三峡水库香溪河库湾水华生消机理研究

发布时间：2020-09-03 21:30

　　河道型水库建成后,将会在库区支流河道形成大范围的回水区,俗称库湾。在支流库湾中,河水流速减缓,或呈静止状态;缓慢的水流使得上游输入的氮、磷等营养物质在库湾中沉降积淀,导致水体污染、水质恶化,遇到适宜的环境条件易发生富营养化乃至暴发水华。本文以三峡水库香溪河库湾为研究对象,通过野外观测与室内模拟相结合的方法,探讨了库湾水华的生消机理。三峡水库蓄水后,对香溪河库湾水环境影响较大。库湾水体中磷营养普遍降低,氮营养有所增加;库湾底泥中氮磷营养含量较高,在不同条件下会向水体释放营养盐,成为水体富营养化和水华暴发的风险源。富营养化评价结果表明:香溪河库湾水体已达到重富营养化状态,有暴发水华的条件和风险。香溪河库湾水华生消是充足的营养盐、缓慢的水动力条件和适宜的环境条件共同作用的结果。通过监测分析发现:香溪河库湾水华暴发期的水环境各项指标其空间差异较大,据此,可将库湾从河口到末端分为六个区域,其中河口溶解氧和pH值较高,浊度较低,氮营养含量较高,磷营养含量较低,流速较大;库湾末端水温较低,浊度较大,氮营养含量较低,磷营养含量较高,流速较大;相对来说,库湾中段流速较低。监测期间,香溪河库湾暴发了三次水华。第一次水华于2007年2月25日暴发于平邑口;第二次水华、也是最严重的一次是3月25日在库湾中的全面暴发,涉及河口—库湾,支流—干流,且部分区域水华暴发和消亡交替出现并延至4月9日后才逐渐消退;第三次于5月6日开始至当月中旬逐渐消退。因子分析结果表明:香溪河库湾春季水华时空分布差异主要影响因素可归为三类,第一类是以氮、磷和硅为主的营养因子,第二类是以水温为代表的环境因子,第三类是以流速为主的水动力因子。相关性分析发现,库湾水位、流量、总氮、硝氮和浊度与叶绿素a之间呈显著负相关。空间自相关分析表明,库湾水华期叶绿素a等指标呈显著空间自相关,且电导率、正磷酸盐、硝氮的空间正相关性极显著。多元回归分析表明,香溪河库湾春季水华暴发时叶绿素a与营养因子和流速因子之间存在明显的线性相关关系。以营养因子和流速因子为自变量,以叶绿素a为因变量进行空间回归分析,并将其结果与多元线性回归结果以及实测的叶绿素a进行比较可知,两种回归分析方法对库湾部分断面的预测值的相对误差在10%以内。室内物理模型试验结果表明:氮、磷营养及其他条件适宜时,pH值为8左右可促进水华暴发,且在这一过程中,不同初始pH值的水体中,最终其值均趋于8.6-9.9之间。藻类比增长率与水温可进行二次方程拟合,当水温为34℃时,藻类比增长率最大,有利于水华暴发;当光强低于1500lx时,藻类生长受到抑制,光强为5000lx时,最适宜藻类生长和水华暴发;随光照时间的增长,水体中的藻类最大生物量递增;光照强度在3000—3200lx情况下,光照时间越长,藻类生长越好。溶解性总磷和溶解性总氮的浓度分别在0.14—0.62mg/L、1.82—4.08mg/L时,藻类繁殖较快,水华暴发迅速;此时,藻类生长最大比增长率分别为0.667和0.900,半饱和常数分别为0.019mg/L和0.751mg/L。此外,当氮磷比为20时,藻类生长比增长率达到0.896,此时藻类吸收氮磷营养较好,最易发生水华。正交试验结果表明,总磷为0.8mg/L、总氮为3.6mg/L、水温为29—30℃、光强为3300—3400lx时,有利于铜绿微囊藻生长及其引发的蓝藻水华的暴发;在这四个因素中,光照强度对藻类生长和水华暴发的影响最大。野外观测发现,流速和叶绿素a之间可以S形曲线拟合,在0.05—0.18m/s范围内,流速增大,叶绿素a含量降低,水华暴发会受到一定的抑制。室内试验结果则发现,当流速低于0.1m/s时,其对水华暴发的影响较小,当流速在0.1—0.3m/s时,其对水华具有促进作用,当流速大于0.4m/s时,水华暴发将受到一定的抑制。尽管室内外试验、观测结果有一定的差异,但均验证了三峡水库蓄水后香溪河库湾水华频繁暴发的主要原因是在营养条件具备和环境条件适宜的情况下,库湾水动力条件的改变所致。在野外观测和室内物理模型试验的基础上,以WASP生态动力学模型对库湾水华生消过程进行了数值模拟,结果显示,该模型能较好的反映三峡水库香溪河库湾水华生消的过程。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2007
【中图分类】：X524
【部分图文】：

曲线,藻类生长,曲线

如图1-1 所示：（1）迟缓期：这是藻细胞刚进入新环境的时期，需要有一个适应过程。迟缓期的长短取决于藻种、特性和培养条件，其主要特点是未出现繁殖现象，即活细胞数量不变，有时甚至减少；（2）对数生长期：藻类细胞适应条件后，合成足够的酶，进入旺盛的繁殖阶段，以恒定的生长速度进行繁殖，其特点是：从生长曲线上看细胞增殖数量的对数与培养时间呈直线关系。（3）稳定期：当环境不利于藻类生长时，对数期结束，此时藻类细胞总数达最大，其特点是细胞死亡数量与新增加数量大致相当，并开始积累代谢产物的生成。（4）衰亡期：营养物质消耗殆尽，藻类细胞大量死亡，其特点是：藻类细胞死亡数量大于新增加数量。与之相应的是水华的生消也可以分为上述四个过程：迟滞期、对数期、稳定期和衰退期。孔繁翔等（2005）[20]根据生态学的基本理论和野外对水华形成过程的原位观测，提出了蓝藻水华成因的四阶段理论假设：休眠、复苏、生物量增加、上浮及聚集等 4 个阶段（见表 1-4）。表 1-4 藻类生长及蓝藻水华形成的主要阶段及主导影响因子[20]Tab. 1-4 Main phases and key factors in the formation of blue-green algal bloom月份Month生理阶段Physiologicalphases生命现象特征Characters of life主要控制因子Main control factors11-2 衰亡、休眠代谢基本停止低温、黑暗3-4 复苏生理、生化活性缓慢恢复，群体形成温度、营养盐4-9 生物量增加光合作用、细胞增殖光合作用需要的能量与物质5-10 上浮、积聚气囊与胶鞘气象、水文条件图 1-1 藻类生长曲线Fig.1-1 Curve of algal growth

双层模型

厚度记为l，主要考虑浮游植物净生长速率μ，底从l到H，主要考虑藻类死亡率d。类生物量随时间的变化可用沿水深方向的对流扩散方程表示CzCzCEtCν +μ = 22类浓度；E 为垂向扩散速率；ν 为沉降速率。其他参数可假生物量随时间的变化方程为：dCzCzCEtC = ν22死亡率和损失率。件 C ( z,t)和边界条件 C图 1-3 Riley 双层模型（1949）Fig.1-3 Double layers model by Riley

香溪河,库湾,三峡库区,地理位置

河流垂直强烈下切，岸坡以机械剥蚀为主，属强剥蚀的中低山区。流域内 1000m 以上的高峰众多，东面的扇子山、五指山、圈椅山、黑狼山、黄莲山、九岭头等，主峰均在 1700m 以上；西面的一碗水、青龙坡、鸡心夹、万朝山等，主峰在 2000m 以上。香溪河宽谷地带高程较低，高阳镇约 156m，峡口镇约 118m。流域内地层出露较全，包括前震旦系、震旦系－三叠系、侏罗系等。区内第四纪零星出露，一般厚度不大，沿香溪河两岸分布。流域以北，主要发育元古代变质火山碎屑岩系。香溪河流域在大地构造上属黄陵背斜西翼与秭归向斜东翼的交汇带，区内岩层多为单面山，倾向 SW～NW，倾角 40°～48°。本区属鄂西中低山水文地质区，其水文地质条件明显受地层和地质构造控制。根据含水介质特征和地下水赋存条件，可将区内地下水分为松散岩孔隙水、碎屑岩裂隙水、碳酸盐岩岩溶水、岩浆岩－变质岩风化带裂隙水四种类型。以碳酸盐岩岩溶水水量最丰富，但埋藏深，开采困难。

【引证文献】