于橋水庫菹草過度生長對水質的影響及成因分析

于橋水庫菹草過度生長對水質的影響及成因分析張晨;陳孝軍;王立義;高學平【摘要】通過對于橋水庫水生植物種群群落和生物量的調查，分析水質監(jiān)測成果和影響菹草生長的因素，研究菹草過度生長對水庫水質的影響，探究于橋水庫菹草瘋長發(fā)生成因.對Lambert-Beer定律公式進行變換,分析水下太陽輻照度與水深和透明度的關系.結果表明:在菹草死亡腐敗期，過量菹草衰亡釋放的高營養(yǎng)鹽和有機質對水質影響較大，惡化程度近1倍,持續(xù)時間約為1周;導致于橋水庫出現(xiàn)菹草瘋長現(xiàn)象的主要原因是光照度、透明度、水深和水溫等條件;當透明度一定時,4月水位提高1m,水下太陽輻照度將降低56.5%,菹草所能獲得的光照能量大大減少，從而抑制了菹草過度生長.以Lambert-Beer定律為理論依據(jù)，提出采用提高水位、改變高水位運行時間抑制菹草過度生長的新方法.％BasedonthesurveyofaquaticplantspeciescommunityandbiomassandanalysisoftheobservedwaterqualityandthefactorsaffectingthegrowthofPotamogetoncrispusinYuqiaoReservoir,theimpactonwaterqualityofexcessivegrowthofPotamogetoncrispuswasstudiedandthereasonforitsoutbreakwasdiscussed.TheresultsindicatethatthereleaseofhighnutrientandorganichasgreatimpactonwaterqualityduringthedeclineperiodofPotamogetoncrispus,withonetimeofdeteriorationofwaterqualityforaboutoneweek.Solarradiation,watertransparency,waterdepthandwatertemperaturearethemajorcausesforexcessivegrowthofPotamogetoncrispusinthereservoir.BasedontransformationformulaoftheLambertBeerlaw,therelationshipbetweensolarradiationintensityunderthesurfaceofwaterandwaterdepthandtransparencywaspresented.Solarradiationintensityunderthesurfaceofwaterwillbereducedby56.5%ifwaterlevelisraisedbyonemeterinAprilwhenwatertransparencyisdefinite.Thus,excessivegrowthofPotamogetoncrispuscanbesuppressedbecauseofthesignificantreductionofsolarenergy,whichhasprovidedthetheoreticalbasisforthenewmethodofincreasingthewaterlevelandchangingthehighwaterlevelmn-timeduringgreenperiod.【期刊名稱】《天津大學學報》【年(卷)，期】2011(044)001【總頁數(shù)】6頁(P1-6)【關鍵詞】草型富營養(yǎng)化;沉水植物;菹草;過度生長;水質;于橋水庫【作者】張晨;陳孝軍;王立義;高學平【作者單位】天津大學建筑工程學院，天津,300072;天津市引灤工程于橋水庫管理處，天津,301900;天津市水利局引灤工程管理處，天津,301900;天津大學建筑工程學院,天津,300072【正文語種】中文【中圖分類】X524近年來的研究成果表明，沉水植物對富營養(yǎng)化水體水質具有一定凈化效果[1-4].但是，一些草型湖泊、水庫存在草型富營養(yǎng)化問題，在短時間內沉水植物過度生長使水體水質惡化，影響水利工程的正常運行，甚至危及人民飲水安全，如山東的南四湖、內蒙古的烏梁素海和哈素海、天津的于橋水庫和爾王莊水庫等都出現(xiàn)沉水植物瘋長的現(xiàn)象.國內關于草型富營養(yǎng)化的研究成果較少，尚士友等［5-6］利用沉水植物收割工程技術對草型湖泊進行治理，以機械化方式適度控制了烏梁素海草型富營養(yǎng)化；顧久君等［7］通過對烏梁素海菹草腐爛分解過程的研究表明，植物體內氮、磷的釋放速率隨水中營養(yǎng)鹽濃度升高而增加.國夕卜涉及草型富營養(yǎng)化的研究已取得了一定的成果.Miranda等［8］、Frodge等［9］揭示了草型富營養(yǎng)化淺水水庫中沉水植物覆蓋范圍與水體溶解氧濃度之間的關系.Roman等［10］通過實驗證實了草型富營養(yǎng)化湖泊水質惡化主要受沉水植物過度生長影響.Coops等［11］介紹了荷蘭兩座草型富營養(yǎng)化湖泊通過抑制沉水植物生長從而使湖泊水質得到改善，并證實改變水下光照條件能有效抑制沉水植物生長.本文通過分析于橋水庫草型富營養(yǎng)化特征，研究菹草過度生長對水庫水質的影響，探究于橋水庫菹草瘋長發(fā)生成因，提出抑制菹草過度生長、防治草型富營養(yǎng)化的措施，為安全供水提供參考依據(jù).1于橋水庫草型富營養(yǎng)化特征于橋水庫位于天津市薊縣城東4,km、薊運河左支流州河上游出山口處，北緯40。02'，東經(jīng)117。25',庫區(qū)由東向西傾斜（見圖1）.作為引灤入津工程的調蓄水庫，總庫容15.59x108,m3，興利庫容為3.85x108m3,正常蓄水位21.16,m（大沽），正常蓄水位水面面積86.8,km2，平均水深4.5,m.引灤通水26年來，于橋水庫水體營養(yǎng)狀態(tài)已呈中度富營養(yǎng)水平［12］,其中氨氮、總氮、總磷屬水庫無機污染物，1993—2006年的年均入庫負荷分別為651.9,t、4,534.4,1和246.5,t；用高錳酸鹽指數(shù)表征有機污染物，其年均入庫負荷為2,965.6,1.根據(jù)薊縣水產局2006—2007年水生植物調查，于橋水庫大型水生植物有21種，分屬于14科13屬.按水生植物生態(tài)類型分類，有挺水植物6種，浮葉植物2種，沉水植物13種.于橋水庫大型水生植物的優(yōu)勢種為菹草（PotamogetoncrispusLinn.)、狐尾藻(MyriophyllumspicatumLinn.)、眼子藻(PotamogetonmalaianusMiq.)、荇菜(Nymphoidespeltata(Gmel)O.Kuntze.)、野菱(TrapainciseSieb.etZucc.)和蘆葦(PhragmitescommunisTrin.)等.圖1于橋水庫監(jiān)測點分布狀況Fig.1DistributionofmonitoringsectionsinYuqiaoig.Reservoir調查結果顯示：2006年5月菹草在庫區(qū)為絕對優(yōu)勢種，約占水庫總面積的35%~61.5%，即約30~53,km2，荇菜和野菱面積共約8.3%，庫區(qū)菹草植株數(shù)量約占總數(shù)的80%，生物濕重分別為菹草2.8~4.6加加2、荇菜0.5,kg/m2、野菱0.3,kg/m2;6月菹草開始衰敗并腐爛，在河道內和岸邊大量堆積，動用大量人力物力進行清除.2006年6月，荇菜、狐尾藻、穿葉眼子藻約占3.25,km2，生物濕重分別為荇菜0.6~3.4,kg/m2、狐尾藻0.45~3.5,kg/m2、眼子藻0.20~0.45,kg/m2.于橋水庫草型富營養(yǎng)化特征顯著，5—6月庫區(qū)菹草超過水庫面積的30%，生物量大于2,kg/m2，屬過度生長.庫區(qū)水域均有菹草生長，水深在2.0,m以下的淺水水域菹草密度較大，主河道中心水域密度較小，沿主河道向兩側呈條帶狀分布，距主河道越遠分布密度越大.于橋水庫菹草的發(fā)育歷期基本一致，—年內，菹草生物量累計曲線呈單峰型，4月中旬至5月中旬為指數(shù)生長期，5月中旬至6月中旬為芽殖體發(fā)生期，該期生物量為高峰期.2材料與方法參照《水庫漁業(yè)資源調查規(guī)范》(SL167—1996)中大型水生植物調查規(guī)范，選擇密集區(qū)、一般區(qū)和稀疏區(qū)布設9個采樣點，用GPS定位，如圖1所示.2006年5月12日和6月28日進行了2次調查采樣.采用現(xiàn)場監(jiān)測的方法記錄于橋水庫水位和各水質指標濃度.監(jiān)測斷面為庫心、庫北、庫西、庫東和放水洞.監(jiān)測指標包括溶解氧DO、pH值、高錳酸鹽指數(shù)CODMn、總氮TN、總磷TP、透明度和水溫.太陽輻射強度數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng).用碘量法(GB7489—87)測定溶解氧；用玻璃電極法(GB6920—86)測定pH值；用酸性高錳酸鉀氧化法(GB11892—89)測定高錳酸鹽指數(shù)；用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894—89)測定總氮；用鉬酸銨分光光度法(GB11893—89)測定總磷；用塞氏盤法(SL87—1994)測定透明度.3菹草過度生長對水庫水質的影響3.1對溶解氧和pH值的影響過度生長的菹草占據(jù)了大量水體空間，生長旺盛期因光合作用強烈，出現(xiàn)水體溶解氧過飽和現(xiàn)象，同時菹草吸收水中大量CO2造成庫區(qū)pH值驟然升高.2006年5—6月于橋水庫各監(jiān)測斷面DO和pH值見圖2.由圖2可知，5月中旬至6月上旬，菹草生長旺盛，于橋水庫溶解氧急劇升高，由6,mg/L升至8~9,mg/L,pH值亦急劇升高，由8.5左右升至10左右；進入6月中旬，菹草開始衰敗死亡，溶解氧逐漸降低，pH值也隨之降至8.5.圖2于橋水庫各監(jiān)測斷面DO和pH值變化曲線Fig.2VariationsofDOandpHineachmonitoringsectioninYuqiaoReservoir3.2對高錳酸鹽指數(shù)和營養(yǎng)鹽的影響盡管菹草在生長期攝取水體和底質中大量營養(yǎng)鹽，對凈化水質有一定作用，但其死亡后腐敗分解，消耗溶解氧，釋放出大量的氮和磷，造成菹草聚集區(qū)高錳酸鹽指數(shù)和營養(yǎng)鹽濃度升高，水體變黑發(fā)臭，魚類大量死亡，水體二次污染.2006年5—6月于橋水庫各監(jiān)測斷面CODMn、TN和TP變化曲線如圖3所示.由圖3可知，CODMn濃度由5月中旬的3.5,mg/L上升至6月中旬的5,mg/L左右，其原因為6月中旬菹草進入植株衰亡期，在腐敗分解過程中釋放的有機物消耗溶解氧使CODMn濃度升高.6月初至6月中旬，菹草衰亡后釋放營養(yǎng)鹽，水體營養(yǎng)鹽負荷進一步加大，TN由2.22,mg/L升高至2.57,mg/L,TP由0.02,mg/L升高至0.06,mg/L，分別提高了15.8%和200%.6月6日和7日，由于大量死亡的菹草隨水流運動至出水口，致使放水洞附近CODMn、TN和TP濃度劇然升高，分別至7.3,mg/L、2.89,mg/L和0.08,mg/L，短期內惡化供水水質，待完成打撈作業(yè)后，濃度分別恢復至4,mg/L、2.10,mg/L和0.03,mg/L,惡化的水質狀況與打撈后相比，分別提高了82.5%、37.6%和167%.分析結果表明，水草衰亡釋放的高營養(yǎng)鹽和有機質對水質影響較大，時間自6月8日一13日，持續(xù)1周.圖3于橋水庫各監(jiān)測斷面CODMn、TN和TP變化曲線Fig.3VariationsofCODMn,TNandTPineachmonitoringsectioninYuqiaoReservoir綜上所述，于橋水庫草型富營養(yǎng)化特征顯著，5—6月菹草過度生長影響水庫供水水質安全.5月中旬至6月上旬是菹草生長期，于橋水庫水體DO濃度、pH值急劇升高，CODMn、TN和TP濃度略有下降，適量生長對水體有一定凈化作用，但過度生長影響水庫安全運行；進入6月中旬菹草死亡腐敗期，水體DO濃度、pH值降低，CODMn、TN和TP濃度升高，營養(yǎng)鹽含量升高，水質狀況惡化程度近1倍，持續(xù)時間約為1周.4菹草過度生長成因分析光照、營養(yǎng)物質和水溫為菹草生長提供能量，是影響菹草生長率的關鍵因素.于橋水庫呈中度富營養(yǎng)水平，就菹草而言，營養(yǎng)物取之不盡，故導致于橋水庫出現(xiàn)菹草瘋長現(xiàn)象的主要原因是光照強度(太陽輻射強度)、透明度、水深和水溫等條件.4.1光照、透明度和水深因素根據(jù)Lambert-Beer定律，當入射光的波長、介質溫度一定時，介質的吸光度A(%)與介質厚度L(m)和濁度C(JTU)呈正比的關系，數(shù)學表達式為式中：Ei為入射光照度，lx;Et為透過光照度，lx;口為吸光系數(shù).為了便于分析某一水深下的太陽輻照度，對式(1)進行變換，可得式中：E(H)為水深H處的太陽輻照度，W/m2；oE為水面處的太陽輻照度，W/m2;H為水深，m;煦為由透明度確定的吸光系數(shù)，取值范圍為0.2~4.0/m-1[13],pe反映的物理意義是在水深一定時，透明度越高，該水深處的太陽輻照度越強，故pe與透明度呈反比，文中定義為透明度的倒數(shù).由式(2)可知，水下太陽輻照度與水深呈負指數(shù)關系，且消減的快慢與水體透明度有關，即水下太陽輻照度隨著水深的增加而減少，且透明度越低沿水深方向消減越快.于橋水庫4—6月水位、庫心透明度和水下太陽輻照度變化曲線如圖4和圖5所示，數(shù)值列于表1中.由圖表可知，4月水位略有升高，升高了0.66,m,水下太陽輻照度E(H)沿水深方向遞減，但由于透明度隨水深升高而增高，消減減慢，且水面Eo從171.7,W/m2提高到208.5,W/m2，故水下E(H)有所提高，平均每米提高25.5%，河底處E(H)從8.9,W/m2提高到12.5,W/m2，提高了40.4%;5月1日一16日，水位升高了0.59,m，透明度隨水深升高而增高，水面Eo基本不變，水下E(H)也變化不大，河底處E(H)從12.5,W/m2提高到12.8,W/m2，提高了2.4%;5月16日一6月1日，水位升高了0.68,m，由于菹草生長繁密，透明度降低，水下E(H)沿水深方向消減增快，雖然水面Eo從198.7,W/m2提高到259.4,W/m2，但水下E(H)有所降低，平均每米降低10.0%，河底處E(H)從12.8,W/m2降低到3.8,W/m2，降低了70.3%;6月1日一15日，水位升高了0.42,m，由于6月中旬菹草死亡后進行了打撈工作，透明度有所回升，水面Eo基本不變，水下E(H)有所提高，平均每米提高32.6%,河底處E(H)從3.8,W/m2提高到13.1,W/m2，提高了245%;6月15日一30日，水位降低了0.31,m，透明度隨水位降低而降低，水下E(H)沿水深方向消減增快，雖然水面Eo從251.5,W/m2提高到297.7,W/m2，但水下E(H)有所降低，平均每米降低7.5%，河底處E(H)從13.1,W/m2降低到5.5,W/m2，降低了58.0%.以上分析結果表明，于橋水庫菹草指數(shù)生長期內(4月中旬一5月中旬)水下太陽輻照度充足，在11.7,~208.5,W/m2之間，菹草攝取充分的光照和營養(yǎng)快速生長；芽殖體發(fā)生期內(5月中旬一6月中旬)雖然水下太陽輻照度出現(xiàn)降低趨勢，在3.8~259.4,W/m2之間，但大部分時間仍然滿足菹草生長所需的光照條件，菹草瘋長.同時，不難發(fā)現(xiàn)，當透明度一定時，水位越高，水下太陽輻照度越低，菹草所能獲得的光照能量越少.4.2水溫因素春季3、4月份的于橋水庫庫心水溫監(jiān)測值如表2所示.由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，4月水溫處于10~15,°C,菹草的最適溫度范圍正是10~20,°C[14],菹草迅速生長，而其他沉水植物的最適溫度為20~30,C;5月水庫絕大空間內開始繁育芽殖體，占絕對優(yōu)勢種，而此時其他物種才先后萌發(fā)，處于弱勢種群；6月中旬，隨著水溫的逐漸升高，菹草植株先后死亡、解體，芽殖體沉入水底越夏休眠.圖42006年4—6月于橋水庫水位和庫心透明度變化曲線Fig.4VariationsofwaterlevelandwatertransparencyinFig.4centermonitoringsectionduringApril—June2006圖5庫心水下太陽輻照度隨水深和透明度變化曲線Fig.5Variationsoflightintensitywithdepthandtransparencyincentermonitoringsection表12006年4—6月于橋水庫水位、庫心水深、透明度、照和Eo值Tab.1HydraulicvariablesincentermonitoringsectionduringApril—June2006日期水位/m庫心底高程/m水深H/m透明度/cmep/m-1oE/(W-m-2)河底處E(H)/(W?m-2)04-0117.56143.561200.833171.708.904-1517.58143.581300.769183.111.705-0118.22144.221500.667208.512.505-1618.81144.811750.571198.712.8060119.49145.491300.769259.403.806-1519.91145.912000.500251.513.106-3019.60145.601400.714297.705.5表22006年3月、4月于橋水庫庫心水溫監(jiān)測值Tab.2TemperaturemonitoringvaluesincentermonitoringsectionduringMarch—April2006日期庫心水溫/1日期庫心水溫/^03-013.004-0310.003-165.004-1412.003-248.404-2414.2綜上所述，由于于橋水庫光照強度、透明度、水深和水溫條件均有利于菹草生長，使得菹草在快速生長階段時間和空間上無競爭對手，導致菹草可以充分利用水庫空間范圍內的各種資源，種群得以充分發(fā)育，占盡優(yōu)勢，過度生長使于橋水庫草型富營養(yǎng)化越發(fā)嚴重.同時，4月是控制菹草過度生長的關鍵時期.5討論通過上述分析，針對于橋水庫草型富營養(yǎng)化特征及菹草瘋長原因，可考慮采取提高水位、改變高水位運行時間等措施來抑制菹草過度生長、防治草型富營養(yǎng)化，具體方法如下所述.通過優(yōu)化于橋水庫調度運行方案，提高水位、改變高水位運行時間，抑制菹草過度生長.近年來，經(jīng)隧洞、黎河段引灤河水入于橋水庫的周期比較穩(wěn)定，每年分2次調水，一次4月底至6月初，一次9月底至12月初，調水量7x108m3左右;于橋水庫向下游市區(qū)縣輸水基本上常年運行，平均每天輸水約163x104m3(18.93,m3/s).統(tǒng)計表明，多年汛前引水量2.0x108m3,引水45天，日均入庫水量500x104m3、出庫水量150x104m3.考慮到3—4月份是菹草生長關鍵時期(返青期)，可將調水日期控制在每年3月中下旬至5月上旬，即將第1次調水期提前20天或1個月，以增加水庫蓄量，使水位提高0.6~1.0,m，如表1中2006年4月1日和4月15日水位提高1,m，假設透明度保持不變，水下太陽輻照度將降低56.5%，大大降低菹草所需的光照能量，從而抑制菹草過度生長.菹草生長需要攝取營養(yǎng)鹽和光能量，一方面，入庫的2x108m3水量，通過水體交換，降低了水體和底質中營養(yǎng)鹽含量；另一方面，庫水位提高了0.6~1.0,m,水下光照將減少1/2左右，消減了菹草吸收的能量.同時，引水期間入庫水流流速較大，對菹草生長有一定破壞作用.因此，在菹草生長到成熟期以前即返青期，提高庫水位，改變高水位運行時間是抑制菹草過度生長、防治草型富營養(yǎng)化的有效措施之一，但仍需對調水量、水庫水位及抑制效果做進一步系統(tǒng)地研究.6結論6月中旬，過量菹草衰亡釋放的高營養(yǎng)鹽和有機質對水質影響較大，惡化程度近1倍，持續(xù)時間約為1周.研究表明，導致于橋水庫出現(xiàn)菹草過度生長現(xiàn)象的主要原因是光照度(太陽輻照度)、透明度、水深和水溫等條件.4月是控制菹草過度生長的關鍵時期，對Lambert-Beer定律公式進行變換，得到水下太陽輻照度與水深呈負指數(shù)關系，提出采用提高水位、改變高水位運行時間抑制菹草過度生長的新方法.【相關文獻】[1]王國祥，濮培民，張圣照，等.冬季水生高等植物對富營養(yǎng)化湖水的凈化作用[J].中國環(huán)境科學,1999,19(2):106-109.WangGuoxiang,PuPeimin,ZhangShengzhao,etal.Thepurificationabilityofaquaticmacrophytesforeutrophiclakewaterinwinter[J].ChinaEnvironmentalScience,1999,19(2):106-109(inChinese).[2]王文林，王國祥，李強，等.菹草-伊樂藻群落對富營養(yǎng)化水體水質的凈化效果[J].南京師范大學學報：自然科學版，2006,29(4):111-116.WangWenlin,WangGuoxiang,LiQiang,etal.PurificationeffectofPotamogetoncrispus-Elodeanuttalliicommunityoneutrophicwaterbodyquality[J].JournalofNanjingNormalUniversity:NaturalScience,2006,29(4):111-116(inChinese).[3]HuMH,AoYS,YangXE,etal.Treatingeutrophicwaterfornutrientreductionusinganaquaticmacrophyte(IpomoeaaquaticaForsskal)inadeepflowtechniquesystem[J].AgriculturalWaterManagement,2008,95:607-615.[4]DierbergFE,DeBuskTA,JacksonSD,etal.Submergedaquaticvegetationbasedtreatmentwetlandsforremovingphosphorusfromagriculturalrunoff:Responsetohydraulicandnutrientloading[J].WaterResearch,2002,36(6):1409-1422.[5]尚士友，申慶泰，杜健民，等.內蒙古烏梁素海沉水植物的收割工程技術[J].湖泊科學，2004,16(2):169-177.ShangShiyou,ShenQingtai,DuJianmin,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