水庫水動(dòng)力對水體富營(yíng)養化影響

1 概述

水庫富營(yíng)養化問(wèn)題，是指在氮、磷等營(yíng)養物質(zhì)在水庫中達到一定濃度時(shí)，藻類(lèi)以及其他浮游生物迅速繁殖，水體中溶解氧含量大幅下降，導致水生生物大量死亡，同時(shí)釋放出的藻毒素和嗅味物質(zhì)，使得水環(huán)境變得非常惡劣，影響日常用水健康。

漢江水華發(fā)生在枯水期，水流速度緩慢，水體自?xún)裟芰Σ�。在法國B(niǎo)ay of the Brest 的研究中發(fā)現，雖然海灣區域營(yíng)養鹽濃度較高，但由于良好的水動(dòng)力條件，海灣與外海水力交換條件良好，因此海灣并沒(méi)發(fā)生富營(yíng)養化。即使在營(yíng)養鹽、水溫等富營(yíng)養化條件滿(mǎn)足的情況下，水動(dòng)力條件也可能成為水體富營(yíng)養化的制約因子。水動(dòng)力條件包括: 流量、流速和水位。

2 水動(dòng)力對水庫富營(yíng)養化影響

2．1 水庫概況

水庫不同于湖泊，主要是因為水庫的補給系數較大，流域的水質(zhì)水量對水庫起主導性影響。因此，水庫的富營(yíng)養化的形成除了與營(yíng)養元素、溫度及光照等因素影響外，主要還受到水庫類(lèi)型和功能，以及當地水文情勢的影響。區別于湖泊富營(yíng)養化，水庫還具備以下特征:

2．1．1 水庫富營(yíng)養化受水庫類(lèi)型的影響

水庫的類(lèi)型(河道型和湖泊型) 主要受地形、地勢的影響。河道型水庫多在山區，河流徑流量大、坡度大，使得水庫中水體交換量大，同時(shí)又因為人口密度小，所以導致入庫的污染負荷小。而湖泊型水庫多為丘陵或平原地區，水流勢較為平緩�？菟�期時(shí)，或周邊河流的汛期比其早，會(huì )對水庫產(chǎn)生“頂托”作用，使得水庫水流速度更加緩慢，呈現湖泊水的狀態(tài)，為藻類(lèi)及浮游生物的生長(cháng)繁殖創(chuàng )造了有利條件; 又因為平原地區人口密度較大，導致入庫的污染負荷大，因此湖泊型水庫富營(yíng)養化程度遠遠高于河道型水庫。

2．1．2 水庫富營(yíng)養化受水庫功能的影響

不同用途的水庫其水滯留時(shí)間、出庫水流深度、流速和出水位置各不相同，這主要是由于不同水庫的不同使用功能，導致不同調度方式的時(shí)空異質(zhì)性。不同水層的水質(zhì)是不同的，因為水層間的粘滯力，導致流速隨著(zhù)深度的增加而減緩。因此，水庫中營(yíng)養物質(zhì)濃度在豎向存在明顯分層，深層的營(yíng)養物濃度明顯高于表層。王慶鎖等(2009) 對密云水庫研究表明總磷濃度垂直變化的總體趨勢自上而下逐漸升高。

不同的水庫調用方式，導致了庫中營(yíng)養物水平及其分布的改變。在實(shí)際的水庫運行管理過(guò)程中，出庫的水流會(huì )影響水庫的水流及垂直分布，進(jìn)而影響水庫的水動(dòng)力學(xué)過(guò)程，使得水質(zhì)發(fā)生變化。比如，以發(fā)電為主的水庫多為底層出流，這樣的出流方式使得水位的落差大、水流量大、水滯留時(shí)間短，水體的自?xún)裟芰�強，這些都不利于浮游生物及藻類(lèi)的生長(cháng)，保證了較好的水質(zhì)，如湖南江埡水庫、湖北隔河巖水庫等; 而另一種以灌溉或者飲用為主的水庫多以表層出水為主，且庫內水滯留時(shí)間相對較長(cháng)，水位的變化較小，這有利于浮游生物以及藻類(lèi)生長(cháng)，通常這樣的水庫水質(zhì)相對較差，如江蘇的大溪水庫、沙河水庫和橫山水庫等。由此可以發(fā)現水庫用途不同，出水的位置以及出水量都不相同，從而影響水體滯留時(shí)間，較長(cháng)滯留時(shí)間導致較慢水流速度，有利浮游生物及藻類(lèi)生長(cháng)，加速水體富營(yíng)養化進(jìn)程。因此可采用深層出水和減少水滯留時(shí)間，改善水質(zhì)，降低水體富營(yíng)養化可能。

2．2 水文情勢對水庫富營(yíng)養化的影響

水文情勢包括滯留時(shí)間、水位變化和水流運動(dòng)。水文對水質(zhì)的作用主要表現在對水位、水滯留時(shí)間的調節，改變水流運動(dòng)，進(jìn)而改變浮游生物以藻類(lèi)種類(lèi)組成，稀釋或降低浮游生物及藻類(lèi)的現存量，破壞其生存條件。

2．2．1 水滯留時(shí)間對水庫富營(yíng)養化的影響

水在庫區的滯留情況和水交換情況直接影響懸浮物的沉淀以及磷等有機物的滯留。水庫通過(guò)改變懸浮物的沉淀以及磷等有機物的滯留時(shí)間決定水庫中浮游生物種群能否維持: 滯留時(shí)間太短，一方面導致懸浮物沉淀較差，有機物富集程度較差; 另一方面，較短的滯留時(shí)間，浮游生物及藻類(lèi)由于缺乏足夠的時(shí)間進(jìn)行繁殖，于玲紅(2011) 以引黃水庫位原水研究發(fā)現較高流速抑制了藻類(lèi)的生長(cháng)，縮短了藻類(lèi)的生長(cháng)周期。這兩方面都將減少水體富營(yíng)養化的可能。

枯水期或枯水年，或者附近河流的汛期較早而產(chǎn)生“頂托”作用，導致吞吐水量少，庫區與庫外的水流交換較少，庫區內的營(yíng)養物質(zhì)產(chǎn)生富集，同時(shí)因為吞吐水量少，庫區內水流變緩，庫水滯留時(shí)間過(guò)長(cháng)，也給浮游生物及藻類(lèi)足夠的時(shí)間生長(cháng)，易發(fā)生水華。Straskbraba M 等(1995) 分析世界各地的水庫發(fā)現，年均滯留時(shí)間對水庫的水動(dòng)力學(xué)、化學(xué)(營(yíng)養鹽) 和生物過(guò)程有著(zhù)直接的相關(guān)性。增大水交換量，縮短水滯留時(shí)間，是有效防止水溫分層，增加水體混合層，破壞浮游生物及藻類(lèi)繁殖和生存條件，進(jìn)而達到減緩富營(yíng)養化進(jìn)程的目的。

OsmiKawara 等(1998) 對Asahi 水庫研究表明，根據氮磷等指標判斷，Asahi 水庫在1980 年已經(jīng)達到富營(yíng)養化程度，但卻很少發(fā)現浮游生物及藻類(lèi)瘋長(cháng)的情況，通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現，只有當水滯留時(shí)間超過(guò)2 周或更長(cháng)時(shí)間，浮游生物及藻類(lèi)才能維持較高的種群數量。因此，庫區滯留時(shí)間將直接影響營(yíng)養物質(zhì)的輸入輸出，而水的滯留時(shí)間長(cháng)短則直接影響水庫的水質(zhì)狀況和富營(yíng)養化程度。加大水庫與外界的水量交換，或者縮短水庫水滯留時(shí)間，這都不利于營(yíng)養鹽的富集和浮游生物及藻類(lèi)的生長(cháng)，抑制水庫富營(yíng)養化的發(fā)展。

2．2．2 水位對水庫富營(yíng)養化的影響

水庫的各項功能運轉是通過(guò)人工對水量的調蓄來(lái)實(shí)現，這種調蓄作用是通過(guò)改變進(jìn)出水量的平衡和水庫平面形態(tài)決定水位的變化。同時(shí)水中溶解和懸浮的各種物質(zhì)都隨水的流動(dòng)而相互之間發(fā)生物理、化學(xué)和生物的混合、分布、遷移和轉化過(guò)程。因此，水庫調蓄作用即水位的變化不但影響水體水量的平衡，也將影響水庫的理化現象和生態(tài)過(guò)程。一般水庫的調蓄決定水庫的水位，水量平衡則由水位的高低反映。當水庫出現高水位則表明水流量大，反之則小。蓄水區水體密度決定著(zhù)庫區水質(zhì)，入庫水量越大，水位越高，說(shuō)明庫區的水動(dòng)力條件就越好，營(yíng)養鹽不易富集，水體自?xún)裟芰�強，水質(zhì)就越好; 反之，入庫水量少，則水位越低，導致水中營(yíng)養鹽富集，導致水質(zhì)變差。

許多研究表明，浮游生物及藻類(lèi)的現存量與水位存在顯著(zhù)的負相關(guān)性，枯水期(年) ，盡可能保持高水位有益于水質(zhì)的改善。因為庫區水位高，則水庫庫容量大，對浮游生物及藻類(lèi)有稀釋作用，使得浮游生物及藻類(lèi)現存量較低，保證較好出水水質(zhì);同時(shí)高水位可擴大魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵場(chǎng)和魚(yú)群補充群體，增加了對藍綠藻的攝食能力，通過(guò)生態(tài)體系更加完善的建立，表現在食物鏈及營(yíng)養級聯(lián)作用增強�？梢钥刂聘∮紊�物及藻類(lèi)的種群密度，有益于防止浮游生物及藻類(lèi)大量滋生，從而降低水華爆發(fā)的可能性。

2．2．3 水流運動(dòng)對水庫富營(yíng)養化影響

水流運動(dòng)除了在研究滯留時(shí)間和水位有影響之外，還會(huì )對常年沉積在底泥中的營(yíng)養鹽循環(huán)遷移起著(zhù)重要的作用。沉積在水庫底部的底泥有著(zhù)較大的表面積，因此可以吸附下層流速較慢而沉降的氮、磷等營(yíng)養物質(zhì)，這些物質(zhì)又會(huì )隨著(zhù)沉積物間隙水與上覆水進(jìn)行物理、化學(xué)以及生物等作用，使得物質(zhì)再次進(jìn)行交換。所以在不同的水流運動(dòng)條件下，這些吸附在沉積物上的污染物會(huì )再次釋放出來(lái)。主要表現在:

(1) 在水體水位較高時(shí)，下層水體由于水層間粘滯力保持相對靜止，使得水體下層出現躍溫層現象。庫底的沉積物質(zhì)由于相對靜止的水流條件，不會(huì )大量向水中釋放，保證了濃度較高的營(yíng)養鹽存在于底泥中，保持中上層水體的營(yíng)養鹽濃度不高，抑制了浮游生物以及藻類(lèi)的生長(cháng)，使得它們的現存量較低。

(2) 當水流運動(dòng)加強時(shí)，庫底的沉積物則會(huì )因為水流的作用力，再次向水體釋放。這就導致底泥中富集的營(yíng)養鹽擴散到上層水體中，浮游生物以及藻類(lèi)則會(huì )因為營(yíng)養鹽濃度的增高而大量生長(cháng)，現存量較大，從而增加水華爆發(fā)的可能。孫欽鑫等(2011) 研究徒駭河發(fā)現，徒駭河沉積物中TP 的釋放隨著(zhù)水體擾動(dòng)強度的增強而增強，呈現一定的正相關(guān)關(guān)系。

3 結語(yǔ)

水動(dòng)力對水庫的富營(yíng)養化影響從水庫的類(lèi)型，水庫功能方面表明: 河道型水庫的富營(yíng)養化可能性比湖泊型小; 用于發(fā)電等功能的大流量深層取水的水庫比用來(lái)灌溉的表層取水的水庫的富營(yíng)養化可能性小。這主要因為，河道型水庫和大流量深層取水的水庫，吞吐量，流速，滯留時(shí)間不利于浮游生物及藻類(lèi)生長(cháng)的，使得富營(yíng)養化得到抑制。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

進(jìn)一步研究滯留時(shí)間、水位變化和水流運動(dòng)發(fā)現: 較大的吞吐水量，較短滯留時(shí)間，較高水位和底層較小的水流變化都會(huì )影響庫區水體營(yíng)養鹽的富集，和營(yíng)養鹽的擴散，浮游生物及藻類(lèi)的生長(cháng)所需的營(yíng)養鹽濃度較低，浮游生物及藻類(lèi)的現存量較低，同時(shí)建立起較復雜的生物鏈和營(yíng)養級作用增強，抑制水華爆發(fā)的進(jìn)程。