野菱

于桥水库菹草过度生长对水质的影响及成因分析

张晨;陈孝军;王立义;高学平

【摘要】通过对于桥水库水生植物种群群落和生物量的调查,分析水质监测成果和

影响菹草生长的因素,研究菹草过度生长对水库水质的影响,探究于桥水库菹草疯长

发生成因.对Lambert-Beer定律公式进行变换,分析水下太阳辐照度与水深和透明

度的关系.结果表明:在菹草死亡腐败期,过量菹草衰亡释放的高营养盐和有机质对水

质影响较大,恶化程度近1倍,持续时间约为1周;导致于桥水库出现菹草疯长现象的

主要原因是光照度、透明度、水深和水温等条件;当透明度一定时,4月水位提高1

m,水下太阳辐照度将降低56.5%,菹草所能获得的光照能量大大减少,从而抑制了菹

草过度生长.以Lambert-Beer定律为理论依据,提出采用提高水位、改变高水位运

行时间抑制菹草过度生长的新方法.%Badonthesurveyofaquaticplant

speciescommunityandbiomassandanalysisoftheobrvedwaterquality

andthefactorsaffectingthegrowthofPotamogetoncrispusinYuqiao

Rervoir,theimpactonwaterqualityofexcessivegrowthof

Potamogetoncrispuswasstudiedandthereasonforitsoutbreakwas

ultsindicatethatthereleaofhighnutrientandorganic

hasgreatimpactonwaterqualityduringthedeclineperiodof

Potamogetoncrispus,withonetimeofdeteriorationofwaterqualityfor

adiation,watertransparency,waterdepthandwater

temperaturearethemajorcausforexcessivegrowthofPotamogeton

ntransformationformulaoftheLambert-

Beerlaw,therelationshipbetweensolarradiationintensityunderthe

radiationintensityunderthesurfaceofwaterwillbereducedby56.5％if

waterlevelisraidbyonemeterinAprilwhenwatertransparencyis

,excessivegrowthofPotamogetoncrispuscanbesuppresd

becauofthesignificantreductionofsolarenergy,whichhasprovided

thetheoreticalbasisforthenewmethodofincreasingthewaterleveland

changingthehighwaterlevelmn-timeduringgreenperiod.

【期刊名称】《天津大学学报》

【年(卷),期】2011(044)001

【总页数】6页(P1-6)

【关键词】草型富营养化;沉水植物;菹草;过度生长;水质;于桥水库

【作者】张晨;陈孝军;王立义;高学平

【作者单位】天津大学建筑工程学院,天津,300072;天津市引滦工程于桥水库管理

处,天津,301900;天津市水利局引滦工程管理处,天津,301900;天津大学建筑工程学

院,天津,300072

【正文语种】中文

【中图分类】X524

近年来的研究成果表明，沉水植物对富营养化水体水质具有一定净化效果[1-

4]．但是，一些草型湖泊、水库存在草型富营养化问题，在短时间内沉水植物过度

生长使水体水质恶化，影响水利工程的正常运行，甚至危及人民饮水安全，如山东

的南四湖、内蒙古的乌梁素海和哈素海、天津的于桥水库和尔王庄水库等都出现沉

水植物疯长的现象．

国内关于草型富营养化的研究成果较少，尚士友等[5-6]利用沉水植物收割工程技

术对草型湖泊进行治理，以机械化方式适度控制了乌梁素海草型富营养化；顾久君

等[7]通过对乌梁素海菹草腐烂分解过程的研究表明，植物体内氮、磷的释放速率

随水中营养盐浓度升高而增加．国外涉及草型富营养化的研究已取得了一定的成

果．Miranda等[8]、Frodge等[9]揭示了草型富营养化浅水水库中沉水植物覆盖

范围与水体溶解氧浓度之间的关系．Roman等[10]通过实验证实了草型富营养化

湖泊水质恶化主要受沉水植物过度生长影响．Coops等[11]介绍了荷兰两座草型

富营养化湖泊通过抑制沉水植物生长从而使湖泊水质得到改善，并证实改变水下光

照条件能有效抑制沉水植物生长．

本文通过分析于桥水库草型富营养化特征，研究菹草过度生长对水库水质的影响，

探究于桥水库菹草疯长发生成因，提出抑制菹草过度生长、防治草型富营养化的措

施，为安全供水提供参考依据．

1于桥水库草型富营养化特征

于桥水库位于天津市蓟县城东4,km、蓟运河左支流州河上游出山口处，北纬

40°02′，东经117°25′，库区由东向西倾斜(见图1)．作为引滦入津工程的调蓄水

库，总库容15.59×108,m3，兴利库容为3.85×108m3，正常蓄水位

21.16,m(大沽)，正常蓄水位水面面积86.8,km2，平均水深4.5,m．引滦通水26

年来，于桥水库水体营养状态已呈中度富营养水平[12]，其中氨氮、总氮、总磷属

水库无机污染物，1993—2006年的年均入库负荷分别为651.9,t、4,534.4,t和

246.5,t；用高锰酸盐指数表征有机污染物，其年均入库负荷为2,965.6,t.

根据蓟县水产局2006—2007年水生植物调查，于桥水库大型水生植物有21种，

分属于14科13属．按水生植物生态类型分类，有挺水植物6种，浮叶植物2种，

沉水植物13种．于桥水库大型水生植物的优势种为菹草(Potamogetoncrispus

Linn.)、狐尾藻(MyriophyllumspicatumLinn.)、眼子藻(Potamogeton

malaianusMiq.)、荇菜(Nymphoidespeltata(Gmel).)、野菱(Trapa

.)和芦苇(PhragmitescommunisTrin.)等．

图1于桥水库监测点分布状况Fig.1Distributionofmonitoringctionsin

oir

调查结果显示：2006年5月菹草在库区为绝对优势种，约占水库总面积的

35%～61.5%，即约30～53,km2，荇菜和野菱面积共约8.3%，库区菹草植株数

量约占总数的80%，生物湿重分别为菹草2.8～4.6,kg/m2、荇菜0.5,kg/m2、野

菱0.3,kg/m2；6月菹草开始衰败并腐烂，在河道内和岸边大量堆积，动用大量人

力物力进行清除．2006年6月，荇菜、狐尾藻、穿叶眼子藻约占3.25,km2，生

物湿重分别为荇菜0.6～3.4,kg/m2、狐尾藻0.45～3.5,kg/m2、眼子藻0.20～

0.45,kg/m2．于桥水库草型富营养化特征显著，5—6月库区菹草超过水库面积的

30%，生物量大于2,kg/m2，属过度生长．库区水域均有菹草生长，水深在

2.0,m以下的浅水水域菹草密度较大，主河道中心水域密度较小，沿主河道向两侧

呈条带状分布，距主河道越远分布密度越大．于桥水库菹草的发育历期基本一致，

一年内，菹草生物量累计曲线呈单峰型，4月中旬至5月中旬为指数生长期，5月

中旬至6月中旬为芽殖体发生期，该期生物量为高峰期．

2材料与方法

参照《水库渔业资源调查规范》(SL167—1996)中大型水生植物调查规范，选择

密集区、一般区和稀疏区布设9个采样点，用GPS定位，如图1所示．2006年

5月12日和6月28日进行了2次调查采样．

采用现场监测的方法记录于桥水库水位和各水质指标浓度．监测断面为库心、库北、

库西、库东和放水洞．监测指标包括溶解氧DO、pH值、高锰酸盐指数CODMn、

总氮TN、总磷TP、透明度和水温．太阳辐射强度数据来源于中国气象科学数据

共享服务网．

用碘量法(GB7489—87)测定溶解氧；用玻璃电极法(GB6920—86)测定pH值；

用酸性高锰酸钾氧化法(GB11892—89)测定高锰酸盐指数；用碱性过硫酸钾消解

紫外分光光度法(GB11894—89)测定总氮；用钼酸铵分光光度法(GB11893—89)

测定总磷；用塞氏盘法(SL87—1994)测定透明度．

3菹草过度生长对水库水质的影响

3.1对溶解氧和pH值的影响

过度生长的菹草占据了大量水体空间，生长旺盛期因光合作用强烈，出现水体溶解

氧过饱和现象，同时菹草吸收水中大量CO2造成库区pH值骤然升高．

2006年5—6月于桥水库各监测断面DO和pH值见图2．由图2可知，5月中

旬至6月上旬，菹草生长旺盛，于桥水库溶解氧急剧升高，由6,mg/L升至8～

9,mg/L，pH值亦急剧升高，由8.5左右升至10左右；进入6月中旬，菹草开始

衰败死亡，溶解氧逐渐降低，pH值也随之降至8.5．

图2于桥水库各监测断面DO和pH值变化曲线Fig.2VariationsofDOandpH

ineachmonitoringctioninYuqiaoRervoir

3.2对高锰酸盐指数和营养盐的影响

尽管菹草在生长期摄取水体和底质中大量营养盐，对净化水质有一定作用，但其死

亡后腐败分解，消耗溶解氧，释放出大量的氮和磷，造成菹草聚集区高锰酸盐指数

和营养盐浓度升高，水体变黑发臭，鱼类大量死亡，水体二次污染．

2006年5—6月于桥水库各监测断面CODMn、TN和TP变化曲线如图3所

示．由图3可知，CODMn浓度由5月中旬的3.5,mg/L上升至6月中旬的

5,mg/L左右，其原因为6月中旬菹草进入植株衰亡期，在腐败分解过程中释放的

有机物消耗溶解氧使CODMn浓度升高．6月初至6月中旬，菹草衰亡后释放营

养盐，水体营养盐负荷进一步加大，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，分别提高了15.8%和200%．6月6日和7日，

由于大量死亡的菹草随水流运动至出水口，致使放水洞附近CODMn、TN和TP

浓度剧然升高，分别至7.3,mg/L、2.89,mg/L和0.08,mg/L，短期内恶化供水水

质，待完成打捞作业后，浓度分别恢复至4,mg/L、2.10,mg/L和0.03,mg/L，恶

化的水质状况与打捞后相比，分别提高了82.5%、37.6%和167%．分析结果表

明，水草衰亡释放的高营养盐和有机质对水质影响较大，时间自6月8日—13日，

持续1周．

图3于桥水库各监测断面CODMn、TN和TP变化曲线Fig.3Variationsof

CODMn，TNandTPineachmonitoringctioninYuqiaoRervoir

综上所述，于桥水库草型富营养化特征显著，5—6月菹草过度生长影响水库供水

水质安全．5月中旬至6月上旬是菹草生长期，于桥水库水体DO浓度、pH值急

剧升高，CODMn、TN和TP浓度略有下降，适量生长对水体有一定净化作用，

但过度生长影响水库安全运行；进入6月中旬菹草死亡腐败期，水体DO浓度、

pH值降低，CODMn、TN和TP浓度升高，营养盐含量升高，水质状况恶化程度

近1倍，持续时间约为1周．

4菹草过度生长成因分析

光照、营养物质和水温为菹草生长提供能量，是影响菹草生长率的关键因素．于桥

水库呈中度富营养水平，就菹草而言，营养物取之不尽，故导致于桥水库出现菹草

疯长现象的主要原因是光照强度(太阳辐射强度)、透明度、水深和水温等条件．

4.1光照、透明度和水深因素

根据Lambert-Beer定律，当入射光的波长、介质温度一定时，介质的吸光度

A(%)与介质厚度L(m)和浊度C(JTU)呈正比的关系，数学表达式为

式中：Ei为入射光照度，lx；Et为透过光照度，lx；μ为吸光系数．

为了便于分析某一水深下的太阳辐照度，对式(1)进行变换，可得

式中：E(H)为水深H处的太阳辐照度，W/m2；oE为水面处的太阳辐照度，

W/m2；H为水深，m；μe为由透明度确定的吸光系数，取值范围为0.2～

4.0,m-1[13]．μe反映的物理意义是在水深一定时，透明度越高，该水深处的太阳

辐照度越强，故μe与透明度呈反比，文中定义为透明度的倒数．由式(2)可知，水

下太阳辐照度与水深呈负指数关系，且消减的快慢与水体透明度有关，即水下太阳

辐照度随着水深的增加而减少，且透明度越低沿水深方向消减越快．

于桥水库4—6月水位、库心透明度和水下太阳辐照度变化曲线如图4和图5所

示，数值列于表1中．由图表可知，4月水位略有升高，升高了0.66,m，水下太

阳辐照度E(H)沿水深方向递减，但由于透明度随水深升高而增高，消减减慢，

且水面Eo从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%，河底处E(H)从8.9,W/m2提高到12.5,W/m2，提高了

40.4%；5月1日—16日，水位升高了0.59,m，透明度随水深升高而增高，水面

Eo基本不变，水下E(H)也变化不大，河底处E(H)从12.5,W/m2提高到

12.8,W/m2，提高了2.4%；5月16日—6月1日，水位升高了0.68,m，由于菹

草生长繁密，透明度降低，水下E(H)沿水深方向消减增快，虽然水面Eo从

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%，河底处E(H)从12.8,W/m2降低到3.8,W/m2，降低了70.3%；6月1

日—15日，水位升高了0.42,m，由于6月中旬菹草死亡后进行了打捞工作，透

明度有所回升，水面Eo基本不变，水下E(H)有所提高，平均每米提高32.6%，

河底处E(H)从3.8,W/m2提高到13.1,W/m2，提高了245%；6月15日—30

日，水位降低了0.31,m，透明度随水位降低而降低，水下E(H)沿水深方向消减

增快，虽然水面Eo从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%，河底处E(H)从13.1,W/m2降低到5.5,W/m2，降低

了58.0%．

以上分析结果表明，于桥水库菹草指数生长期内(4月中旬—5月中旬)水下太阳辐

照度充足，在11.7,～208.5,W/m2之间，菹草摄取充分的光照和营养快速生长；

芽殖体发生期内(5月中旬—6月中旬)虽然水下太阳辐照度出现降低趋势，在

3.8～259.4,W/m2之间，但大部分时间仍然满足菹草生长所需的光照条件，菹草

疯长．同时，不难发现，当透明度一定时，水位越高，水下太阳辐照度越低，菹草

所能获得的光照能量越少．

4.2水温因素

春季3、4月份的于桥水库库心水温监测值如表2所示．由监测数据可知，4月水

温处于10～15,℃，菹草的最适温度范围正是10～20,℃[14]，菹草迅速生长，而

其他沉水植物的最适温度为20～30,℃；5月水库绝大空间内开始繁育芽殖体，占

绝对优势种，而此时其他物种才先后萌发，处于弱势种群；6月中旬，随着水温的

逐渐升高，菹草植株先后死亡、解体，芽殖体沉入水底越夏休眠．

图42006年4—6月于桥水库水位和库心透明度变化曲线Fig.4Variationsof

waterlevelandwatertransparencyinFig.4centermonitoringction

duringApril—June2006

图5库心水下太阳辐照度随水深和透明度变化曲线Fig.5Variationsoflight

intensitywithdepthandtransparencyincentermonitoringction

表12006年4—6月于桥水库水位、库心水深、透明度、μe和Eo值Tab.1

HydraulicvariablesincentermonitoringctionduringApril—June2006

日期水位/m库心底高程/m水深H/m透明度/cmeμ/m-1oE/(W·m-2)河底处

E(H)/(W·m-2)04-0117.56143.561200.833171.708.904-15

17.58143.581300.769183.111.705-0118.22144.22150

0.667208.512.505-1618.81144.811750.571198.712.806-

0119.49145.491300.769259.403.806-1519.91145.91

2000.500251.513.106-3019.60145.601400.714297.705.5

表22006年3月、4月于桥水库库心水温监测值Tab.2Temperature

monitoringvaluesincentermonitoringctionduringMarch—April2006

日期库心水温/℃日期库心水温/℃03-013.004-0310.003-165.0

04-1412.003-248.404-2414.2

综上所述，由于于桥水库光照强度、透明度、水深和水温条件均有利于菹草生长，

使得菹草在快速生长阶段时间和空间上无竞争对手，导致菹草可以充分利用水库空

间范围内的各种资源，种群得以充分发育，占尽优势，过度生长使于桥水库草型富

营养化越发严重．同时，4月是控制菹草过度生长的关键时期．

5讨论

通过上述分析，针对于桥水库草型富营养化特征及菹草疯长原因，可考虑采取提高

水位、改变高水位运行时间等措施来抑制菹草过度生长、防治草型富营养化，具体

方法如下所述．

通过优化于桥水库调度运行方案，提高水位、改变高水位运行时间，抑制菹草过度

生长．近年来，经隧洞、黎河段引滦河水入于桥水库的周期比较稳定，每年分2

次调水，一次4月底至6月初，一次9月底至12月初，调水量7×108m3左右；

于桥水库向下游市区县输水基本上常年运行，平均每天输水约163×104

m3(18.93,m3/s)．统计表明，多年汛前引水量2.0×108m3，引水45天，日均

入库水量500×104m3、出库水量150×104m3．考虑到3—4月份是菹草生长

关键时期(返青期)，可将调水日期控制在每年3月中下旬至5月上旬，即将第1次

调水期提前20天或1个月，以增加水库蓄量，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，假设透明度保持不变，水下太阳

辐照度将降低56.5%，大大降低菹草所需的光照能量，从而抑制菹草过度生长．

菹草生长需要摄取营养盐和光能量，一方面，入库的2×108m3水量，通过水体

交换，降低了水体和底质中营养盐含量；另一方面，库水位提高了0.6～1.0,m，

水下光照将减少1/2左右，消减了菹草吸收的能量．同时，引水期间入库水流流

速较大，对菹草生长有一定破坏作用．因此，在菹草生长到成熟期以前即返青期，

提高库水位，改变高水位运行时间是抑制菹草过度生长、防治草型富营养化的有效

措施之一，但仍需对调水量、水库水位及抑制效果做进一步系统地研究．

6结论

(1)6月中旬，过量菹草衰亡释放的高营养盐和有机质对水质影响较大，恶化程度

近1倍，持续时间约为1周．研究表明，导致于桥水库出现菹草过度生长现象的

主要原因是光照度(太阳辐照度)、透明度、水深和水温等条件．

(2)4月是控制菹草过度生长的关键时期，对Lambert-Beer定律公式进行变换，

得到水下太阳辐照度与水深呈负指数关系，提出采用提高水位、改变高水位运行时

间抑制菹草过度生长的新方法．

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