三峡水库草堂河营养状态变化特征与影响因素分析

张永生 ，李海英 ，吴雷祥

1. 中国水利水电科学研究院，北京 100038；2. 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038

三峡大坝自蓄水运行以来，库区水位提高、水流减缓，水体扩散能力减弱、污染物滞留时间延长，导致部分支流富营养化严重，藻华频繁发生（郭平等，2005；易仲强等，2009；张永生等，2013），分析库区支流营养状态的变化特征，对于明晰支流藻华发生机制有重要意义。

我国大型浅水湖泊的富营养化相关研究较为充分（Qin et al.，2010；Zhu et al.，2013；朱广伟等，2019；Wang et al.，2020；朱广伟等，2020），然而我国水库数量众多，库容大小不一，其环境和社会影响远不及大型湖泊，水库的富营养化研究相对偏弱，近几年丹江口水库和密云水库等较大水库的富营养化研究报道日益增多（李亚永，2017；朱艳容，2020）。三峡水库作为我国最大的水库，水体富营养化相关研究一直是水库富营养化研究的代表（张晟等，2009；杨正健等，2012；张永生等，2013；蔡爱民等，2019）。一般认为水体中TN、TP浓度分别达到 0.20 mg·L-1和 0.02 mg·L-1时即被认定为富营养化状态（孔繁翔等，2005；Brian，2017；Zhang et al.，2018），虽然这一标准被大部分学者接受和认可，但并不是唯一的标准。

三峡库区支流也呈现水体富营养化趋势，具有藻华暴发的风险。库区多条支流以中营养状态为主，春、夏两季营养水平较高，距大坝较近的支流营养水平相对较高，藻华频发区域主要集中于受干流回水顶托影响的滞水河段（蔡庆华等，2006；吴光应等，2009）。其中，大宁河藻华暴发期叶绿素a与总磷总氮浓度呈正相关关系，总磷是水华暴发的限制因子（吴光应等，2009；张佳磊等，2012；张永生等，2012；张永生等，2013），神女溪藻华暴发时叶绿素a与溶解氧、氧化还原电位、总氮、总磷、高锰酸钾指数均呈正相关，与pH和电导率呈负相关（王敏等，2009；王丽平等，2012），其他支流中的研究结果与上述结果类似（张永生等，2013；姜伟等，2017；邹曦等，2017；张庆文等，2019；田盼等，2020）。除此之外，水文水动力、水温和光照等因素也是三峡水库富营养化和藻华发生的诱导因素（王红萍等，2004；易仲强等，2009；湛敏等，2010；李媛等，2012）。大宁河中叶绿素a浓度与流速呈显著负相关，与流量呈显著正相关，与透明度呈显著相关（郑丙辉等，2009；王丽平等，2012）。香溪河存在明显的底层温差异重流现象，垂向水温以正温层为主，春、夏季出现了水温分层现象，水温上升是其春季藻华暴发的重要诱导因素之一，水体稳定度对春季藻华暴发的强弱程度具有较大的影响（杨正健等，2012）。温度低于15 ℃或高于 30 ℃均不利于藻细胞生长，在 15—25 ℃之间藻细胞生长速率及主要理化成分含量均可达到最大（钱振明等，2009）。

上述成果为研究三峡水库水体富营养化状况和藻华形成机理奠定了良好基础，但三峡库区支流众多，干支流交汇角度不同，各支流水环境不同，营养状态和藻华类型各异，库区支流长时间尺度的营养状态研究较少，本文选择三峡库区重点支流草堂河为研究对象，该河流呈东北-西南走向（蔡爱民等，2019），在白帝城处几乎呈对冲方式汇入长江（李昶等，2018）。本研究通过连续1周年水体营养盐及叶绿素a的时空分布特征的监测，分析营养状态周年变化特点，探讨影响营养盐状态影响因素，研究结果有助于探究和丰富三峡库区支流藻华形成机理，以期为三峡库区水体富营养化治理和水生态安全保障提供参考数据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

草堂河地处重庆市东北部、长江瞿塘峡以北，发源于奉节县与巫溪县交界处，位于 109°31′03″—109°45′20″E，31°02′40″—31°10′06″N 之间，流域内包含奉节县的草堂、白帝和汾河三乡镇。草堂河干流全长33.3 km，流域面积394.8 km2，平均流量7.51 m3·s-1，年径流总量2.37亿m3（李昶等，2018；蔡爱民等，2019）。库区回水位至朱衣草堂镇（图1）。

1.2 样点布设

本研究共设置6个监测断面。草堂河从上游至下游沿河道中泓线布设 4个监测点，分别标记为CT04、CT03、CT02、CT01；草堂河与长江交汇处上下游方向沿长江左岸布设2个监测点，分别标记为CTCJ01、CTCJ02。各监测点位置如表1所示。

1.3 监测及采样时间

监测及采样工作从2017年7月24日—2018年6月30日完成，时间为每个月下旬。每条支流监测顺序由上而下，每次监测及采样工作0:800开始，点位监测顺序一致。

1.4 监测及采样方法

图1 草堂河地理位置Fig. 1 The location of Caotang River

表1 各监测点位情况Table 1 The situation of monitoring points

长江及草堂河在中弘线处设置垂线，在垂线水面下0.5 m处、1/2水深处和河床上0.5 m处各设一个监测及采样点；每个点位上、中、下3层水样不混合，分别监测相关指标浓度并以此分析各指标的空间分布特征；采用3个水样的平均值分析各指标时间序列特征；由于草堂河源头较浅，只设置一个监测及采样点。

1.5 监测指标及方法

透明度（SD）：Secchi盘（直径25 cm）测定；叶绿素a（Chl-a）：丙酮萃取分光光度法测定；高锰酸盐指数（CODMn）：高锰酸钾酸性法测定；总氮（TN）：碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定；总磷（TP）：过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法测定。（高继军等，2012）

1.6 营养状态的计算方法

水体的营养状态采用了Chl-a、CODMn、TN、TP和SD加权综合营养指数法（中国环境监测总站，2001），计算公式为：

式中：Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI(j)代表第j种因子的营养状态指数；m为评价因子个数。

根据《中国湖泊环境》中关于叶绿素a和其他营养盐因子的关系，本研究中Chl-a、CODMn、TN、TP和SD权重分别选取为0.2663、0.1834、0.1790、0.1879、0.1834（金相灿，1995）。

根据营养状态指数，湖泊营养状态分级标准：TLI(∑)＜30 为贫营养；30≤TLI(∑)≤50 为中营养；50＜TLI(∑)≤60 为轻度富营养；60＜TLI(∑)≤70 为中度富营养；TLI(∑)＞70为重度富营养（中国环境监测总站，2001）。

1.7 数据处理

每个处理重复3次，取平均值；相关性分析利用SPSS 16.0处理，P＜0.05为显著性相关，P＜0.01时为极显著相关。

2 结果

2.1 各因子分布特征

2.1.1 叶绿素a

由表2可知，不管长江还是草堂河，水体叶绿素a含量垂直方向表现为表层＞中层＞底层，说明藻细胞主要集中在水体表层，可能是由于表层水体藻细胞接受阳光进行光合作用，从而迅速生长成为优势藻种。

表2 叶绿素a变化均值及标准偏差Table 2 Mean and standard deviation of Chl-a mg·L-1

就全年叶绿素 a含量而言，CT03断面处表层水体叶绿素a含量最高为2.41 mg·L-1，CT04断面处含量最低为 1.33 mg·L-1；长江断面 CTCJ01和CTCJ02表层水体叶绿素a显著低于草堂河各断面表层水体叶绿素a含量（P＜0.05），说明长江的藻细胞密度比草堂河密度低，其主要原因长江干流水动力不利于浮游藻类生长，而草堂河河流流速缓慢，利于藻类生长。

在时间序列上，在草堂河叶绿素a浓度从2017年7月呈现爆发式增加，8月CT03断面表层水体叶绿素a的浓度最高达到19.56 mg·L-1，9月绿素a的浓度急剧降低，这极有可能是在8月份期间草堂河发生过藻华现象所致。除了源头CT04断面之外，表层水体叶绿素 a 含量 CT03＞CT02＞CT01（图 2a），叶绿素a含量从草堂河上游向下游逐步降低；在草堂河和长江的中层和底层水体中，叶绿素a的浓度差异不显著（P≥0.05），除了在2017年10月，CT03断面下层水体叶绿素a含量为3.12 mg·L-1，其他时间段叶绿素a浓度均低于3 mg·L-1。叶绿素a在长江和草堂河的分布特征说明藻华主要聚集在草堂河上游，这种分布特征可能是由于草堂河和长江交汇形态所致，表层水体由长江倒灌进草堂河，而中层和下层水体由草堂河流进长江，三峡库区干支流复杂的水动力条件也在香溪河、神农溪和大宁河得到验证（Ye et al.，2006；Ye et al.，2007；王丽平等，2012；杨凡等，2020）。

图2 叶绿素a含量分布特征Fig. 2 The change of Chl-a in Caotang River

2.1.2 高锰酸盐指数

在整个调查时间段内（表3），各监测点表层水体 CODMn浓度平均值在 0.98—2.62 mg·L-1之间，中层水体 CODMn浓度平均值在 2.22—2.41 mg·L-1之间，底层水体 CODMn浓度平均值在 2.29—2.43mg·L-1之间。空间上各监测点相差不大。河口处长江水体的 CODMn浓度整体情况与库湾水体相似，差异不显著（P≥0.05））。

表3 CODMn变化均值及标准偏差Table 3 Mean and standard deviation of CODMn mg·L-1

CODMn浓度除2017年9月草堂河CT03断面CODMn浓度为4.11 mg·L-1（图3），其他季节CODMn浓度均低于4 mg·L-1，优于地表水Ⅱ类标准。

表层水体，源头 CT04断面处 CODMn浓度自10月以后呈逐渐下降，其他点位CODMn浓度差异不显著（P≥0.05）。中层和底层水体 CT02断面在2018年3月CODMn浓度5.41 mg·L-1，显著高于其他点位（P＜0.05），但此时在表层水体CODMn浓度仅为3.22 mg·L-1，很显然CT02断面处在2018年3月CODMn浓度垂向分布差异显著（P＜0.05），这种差异可能是由于 CT02断面处排放的污染物中CODMn含量较大，但是由于表层水体由长江倒灌进草堂河，导致表层CODMn浓度被复杂水动力稀释。

2.1.3 总氮

由表4可知，草堂河及长江各监测点表、中、底层TN浓度均值无明显差异，除源头CT04断面TN平均值0.55 mg·L-1略低外，其他各点平均值均在 2.0 mg·L-1左右。

表4 TN浓度变化均值及标准偏差Table 4 Mean and standard deviation of TN mg·L-1

从上游到河口TN浓度在0.55—2.23 mg·L-1之间，源头CT04断面在7、8、9月总氮含量较高（图4），其他时间含量较低，可能是这3个月由于降雨原因，地表径流增大，农业面源污染增加，导致总氮含量较高。

草堂河除了源头CT04断面之外，其他断面总氮均常年大于1.2 mg·L-1，为地表水Ⅳ、Ⅴ类水质标准，表明草堂河常年TN污染十分严重。

图3 CODMn浓度随时间变化图Fig. 3 The change of CODMn in Caotang River

2.1.4 总磷

由表5可知，草堂河回水区TP浓度年度平均值在0.08—0.30 mg·L-1之间，高于长江水体TP浓度。但是各断面处TP浓度的标准偏差相对较大，说明TP浓度存在较大的季节波动。

图4 TN浓度随时间变化图Fig. 4 The change of TN in Caotang River

表5 TP浓度变化均值及标准偏差Table 5 Mean and standard deviation of TP mg·L-1

图5 TP浓度随时间变化图Fig. 5 The change of TP in Caotang River

监测期间，草堂河TP浓度范围在0.02—0.2.36 mg·L-1之间，其中大多数时间里 TP浓度＜0.20 mg·L-1，达到地表水Ⅲ类水质标准。时间上（图5），1月草堂河下游CT01断面表层水体TP浓度异常偏大，高达2.49 mg·L-1，达到劣Ⅴ类水质标准；水体中、底层TP浓度变化在7—9月偏低。空间上，在大多数月份里TP浓度上游＞中游＞下游。

2.1.5 透明度

由表6可知，在整个调查时间段内，草堂河各监测断面（除源头之外）水体透明度平均值在 1.79—1.98 m之间。长江干流的透明度平均值约为2.2—2.3 m，很明显长江干流透明度比支流的透明度高。

表6 水体透明度变化均值及标准偏差Table 6 Mean and standard deviation of SD m

草堂河在蓄水期间，透明度较高，枯水期透明度较差。2017年8月CT03断面的透明度最低为0.46 m，2018年2月CT01透明度最高为3.9 m。枯水期水体透明度较低不仅与水体藻细胞密度增加有关，而且还可能由于汛期大量泥沙随地表径流入库导致水体悬浮物密度增加有关（图6）。

图6 草堂河水体透明度随时间变化（除源头之外）Fig. 6 The change of SD in Caotang River (except CT04)

2.2 营养状态分析

图7 草堂河营养状态指数（除源头）Fig. 7 TLI of Caotang River (except CT04)

2017年7月—2018年6月，草堂河和长江营养状态大部分时间呈现中营养状态（图7）。长江干流营养盐水平显著低于草堂河（P＜0.05），其中2017年12月、2018年1月和2月，长江处于贫营养状态。草堂河在2017年8月营养状态指数最高，其中CT03断面营养状态指数为56.4，达到富营养化状态，整体而言，草堂河营养状态指数从下游向上游（源头CT04断面除外）呈增加趋势，夏秋两季营养状态指数较高。

2.3 相关性分析

相关性分析表明：Chl-a浓度与总氮和总磷呈正相关，相关系数分别为0.459和0.238。Chl-a与SD呈较强的负相关，相关系数为-0.52。CODMn与TP正相关，相关系数为0.246（表7）。

表7 草堂河水体各营养盐因子间相关性Table 7 Correlation of nutrient factor in Caotang River

3 讨论

3.1 营养状态指数因子分布影响因素

CODMn分布特征除了与草堂河有机污染有关外，可能还与三峡水库的运行方式密切相关。冬季三峡水库蓄水维持较高水位，草堂河库湾水流平静水体扩散能力弱（郭平等，2005；易仲强等，2009；张永生等，2013），导致CODMn浓度存在较大的空间差异。在随后的春季泄水过程中，随着库区水位的降低，库湾水动力条件加强，CODMn浓度呈现明显的下降过程。

TN浓度在2017年9—11月呈现降低趋势，随后的冬春季节略有增加并维持在较高水平。秋季是三峡水库的蓄水季节，随着水库水位的逐渐升高，干流水体大量进入库湾，且以倒灌异重流的形式对库湾营养盐进行了稀释和再分配，同时水库的高水位运行状态使颗粒态的营养盐得以沉降，营养盐浓度逐渐降低。冬季是浮游植物生物量较小的季节，对营养盐的消耗量较小，库湾中的营养盐浓度逐渐上升，营养盐含量开始累积。春季TN浓度略有增加可能是流域内农业耕作活动增加，在地表径流的作用下农业面源增加所致（刘淼等，2017），这与巢湖以及加拿大温尼伯湖等水体富营养化所致原因类似（Wang et al.，2020；Soto et al.，2019）。而在丹江口水库氮源主要有机氮和硝酸盐氮组成（朱媛媛等，2016），其来源与三峡库区草堂的氮源特征不同，说明水库的氮素来源存在多样性。

监测期间，大多数时间里表层水体 TP浓度＜0.20 mg·L-1，达到地表水Ⅲ类水质标准，但是2018年1月草堂河下游CT01断面TP浓度异常偏大，高达2.49 mg·L-1，达到劣Ⅴ类水质标准，可能是在监测断面附近有水上经营餐饮船只，监测采样时，相关废液倾倒江中所致。中、底层水体在2017年7—9月TP浓度偏低，主要是受浮游植物生长吸收的影响，其他时间里TP浓度变化复杂，还可能受到库区水动力条件改变，以及城镇生活污水排入和农村化肥过度施用有关。

空间上，除了2018年2—5月河口区TP浓度较小外，在大多数月份里TP浓度上游＞中游＞下游，这一特征在很大程度上可能受流域自然环境条件的影响。草堂河流域内磷矿资源丰富，上游磷矿资源的开采和化工企业的存在（蔡爱民等，2019），导致大量排放的磷酸盐在库湾中聚集，是水体中磷污染负荷的主要来源。因此，草堂河TP的分布规律是距离河口越近的样点浓度越低。

3.2 营养状态周年变化影响因素

草堂河营养状态指数为 41.23—50.28，大部分时间呈现中营养状态，仅在2017年8月营养状态指数较高，约为56.41。这一特点与Chl-a浓度在8月呈现暴发式增加相对应。水体营养状态最低的是2017年12月，其他月份里库湾水体的营养状态均为中营养状态。2018年2—5月河口的营养状态总体要低于库湾，并且从上游到下游呈降低趋势，从季节变化来看，草堂河水域营养状态冬季＜春季＜秋季＜夏季。草堂河营养状态与三峡库区其他支流的营养状态变化趋势类似（叶许春等，2018），但与其他水库的营养状态变化趋势不同（李亚永，2017），原因可能是三峡水库属于河道型水库，水动力有别于其他湖泊型水库。

草堂河中CODMn、TN、TP、Chl-a与SD的平均营养状态指数分别为21.42、59.38、60.21、20.24和43.69，表明TP浓度是影响草堂河水体富营养化程度最重要的指标，其次是 TN、SD、CODMn和Chl-a。相关性分析可知TP与CODMn呈正相关，两者浓度都是从上游向下游减小，推测草堂河上游磷矿资源开采的工业废水和上游草堂镇生活污水是TP与 CODMn的主要来源。Chl-a浓度与总氮和总磷呈正相关，但相关性并不显著（P≥0.05），水体中的TN、TP含量和N/P比值均已超过藻华发生阈值（孔繁翔等，2005；Zhang et al.，2018；Brian，2017），但仅在2017年8—9月检测到叶绿素a浓度较高，其他时间叶绿素a浓度较低，表明N、P元素是草堂河藻华发生的影响因素，但不是决定性因素，决定草堂河藻华暴发可能另有其他因素，例如水文水动力因素、气温或风向等，也暗示藻华在浅水湖泊和深水水库中的形成机理不一样，深水水库藻华形成机理值得深入研究。

4 结论

（1）长江和草堂河叶绿素a含量表层＞中层＞底层，2017年8月CT03断面表层水体叶绿素a的质量浓度最高达到19.56 mg·L-1。

（2）长江和草堂河 CODMn质量浓度平均值在0.98—2.62 mg·L-1之间，空间上CODMn浓度差异不显著（P≥0.05），除 2017年 9月其他时间各断面CODMn质量浓度均低于 4 mg·L-1。

（3）长江和草堂河各监测点位TN质量浓度平均值均在2.0 mg·L-1左右，垂向TN浓度均值无明显差异。

（4）草堂河TP质量浓度年度平均值在0.08—0.30 mg·L-1之间，高于长江水体TP浓度。

（5）草堂河水体透明度平均值在1.79—1.98 m之间，长江干流的透明度平均值约为2.2—2.3 m，长江透明度高于草堂河的透明度。

（6）长江综合营养盐指数为 28.26—42.63，草堂河综合营养状态指数为41.23—50.28。