研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫為13℃左右,云量多,太陽輻射總量少、日照少,降雨量年內(nèi)分配極不均勻,一般5月進(jìn)入汛期,到10月汛期結(jié)束,5～10月降水量約占全年的83%左右。研究區(qū)山地多、平地少,城市化水平較低,以農(nóng)業(yè)為主,且耕作方式較為原始。

圖1 研究區(qū)域及各水庫監(jiān)測斷面設(shè)置

表1 研究區(qū)水電站主要指標(biāo)

2 研究方法

根據(jù)4個水庫回水段的長度共設(shè)置15個采樣監(jiān)測斷面。其中洪家渡、東風(fēng)和索風(fēng)營水庫分別設(shè)置3個斷面,庫區(qū)觀測范圍為25km左右,烏江渡6個斷面,庫區(qū)觀測范圍為大壩上游55km。分別于2007年4月上旬(枯水期)和8月上旬(豐水期)開展現(xiàn)場調(diào)查與監(jiān)測,水質(zhì)監(jiān)測包括Chl-a、CODMn、SD、DO、TN、TP等項目,同時進(jìn)行浮游藻類的采集及定量鏡檢觀察。水樣以及藻類的采集、保存和分析方法參照文獻(xiàn)[3]。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,結(jié)合水體綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)、藻類密度與藻類Shannon-weaver指數(shù)(H′)[4]進(jìn)行各水庫富營養(yǎng)化評價。

3 結(jié)果與討論

3.1 水質(zhì)、藻類調(diào)查結(jié)果

各水庫枯、豐水期水質(zhì)平均監(jiān)測結(jié)果見表2。由監(jiān)測結(jié)果看,4個庫區(qū)DO質(zhì)量濃度為8.5～9.6mg/L,且4個庫區(qū)之間差異不大,除洪家渡外,其余水庫枯水期DO濃度優(yōu)于豐水期;TN質(zhì)量濃度,洪家渡較低,實測值均低于0.7mg/L,其余 3庫質(zhì)量濃度值均較高,除枯水期索風(fēng)營外,均值均大于1.5mg/L,烏江渡庫區(qū)TN質(zhì)量濃度斷面實測值差異較大,由庫尾至庫首濃度逐漸增大,其中豐水期2個斷面質(zhì)量濃度值高于3mg/L;TP質(zhì)量濃度和TN相似。洪家渡庫區(qū)TP質(zhì)量濃度最低,在0.01mg/L左右,東風(fēng)和索風(fēng)營庫區(qū) TP質(zhì)量濃度基本上在0.07mg/L左右,烏江渡庫區(qū)TP質(zhì)量濃度最高,最高值達(dá)到了0.24mg/L;CODMn質(zhì)量濃度各庫區(qū)均較低,基本在3mg/L以下,除烏江渡水庫外,其余3庫枯水期CODMn質(zhì)量濃度均高于豐水期;Chl-a質(zhì)量濃度上游洪家渡、東風(fēng)和索風(fēng)營3庫較低,質(zhì)量濃度值均小于3mg/m3,且豐水期優(yōu)于枯水期,烏江渡水庫濃度值較高,豐水期高于枯水期,豐水期實測濃度最高值達(dá)到了13.1mg/m3;4個庫區(qū)SD值均較大,平均值均在1.5m以上,自上游至下游SD值漸趨變小。從以上監(jiān)測結(jié)果,可知烏江4個梯級庫區(qū)從上游到下游營養(yǎng)鹽和Chl-a濃度總體上呈逐級增加的趨勢,且富營養(yǎng)化主要水質(zhì)控制因子為N和P。各監(jiān)測斷面TN、TP與Chl-a實測濃度變化見圖2(監(jiān)測斷面序號自上游至下游排列)。

表2 各水庫水質(zhì)監(jiān)測平均結(jié)果

兩次調(diào)查共檢出藻類103種,分屬于藍(lán)藻門、隱藻門、甲藻門、金藻門、硅藻門和綠藻門等6門55屬。各水庫枯、豐水期浮游藻類平均細(xì)胞密度值與優(yōu)勢種見圖3。從圖中可以看出,在枯水期,從上游的洪家渡水庫到下游的烏江渡水庫,藍(lán)藻門和綠藻門藻類數(shù)量不斷增加,硅藻門藻類數(shù)量變化不大,在索風(fēng)營水庫數(shù)量最大。在豐水期,從洪家渡水庫到烏江渡水庫,藍(lán)藻門和綠藻門藻類數(shù)量先逐漸減小,到烏江渡水庫后發(fā)生突增;硅藻門藻類數(shù)量也從洪家渡水庫的數(shù)量最多漸變到索風(fēng)營水庫的數(shù)量最少,在烏江渡水庫又有所回升。洪家渡、東風(fēng)和烏江渡水庫的枯水期藻類總數(shù)量都小于豐水期的數(shù)量,而索風(fēng)營水庫枯水期藻類總數(shù)量大于豐水期。

圖2 各監(jiān)測斷面TN、TP與Chl-a實測質(zhì)量濃度變化

圖3 各水庫浮游藻類分布及細(xì)胞密度

監(jiān)測結(jié)果表明,綠藻、硅藻和藍(lán)藻構(gòu)成了烏江上游4座梯級水庫藻類優(yōu)勢種,其中檢測到的綠藻種類最多,除索風(fēng)營水庫豐水期綠藻種數(shù)占檢測到總藻種數(shù)的40.6%外,其余各庫豐水期和枯水期綠藻種數(shù)占檢測到總藻種數(shù)百分比都達(dá)到50%以上,其中東風(fēng)水庫豐水期綠藻種數(shù)占檢測到總藻種數(shù)百分比達(dá)67.9%。綠藻門的卵囊藻屬(Oocystis)、盤星藻屬(Pediastrum)、柵藻屬(Scenedesmus)、角星鼓藻屬(Staurastrum)和鼓藻屬(Cosmarium)是檢測到包含種最多的屬。

3.2 富營養(yǎng)化評價結(jié)果

參照文獻(xiàn)[4],選擇 Chl-a、TN 、TP、SD 和 CODMN指標(biāo)計算出各庫區(qū)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI,同時根據(jù)藻類種數(shù)和相應(yīng)密度計算出H′指數(shù)(表3)。計算結(jié)果表明,4個庫區(qū)枯、豐水期TLI值均呈自上游到下游逐漸增大趨勢,各庫枯、豐水期相差不大,豐水期略好;藻類H′值枯、豐水期總體上呈自上游到下游逐漸減小趨勢,各庫枯水期值優(yōu)于豐水期。按文獻(xiàn)[4]規(guī)定的評判標(biāo)準(zhǔn),可知洪家渡枯、豐水期TLI值均小于30,應(yīng)為貧營養(yǎng)狀態(tài),但由于在豐水期藻類密度較大,且H′指數(shù)值小于3,可綜合判定豐水期洪家渡水庫為貧-中營養(yǎng)狀態(tài)。東風(fēng)、索風(fēng)營兩庫枯、豐水期TLI值均在30～50內(nèi),且藻類密度值與H′指數(shù)值均符合相應(yīng)的中營養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn),因此均綜合判定為中營養(yǎng)化狀態(tài)。下游烏江渡水庫枯水期TLI值大于50,應(yīng)為富營養(yǎng)狀態(tài),但按照藻類密度值與H′指數(shù)值均符合中營養(yǎng)狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn),因此綜合判定為中-富營養(yǎng)化狀態(tài);豐水期雖然烏江渡水庫TLI值與H′指數(shù)值均符合中營養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn),但藻密度值大于100已符合富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn),因此也綜合判定為中-富營養(yǎng)化狀態(tài)。評判結(jié)果見表3。

表3 各水庫富營養(yǎng)化評價結(jié)果

評判結(jié)果表明,烏江渡水庫枯、豐水期均呈現(xiàn)輕度的富營養(yǎng)化趨勢,盡管上游洪家渡、東風(fēng)、索風(fēng)營3座水庫目前綜合營養(yǎng)化狀況較好,但總體上看,4座梯級水庫自上游到下游富營養(yǎng)化狀況呈加重趨勢,這一現(xiàn)象應(yīng)引起重視。

3.3 富營養(yǎng)化影響因素初步探討

3.3.1 庫區(qū)水體滯留時間

建壩后水庫流速減緩,使水體的交換作用減弱,不利于污染物移送,易導(dǎo)致營養(yǎng)鹽的富集并促進(jìn)藻類生長。根據(jù)本次調(diào)查與評價結(jié)果,烏江梯級水庫N、P營養(yǎng)鹽、Chl-a濃度以及藻密度均呈自上游至下游逐漸增大變化。水庫蓄水后,隨著水體滯留時間變長,浮游植物擁有更長的生長繁殖周期,在適宜的營養(yǎng)條件下數(shù)量會顯著增長,水體發(fā)生富營養(yǎng)化的幾率增大。烏江上游4個梯級水庫的水體滯留時間排序為:洪家渡、烏江渡、東風(fēng)、索風(fēng)營(表 4)。洪家渡水庫屬多年調(diào)節(jié)水庫,滯留時間長,盡管營養(yǎng)鹽濃度較低,但水力停留時間長,以致形成數(shù)量較大的硅藻群落。而東風(fēng)、索風(fēng)營水庫的滯留時間都比較短,尤其在豐水期,水流滯留時間太短,藻類難以在短時間內(nèi)迅速增長繁殖,不能形成穩(wěn)定的藻類群體,使得即使在豐水期較適宜的溫度條件下,藻類也難以大量增長。

表4 各水庫不同水期平均滯留時間

3.3.2 N、P等營養(yǎng)鹽條件

N、P等營養(yǎng)鹽條件是表征湖庫水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化并影響浮游藻類生長的重要因素。一般認(rèn)為,湖庫水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化的N、P臨界質(zhì)量濃度分別為0.2mg/L和0.02mg/L。根據(jù)表2結(jié)果可知,除洪家渡水庫TP質(zhì)量濃度低于0.02mg/L外,其余水庫豐、枯水期N、P質(zhì)量濃度水平均超過了這一臨界濃度,營養(yǎng)鹽偏高為浮游藻類的生長創(chuàng)造了條件,這也是庫區(qū)藻類組成和數(shù)量變化的重要影響因素。

本次調(diào)查表明,烏江梯級庫區(qū)水質(zhì)受周邊污染源及上游、支流匯入條件影響較大。盡管多數(shù)庫區(qū)周邊居民居住分散,生活性污染源少,但水質(zhì)受礦產(chǎn)污染源和水土流失面污染源影響較大,如兩岸的黔西氮肥廠、黔西磷肥廠、息烽重鈣廠及息烽造紙廠等,流域內(nèi)水土流失較高,同時由于居民耕作方式較為原始,耕地施用的農(nóng)藥和化肥等N、P易隨地表徑流進(jìn)入河流與水庫。并且,洪家渡上游來水的營養(yǎng)鹽尤其是N濃度背景輸入條件較高,支流匯入的水質(zhì)較差,均嚴(yán)重影響了庫區(qū)水質(zhì)。就污染輸入而言,進(jìn)入烏江渡庫區(qū)污染源要明顯高于上游庫區(qū),使得烏江渡水庫營養(yǎng)鹽濃度較高,同時使得烏江渡水庫在豐水期維持較高的藻類密度。

3.3.3 光照與水溫

光照為影響藻類生存的必要條件。烏江上游水庫均為高山峽谷型地貌,高山遮擋,影響水庫光照。根據(jù)烏江流域氣象條件統(tǒng)計,流域日照偏低,全年只有7、8、9三個月日照時數(shù)最高,高于30%;同時據(jù)鴨池河水文站統(tǒng)計資料,這三個月日平均水溫分別為23℃、21.7℃、20.6℃,適合藻類生長(15～ 30℃),使得藻類生長條件豐水期優(yōu)于枯水期,這也是烏江庫區(qū)藻密度豐水期大于枯水期原因之一。

河道筑壩后,水庫易出現(xiàn)水溫分層現(xiàn)象,并改變下泄水水溫條件。同步監(jiān)測表明,豐水期洪家渡、東風(fēng)水庫水溫分層現(xiàn)象明顯,下泄低溫水影響下游水庫,使得表層平均水溫從洪家渡的26.5℃分別降低到東風(fēng)水庫的24.5℃、索風(fēng)營水庫的21.9℃。而索風(fēng)營屬混合型水庫,水體混合均勻,無分層現(xiàn)象,對下游的烏江渡沒有下泄低溫水影響,由于沿程增溫作用,表層水溫由索風(fēng)營水庫的21.9℃,再上升到烏江渡水庫的27℃。由表3可以看出,受下泄低溫水影響的東風(fēng)和索風(fēng)營水庫在豐水期浮游植物數(shù)量分別為46×104個/L和39×104個/L,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于不受下泄低溫水影響的洪家渡水庫的76.9×104個/L和烏江渡水庫的176.5×104個/L。低溫下泄水和浮游植物數(shù)量之間有一定關(guān)系,低溫在一定程度上能夠降低豐水期浮游植物數(shù)量。相比于東風(fēng)和索風(fēng)營庫區(qū),豐水期洪家渡和烏江渡庫區(qū)發(fā)生水體富營養(yǎng)化的幾率更大。

3.3.4 網(wǎng)箱養(yǎng)魚

本次調(diào)查發(fā)現(xiàn),烏江渡水庫從漩塘到大壩前遍布養(yǎng)魚網(wǎng)箱,對水庫營養(yǎng)鹽和藻類生長條件均形成重要影響。網(wǎng)箱養(yǎng)魚需要投加餌料,如果魚類不能完全攝食就會產(chǎn)生殘餌,加上養(yǎng)殖魚類的排泄物,容易造成水體營養(yǎng)鹽增加,促進(jìn)浮游藻類的生長。根據(jù)本次調(diào)查,同時參考同類地區(qū)水庫網(wǎng)箱養(yǎng)魚的數(shù)據(jù)統(tǒng)計[5],可計算出當(dāng)年烏江渡水庫由網(wǎng)箱養(yǎng)魚向水體輸入的N、P負(fù)荷量分別達(dá)278.85t/a、54.43t/a。近年來烏江渡庫區(qū)網(wǎng)箱養(yǎng)殖量逐年增長,這些N、P負(fù)荷進(jìn)入水體,嚴(yán)重影響了水體營養(yǎng)鹽濃度和藻類生長條件。同時網(wǎng)箱養(yǎng)魚還有可能使得浮游動物被魚類攝食,減輕浮游藻類的被攝食壓力,加快藻類的增殖速率,洪家渡、東風(fēng)、索風(fēng)營水庫沒有人工養(yǎng)殖或放養(yǎng),浮游動物和濾食性魚類的生物量低,難以顯著地影響浮游藻類生長。烏江渡水庫藻密度較高應(yīng)與庫內(nèi)大量網(wǎng)箱養(yǎng)殖密切相關(guān)。

4 結(jié) 語

a.2007年現(xiàn)場監(jiān)測表明,洪家渡、東風(fēng)、索風(fēng)營和烏江渡4個庫區(qū)DO濃度與SD值均較大,DO濃度4個庫區(qū)之間差異不大,SD值4個庫區(qū)自上游至下游漸趨變小。烏江4個梯級庫區(qū)從上游到下游營養(yǎng)鹽和Chl-a濃度總體上呈逐級增加的趨勢,富營養(yǎng)化主要水質(zhì)控制因子為N和P。

b.綠藻、硅藻和藍(lán)藻構(gòu)成了烏江上游4座梯級水庫藻類優(yōu)勢種。洪家渡、東風(fēng)和烏江渡水庫的枯水期藻類數(shù)量都小于豐水期的數(shù)量,而索風(fēng)營水庫枯水期藻類數(shù)量大于豐水期?？菟?個庫區(qū)自上游至下游藍(lán)藻門和綠藻門藻類數(shù)量不斷增加,硅藻門藻類數(shù)量基本穩(wěn)定,在索風(fēng)營水庫數(shù)量最大;豐水期4個庫區(qū)自上游至下游藍(lán)藻門和綠藻門藻類數(shù)量先逐漸減小,到烏江渡水庫后發(fā)生突增;硅藻門藻類數(shù)量也從洪家渡水庫的數(shù)量最多漸變到索風(fēng)營水庫的數(shù)量最少,在烏江渡水庫又有所回升。

c.洪家渡水庫枯水期為貧營養(yǎng)狀態(tài)、豐水期為貧-中營養(yǎng)化狀態(tài),東風(fēng)和索風(fēng)營水庫枯、豐水期均為中營養(yǎng)化狀態(tài),烏江渡水庫枯、豐水期均為中-富營養(yǎng)化狀態(tài),自上游至下游梯級水庫富營養(yǎng)化程度有趨于嚴(yán)重的特征,烏江渡水庫枯、豐水期均呈現(xiàn)了輕度的富營養(yǎng)化趨勢。

d.除了梯級大壩阻隔引起的水體滯留變化及N、P等營養(yǎng)鹽條件外,日照和水溫、網(wǎng)箱養(yǎng)殖條件均對庫區(qū)富營養(yǎng)化狀況產(chǎn)生了重要影響。

[1]BONACCI O,ROJE-BONACCI T.The influence of hydroelectrical development on the flow regime of the Karstic River Cetina[J].Hydrological Process,2003,17:1-16.

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[4]金相燦,屠清瑛.湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1990:208-232.

[5]許德芝.紅楓湖網(wǎng)箱養(yǎng)魚對水質(zhì)的影響[J].環(huán)境,2002(2):43.

Eutrophication in upstream cascade reservoirs of Wujiang River

WEI Lang1,XIA Ting2,YAN Zhi-cheng3,BIAN Xun-wen3
(1.HYDROCHINA Guiyang Engineering Corporation,Guiyang550081,China;2.College of Environment,Nanjing University of Technology,Nanjing210002,China;3.College of Environmental Science and Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China)

Field monitoring and investigation of the Hongjiadu,Dongfeng,Suofengying,and Wujiangdu cascade reservoirswere carried out,and the status and influences of eutrophicationwere studied in 2007.The results showed that the Hongjiadu Reservoir had a low level of nutrients in the dry season,and a low to medium level of nutrients in the flood season;Dongfeng and Suofengying reservoirs had a medium level of nutrients both in the dry and flood seasons;the Wujiangdu Reservoir had a medium to high nutrient level both in the dry and flood seasons;and the degree of eutrophication tended to increase from upstream to downstream.The change of hydrodynamic conditions due to the cutting off of the dam,the inputs of nitrogen and phosphorus,net cage fish farming,sunlight,and water temperature most affected the reservoir eutrophication.

Wujiang River;cascade development;eutrophication;reservoirs

TV211.1

A

1004-6933(2010)04-0039-04

10.3969/j.issn.1004-6933.2010.04.011

魏浪(1978—),男,貴州桐梓人,工程師,主要從事環(huán)境保護評價研究。E-mail:weilang@ghidri.com.cn

夏霆(1973—),講師。E-mail:xiating92@163.com

2009-02-16 編輯:高渭文)