氣象因子對(duì)巢湖水源地藍(lán)藻水華暴發(fā)的影響

蔣晨韻 唐曉先 王璨 袁俁 李小龍 錢(qián)新

摘要：近年來(lái)，巢湖藍(lán)藻水華頻頻暴發(fā)，位于巢湖東部的水源地亦出現(xiàn)嚴(yán)重的藍(lán)藻水華，影響漁業(yè)以及周邊人們生產(chǎn)生活用水安全等。巢湖是典型的富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水平適宜藍(lán)藻生長(zhǎng)繁殖。在當(dāng)前水質(zhì)條件下，研究氣象因子及其變化對(duì)藍(lán)藻水華生消和遷移的影響具有重要意義。以巢湖2016年9月的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建三維水動(dòng)力-水質(zhì)模型，設(shè)置不同的氣溫、輻射、風(fēng)速、風(fēng)向的組合情景，對(duì)藍(lán)藻水華進(jìn)行模擬，并重點(diǎn)關(guān)注巢湖水源地。結(jié)果顯示，入秋后，巢湖氣溫仍有利于藍(lán)藻的生長(zhǎng)。這種溫暖晴好天氣下，如持續(xù)小風(fēng)且風(fēng)向不利（西南風(fēng)），中部出現(xiàn)的藍(lán)藻水華，能夠在3 d左右到達(dá)巢湖水源地。因此，在營(yíng)養(yǎng)鹽充足且溫度較為適宜的季節(jié)，風(fēng)速和風(fēng)向是巢湖藍(lán)藻水華預(yù)警的重要因子。

關(guān)鍵詞：巢湖;水質(zhì)模型;藍(lán)藻水華;氣象因子;情景模擬;預(yù)測(cè)預(yù)警

中圖分類號(hào)： X524? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）10-0281-05

20世紀(jì)70年代以來(lái)，巢湖多次出現(xiàn)藍(lán)藻水華，巢湖富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題逐漸受到重視。近年來(lái)，有關(guān)巢湖藍(lán)藻水華的研究不斷深入，藍(lán)藻控制有了更多的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[1-2]。盡管如此，巢湖藍(lán)藻水華問(wèn)題仍未得到改善。2007年，巢湖經(jīng)歷了2000年以后較為嚴(yán)重的藍(lán)藻水華[3]。2008年以后富營(yíng)養(yǎng)化仍維持較高水平。從2000—2015年衛(wèi)星觀測(cè)研究結(jié)果看[4-5]，巢湖藍(lán)藻水華呈初次暴發(fā)時(shí)間提前、覆蓋面積變大、暴發(fā)頻率增加以及持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)的趨勢(shì)。藍(lán)藻水華的暴發(fā)對(duì)水體中生物、水質(zhì)造成不良影響，同時(shí)，危及巢湖水源地飲水安全和人體健康。

藍(lán)藻水華的形成受到物理、化學(xué)、生物等因素影響[6]，一方面是內(nèi)生性因素，包括藻類生長(zhǎng)需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、藻類自身的生理結(jié)構(gòu)，另一方面是適合藍(lán)藻增殖、形成水華的外生性環(huán)境條件[7-9]。在營(yíng)養(yǎng)鹽充足的情況下，環(huán)境因素對(duì)藍(lán)藻水華的暴發(fā)和擴(kuò)散起到重要作用。已有研究證實(shí)了氣溫、風(fēng)、太陽(yáng)輻射、降水等氣象因子對(duì)巢湖藍(lán)藻水華的暴發(fā)及面積具有重要影響[10-12]。從2014—2016年巢湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，巢湖全湖營(yíng)養(yǎng)鹽總氮（TN）、總磷（TP）濃度的最小值均大于美國(guó)環(huán)保局（USEPA）《湖泊與水庫(kù)技術(shù)指導(dǎo)手冊(cè)——營(yíng)養(yǎng)鹽標(biāo)準(zhǔn)》所述可能發(fā)生藍(lán)藻水華的閾值（TP濃度為0.001 mg/L、TN濃度為0.150 mg/L）[13]，在藍(lán)藻所需營(yíng)養(yǎng)鹽相對(duì)充足的前提下，氣象因子很有可能成為影響巢湖藍(lán)藻水華形成和分布的關(guān)鍵因素，對(duì)此進(jìn)行針對(duì)性研究很有必要。已有研究主要通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出結(jié)論[14]，本研究通過(guò)水動(dòng)力-水質(zhì)模型具體分析巢湖藍(lán)藻水華在時(shí)間空間上對(duì)氣象因素的響應(yīng)，為巢湖藍(lán)藻水華的預(yù)測(cè)預(yù)警和控制提供參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

模型計(jì)算所需的水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)源于巢湖管理局，包括每月1次的常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及在藍(lán)藻水華易暴發(fā)期每周2次的加密監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

氣象數(shù)據(jù)包括中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)（http：//data.cma.cn/）中國(guó)地面國(guó)際交換站氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0）中合肥站點(diǎn)的氣溫、降水、風(fēng)速、風(fēng)向等日值數(shù)據(jù)，以及在巢湖忠廟處自建小型氣象站采集的氣溫、降雨、風(fēng)速、風(fēng)向、輻射等間隔15 min的數(shù)據(jù)。

巢湖水華分布遙感監(jiān)測(cè)圖片來(lái)自于MODIS影像，2012—2016年共有292份監(jiān)測(cè)到有效藻華，各年中藍(lán)藻水華最大面積分別達(dá)到184.0、167.6、198.0、321.9、237.6 km2。

1.2 模型應(yīng)用

本研究選用ELCOM-CAEDYM（三維水動(dòng)力-水質(zhì)）耦合模型模擬氣象因子對(duì)巢湖藍(lán)藻水華的影響。通過(guò)將水動(dòng)力模型ELCOM與水質(zhì)模型CAEDYM耦合，模擬三維流場(chǎng)中光照、溫度、溶解氧含量、碳氮磷循環(huán)等對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響，納入藍(lán)藻上浮與沉降等過(guò)程模擬，生成不同時(shí)點(diǎn)、網(wǎng)格、深度中各指標(biāo)濃度，能夠有效模擬氣象因子在不同維度上對(duì)藍(lán)藻水華規(guī)模、分布產(chǎn)生的影響。

ELCOM-CAEDYM模型在國(guó)內(nèi)外都有應(yīng)用。在國(guó)外，ELCOM-CAEDYM被成功應(yīng)用于澳大利亞西部天鵝河口[15]、Daecheong水庫(kù)[16]、Urayama水庫(kù)[17]等，國(guó)內(nèi)也有學(xué)者將其用于淀山湖[18]、太湖[19]、天目湖[20]水質(zhì)模擬研究，成功模擬了降水、入湖河流、營(yíng)養(yǎng)鹽、水溫等因素對(duì)藍(lán)藻水華的影響，并能夠很好地反映出藍(lán)藻水華的時(shí)空分布。謝興勇等成功將ELCOM運(yùn)用于巢湖引江濟(jì)巢調(diào)水的工作[21]，為ELCOM-CAEDYM模型在巢湖的運(yùn)用打下了基礎(chǔ)。

通過(guò)選取典型的藍(lán)藻水華事件，搜集同期數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，對(duì)模型進(jìn)行率定與驗(yàn)證。結(jié)果表明，模型能夠較好地反應(yīng)藍(lán)藻生消與分布情況。

1.3 情景設(shè)置

1.3.1 基本情景 選擇2016年9月18—30日的藍(lán)藻水華過(guò)程為基礎(chǔ)，對(duì)全湖進(jìn)行初始化。全湖初始水溫在25 ℃左右?？偟獫舛确秶?.77～2.91 mg/L，氨氮濃度在0.08～2.39 mg/L，總磷濃度在0.04～0.20 mg/L。整體上，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度西部高，中部次之，東部低。初始時(shí)藍(lán)藻水華集中出現(xiàn)在西湖區(qū)以及湖心處（以藻濃度65 μg/L作為藻華出現(xiàn)的臨界值）。通過(guò)對(duì)比基本情景模擬的結(jié)果與相應(yīng)的藍(lán)藻衛(wèi)片，進(jìn)一步對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1.3.2 氣溫情景 監(jiān)測(cè)到有效藍(lán)藻水華時(shí)，日均氣溫在 14.3～33.4 ℃之間，各年日均氣溫均值在24.5～26.5 ℃之間，日最低氣溫均值在20 ℃以上，日最高氣溫均值在30 ℃左右。根據(jù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)，設(shè)置不同的溫度區(qū)間，分別為a（22.6～29.4 ℃）、b（20.7～31.8 ℃）、c（17.2～18.3 ℃）、d（20.9～25.7 ℃）。通過(guò)氣溫情景模擬，分析不同溫度范圍（a、c、d）和波動(dòng)幅度（a、b）對(duì)藍(lán)藻水華的影響。

1.3.3 輻射情景 根據(jù)自建氣象站采集的輻射數(shù)據(jù)，日最高太陽(yáng)輻射值范圍在400～800 W/m2，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)設(shè)置4檔不同的輻射值，日最高值分別為極低值（LL）144.4 W/m2、低值（L）388.1 W/m2、中值（M）578.1 W/m2和高值（H） 815.6 W/m2。通過(guò)輻射情景模擬的結(jié)果分析太陽(yáng)輻射（光照）對(duì)藍(lán)藻水華的影響。

1.3.4 風(fēng)向風(fēng)速情景 從風(fēng)向上看，藍(lán)藻暴發(fā)的時(shí)段各種風(fēng)向均出現(xiàn)過(guò)，其中以東風(fēng)、東南風(fēng)、東北風(fēng)為主，西南風(fēng)、南風(fēng)、西風(fēng)次之。為模擬不同風(fēng)向?qū)λ{(lán)藻水華遷移擴(kuò)散的影響，在小風(fēng)、高溫、晴天的情形下設(shè)置不同的風(fēng)向，在模擬東風(fēng)下藍(lán)藻的遷移擴(kuò)散的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)關(guān)注主要不利風(fēng)向（如西風(fēng)、西南風(fēng)）作用下，湖區(qū)西部、中部藻華可能對(duì)巢湖東部水源地巢湖船廠（圖1）造成的影響。

從2012—2016年的藍(lán)藻暴發(fā)時(shí)段的風(fēng)速分析，日平均風(fēng)速均值均小于2 m/s，各年的均值在1.62～1.94 m/s之間。據(jù)此，設(shè)置1、2、3 m/s 3種情景，風(fēng)速恒定。其他氣象因子控制在適合藍(lán)藻生長(zhǎng)的范圍內(nèi)進(jìn)行模擬，以考察風(fēng)速對(duì)水華的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 基本情景模擬結(jié)果

基本情景下，藍(lán)藻水華主要分布在西湖區(qū)和湖心區(qū)域靠北岸，逐漸向南擴(kuò)散，在南岸形成藻華，面積在初始時(shí)略有增加，隨后逐漸減小，與衛(wèi)星圖像監(jiān)測(cè)到的藍(lán)藻水華變化趨勢(shì)基本一致（圖2）。

2.2 氣溫對(duì)藍(lán)藻水華的影響

氣溫較低的c情景中，由于輻射較高，計(jì)算期間水溫維持

在25 ℃左右，藻濃度緩慢上升，在模擬后期保持在50 μg/L的水平。在巢湖地區(qū)夏季偶發(fā)的低氣溫條件下，即使?fàn)I養(yǎng)鹽較高、輻射較強(qiáng)，暴發(fā)水華的可能性也相對(duì)較小。

氣溫高于20 ℃的情景（a、b、d）中，水溫均呈緩慢上升的趨勢(shì)，最高能夠達(dá)到33 ℃。在水溫未超過(guò)29 ℃時(shí)，隨著水溫的升高，巢湖船廠處表層藻濃度逐漸升高，從初始的30 μg/L上升到80～90 μg/L，隨后濃度開(kāi)始緩慢下降，但始終高于 65 μg/L。在藻濃度下降階段，水溫多在30 ℃左右，此時(shí)高溫對(duì)藍(lán)藻生長(zhǎng)形成抑制，氣溫越高，水溫越高，藻濃度下降的速度越快。情景a與b下，氣溫日均值相近，日氣溫波動(dòng)幅度變大（±2 ℃）對(duì)藻濃度水平?jīng)]有明顯影響。

藻濃度在不同溫度區(qū)域變化趨勢(shì)不同，源于藍(lán)藻生長(zhǎng)速率在不同溫度下的變化。在達(dá)到29 ℃之前，藍(lán)藻生長(zhǎng)速率隨溫度升高而升高，因此，氣溫高于20 ℃的情景中初始藻濃度增長(zhǎng)明顯快于氣溫20 ℃以下的情景。當(dāng)水溫高于29 ℃時(shí)，氣溫越高，藻濃度下降越快，可能是由于溫度超過(guò)了藻類生長(zhǎng)的最適溫度，藻類生長(zhǎng)速率下降，而同時(shí)代謝死亡速率加快，使得藻濃度下降。另外，從已有觀測(cè)值看，即使在入秋后的9月，氣溫日均值仍處于20～30 ℃之間，極少情況會(huì)低于 20 ℃，因此該時(shí)段氣溫條件有利于藍(lán)藻生長(zhǎng)。

2.3 輻射對(duì)藍(lán)藻水華的影響

在輻射值較高的情景下，水溫上升較快，僅在日最大輻射極低時(shí)，水溫出現(xiàn)了下降。水源地巢湖船廠處，較高輻射值下，隨水溫上升，藻濃度呈先上升后下降的趨勢(shì)，在低輻射情景下，藻濃度呈下降趨勢(shì)（圖4）。然而，在東半湖湖心藻濃度隨時(shí)間始終呈下降趨勢(shì)?？傮w上，輻射值越高，藻濃度越高。

不同輻射值代表了不同的光照度以及向水體傳遞的能量，影響藻類生長(zhǎng)所能獲取的光照以及水體表層溫度的變化。水溫適宜的情況下，光照不足（輻射值較低）會(huì)抑制藍(lán)藻的生長(zhǎng)，藻濃度呈下降趨勢(shì)，但仍然維持在25 μg/L左右。東半湖湖心處，藻濃度始終呈下降趨勢(shì)，可能是受其他因素影響，如附近低濃度水的混合稀釋。巢湖在6—9月，每日輻射最高值小于200 W/m2的情況很少，基本能夠滿足藍(lán)藻快速生長(zhǎng)繁殖的條件。其他條件有利藍(lán)藻增殖時(shí)，當(dāng)輻射值達(dá)到 500 W/m2 以上，水源地藻濃度快速上升并且能夠穩(wěn)定在 65 μg/L 以上，出現(xiàn)藍(lán)藻水華。隨著輻射值上升，藻濃度穩(wěn)定時(shí)達(dá)到的值變高，但是增長(zhǎng)率變小（圖5）。有研究發(fā)現(xiàn)滇池藻濃度與輻射值存在負(fù)相關(guān)關(guān)系的情況[22]，這可能是由于滇池緯度低海拔高，輻射強(qiáng)度整體較高下的特有現(xiàn)象。巢湖處于亞熱帶，出現(xiàn)這種情況的概率不大。

2.4 風(fēng)對(duì)藍(lán)藻水華的影響

風(fēng)速1 m/s時(shí)，表層藻類快速繁殖，風(fēng)向的影響更為明顯。西風(fēng)、西南風(fēng)情景下，巢湖船廠水源地的藻濃度均快速上升。西風(fēng)下，濃度上升最快，最高能夠上升到100 μg/L。東風(fēng)能夠阻礙藍(lán)藻水華遷移到達(dá)東湖區(qū)取水口（船廠）處，使藻濃度維持在較低水平。不同風(fēng)向下，忠廟、東半湖湖心藻濃度變化差別不大（圖6）。

從不同風(fēng)速情景下的藻濃度平面分布（圖7）看，風(fēng)速為1 m/s時(shí)，藍(lán)藻水華連續(xù)、大面積出現(xiàn)，隨時(shí)間不斷向西南方向延伸，覆蓋大部分湖區(qū)。風(fēng)速2、3 m/s時(shí)，藍(lán)藻水華未在全湖范圍連成一片，且面積遠(yuǎn)小于風(fēng)速為1 m/s時(shí)。

風(fēng)速小時(shí)，藍(lán)藻濃度迅速上升并且上浮至表層，隨風(fēng)擴(kuò)散遷移，形成大片水華。在巢湖，當(dāng)風(fēng)速維持在1 m/s左右時(shí)，會(huì)在 1 d 內(nèi)迅速形成大面積藻華，在迅速增殖的同時(shí)向四周擴(kuò)散。

不同點(diǎn)位上垂直方向的平均濃度變化也有所不同（圖8）。忠廟處，1 m/s風(fēng)速下垂直方向藻濃度平均值要小于2、3 m/s 時(shí)，差距最大時(shí)近20 μg/L。東半湖湖心處，3種風(fēng)速下垂直方向平均濃度相差并不大（小于10 μg/L）。巢湖船廠處，垂直方向平均濃度與表層濃度一致，風(fēng)速小時(shí)濃度高。

風(fēng)速小時(shí)，藻類漂浮在表層，有適宜的溫度和充足的光照，迅速繁殖、擴(kuò)散遷移。因此，風(fēng)速小時(shí)，表層濃度更大。風(fēng)速較大時(shí)，對(duì)水體擾動(dòng)增大，達(dá)到一定程度可能會(huì)破壞高溫下的水體分層，使得營(yíng)養(yǎng)鹽、藻類在垂直方向上快速混合。在水深較小的巢湖船廠處，即使在風(fēng)速1 m/s的情況也能充分混合。但在水深較大的忠廟處，1 m/s的風(fēng)速不足以破壞整個(gè)分層，藻類在表層迅速增殖積聚，消耗表層營(yíng)養(yǎng)鹽。一方面，由于分層未被打破，阻礙了底層營(yíng)養(yǎng)鹽向表層的遷移，表層未得到補(bǔ)給。另一方面，1 m/s風(fēng)速下，表層水溫會(huì)更高，表層藻類代謝死亡速率也會(huì)增快。這可能共同導(dǎo)致了1 m/s時(shí)忠廟處垂直方向平均藻濃度低于2 m/s和3 m/s時(shí)。

2.5 藻濃度與藍(lán)藻氣象指標(biāo)的關(guān)系

在營(yíng)養(yǎng)鹽充足的條件下，嘗試分析藻濃度與氣象因子之間的關(guān)系。將氣溫、輻射和風(fēng)速進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算氣象指標(biāo)。選取每天正午過(guò)后15：00的數(shù)據(jù)，分析藻濃度與氣象指標(biāo)的關(guān)系。從西半湖湖心、忠廟、東半湖湖心3個(gè)點(diǎn)的結(jié)果看，藻濃度總體上與氣象指標(biāo)呈正相關(guān)關(guān)系。西半湖湖心處初始藻濃度高，趨勢(shì)更為明顯（圖9）。

忠廟處，有2個(gè)明顯的低值，原因可能是這2點(diǎn)對(duì)應(yīng)初始時(shí)段（09-18和09-19），初始濃度較低，盡管氣象條件較為適宜，藻濃度仍然處于較低水平。另外，氣象指標(biāo)最大值點(diǎn)出現(xiàn)在9月20日，并未對(duì)應(yīng)最高濃度，但仍然相對(duì)前2日大幅上升。其他點(diǎn)位濃度水平較高，可能是由于后續(xù)高濃度區(qū)的藻類遷移到了該處。在未來(lái)分析考慮藻濃度的變化時(shí)，除了原位生長(zhǎng)的藍(lán)藻外，還應(yīng)納入遷移量。

3 結(jié)論

在營(yíng)養(yǎng)鹽充足的春夏季節(jié)，氣溫、輻射、風(fēng)等氣象因素對(duì)藻濃度及藍(lán)藻水華時(shí)空分布的影響可能更加明顯。進(jìn)入秋季后，巢湖氣溫日均值仍處于20～30 ℃之間，有利于藍(lán)藻的生長(zhǎng)。同時(shí)，巢湖藻濃度會(huì)隨著輻射值的增加而增加。當(dāng)氣象預(yù)報(bào)為晴天或者多云時(shí)，仍應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

氣溫適宜的晴好天氣，風(fēng)對(duì)藍(lán)藻水華生消和分布產(chǎn)生的影響可能會(huì)更加明顯。如果在此時(shí)巢湖中部湖區(qū)出現(xiàn)藍(lán)藻水華，1 m/s的西南風(fēng)下，經(jīng)過(guò)3 d左右，水華會(huì)遷移擴(kuò)散到位于巢湖東部、裕溪河口上游的巢湖水源地。如在中部湖區(qū)觀測(cè)到藍(lán)藻水華，應(yīng)密切結(jié)合未來(lái)風(fēng)速風(fēng)向的預(yù)報(bào)進(jìn)行分析，如在未來(lái)幾日氣象預(yù)報(bào)中出現(xiàn)風(fēng)速在1 m/s以下的情況，應(yīng)對(duì)水源地的藻濃度進(jìn)行跟蹤加密監(jiān)測(cè)，并制定相應(yīng)的應(yīng)急方案。

將氣溫、輻射和風(fēng)速歸一，計(jì)算藍(lán)藻氣象指標(biāo)，對(duì)藻濃度與其關(guān)系進(jìn)行了分析?？傮w上，在溫度適宜（大多在20～30 ℃）、天氣晴好時(shí)，巢湖不同湖區(qū)的藻濃度均與藍(lán)藻氣象指標(biāo)呈一定的正相關(guān)關(guān)系，但未考慮藻類的湖內(nèi)遷移。在后續(xù)的研究中，應(yīng)考慮遷移量的影響。

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