贵州高原红枫湖水库季节性分层的水环境质量响应

中国环境科学2011,31(9)：1477~1485ChinaEnvironmentalScience贵州高原红枫湖水库季节性分层的水环境质量响应夏品华,林陶,李存雄*,薛飞,张邦喜,蒋瑶(贵州师范大学贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室,贵州贵阳550001)摘要：为了揭示贵州高原深水水库水体的垂直分层结构及其水环境质量响应特征,于2008年8月~2009年10月对红枫湖水库5个采样点进行了45次采样,对水文、营养盐等湖沼学变量季节动态和分布进行了分析,探讨了季节性水质恶化事件的发生机制.结果表明,红枫湖水库水体呈单循环混合模式,在4~9月形成分层,但没有典型分层湖泊的温跃层变化,这种不显著的分层导致了水化学的分层.叶绿素a、总磷、总氮和氨氮平均值分别为13.6mg/m3,0.063mg/L,1.22mg/L,0.347mg/L;透明度为1.9m.指示该水库处于中-富营养状态.分层期底层溶解氧在0.3~6.9mg/L之间、平均为2.6mg/L,氮磷质量比在8~104之间,表明红枫湖水库是一个底层滞留带季节性缺氧的高氮、磷限制型水库.贵州高原深水水库季节性水质恶化事件与水体分层结构失稳有关,是富营养化水库在气温骤降时发生“翻湖”所导致的结果,也是贵州高原深水水库富营养化的另一种表现形式.关键词：水体分层；水质恶化；富营养化；红枫湖水库；贵州高原中图分类号：X524文献标识码：A文章编号：1000-6923(2011)09-1477-09FeaturesofthewatercolumnstratificationandtheresponseofwaterqualityofHongfengreservoirinGuizhou,China.XIAPin-hua,LINTao,LICun-xiong*,XUEfei,ZHANGBang-xi,JIANGYao(GuizhouKeyLaboratoryforMountainousEnvironmentalInformationandEcologicalProtection,GuizhouNormalUniversity,Guiyang550001,China).ChinaEnvironmentalScience,2011,31(9)：1477~1485Abstract：TorevealthefeaturesofthewaterstratificationandtheresponseofwaterqualityofHongfengreservoir,inGuizhouProvinceofChina,mainlimnologicalvariablesincludinghydrologicalandenvironmentalfactorswereobserved45times,fromAugust2008toOctober2009,atfivesamplingstations.Aneventofwaterqualityabruptlydegenerationwasdiscussed.Thethethermalstratificationwasmonomictic,whichformedfromApriltoSeptember,butnotstrongly,whichcausedchemicalstratificationandaffectedwaterquality.Themeanconcentrationsofchlorophyll-a,TP,TN,NH4+-NandSDwere13.6mg/m3,0.063mg/L,1.22mg/L,0.347mg/Land1.9m,respectively,indicatingthatthereservoirwasmeso-eutrophic.Dissolvedoxygenwasbetween0.3to6.9mg/Lduringthestratificationperiod,therationalofN/Pwasbetween8to104,andmeanthatthereservoirwaslimitedbyphosphorus,butnitrogen,andhypolimnionseasonalanoxia.Seasonaldeteriorationofwaterqualitywasassociatedwiththeunsteadystructureofwaterstratification,whichwasaresultofverticalmixingwhenairtemperaturedrawdownineutrophyicalReservoir,andalsowasanothermanifestationofeutrophycationofdeepwaterreserviorinGuizhouAltiplano.Keywords：watercolumnstratification；waterquality；eutrophication；Hongfengreservoir；GuizhouAltiplano通常水库的建成会对水环境系统会产生多方面的影响[1].水库中水文情势的改变,使水库环境性质及作用过程逐渐表现为自然湖泊的特征,发生水体分层等所谓“湖沼学反应”.但由于水库还具有水量人为调节等特点,因此有研究者提出了流域水环境研究的“水库湖沼学”概念[2].湖沼学特征是水库保护与管理政策制定的基础依据[3-5].水体热分层等所谓“湖沼学反应”控制着水体中诸多生物、化学和物理的过程[6].目前,水库生态学还未能形成较为系统的理论,已有的水库生态学仅在欧洲高纬度地区有相对完善的研究.水库水质管理主要是借用高纬度收稿日期：2010-12-27基金项目：贵州省教育厅重点项目(20090040);贵州省社发攻关(SY[2010]3176);贵阳市重大专项(2009304);贵州省基金(20082239)*责任作者,教授,[e-mail]1478中国环境科学31卷地区湖泊研究的结果与管理经验[7].在水库/湖泊环境研究方面,多数研究者主要关注藻华形成的原因、沉积物中氮磷和藻毒素的时空分布等[8-16].关于湖泊水库突发性水质恶化事件的研究鲜见报道[17].为探究贵州高原深水水库分层结构与高纬度地区是否存在明显的差异,水体分层对水环境质量有何影响,本研究以建成运行了50余年的贵州高原红枫湖水库为对象,考察该水库的水环境质量现状、水体热分层结构特征、探讨水体分层与水质突发性恶化的关系,以期弄清贵州高原水库周期性水质恶化的发生过程与机制,为水库水质管理提供依据.1材料与方法1.1水库概况和采样点红枫湖水库(26°26′~26°36′N,106°19′~106°28′E)地处贵州高原中部乌江支流猫跳河上游.水面面积57.2km2,最大水深45m,平均水深10.52m,总库容6亿m3,滞留时间为0.325a,补给系数26.1,流域面积1551km2.该区域属亚热带季风湿润气候带,年均气温14.06,℃无霜期达287d,年均降雨量1176mm.该水库承担着城市饮用水、发电、灌溉、防洪等多种功能,也是国务院批准的国家级风景名胜区[8].20世纪90年代初以来,红枫湖水库水质就由初期的II类变为III~V类,出现蓝藻水华等富营养化现象,常发生季节性的水质恶化事件.2008年8月至2009年10月,在红枫湖水库设置5个采样点(图1),分别为南湖主要来水河流汇合处南湖湖心S1(26°28′607″N,106°23′521″E)、水深约10m;原网箱养殖区和电厂排水汇合处南湖后午S2(N26°29′265″N,106°24′668″E)、水深约15m;南湖与北湖交界处花鱼洞S3(26°31′474″N,106°25′388″E)、水深约25m;水库大坝S4(26°32′997″N,106°25′327″E)、水深约30m;北湖主要河流入口1256岛S5(26°32′891″N,106°23′688″E),水深约10m.逐月多次采样,每个采样点分(表层(0.5m),中层(6~10m)和底层(0.5m)取样.气象和水位数据分别由清镇市气象局与贵阳市两湖一库环境保护监测站提供.N采样点大坝0248S1S2S3S4S5km图1红枫湖水库采样点示意Fig.1MapofsamplingsitesinHongfengReservoir1.2样品分析方法理化指标按文献[18]方法测定[18].透明度(SD)用塞氏罗盘现场测定、溶解氧(DO)和温度(T)用溶氧仪测定(HQ30,美国哈希);玻璃电极法测定pH值;纳氏试剂比色法测定氨氮(NH4+-N);钼酸铵分光光度法测定总磷(TP);碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定总氮(TN).叶绿素a采用改进的反复冻融、丙酮浸提测定[19].变温层水温以0.3℃/m降低的标准进行热分层结构划分[20].1.3富营养状态指数计算富营养状态指数采用修正的卡尔森指数方法进行计算[18],加权综合营养状态指数式为:1TLI()WTLI()mjjj=∑=⋅∑(1)式中:TLI(Σ)为综合营养状态指数;Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重,TLI(j)为第j种参数的营养状态指数.以Chl-a的TLI参数为基准修正的营养状态指数式为:TSIM(Chl-a)=10×(2.46+lnChl-a/ln2.5).总氮、总磷和透明度与叶绿素a之间的经验公式来自于对广东省20座大中型水库的调查结果[21-22].1.4数据处理方法采用Spss13.0软件进行数据统计.9期夏品华等：贵州高原红枫湖水库季节性分层的水环境质量响应14792结果与分析2.1红枫湖水库水文动力特征调查期间降雨量为1327mm,各月变化较大,在16.1~294.3mm之间(图2).2008年的8~11月和2009年4~7月降雨量占全年的89.1%,月均降雨量在90mm以上,最大值为8月;其他月份月均降雨量小于30mm,最低值出现在1月.调查期间水位在海拔1235~1240m之间,最大落差约5m(图2).2009年2~8月处于低水位期,水位在1235~1238m上下波动,最低为6月;2008年8月至翌年1月运行高水位,在1238~1240m之间,11月水位最高.水量变化与水位一致.受人为调控的影响,丰水期蓄水量较少,而枯水期蓄水量多.可见水库水位、水量变化与天然湖泊截然不同,具有反季节的特征.0246810128910111212345678月份水位变幅(m)/水量(×106m3)050100150200250300350降雨量(mm)降雨量水位水量2008年2009年图2红枫湖水库降雨量、水位和水量的变化Fig.2Variationofprecipitation,waterlevelandcapacity2.2红枫湖水库水温、水化学的季节变化与分层2.2.1水温季节变化与热分层结构红枫湖水库水温年内季节变化小.调查期间S3样点上层水温在9.8~25.6℃之间(图3),平均18.9℃;中层水温在9.6~25℃之间,平均18.1℃;下层水温在9.7~23.4℃之间,平均16.73℃.表层水温较高(28℃)是南美洲、非洲和亚热带多数湖泊和水库永恒的特征[23].红枫湖水库表层水温变化与气温变化基本一致,全年水温变化较小,这与贵州高原亚热带气候温和,全年气温变化不大有关.0510152025308910111212345678910月份水温(℃)表层中层底层上层2008年2009年下层图3S3站点水温的时空分布Fig.3Spatio-temporaldistributionofwatertemperature红枫湖水库水柱(水体剖面)在4~9月分层,呈单循环混合模式.从图3可知,4月至9月,随着气温的升高,上层和下层水温出现差异,此间水柱温度维持上高下低的分层结构,上下层温度差在3~7℃,最大值在7月,其次为6月(5.2℃),再次为9月(3.7℃),显然这种分层结构没有出现热带