李 紅，高增文，秦志新，李 靜，程 晨

(青島大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266071)

湖泊水庫等地表水作為重要的陸-氣下墊面類型之一，其熱量收支和溫度變化對其自身水環(huán)境(水動(dòng)力和水質(zhì)狀況)以及區(qū)域天氣和氣候變化具有重要影響。有研究表明水體的酸化[1-2]、富營養(yǎng)化[3-4]以及黑臭[5]等都與其熱量特征有關(guān)。此外，Tsay等[6]指出，在氣候變化模擬中，還可以通過湖泊底部的熱量狀況評估湖泊對溫室氣體釋放的貢獻(xiàn)。

水體熱量變化主要與太陽短波輻射[7]、出入流[8]、降雨[9]、水-氣界面熱交換(蒸發(fā)、水面長波輻射、熱傳導(dǎo)等)[10]以及沉積物與水之間熱量交換[9，11]等過程相關(guān)。在這些過程中，沉積物-水熱量交換對水體熱量的影響很容易被水-氣界面的熱量交換以及水體的垂向混合所掩蓋。在一些深水水溫?cái)?shù)值模擬中，盡管沒有考慮沉積物-水的熱量交換，水溫整體分布的模擬效果依舊很好。因此，在水溫研究中往往忽略沉積物-水界面的熱交換通量而采取絕熱處理[12-13]或者簡化為地?zé)彷斎?由沉積物向水傳遞熱量，大小為0．1 W/m2)。但是對于淺水水體而言，水體底層溫度對天氣以及氣候變化的響應(yīng)強(qiáng)烈，從而沉積物-水熱量交換變化也較為強(qiáng)烈，因此其熱量交換是水體熱量收支的重要組成部分[14]。

目前，關(guān)于沉積物溫度剖面實(shí)測數(shù)據(jù)較少。任曉倩等[15]建立了一種新的湖-氣熱傳輸模型，模型中增加了底部沉積物與水體之間的熱量交換模塊，但由于缺乏實(shí)際沉積物溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，該模塊沒有得到驗(yàn)證。另外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，小水體在水體總數(shù)量中占有很大比例[16-17]，生態(tài)效應(yīng)也很突出，比如在全球碳循環(huán)研究中考慮小水體的影響后，內(nèi)陸水體對碳循環(huán)的作用更加突出[18-19]。并且小水體與大水體相比具有不同的物理和生物地球化學(xué)特征[20-21]，比如小水體的表層混合往往是熱對流驅(qū)動(dòng)。本文選取水域面積小且水深較淺的水庫(青島浮山前水庫)作為研究對象，通過沉積物和上覆水溫度剖面測量，計(jì)算不同時(shí)刻沉積物-水界面熱交換通量，并分析熱交換通量的時(shí)空變化特征，探討其對庫水溫度的可能影響，以期為水溫?cái)?shù)值模擬和水質(zhì)管理提供參考。

1 研究區(qū)域概況及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

浮山前水庫是一個(gè)分層小水庫，位于山東省青島市浮山南向山坡上(36°04′N，120°25′E)。 該水庫沒有明顯的出流和入流，水位的變化主要由蒸發(fā)和降雨引起。在野外監(jiān)測時(shí)期(2016年1月至2017年7月)水體水位沒有明顯的變化，水深分布如圖1所示，最大水深為6．1 m，平均水深為3．8 m，水體表面積約為1400m2。由于水庫的吹程較小，風(fēng)的擾動(dòng)效應(yīng)較弱，春夏季水體會(huì)形成穩(wěn)定分層。庫水底層溫度隨深度變化對氣溫的響應(yīng)程度不同，因此為了探討水深對沉積物-水熱量交換的變化，選取水庫中心和壩前兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(圖1)。庫水溫度用水質(zhì)儀YSI 6920測量，沉積物溫度用雙金屬數(shù)顯溫度計(jì)(WST/DTm491)測量，后期會(huì)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正(1℃)。透明度用透明度盤測量，水中光照強(qiáng)度用照度計(jì)ZDZ-10W-2D測量。

1.2 沉積物-水界面熱交換通量計(jì)算

1．2．1 沉積物和上覆水的主要物理性質(zhì)

圖1 浮山前水庫地形圖以及監(jiān)測點(diǎn)位置

沉積物和上覆水的主要物理性質(zhì)見表1，其中表層沉積物的孔隙度和密度根據(jù)環(huán)刀法和烘干法測定[22]。對于熱擴(kuò)散率和體積熱容很難由現(xiàn)場或者實(shí)驗(yàn)室直接測定，通常取經(jīng)驗(yàn)值，其值與沉積物的孔隙度以及有機(jī)物含量相關(guān)。熱擴(kuò)散率的取值范圍是1．16 ×10-7～ 1．27 ×10-6m2/s，體積熱容的取值范圍是1．4 ×106～ 3．8 ×106J/(m3·K)[23-24]。 本文根據(jù)文獻(xiàn)[20]提出的參考值，沉積物的熱擴(kuò)散率與體積熱容分別取值為 5．6×10-7m2/s和 3．2×106J/(m3·K)，則導(dǎo)熱系數(shù)為 1．8 W/(m·K)。

表1 沉積物和上覆水的主要物理性質(zhì)

1．2．2 計(jì)算方法

沉積物-水界面的熱交換通量很難直接測量，可以通過沉積物溫度剖面分布間接計(jì)算。界面處熱量交換方式主要有兩種：熱傳導(dǎo)和熱對流。在計(jì)算中忽略地下水與地表水的對流交換，僅考慮熱傳導(dǎo);假設(shè)沉積物具有均質(zhì)性，并且由熱傳導(dǎo)引起的熱量交換只在垂向發(fā)生，即：

式中：Ts為沉積物溫度，℃;a為沉積物的熱擴(kuò)散率，m2/s。

熱量交換通量根據(jù)傅里葉定律進(jìn)行計(jì)算，即：

2 結(jié)果與討論

2.1 水庫水體分層特征

2．1．1 季節(jié)性特征

而且隨著社會(huì)的發(fā)展,護(hù)理模式的轉(zhuǎn)變以及護(hù)理服務(wù)的拓展、內(nèi)涵的加深,臨床對護(hù)理要求越來越高(3)。這樣促使我們護(hù)理人員學(xué)習(xí)和培訓(xùn)尤為重要,當(dāng)代護(hù)士的壓力大,工作任務(wù)繁重,對照組中傳統(tǒng)護(hù)理集中培訓(xùn)方式,占用了大量的休息時(shí)間,普遍積極性不高,學(xué)習(xí)熱情低,很難達(dá)不到學(xué)習(xí)的目的及效果,而且當(dāng)班護(hù)士無法參加,每次授課均有缺課。而實(shí)驗(yàn)組人性化的培訓(xùn)方式,是基于騰訊公司于2011年1月21日推出的一款通過網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)送語音短信、視頻、圖片和文字,支持多人群的手機(jī)聊天軟件(4)。較之對照組,是一種更體現(xiàn)了互動(dòng)及時(shí)、方便快捷,信息交流量大,更貼近現(xiàn)實(shí)后學(xué)習(xí)模式,且當(dāng)班護(hù)士可下班后通過回顧記錄來學(xué)習(xí)。

浮山前水庫水體分層具有明顯的季節(jié)性特征，庫水溫度年變化較大，最低溫度為3．3℃，最高溫度為30．1℃。2016年8月10日水體處于典型的分層期，從圖2(a)可以看出，壩前表層水體溫度比底層水體高12．3℃，溫差較大;而水庫中心盡管也出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，但是由于水深較淺，水體整體溫差較小，且其底層水溫要比壩前底層水溫高8．7℃(圖2(b))。2016年10月15日水庫水體已經(jīng)完全混合，混合后壩前和水庫中心庫水整體溫度相近，約為19．2℃，較混合之前壩前庫底水溫高，而較混合之前水庫中心庫底水溫低。由此可以推測水庫中心的混合時(shí)間應(yīng)早于壩前混合時(shí)間。水體完全混合后穩(wěn)定性差，對氣溫變化的響應(yīng)更強(qiáng)烈，水體溫度隨氣溫降低而迅速降低。2016年11月12日水體溫度為11．1℃，2017年1月15日溫度降低為3．3℃。 次年春季氣溫開始回升，水體溫度也隨之升高，開始出現(xiàn)分層現(xiàn)象，2017年3月29日至6月23日水體包括庫水底層溫度快速升高，并且表層升溫幅度顯著大于底層，引起分層強(qiáng)度不斷增加，這個(gè)階段水庫中心的底層水溫也高于壩前。

圖2 壩前和水庫中心水溫與沉積物溫度變化

2．1．2 日變化特征

圖3為壩前水溫日變化剖面圖，可以看出，壩前表層水體溫度以及混合層深度具有明顯的日變化特征。白天(2017年5月17日9：00—15：00)強(qiáng)烈的太陽輻射使表層水體溫度迅速升高，由20．5℃升高至24．5℃，水體幾乎完全分層;晚上氣溫降低，水體表層溫度下降，產(chǎn)生熱對流，17日20：00水體已經(jīng)開始混合，此時(shí)混合深度為30 cm;夜間氣溫持續(xù)降低，熱對流作用更加明顯，水體混合深度增加，18日6：00 混合深度為1．60 m。

圖3 壩前水溫日變化

2.2 水庫沉積物-水熱量交換特征`

2．2．1 壩前

2016年8月10日水體處在分層且溫度升高時(shí)期，此時(shí)水溫高于沉積物溫度，熱量由水傳向沉積物。2016年10月15日水體已經(jīng)完全混合，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，庫底水溫由2016年8月10日的18．1℃變?yōu)?9．2℃，升高了 1．1℃，而沉積物-水界面之下5 cm處的溫度受其他因素影響較小，沒有明顯升高(圖2(a))，因此沉積物-水界面的溫度梯度變大，由水傳向沉積物的熱通量由15．4 W/m2增大到 23．8 W/m2(表2)。水體發(fā)生整體混合后，對氣溫變化的響應(yīng)更為強(qiáng)烈，氣溫快速下降導(dǎo)致庫水整體溫度也迅速下降。2016年11月12日沉積物溫度高于水溫，熱交換方向發(fā)生改變，由沉積物向庫水傳熱，通量大小為6 W/m2。水溫繼續(xù)下降，2017年1月15日沉積物向水傳遞的熱通量增加為10．4 W/m2。接下來由于氣溫回升，2017年3月29日沉積物-水界面熱通量為0，表明熱量交換的方向?qū)?huì)再一次轉(zhuǎn)換為由水向沉積物傳熱。隨著時(shí)間推移水溫高于泥溫，并且溫度梯度不斷增加，2017年4月23日和2017年6月23日由水向沉積物傳熱，熱通量分別為6 W/m2和12 W/m2。

表2 壩前和水庫中心沉積物-水界面熱通量變化

2．2．2 水庫中心

與壩前沉積物-水界面熱交換通量隨時(shí)間的變化相比，整體上水庫中心的熱通量具有類似的季節(jié)性變化。春夏季水體升溫以及秋季降溫混合時(shí)期，水溫高于泥溫，由水向沉積物傳熱;冬季沉積物溫度高于水溫，熱量交換方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，由沉積物向水傳熱(表2)。但是由于水庫中心水深較淺，其熱通量變化與壩前相比存在顯著差異：①2016年8月10日水庫中心由水傳向沉積物的熱通量大小為106．6 W/m2，其值遠(yuǎn)大于壩前的熱通量(15．4 W/m2)。這是因?yàn)橥瑝吻跋啾?，水庫中心水深較淺水體底層溫度比壩前高8．7℃，而沉積物溫度相差不大，從而引起沉積物-水溫度梯度增加，熱通量值也顯著增大。②2016年10月15日水庫中心熱量從庫水向沉積物傳遞，通量數(shù)值小于壩前，并且表層沉積物溫度與8月份相比有所降低，這表明在該時(shí)間段內(nèi)沉積物曾向庫水釋放熱量。這是由于水庫中心水深較淺，混合后水溫對氣溫變化響應(yīng)強(qiáng)烈引起的，沉積物-水界面熱交換的方向可能經(jīng)歷了多次轉(zhuǎn)換過程。③2017年3月29日水庫中心熱通量為-4W/m2，此時(shí)水溫已經(jīng)高于表層沉積物溫度，而壩前熱通量為0，表明春季水庫中心由沉積物向水傳熱轉(zhuǎn)變?yōu)橛伤虺练e物傳熱的時(shí)間早于壩前的轉(zhuǎn)換時(shí)間。這是因?yàn)樗畮熘行乃钶^淺，底層水體溫度升高的幅度大于壩前底層水體，熱交換方向轉(zhuǎn)變時(shí)間也相應(yīng)提前。④2017年6月23日表層沉積物向水庫底層水體傳熱，熱通量為14．5 W/m2。按照沉積物-水熱量交換的季節(jié)性變化推算2017年6月23日應(yīng)該由水向沉積物傳熱。熱量交換方向改變主要是因?yàn)?017年6月23日水體的透明度較高(3．63 m)，此時(shí)太陽輻射在水中的衰減系數(shù)較小(圖4)，界面處沉積物可以直接接受太陽輻射引起溫度明顯升高(圖2(b))，同時(shí)向庫水底層水體及深層沉積物傳熱。

圖4 2017年6月23日水庫中心水中光照強(qiáng)度剖面

大型淺水湖泊受風(fēng)的擾動(dòng)強(qiáng)烈且頻繁[26-27]，水體不容易形成長期熱分層，一般為晝夜或?yàn)槠?～2 d的短期分層[28-29]。水-氣界面熱量交換以及水體的垂向混合過程對其水體溫度結(jié)構(gòu)的影響遠(yuǎn)超過沉積物-水界面熱交換的影響。但是小型淺水水體表面積較小，減弱了風(fēng)對水體的擾動(dòng)深度，從而能形成穩(wěn)定的熱分層[30]，因此在淺水分層水體水溫研究中，應(yīng)重視沉積物-水之間的熱量交換過程。無論是在季節(jié)尺度還是日尺度，水溫高于沉積物溫度時(shí)，水體向沉積物傳熱能避免熱量在水體底部的積累，有利于水體穩(wěn)定性的增加[6];沉積物溫度高于水溫時(shí)，沉積物向水體傳熱，能避免因水-氣界面熱量交換、出入流等因素引起的水體溫度“過低”。Fang等[11]的監(jiān)測結(jié)果顯示淺湖在結(jié)冰后水溫會(huì)升高1～2℃。因此沉積物作為水體熱量重要的源/匯能緩沖水溫波動(dòng)，對水體熱量平衡有非常重要的影響[31-32]。

沉積物-水界面的熱量交換也會(huì)對小型淺水水體的物理、化學(xué)與生物過程產(chǎn)生重要影響。浮山前水庫深水區(qū)形成穩(wěn)定分層的季節(jié)性熱結(jié)構(gòu)與大型深水湖庫的熱結(jié)構(gòu)相似(三層結(jié)構(gòu))，表層與底層水的溫度梯度小，而中間斜溫層溫度梯度大，但是二者底邊界層(不是指湖底靜水層，而是指沉積物之上一定深度范圍)混合的機(jī)制不一樣。很多學(xué)者探討了大型湖庫底邊界層混合的主要擾動(dòng)來源，通常認(rèn)為主要來自內(nèi)假潮[33-34]。而小型湖庫內(nèi)假潮效應(yīng)不明顯，沉積物向上覆水釋熱(100W/m2量級)是底邊界層混合的可能擾動(dòng)源[34]。在較長時(shí)間尺度上，底邊界層的混合過程對湖庫整體的垂向交換產(chǎn)生重要影響[35-37]。另外，混合底邊界層將對沉積物與湖庫水之間的溶質(zhì)(例如溶解氧、溶解無機(jī)磷[38])交換產(chǎn)生影響，從而對湖庫的化學(xué)與生物過程產(chǎn)生影響(包括沉積物中的早期成巖作用)。

由于水深不同，水庫不同區(qū)域在春季熱量交換方向轉(zhuǎn)變的時(shí)間不同，春季淺水區(qū)庫水向沉積物傳熱的轉(zhuǎn)變時(shí)間早于深水區(qū);夏季當(dāng)水體透明度較高時(shí)，水深較淺區(qū)域的沉積物可以直接接受太陽輻射，引起沉積物-水界面處溫度高于水庫底層水溫與深層沉積物溫度，促使表層沉積物同時(shí)向底層水體和深層沉積物傳熱。這表明水深對界面熱交換有重要影響，并且水庫同時(shí)存在沉積物向庫水傳熱與庫水向沉積物傳熱的區(qū)域，在水庫熱量衡算時(shí)應(yīng)予以關(guān)注。

綜上所述，在水溫研究中忽略沉積物-水之間的熱量交換或者簡化為地?zé)岬淖龇▽τ跍\水分層水體是不合適的，應(yīng)將沉積物-水熱量交換作為影響水體熱量的重要過程考慮，并同時(shí)考慮其熱交換方向和大小的動(dòng)態(tài)變化，尤其要關(guān)注水深對界面熱交換通量的大小與方向轉(zhuǎn)換(季節(jié)與日尺度)的影響。

3 結(jié) 論

a.分層小水庫沉積物-水界面熱交換通量的方向和大小具有明顯的季節(jié)和日尺度變化特征。春夏水體升溫時(shí)期和秋季降溫混合前期由水體向沉積物傳熱，冬季由沉積物向水體傳熱，并且熱通量值遠(yuǎn)大于地?zé)嵬?。分層小水庫淺水區(qū)底層溫度對氣溫日變化的強(qiáng)烈響應(yīng)促使沉積物-水熱量交換具有明顯的日變化特征。因此，在淺水水溫研究中應(yīng)該考慮熱交換方向和大小的季節(jié)和日尺度動(dòng)態(tài)變化。

b.水深對沉積物-水界面季節(jié)與日尺度熱交換有重要影響。春季水庫淺水區(qū)熱交換方向轉(zhuǎn)變時(shí)間早于深水區(qū);夏季淺水區(qū)沉積物可以直接接受太陽輻射，引起沉積物-水熱交換方向與深水區(qū)不同。水庫將同時(shí)存在熱量輸入與熱量輸出的區(qū)域，在庫水熱量衡算時(shí)應(yīng)予以關(guān)注。

c.本文計(jì)算沉積物-水界面熱交換通量，只考慮了垂向熱傳導(dǎo)，沒有考慮地表水與地下水交換的影響，在具體湖庫熱量衡算時(shí)應(yīng)根據(jù)地表水與地下水交換強(qiáng)弱決定是否考慮對流對熱量傳輸?shù)挠绊憽?/p>