三峡水库自蓄水以来，长江干流水体水质整体维持在Ⅱ~Ⅲ类，但支流普遍存在不同程度的水体富营养化和水华问题，已成为三峡库区最重要的水环境问题，引起国内外广泛关注^[1-2]。在营养盐充足条件下，浮游植物在适宜的水文气象及水动力共同作用下大量繁殖聚集形成水华^[3]。目前防控水华的最佳策略是降低河流营养盐浓度、减少污染输入，但这是一个长期过程^[4]；而利用化学生物方法防控水华，对于三峡水库这种战略水源地易带来次生危害。因此，针对三峡水库支流水华防控，以刘德富等为主的学者提出通过生态调度防控支流水华^[5]，但该研究与具体调度实施尚有一定距离，特别是降雨过程对藻类水华消退影响尚不明确。

在一般的湖库水体的研究中，Simić 等^[6]发现降雨后塞尔维亚Sumarice水库营养盐水平提高进而导致蓝藻(水华束丝藻)大量暴发；李飞鹏^[7]的研究结果表明，在浅水湖泊中，降雨对藻类抑制作用有限，降雨并未对水华有明显降低作用，反而因营养盐补给作用，叶绿素a浓度在雨后迅速上升。而在三峡水库支流库湾现场监测发现，降雨通常伴随着不同程度的水华消退，对水华的抑制效果明显^[8-9]。总体上，目前关于降雨对水华生消机理的研究多集中在营养盐的输移对藻类生长和演替的影响上，而对水文水动力影响下藻类的输移关注较少。然而近坝支流自三峡水库蓄水以来与原来天然河流相比，水位抬升、水面变宽、流速减缓，水动力条件发生改变，由原先的河流型生境特征向深水湖泊型生境特征转换，且支流水体在不同时期存在不同类型的异重流^[10]，致使浮游藻类生物群落具有空间异质性，其空间分布特征和风力作用、水体环流以及藻类自身运动等有关^[11-12]。水动力条件已成为影响藻类生长的关键因素，降雨对支流水华生消的影响愈加复杂^[13-14]，有必要开展深入研究。

本文通过野外连续跟踪监测，研究了降雨对异重流潜入形式和对藻类垂向、水平输移的影响，结合库湾水动力和藻类水华时空分布特性，尝试揭示分层异重流背景下，不同于一般湖库水体，降雨对水华消退的作用。该结论将深化对深水库湾水华生消机理的认识，能结合降雨进一步为生态调度防控支流水华寻求调度时机、调度方式等提供理论支持。

1 材料与方法 1.1 研究区域

香溪河位于湖北省西部，是靠近三峡大坝的首条大型支流，位于长江北岸，河口距离三峡大坝29 km，流域范围为30°57′~31°34′N，110°25′~111°06′E, 如图 1。香溪河流域属亚热带大陆性季风气候，多年平均气温16.6℃，年均降雨量在800~1200 mm，冬季干旱，夏季多雨，且以中小降雨为主^[9]，流域多年平均流量为40.18 m³/s^[15]。三峡水库蓄水后，自河口向上游约25~40 km的水体由河流水体转变为类似湖泊水体(缓流水体)，此水域称为香溪河库湾，其具有独特的水动力特征，库湾水动力特征主要受上游来水和长江干流影响，水流全年流速较小，且为分层异向流动^[10]，曾多次暴发严重水华^[16]。

1.2 监测方案

为全面分析降雨影响下水华消退路径，结合天气预报，在2021年7月16日至22日，每天上午7:00—12:00对香溪河库湾纵向和垂向开展连续跟踪监测。纵向上在XX00、XX02、XX04、XX06、XX08河道中泓线设置监测点，垂向上利用多参水质分析仪(EXO2，YSI，美国)从表层到水底连续均匀地监测水温、水深、浊度、叶绿素a(Chl.a)浓度等指标，其中20日由于仪器配重问题，在河口处未监测到底部数据，河口处水深与其他时间有所差异；同步采集表层水样，参考《水和废水分析方法》(第四版)手工测定Chl.a浓度；流速用Vector三维点式流速仪(挪威)现场测定^[17]；水下光强用International Light 4100光照计(美国)测定；透明度(SD)采用塞氏盘现场测定；借助武汉新惠普公司生产的PH-HB-CJ2气象站，连续收集气温、降雨量等信息，监测频率为1 min/次。

1.3 分析方法

真光层深度指开放水体中阳光照射所达、光合作用得以发生的水体深度，是浮游植物生长的有效层，其计算基于Beer-Lamber原理，真光层深度(Z_eu)为表层光强(PAR)1 % 所对应的深度^[18-19]。混合层深度定义为水体上层垂直混合充分的水层，是湖库水体层结量化指标，在已有的研究基础上，选取表层水体温差≤1℃处对应的水深为混合层水深(Z_mix)^[20]。

热分层稳定指数(RWCS/H)^[21]可以有效评价热分层稳定水平，计算公式如下：

$ R W C S / H=\frac{D_{\mathrm{b}}-D_{\mathrm{s}}}{\left(D_4-D_5\right) H} $

(1)

式中, D_b和D_s分别为底层、表层水体密度，kg/m³；D₄和D₅分别为4℃和5℃时纯水密度，kg/m³；H为水深，m。忽略水中泥沙的影响，水温对应水体密度的计算公式如下^[22]：

$ \rho_T=1000\left[1-\frac{T+288.9414}{508929.2(T+68.12936)}(T-3.9863)^2\right] $

(2)

式中，ρ_T为水体密度，kg/m³；T为水体温度，℃。RWCS/H越大，表明水体分层越明显。

微藻粒径颗粒较小，多在微米级别，常以群体性指标——藻类聚集度指数MI(Morisita's index)来描述^[23]，MI指数大于1时，表明微藻以聚集形式为主，MI越大，聚集程度越高，计算公式如下：

$ M I=n \frac{\sum\left(x_i\right)^2-\sum x_i^2}{\left(\sum x_i\right)^2-\sum x_i} $

(3)

微藻群体的平均深度MRD(mean residence depth)^[24]，表明微藻颗粒在垂向整体迁移运动轨迹，计算公式如下：

$ M R D=\frac{\sum\left(x_i \cdot d_i\right)}{\sum x_i} $

(4)

式中，x_i为不同水深的Chl.a浓度，mg/m³；n为水体分层数；d_i为水深，m。

2 结果和分析 2.1 水文气象变化特征

图 2a为7月16日至22日降雨、气温逐小时变化图，16日降雨前日平均气温为26.7℃。随后3天间断降雨，期内主要发生了3次降雨过程，每次降雨历时1~2 h。第1次为16日16:00—17:00，累计降雨量13.8 mm；第2次发生在18日14:00—15:00，累计降雨量10.2 mm，其中15:00雨强达9.8 mm/h；第3次发生在19日至20日凌晨，累计降雨量为4.6 mm。此外17日19:00出现了持续时间1 h的降雨过程，降雨强度为2.4 mm/h。气温在监测期间内呈明显的昼夜规律，白天随着太阳辐射增强，大气温度逐渐升高，夜间下降，昼夜温度范围在25~35℃之间。气温受降雨影响显著，降雨期间日平均气温低于非降雨期间，降雨当天高温时段明显缩短。16日降雨导致16:00—17:00气温迅速下降，由30.2℃降至24.5℃；18日降雨导致14:00—15:00气温迅速下降，由31.7℃降至25.4℃，降雨结束后气温略有回升，17:00升至26.1℃。20日日间至监测期结束为降雨后，日最高气温相较于降雨期间有所升高，21日、22日分别为33.8、35.1℃，为监测期间峰值。监测期间香溪河库湾入库流量如图 2b，降雨前平均来水量22 m³/s，降雨后骤升至100 m³/s，增加了约4倍，库湾水位波动与入库流量呈明显正相关，随入库流量的增加而增加。

2.2 流场特征

图 3为监测期间香溪河库湾流速矢量与电导率等值线图，电导率可表征水体中溶质盐浓度的高低，被普遍用于不同性质水体交换过程的示踪^[25]，电导率的变化对三峡库区支流回水区域具有指示作用，回水与来水交汇处电导率变化明显^[26]。以16日代表降雨前，18、20日代表降雨期间，22日代表降雨后，可以看出，香溪河库湾存在明显的倒灌异重流。降雨前，长江干流水体主要从水深0~15 m范围潜入，以近表层异重流形式倒灌进入库湾，上游来水通过中、底部流向河口，库湾上层水体以及上游底部水体电导率变化明显。随着降雨的发生，异重流的倒灌形式开始发生变化，异重流潜入深度逐渐增加，18日增加至24 m处，逐渐转变为中上层倒灌，到20日异重流倒灌潜入深度进一步增加，转变为中下层倒灌；18日库湾中上游中层水体电导率较高，在库湾呈楔形分布，20日中下层水体电导率变化显著，底部电导率明显下降，库湾上层水体流向河口的流速由接近0增加至雨后0.02 m/s。降雨过后，干流水体由水深20~30 m范围潜入库湾，22日库湾异重流形式逐渐演变为中层倒灌异重流，倒灌至距河口约18 km处。

2.3 浊度特征

监测期间内香溪河库湾浊度均呈现从下游向上游减小的变化趋势，同时库湾水体浊度在降雨前后变化显著(图 4)。降雨前，库湾整体浊度较小，下游上层水体浊度较大，约为40 NTU，对库湾影响范围很小，影响距河口3 km区域。降雨期间，香溪河库湾浊度迅速增加，下游中下层水体浊度由18.8 NTU骤升至66.6 NTU，底部浊度由下游河口向上游递减，同时浑浊水体对库湾的影响范围增加，影响至距河口12 km区域；降雨后，下游底层浊度开始下降，中层水体浊度依旧较高，但影响范围开始减小，中上游底部浊度增加，靠近底部顺坡出现一条较高浊度带。

2.4 叶绿素a浓度特征

Chl.a浓度是一种常用的度量藻类生物量的关键指标，考虑到多参测定Chl.a浓度可能存在一定误差，本研究同步采集表层水体，进行手工Chl.a浓度测定，2种方法测得表层Chl.a浓度结果如图 5。

两种测量方法所得数据总体变化趋势一致，7月16日至22日库湾表层Chl.a浓度整体呈下降趋势(图 5)。手工测定结果略高于多参结果，这可能与采样的方式存在差异有关，总体误差在允许范围内，因此在野外实地工作中多参的监测结果是可信的，为了对比库湾垂向Chl.a浓度差异，本文将统一使用多参的数据进行分析。

香溪河库湾Chl.a浓度时空变化情况如图 6，从库湾纵向剖面看，各点位Chl.a浓度峰值均出现在16日降雨前，均超过水华暴发阈值32 mg/m^3[25]，且越往上游Chl.a浓度越高，XX06、XX08表层Chl.a浓度分别达到了92.47和81.06 mg/m³；降雨发生后，库湾上游表层Chl.a浓度率先下降，XX06、XX08 Chl.a浓度分别骤降至1.6和0.9 mg/m³，较16日降幅为98.27 % 和98.89 %，Chl.a浓度在库湾表现为上游小于中下游；雨后的3天各点位表层Chl.a浓度持续保持在较低水平。从垂向上分析，降雨前，库湾下游中下层水体Chl.a浓度趋近于0，上游底部存在少量藻类，Chl.a浓度约为10.33 mg/m³；降雨期间，Chl.a浓度垂向分布上发生变化，17日至19日库湾下游中、下层水体Chl.a浓度有所增加，高于1.67 mg/m³；降雨后，库湾10 m及以下水深处Chl.a浓度趋近于0。

2.5 水温分层特性

香溪河库湾水温变化如图 7所示，垂向水温分布表现为上游水温梯度较大，分层较强，越靠近河口水温梯度有所下降，分层减弱。降雨前，受太阳辐射影响，库湾表层水温较高，在26℃左右；而库湾上游来水由中、底部流向河口，库湾底部水温基本相同，在21℃左右。降雨期间库湾水温有所下降，但降幅不明显，中上层水温下降1℃左右。降雨过后，气温回升，表层水温逐步升高；而底部水温受中层倒灌异重流上行和上游低温来水下潜影响，表现为由下游向上游递减。

3 讨论 3.1 水体层化结构对水华生消的影响

光热条件是水华暴发的能量基础^[26]，降雨前太阳辐射较强，库湾气温较高、上层水体流速较缓，藻类能停滞在光照带接受充足阳光而增殖。杨正健等^[27]研究发现，香溪河库湾呈上游水体浅，分层较强，下游水体较深，分层反而较弱的空间分布特点。据RWCS/H指数可知库湾水体分层显著，并且有明显空间分布差异，下游(XX00)RWCS/H指数约为2.5 m^-1，分层较弱，越往上游RWCS/H指数越大，分层越强，这与前期研究相符。水体分层越强，水华风险越大^[28]，降雨前库湾表层Chl.a浓度较高，库湾水华情势严重，上游最高达92.47 mg/m³。

结合图 5和图 8a~c可知，降雨影响下，香溪河全库湾表层Chl.a浓度随着时间推移持续下降。中游(XX06)、上游(XX08)水体真光层深度显著升高，与Chl.a浓度变化趋势相反，这与微藻颗粒形成的遮光效应有关，当藻类浓度降低时，水体透明度增加。而下游河口(XX00)处，由于长江干流倒灌水体泥沙浓度较高，特别19日长江干流携高浓度泥沙颗粒倒灌进入库湾，因此即使泥沙的吸附能加速藻类的沉降消退^[29]，使微藻浓度降低，但水体透明度并未明显增加，真光层深度变化不明显。降雨前后，RWCS/H指数虽有所变动，但中上游仍处于较稳定的热力分层期，可能是由于此次监测多为中小型间断降雨，且降雨时间多数为采样后的下午至夜晚，对分层的破坏作用小于太阳的热辐射效应。下游分层较弱、上游分层较强的特性并未随降雨发生变化，与此次水华的消退关联性不大。不同程度的降雨对库湾水体的影响较为复杂，为进一步明晰降雨对水体层化结构的影响，应进一步研究水体层化结构对不同程度降雨的响应。

3.2 分层异重流演变与藻类输移分析

水华的暴发是在适宜的气候条件及水动力驱动下，大量藻类上浮聚集形成宏观“水华”的过程^[30-31]，香溪河水华易发期优势藻种为漂浮型蓝藻，常聚集于水体表面^[31-32]，而衣藻等利用自身表毛运动的藻类运动速度为0.10~0.17 mm/s，小于库湾水流速度，主要随水流流动^[33]。如图 9a，降雨前，香溪河库湾下游(XX00)、中游(XX06)、上游(XX08)MI指数均大于1，藻类多聚集在表层水体。此时长江干流水温低于库湾河口表层水温，高于中层水温，在库湾形成近表层的中上层倒灌^[34]，聚集在表层水体的藻类随倒灌水体向上游移动，中上游水华情势更加严重，上游表层Chl.a浓度远高于下游表层水体。同时库湾中上游底部Chl.a浓度较高(图 6a)，结合库湾流场特征可知，部分聚集在表层水体的藻类被倒灌异重流带到中上游底部。

随着间歇性降雨，MI指数逐渐减小，XX06、XX08降至1以下；XX06、XX08藻类平均深度MRD逐日减小，在20日趋于稳定，XX00由于位于水位波动较明显的河口处，MRD呈先减小后增加再减小的趋势(图 9b)。受降雨影响，库湾表层水体扰动增强，藻类在表层水体的聚集程度下降，逐步分散下沉至库湾中层水体，水柱5 m水深左右处的Chl.a浓度最高，高于表层。另一方面，由图 4可知，区域性降雨使长江干流来流量增加，倒灌强度增加，并携带高浓度泥沙，水体浊度高达66.6 NTU。因为香溪河异重流主要由水体之间温差和浊度差引起，夏季汛期浊度差是主要原因^[35-36]，所以水体浊度的增大引起异重流潜入形式改变，由雨前近表层倒灌逐渐转变为中下层倒灌，潜入深度增加。库湾上游来流大部分由中上层流向河口，使藻类随水流流向河口，从而影响了藻类的物理迁移路径。综合前期相关研究进展和本研究结果，三峡水库蓄水前后水文水动力条件改变是水华暴发的根本原因^[37-39]，而在香溪河分层异重流背景下，降雨主要通过影响水平输移和垂向掺混来改变藻类运动轨迹。

3.3 库湾环流模式与水华生消的影响

纪道斌等基于CE-QUAL-W2立面二维模型，从三峡水库典型支流凝练10大环流模式，此次降雨引起的香溪河库湾环流模式演变如图 10，符合其总结的有利于水华消退的环流模式^[40]。雨前库湾形成中上层倒灌异重流，上层水体总体上由河口流向上游，表层水体由于受到风浪、船行波等影响，实际监测中有部分水体由上游流向河口(图 3)。倒灌异重流与上游来流在库湾形成顺时针环流，致使库湾表层水体流速趋缓，水体滞留时间延长，暴发严重水华且不易消退。

随着降雨的进行，库湾倒灌异重流逐渐向中下层倒灌演变，大部分上游来流由上层流向河口，中上层水体形成逆时针环流，小部分上游来流从底部流向河口。库湾环流模式演变的过程中产生的涡旋等现象将增强水体扰动^[41]，同时长江干流倒灌水体与库湾上游来流显著增加，两股水流交汇处增大的剪切力使上下水体产生不同程度的掺混^[42]，进一步增强了对藻类的稀释作用，在中上游底部形成温度梯度和一条高浊度带。另一方面，形成的逆时针环流增强了库湾中上层水体的水平输移能力，环流裹挟着大量藻类流出库湾，并在一定程度上破坏了上层水体藻类的生存环境。环流对库湾高浓度Chl.a稀释和携带的双重作用，是此次水华迅速消退的原因，这也符合库湾Chl.a浓度由上游先下降，最终小于下游的时空特征(图 6)。

一些浅水湖泊的研究表明，藻类运动与流场无显著关系^[43]，且降雨并未对水华有明显的降低作用，反而受营养盐补给作用，Chl.a浓度雨后迅速上升^[7]。即使降雨一般导致产汇流从上游源头、沿河流两岸的坡面进入水体，并携带大量泥沙及营养盐进入水体^[44]，但此次的监测结果表明，香溪河库湾特殊的环流模式有效抑制了水华在雨后反弹。异重流在雨后逐步向上层倒灌演变，22日演变为中层倒灌，库湾中上层水体依旧保持逆时针环流模式，香溪河入库流量在雨后增至117 m³/s，约为雨前的5倍，大部分上游来流仍由上层流向河口，藻类无法稳定停留在表层水体，其生存环境受限，推缓了水华的暴发，抑制时间可长达3~5天。刘心愿等在香溪河库湾前期监测发现，表层倒灌异重流影响下，降雨后Chl.a浓度重新上升，直到底层倒灌异重流影响下，降雨后使Chl.a浓度降低^[9]。综合可知库湾环流模式与水华生消紧密相关，如图 10的分层异重流演变规律下，降雨对水华消退的影响和蓝藻生长抑制效果显著。

4 结论

1) 香溪河流域降雨导致库湾水体浊度增加，进而改变了异重流的倒灌形式，由近表层倒灌向中下层倒灌转变，库湾环流模式随之变化。库湾表层水体扰动增强，进而通过影响水平输移和垂向掺混改变藻类运动轨迹，藻类的运动规律为分散-下沉-水平输移，并最终随环流被带出库湾。库湾环流对高浓度Chl.a的稀释作用和携带作用是此次库湾水华消退的主要原因。

2) 受分层异重流倒灌模式影响，库湾Chl.a浓度持续维持在较低水平，即使在分层、光热、营养盐等条件适宜浮游植物生长的情况下，水华没有在降雨后立即暴发。雨后香溪河入库流量增大，大部分上游来流仍由上层流出库湾，与中层倒灌异重流形成的逆时针环流模式并未改变，藻类无法停留在表层水体生长，有效推缓了水华的暴发，这有别于一般湖库水体，水华的生消过程应结合异重流演变过程分析。

3) 监测期间多为中小型间断降雨，并未对香溪河库湾分层产生根本性破坏，中上游仍处于稳定分层状态，降雨对水体分层的破坏作用小于太阳的热辐射效应。此次库湾水华消退与水体分层关联性不大，为进一步确定不同强度降雨对库湾水体分层的影响，还应进一步研究。