南水北調(diào)中線(xiàn)工程調(diào)水前后漢江下游水生態(tài)環(huán)境特征與響應(yīng)規(guī)律識(shí)別

曹圣潔，夏 瑞，張 遠(yuǎn)，李正炎，任逸軒，塔 拉

1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院水環(huán)境研究所，北京 100012 3.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110036

作為世界上最大的跨流域調(diào)水工程，南水北調(diào)中線(xiàn)工程(簡(jiǎn)稱(chēng)“中線(xiàn)工程”)自2014年12月12日正式通水以來(lái)，在很大程度上緩解了我國(guó)北方的缺水問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)水資源優(yōu)化配置和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略性民生工程. 然而，如此規(guī)模宏大的水利工程在為供水地區(qū)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力的同時(shí)，也在一定程度上伴隨著對(duì)調(diào)水區(qū)下游生態(tài)系統(tǒng)的影響[1-5]. 近年來(lái)，國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人高度重視長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水生態(tài)保護(hù)修復(fù)工作，漢江作為長(zhǎng)江的最大支流，中線(xiàn)工程開(kāi)通后對(duì)漢江下游水生態(tài)環(huán)境的影響成為我國(guó)環(huán)保和水利部門(mén)的重點(diǎn)關(guān)注. 漢江在近20年內(nèi)多次暴發(fā)不同程度的硅藻水華事件，嚴(yán)重影響著沿江居民的飲用水安全狀況[6-7]，尤其是2014年中線(xiàn)工程正式開(kāi)通后，漢江下游武漢段已連續(xù)3年發(fā)生水華事件. 如何維系上游丹江口水庫(kù)調(diào)水良好運(yùn)行與下游河流生態(tài)健康的關(guān)系，不僅是國(guó)家河流生態(tài)健康管理的重要需求，也是當(dāng)前國(guó)際上水文與生態(tài)交叉學(xué)科亟待解決的難題.

國(guó)外水利工程建設(shè)和投入相對(duì)較早，對(duì)水利工程的相關(guān)研究較多. 大量研究[8-11]表明，大型水利工程在建設(shè)、運(yùn)行及移除過(guò)程中會(huì)對(duì)下游河流產(chǎn)生較大的物理和生態(tài)變化影響，并且比一般中小型水利工程的影響效應(yīng)持續(xù)的時(shí)間更長(zhǎng). Matos等[12]基于歷史數(shù)據(jù)分析了水利工程建設(shè)對(duì)非洲南部贊比西河水文情勢(shì)的影響，發(fā)現(xiàn)水庫(kù)下泄流量的改變對(duì)下游水環(huán)境要素存在較大的季節(jié)波動(dòng)影響，導(dǎo)致河流生境發(fā)生顯著改變；Bonacci等[13]針對(duì)意大利德瓦拉河近30年的水文情勢(shì)開(kāi)展研究，闡明了水庫(kù)的修建和運(yùn)行對(duì)河流下游水位、流量及輸沙量的影響，從而引起流域多個(gè)支流磷負(fù)荷改變. 全球有超過(guò)一半的大型河流正遭受著高強(qiáng)度人類(lèi)活動(dòng)的干擾，河流水生態(tài)系統(tǒng)退化不再是單純的河道內(nèi)生態(tài)演變過(guò)程，而是水資源開(kāi)發(fā)和水利工程建設(shè)影響下的復(fù)合水生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[14-15]. 由于國(guó)外人口數(shù)量和資源環(huán)境壓力沒(méi)有我國(guó)所面臨的形勢(shì)嚴(yán)峻，其水利工程遠(yuǎn)不及我國(guó)的南水北調(diào)、三峽和葛洲壩工程等規(guī)模巨大，因而在工程對(duì)河流水生態(tài)環(huán)境影響的案例、后果與對(duì)策上的研究相對(duì)較少[16].

近年來(lái)，許多國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)中線(xiàn)工程對(duì)漢江中下游的影響從不同角度開(kāi)展了研究. 李雨等[17]采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法和Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法分析了中線(xiàn)工程調(diào)水前漢江中下游的水量變化趨勢(shì)；彭聃等[18]對(duì)中線(xiàn)工程調(diào)水前漢江中下游的水質(zhì)狀況及時(shí)空變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)；高永年等[19]基于綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系方法研究了漢江下游水質(zhì)、土壤、社會(huì)、水生物和水資源等要素與上游調(diào)水的響應(yīng)關(guān)系；YANG等[20]利用GAM模型(廣義相加模型)建立漢江中下游水華藻類(lèi)生物量與環(huán)境因子的關(guān)系，探討了通過(guò)調(diào)節(jié)丹江口水庫(kù)蓄水量來(lái)控制下游水華暴發(fā)的可能性；殷大聰?shù)萚21-22]基于漢江下游實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和室內(nèi)試驗(yàn)研究了水華硅藻的生物學(xué)特性，并提出預(yù)防漢江下游水華暴發(fā)的流量閾值范圍. 然而，關(guān)于中線(xiàn)工程對(duì)漢江下游生態(tài)環(huán)境影響的已有研究多是基于情景假設(shè)和規(guī)劃條件下的預(yù)判，針對(duì)當(dāng)前實(shí)際調(diào)水條件下的研究成果較少. 隨著中線(xiàn)工程于2014年底正式運(yùn)行，科學(xué)識(shí)別調(diào)水前后漢江下游水生態(tài)環(huán)境特征和響應(yīng)規(guī)律亟待深入開(kāi)展.

該研究以漢江下游水華暴發(fā)最嚴(yán)重的武漢段為研究對(duì)象，選取2010—2017年調(diào)水前后漢江下游水文、氣象、水質(zhì)和水生態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料，重點(diǎn)圍繞中線(xiàn)工程調(diào)水前后漢江下游多環(huán)境要素特征和響應(yīng)規(guī)律開(kāi)展研究，旨在闡明2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：①中線(xiàn)工程調(diào)水前后，漢江下游水文、氣象、水質(zhì)和藻密度發(fā)生了哪些變化？②如何科學(xué)分離并識(shí)別不同調(diào)水時(shí)期可能導(dǎo)致河流藻密度變化的關(guān)鍵影響要素及其貢獻(xiàn)？從而為揭示漢江下游河流水華暴發(fā)成因提供依據(jù)，為科學(xué)識(shí)別大型水利工程影響下的河流水生態(tài)環(huán)境響應(yīng)機(jī)制提供方法和手段.

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

中線(xiàn)工程從漢江上游的丹江口水庫(kù)引水，自流沿途供水并最終抵達(dá)京津地區(qū). 漢江(106°E～114°E、30°N～34°N)流域面積15.1×104km2，干流全長(zhǎng) 1 577 km，上、中、下游分別為丹江口以上河段、丹江口—鐘祥河段和鐘祥—武漢河段. 其中，漢江下游干流河長(zhǎng)約380 km，流經(jīng)天門(mén)市、潛江市、仙桃市、武漢市等地，多年平均氣溫15～17 ℃，氣候溫和濕潤(rùn)，雨量較為充沛. 漢江下游流域概況如圖1所示.

圖1 漢江下游流域概況Fig.1 Overview of the downstream of Hanjiang River

研究資料包括水文、氣象、水質(zhì)和藻密度數(shù)據(jù). 水文數(shù)據(jù)選取漢江下游仙桃水文站2010—2017年流量逐日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料，分別以2010—2014年為調(diào)水前水文時(shí)間序列、以2015—2017年為調(diào)水后水文時(shí)間序列開(kāi)展分析. 氣象數(shù)據(jù)從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)下載，選取漢江下游武漢市氣象站點(diǎn)(站位57494)2010—2017年日累計(jì)降雨量資料，其時(shí)間序列與水文資料時(shí)間序列保持一致. 水質(zhì)和藻密度數(shù)據(jù)選取漢江下游武漢市白鶴嘴、琴斷口、宗關(guān)3個(gè)主要供水水源地2010—2017年2—4月逐旬?dāng)?shù)據(jù)資料，在單因子變化特征分析中選取ρ(TP)、ρ(TN)、藻密度和ρ(Chla) 4個(gè)指標(biāo)，其時(shí)間序列與水文和氣象資料時(shí)間序列保持一致.

1.2 分析方法

1.2.1趨勢(shì)檢驗(yàn)方法

Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法[23]用以對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)資料的年際變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn). 在置信水平α為0.95下，用|T|值(Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)值)來(lái)判斷各時(shí)間序列的變化趨勢(shì)是否顯著. 若|T|≥1.64，表示通過(guò)檢驗(yàn)，序列變化趨勢(shì)顯著；若|T|<1.64，表示未通過(guò)檢驗(yàn)，序列變化趨勢(shì)不顯著.

1.2.2相關(guān)分析方法

GAM模型用以分析調(diào)水前后影響藻密度變化的關(guān)鍵因素及關(guān)鍵因子推移變化情況,能擬合響應(yīng)變量與多個(gè)解釋變量之間的非線(xiàn)性關(guān)系，確定各解釋變量在方程中的重要程度[24-25]，其一般表達(dá)形式為

(1)

式中：s(μ)為響應(yīng)變量的連續(xù)函數(shù)；μ為響應(yīng)變量的期望值，該研究中μ為藻密度的對(duì)數(shù)值；a為恒定截距；fi為各解釋變量的平滑函數(shù)，描述藻密度和第i個(gè)關(guān)鍵因子xi之間的關(guān)系.

利用R語(yǔ)言mgcv工具包中的gam函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)GAM模型的構(gòu)建. 模型統(tǒng)計(jì)結(jié)果用P、edf、R2、Deviance explained等指標(biāo)表征.P表示相關(guān)顯著性水平，P≤0.05時(shí)，解釋變量與響應(yīng)變量相關(guān)性顯著. edf表征被估計(jì)值的自由度，edf=1時(shí)，解釋變量與響應(yīng)變量呈線(xiàn)性關(guān)系；edf>1時(shí)，其值越大表示非線(xiàn)性影響力越強(qiáng).R2為回歸平方和與總離差平方和的比值，R2越大，回歸效果越顯著. Deviance explained為模型對(duì)響應(yīng)變量總體變化的貢獻(xiàn)率，貢獻(xiàn)率越大，模型的擬合效果越好.

1.2.3流量分配計(jì)算方法

漢江下游流量分配的不均勻程度通過(guò)變異系數(shù)和流量變化幅度體現(xiàn). 其中，變異系數(shù)〔見(jiàn)式(2)～(4)〕是反映河川流量年內(nèi)分配不均勻性的指標(biāo)，流量變化幅度〔見(jiàn)式(5)〕為河川月均流量最大值和最小值的比值，體現(xiàn)流量年內(nèi)變化幅度的大小.

(2)

(3)

(4)

Cm=Rmax/Rmin

(5)

2 結(jié)果與分析

2.1 漢江下游水文變化特征

從仙桃斷面流量變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖2)可以看出，2010—2017年仙桃斷面年均流量整體呈下降趨勢(shì). 中線(xiàn)工程調(diào)水前(2010—2014年)年均流量持續(xù)減少，并在2014年達(dá)到最低點(diǎn)；調(diào)水后(2015—2017年)流量有所回升，但仍低于調(diào)水前. 根據(jù)調(diào)水前后仙桃斷面多年流量特征值分析結(jié)果(見(jiàn)表1)，調(diào)水前多年平均流量為 1 125.3 m3/s，調(diào)水后多年平均流量為996.08 m3/s，相比調(diào)水前下降了11.5%；對(duì)調(diào)水前后逐月流量進(jìn)行Spearman趨勢(shì)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)調(diào)水前|T|值為4.72，大于1.64，流量呈顯著下降趨勢(shì)，調(diào)水后|T|值為0.09，小于1.64，流量上升趨勢(shì)不明顯.

圖2 仙桃斷面流量變化趨勢(shì)Fig.2 Changes of flow rate at Xiantao cross-section

表1 調(diào)水前后仙桃斷面多年流量特征值與Spearman檢驗(yàn)結(jié)果

注：*表示在0.05置信水平上顯著相關(guān).

此外，枯水期(12月—翌年3月)調(diào)水后多年平均流量相比調(diào)水前下降了28.5%，流量在調(diào)水前后呈下降趨勢(shì)，調(diào)水前|T|為1.22，接近顯著水平1.64，調(diào)水后變化趨勢(shì)不顯著；豐水期(6—9月)調(diào)水后多年平均流量相比調(diào)水前下降了32.9%，調(diào)水前|T|為3.71，大于1.64，流量下降趨勢(shì)顯著，調(diào)水后變化趨勢(shì)不顯著，說(shuō)明漢江下游流量在水量不同時(shí)期均呈現(xiàn)出較為顯著的下降趨勢(shì).

調(diào)水前后仙桃斷面流量分配計(jì)算結(jié)果表明，仙桃斷面Cv(變異系數(shù))由調(diào)水前的1.66升高為調(diào)水后的2.34，Cm(流量變化幅度)由調(diào)水前的4.41升高為調(diào)水后的5.95，說(shuō)明調(diào)水后流量分配不均勻性增大，流量年內(nèi)分配趨于不均勻. 綜上，調(diào)水后漢江下游水文變異程度較大，引起水文情勢(shì)變化的原因可能是人類(lèi)活動(dòng)的干擾.

2.2 漢江下游氣象變化特征

從武漢市降雨量變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖3)可以看出，調(diào)水前后年均降雨量在全年和枯水期呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在豐水期有所下降. 根據(jù)調(diào)水前后多年平均降雨量分析結(jié)果(見(jiàn)表2)，調(diào)水后多年平均降雨量在全年和枯水期相比調(diào)水前分別上升了9.7%和24.7%，豐水期變化程度較?。唤涤炅縎pearman檢驗(yàn)結(jié)果顯示，調(diào)水前后各個(gè)時(shí)期的|T|值均小于1.64，變化趨勢(shì)不顯著. 說(shuō)明漢江下游氣象變異程度較小，降雨量在調(diào)水前后呈現(xiàn)出不顯著的上升趨勢(shì)，同時(shí)期漢江下游徑流過(guò)程可能受降雨等氣候的影響較小.

圖3 武漢市降雨量變化趨勢(shì)Fig.3 Fluctuation of rainfall in Wuhan

2.3 漢江下游水質(zhì)變化特征

選擇ρ(TP) 和ρ(TN) 2個(gè)水質(zhì)因子，分析其調(diào)水前后的變化特征和規(guī)律. 從水質(zhì)因子變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖4)可以看出，2010—2017年春季水華易發(fā)期間武漢市3個(gè)水源地的ρ(TP)、ρ(TN)在調(diào)水后均有不同程度的減小. Spearman檢驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表3)顯示，調(diào)水前后2個(gè)時(shí)間序列的|T|值均小于1.64，說(shuō)明調(diào)水前后漢江下游ρ(TP)、ρ(TN)的下降趨勢(shì)不顯著. 對(duì)漢江下游水質(zhì)變化特征的分析結(jié)果表明，中線(xiàn)工程開(kāi)通后漢江下游水質(zhì)狀況有所好轉(zhuǎn).

表2 調(diào)水前后武漢市多年平均降雨量變化與Spearman檢驗(yàn)結(jié)果

圖4 武漢市3個(gè)水源地水質(zhì)因子變化趨勢(shì)Fig.4 Water quality changes at three water sources in Wuhan

表3 水質(zhì)及藻類(lèi)因子變化與Spearman檢驗(yàn)結(jié)果

注：*表示在0.05置信水平上顯著相關(guān).

2.4 漢江下游藻密度變化特征

以藻密度和ρ(Chla)作為藻類(lèi)變化表征值，分析調(diào)水前后的變化特征和規(guī)律. 從藻密度變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖5)可以看出，2010—2017年春季水華易發(fā)期間武漢市3個(gè)水源地的藻密度在調(diào)水前后略有降低；Spearman檢驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表3)顯示，調(diào)水前3個(gè)水源地的藻密度|T| 值均大于1.64，藻密度下降趨勢(shì)顯著，調(diào)水后|T|值均小于1.64，藻密度呈現(xiàn)不顯著的上升趨勢(shì).

從ρ(Chla)變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖5)可以看出，ρ(Chla)在調(diào)水后大幅升高. 根據(jù)藻類(lèi)因子變化結(jié)果(見(jiàn)表3)，白鶴嘴、琴斷口、宗關(guān)的ρ(Chla)分別升高了80.5%、99.3%和96.2%；趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果顯示，ρ(Chla)在調(diào)水前變化趨勢(shì)不顯著，在調(diào)水后呈顯著上升趨勢(shì). 綜上，藻類(lèi)變化特征與水質(zhì)變化特征差異較大，說(shuō)明相比較水質(zhì)變化對(duì)水生態(tài)帶來(lái)的影響，漢江下游水華的發(fā)生對(duì)水文過(guò)程改變更加敏感，調(diào)水后漢江下游水生態(tài)惡化風(fēng)險(xiǎn)仍然較高.

2.5 影響藻密度變化的關(guān)鍵因子分析

為進(jìn)一步識(shí)別調(diào)水前后可能導(dǎo)致漢江下游藻密度升高的關(guān)鍵要素，以藻密度為響應(yīng)變量，利用GAM模型分析中線(xiàn)工程調(diào)水前后上述各水文、氣象、水質(zhì)因子與藻密度的相關(guān)性(見(jiàn)表4). 由表4可見(jiàn)：調(diào)水前，流量、ρ(TP)的P<0.05通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)，且R2較大，可以認(rèn)為流量和ρ(TP)是影響藻密度變化的關(guān)鍵因子；調(diào)水后，流量、ρ(TP)的P<0.05通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)，且R2較大，流量和ρ(TP)仍然是影響藻密度變化的關(guān)鍵因子. 其中，流量的edf大于1，與藻密度非線(xiàn)性相關(guān)，ρ(TP)的edf等于1，與藻密度線(xiàn)性相關(guān).

從表4也可以看出：調(diào)水前流量的R2最大，貢獻(xiàn)率為27.7%，對(duì)藻密度變化的影響貢獻(xiàn)最大；其次是ρ(TP)，R2為0.187，貢獻(xiàn)率為20.5%. 調(diào)水后流量的R2為0.496，貢獻(xiàn)率為65.4%，大于調(diào)水前的R2和貢獻(xiàn)率，說(shuō)明調(diào)水后流量對(duì)藻密度變化的影響比調(diào)水前更大；調(diào)水后ρ(TP)的影響貢獻(xiàn)較小，且與調(diào)水前的影響程度持平. 綜上，中線(xiàn)工程開(kāi)通后，受上游調(diào)水的影響，漢江下游流量減小對(duì)藻密度變化的影響十分明顯，而TP等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的影響相對(duì)減弱.

圖5 武漢市3個(gè)水源地藻類(lèi)變化趨勢(shì)Fig.5 Algae trends of 3 water sources in Wuhan

表4 GAM模型擬合結(jié)果

注：** 表示在0.01置信水平上顯著相關(guān)； *表示在0.05置信水平上顯著相關(guān).

3 討論

通過(guò)研究分析，漢江水生態(tài)環(huán)境演變是一個(gè)受流域高強(qiáng)度人類(lèi)活動(dòng)和區(qū)域氣候綜合影響下的復(fù)合水生態(tài)環(huán)境問(wèn)題. 在全球變暖的影響下，漢江流域暖干氣候也在加強(qiáng)，近60年來(lái)漢江下游降雨量存在不明顯的下降趨勢(shì)[26]. 針對(duì)漢江下游仙桃流量與武漢市降雨量和丹江口水庫(kù)下泄流量的相關(guān)性開(kāi)展分析(見(jiàn)圖6)，結(jié)果顯示，漢江下游流量與降雨量相關(guān)性不顯著，而與丹江口水庫(kù)下泄流量呈現(xiàn)顯著相關(guān)，說(shuō)明漢江下游水文情勢(shì)在中線(xiàn)工程調(diào)水前后受到降雨等自然氣候條件影響較小，受水利工程等人類(lèi)活動(dòng)的影響較大. 受上游丹江口水庫(kù)調(diào)水的影響，調(diào)水后漢江下游流量在全年和枯豐期均有不同程度的減小(見(jiàn)表1). 2012年丹江口水庫(kù)大壩加高蓄水，為中線(xiàn)工程的開(kāi)通做好了準(zhǔn)備，漢江下游流量在2012—2014年呈顯著下降趨勢(shì)(見(jiàn)圖2)，這與柏慕琛等[27]的研究結(jié)果一致；調(diào)水后在引江濟(jì)漢工程(2014年建成并運(yùn)行)的影響下，流量得到一定回升，漢江下游流量年內(nèi)分配趨于不均勻，說(shuō)明調(diào)水工程帶來(lái)較大的流量波動(dòng)，甚至影響著下游的流量分配.

圖6 仙桃斷面流量影響因素的GAM模型分析Fig.6 GAM model analysis of factors affecting the flow rate at Xiantao cross-section

中線(xiàn)工程調(diào)水前后漢江下游水質(zhì)狀況良好，調(diào)水后ρ(TP)和ρ(TN)均有下降，但ρ(Chla)大幅升高(見(jiàn)表3)，藻密度在調(diào)水后存在上升趨勢(shì)(見(jiàn)圖5). 水體中藻類(lèi)生長(zhǎng)超過(guò)一定閾值會(huì)導(dǎo)致水華的暴發(fā)[28]. 通常認(rèn)為，過(guò)高的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度是導(dǎo)致藻類(lèi)形成的主要因素[29-30]，而漢江下游水質(zhì)在調(diào)水后有所好轉(zhuǎn)，ρ(TP)、ρ(TN)與藻密度呈負(fù)相關(guān)，造成這一現(xiàn)象的原因可能是支流對(duì)下游營(yíng)養(yǎng)物變化的影響更大[31]，2015年以后丹江庫(kù)區(qū)ρ(TP)和ρ(TN)下降[32]，調(diào)水后庫(kù)區(qū)下泄流量將對(duì)下游水體產(chǎn)生稀釋作用[20]，導(dǎo)致下游營(yíng)養(yǎng)物濃度降低，而營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷仍保持在較高水平，引起藻類(lèi)的增殖和聚集. 除此之外，低流速下?tīng)I(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)河流中硅藻生長(zhǎng)的影響限制減弱，即使污染較低水華現(xiàn)象依然發(fā)生[33]. 2010—2017年的分析結(jié)果顯示，漢江下游流量在調(diào)水后下降，這也可能是導(dǎo)致下游水質(zhì)轉(zhuǎn)好而水華暴發(fā)頻次增加的原因.

GAM模型分析結(jié)果顯示，漢江下游降雨量與藻密度變化相關(guān)程度較低(見(jiàn)表4)，氣候條件的改變不是調(diào)水前后漢江下游水文情勢(shì)和藻密度變化的關(guān)鍵影響因子. 調(diào)水前后影響漢江下游藻密度變化的關(guān)鍵因子是流量和ρ(TP)，其影響貢獻(xiàn)依次減小，調(diào)水后流量對(duì)藻密度變化的貢獻(xiàn)率較調(diào)水前大幅升高(見(jiàn)表4)，說(shuō)明受上游調(diào)水工程的影響，河道下游水文情勢(shì)減弱，致使河流呈現(xiàn)出類(lèi)似湖庫(kù)的水流緩慢流動(dòng)的特征，水文要素對(duì)藻密度變化的影響顯著升高[7,16]，流量等水文條件才是引起漢江下游水華發(fā)生的關(guān)鍵要素[34]. 由圖7可見(jiàn)，當(dāng)流量較小時(shí)，藻密度隨流量的增大而下降，當(dāng)流量較大時(shí)，河流的沖刷作用使上游浮游植物的在水體中的滯留時(shí)間減小，并被迅速帶至河道下游[20]，可能導(dǎo)致河流下游藻密度隨流量的增大而上升，呈現(xiàn)與調(diào)水前流量較大時(shí)類(lèi)似的變化趨勢(shì). 水質(zhì)因子中，ρ(TP)與藻密度在調(diào)水前后均呈線(xiàn)性正相關(guān)，ρ(TN)在調(diào)水前后對(duì)藻密度的影響均不大.

圖7 調(diào)水前后流量對(duì)藻密度變化的GAM模型分析Fig.7 GAM model analysis of the effects of flow rate on algal density before and after water transfer

4 結(jié)論

a) 中線(xiàn)工程開(kāi)通前，漢江下游水量充足，調(diào)水后受丹江口水庫(kù)下泄流量減少的影響，漢江下游多年平均流量下降了11.5%，流量年內(nèi)分配趨于不均勻，流量變化幅度增大；降雨量在調(diào)水后呈現(xiàn)不顯著的上升趨勢(shì)，漢江下游氣象變異程度總體較小，相比自然氣象條件，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)漢江下游徑流過(guò)程的影響更為顯著.

b) 調(diào)水后漢江下游ρ(TP)、ρ(TN)減小，ρ(Chla)和藻密度顯著上升，與中線(xiàn)工程開(kāi)通前相比，調(diào)水后漢江下游水華暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)升高，說(shuō)明調(diào)水后受上游來(lái)水量減少的影響，河道內(nèi)水質(zhì)狀況雖未發(fā)生明顯惡化，但漢江下游水生態(tài)惡化風(fēng)險(xiǎn)依然較高，漢江下游水華的發(fā)生對(duì)水文過(guò)程改變更加敏感.

c) 基于GAM模型的相關(guān)分析結(jié)果表明，調(diào)水前后影響漢江下游藻密度變化的關(guān)鍵因子是流量和ρ(TP)，調(diào)水前漢江下游流量和ρ(TP)對(duì)藻密度的貢獻(xiàn)率分別為27.7%和20.5%，調(diào)水后貢獻(xiàn)率分別為65.4%和20.5%，調(diào)水后漢江下游流量對(duì)藻密度變化的貢獻(xiàn)率顯著升高，說(shuō)明上游調(diào)水引起的漢江下游流量減小對(duì)水華暴發(fā)的影響十分明顯，而TP等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的影響相對(duì)減弱.