利用声学探测技术评估水库蓝藻空间分布以提升水质管理

本研究针对气候变化导致蓝藻水华频发、威胁水库水质管理的问题，创新性地应用声学探测技术（120 kHz定量回声探测仪）对樱花湖水库的蓝藻分布进行空间测绘。通过对比声学反演数据与藻蓝蛋白（PCY）浓度测量结果，证实声学手段可有效监测蓝藻生物量（相关系数0.534），并首次绘制出水库三维蓝藻分布图。研究发现蓝藻聚集区与水质调控设施（螺旋式净水系统、分馏栅栏）的空间关联性，为人工干预措施的效果评估提供了量化依据，对蓝藻水华的精准防控具有重要实践意义。

　　

随着全球气候变暖导致水温上升，淡水水体中的蓝藻水华现象日益频发，成为威胁水资源安全的重大环境问题。特别是水库等封闭性水体，由于长期蓄积河流输入的富营养物质，更易爆发蓝藻水华。这些水华不仅破坏水生生态系统，还会堵塞供水处理设施，造成景观退化，甚至产生藻毒素危害人体健康。传统的水质监测主要依赖定点采样和色素分析（如叶绿素a和藻蓝蛋白PCY），但这种方法耗时费力且空间覆盖有限，难以捕捉蓝藻的动态分布规律。

为了突破传统监测的局限，日本北海道大学的研究团队开展了一项创新性研究，尝试利用声学探测技术来绘制水库中蓝藻的空间分布图。这项研究发表于《Current Research in Microbial Sciences》，旨在验证声学手段监测蓝藻的有效性，并探究蓝藻分布与水库环境因子及人工调控设施的关系。

研究团队于2023年8月在日本福岛县三春町的樱花湖（Miharu Dam水库）开展实地调查。他们采用120 kHz分裂波束定量回声探测仪（KSE310型）进行声学数据采集，同时使用多参数水质仪（Hydrolab DS5）同步测量PCY浓度、水温和pH值。数据分析通过专业声学处理软件Echoview ver.10完成，重点监测1.5-10米水深范围内的蓝藻反射信号（-80至-60 dB范围），并采用克里金插值法生成水平分布图。研究还按深度分层（1.5-4.5 m、4.5-7.5 m、7.5-10 m）分析垂直分布特征。

3. Results

3.2. Estimation of cyanobacterial distribution

3.2.1. Horizontal distribution

通过116,879个声学数据点分析显示，整个水库的平均区域反向散射强度（SA）为-64.3 dB。蓝藻在坝体附近湖心区和Hebiishi线上游区域呈现显著聚集，这些区域的SA值（-62.6 dB和-60.8 dB）均高于水库平均水平，表明该区域蓝藻生物量较高。

3.2.2. Vertical distribution

垂直分布分析发现，中层（4.5-7.5 m）的Sv值最低（-73.7 dB），而表层和底层分布较为均匀。在Hebiishi线下游区域，深层（7.5-10 m）蓝藻浓度显著高于中表层，这种异常分布模式与该区域安装的水质净化设施密切相关。

研究结论表明，声学测量与PCY浓度存在显著正相关（r=0.534），证实了声学技术监测蓝藻的有效性。蓝藻的空间分布受到水库流场特性和人工设施的显著影响：坝前区域因水流汇集作用形成蓝藻聚集区；Hebiishi线上游则因水温较高（>30°C）、pH值升高（最高10.08）及营养盐输入成为蓝藻繁殖温床。特别重要的是，研究发现下游区域的深层蓝藻富集现象与螺旋式净水系统和分馏栅栏的运作直接相关——这些设施通过将表层蓝藻强制沉降到深水区，利用低温和弱光环境抑制其生长。

该研究的重大意义在于首次实现了水库尺度蓝藻三维分布的快速测绘，为水质管理提供了前所未有的空间细节数据。声学技术相比传统方法具有高效率（单日可获得10万+数据点）、实时性和全覆盖优势，特别适合监测蓝藻的动态变化过程。研究成果不仅为水库蓝藻水华的精准防控提供了技术支撑，也为评估人工干预措施（如净化系统）的效果提供了量化依据。未来结合卫星遥感和现场观测，有望进一步揭示水体内部蓝藻分布与表层水华形成的内在联系，推动水资源管理的智能化发展。