陳 宇,李一平**,朱 雅,郭晉川,吳衛(wèi)熊,魏 堯,王 璨,商鶴琴,王 煜

(1:河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室,南京 210098) (2:廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院,南寧 530023)

水庫已經(jīng)成為我國的主要供水來源,同時在我國水資源安全供給方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-3]。水庫由于其獨特的動力學(xué)特性,會出現(xiàn)水力停留時間長、水體垂向交換能力弱、季節(jié)性熱分層等類似于天然湖泊的“湖沼學(xué)現(xiàn)象”[4-5]。水庫按照熱分層情況可劃分為暖多次混合型、不連續(xù)的暖單次混合型、暖單次混合型、二次混合型、不連續(xù)的冷多次混合型、冷多次混合型、冷單次混合型及永凍型8種類型[6]。深水水庫在夏秋季節(jié)存在明顯的熱力分層,一般水體由表層至底層可分為變溫層、溫躍層及滯溫層,這種穩(wěn)定的水溫分層結(jié)構(gòu)會引起水體在物理、化學(xué)性質(zhì)及水生生物特征和分布上出現(xiàn)較為明顯的變化[7-8]。

本研究選擇我國南方地區(qū)廣西南寧市天雹水庫作為研究對象,在熱分層消亡期選取水庫湖泊區(qū)及過渡區(qū)作為主要監(jiān)測點,監(jiān)測垂向水溫、DO、ORP、pH值等高頻理化指標(biāo)數(shù)據(jù),利用天雹水庫自建氣象站監(jiān)測天雹水庫當(dāng)?shù)貧鉁?、風(fēng)速、降雨狀況等高頻氣象數(shù)據(jù)。在分析熱分層消亡期水庫不同深度水體理化指標(biāo)變化的基礎(chǔ)上,探討湖泊區(qū)混合層深度對氣象因子的響應(yīng)特征及缺氧區(qū)的時空變化特征,以期為我國南方地區(qū)水庫水質(zhì)改善和保護(hù)治理提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

天雹水庫(22°52′～22°53′N,108°13′～108°14′E,圖1)位于廣西壯族自治區(qū)南寧市,該水庫建成于1960年,是南寧可利江的源頭,屬國家水利風(fēng)景區(qū),面積約73.30萬 m2,集雨面積約50.80 km2,最大水深約15 m,總庫容1360萬m3,有效庫容880萬 m3。天雹水庫處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),夏季高溫多雨,冬季溫暖干燥,年均氣溫21.6℃,入庫徑流主要受降雨影響,年均降雨量1304.20 mm。天雹水庫屬單次混合型熱分層水庫,一般在3-11月形成熱分層結(jié)構(gòu),12-次年2月發(fā)生垂向水體混合。為探究天雹水庫水體混合過程中水質(zhì)的變化特征,本研究重點選取時段為2019年11月-2020年2月,且天雹水庫在12月5日已開始混合,同時選取包含研究時段的2018年12月-2020年6月氣象水文條件用于說明水庫基本運(yùn)行情況,利用2018年3月-2019年4月監(jiān)測數(shù)據(jù)闡述水體熱分層形成與消亡整體周期規(guī)律。

圖1 南寧市天雹水庫及監(jiān)測點示意Fig.1 Schematic diagram of Tianbao Reservoir and monitoring points in Nanning City

1.2 數(shù)據(jù)采集

本研究數(shù)據(jù)收集與分析選取水庫典型區(qū)域,結(jié)合庫區(qū)地理位置、氣象條件、水文水動力等因素,選取水深較淺區(qū)域(過渡區(qū))的S1監(jiān)測點(約9.43 m,監(jiān)測時段:2019年11月22日-2020年1月19日)和位于庫區(qū)中心(湖泊區(qū))的S2監(jiān)測點(約14.19 m,監(jiān)測時段:2019年11月22日-2020年2月28日)進(jìn)行長期監(jiān)測,于2019年12月15日沿水庫中軸線縱向(由南至北)選取12個點位進(jìn)行加密監(jiān)測,具體位置分布見圖1。利用安裝在自動浮標(biāo)(圖1)上的YSI多參數(shù)水質(zhì)分析儀(美國,EXO2)上下移動監(jiān)測獲取高頻水體垂向理化指標(biāo)數(shù)據(jù)(水溫、DO、ORP、pH)、總藻類(Chl,葉綠素和藍(lán)綠藻-藻藍(lán)蛋白,單位為RFU,是YSI的總藻類傳感器通過雙通道的熒光傳感器獲取總藻類濃度的表征方式,數(shù)值越大表明水體內(nèi)部藻含量越多)等指標(biāo),同步利用天雹水庫自建氣象站監(jiān)測獲取天雹水庫當(dāng)?shù)貧鉁?、降雨等高頻氣象數(shù)據(jù)。

1.3 混合層深度及缺氧指數(shù)計算

依據(jù)密度梯度閾值來定義混合層深度(mixed layer depth,MLD),首先根據(jù)水庫水體不同深度處的水溫計算水體密度[25],同時前期對濁度監(jiān)測結(jié)果顯示研究時段內(nèi)濁度變化差別較小,表中底層濁度差異小于5 FTU,對于此處混合層深度的計算可忽略不計:

ρi={1-(Ti-3.9863)2×(Ti+288.9412)/[508929.2×(Ti+68.12963)]}×1000

(1)

式中,ρi是水庫水體不同深度處的密度(kg/m3);Ti是水庫水體不同深度處的溫度(℃);由各水深處的Ti便可求出此處的ρi,從而得到水體密度梯度;δmin結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)及當(dāng)?shù)貧夂驙顩r取0.03 kg/(m3·m):

(2)

式中,MLD是混合層深度(m);Zi、Zi+1是水體不同深度處的水深(m);ZiΔ是Zi、Zi+1之間的中點深度;?ρ/?Z是垂直密度梯度(kg/(m3·m));?ρ/?ZiΔ水體相鄰深度之間的密度梯度(kg/(m3·m))。

熱分層穩(wěn)定指數(shù)(RWCS指數(shù))是用來評價水體熱分層穩(wěn)定水平的參數(shù),由于RWCS指數(shù)只強(qiáng)調(diào)上下水體密度差異性而忽略了水體深度的影響,校核后發(fā)現(xiàn)RWCS指數(shù)更能有效衡量熱分層穩(wěn)定水平,其計算方法如下[26]:

RWCS/H=(Db-Ds)/[(D4-D5)H]

(3)

式中,Db為庫區(qū)底部(底泥上0.2 m)水體密度(kg/m3);Ds為水體表層(水下0.5 m)水體密度(kg/m3);D4、D5分別為4℃、5℃條件下純水的密度(kg/m3);H為水深(m)。

缺氧區(qū)是一個人為定義的空間概念,僅根據(jù)DO濃度的分布數(shù)據(jù)無法直接量化水體的缺氧程度,因此本文引入缺氧指數(shù)(Anoxic Index,AI)的概念,用于對水庫缺氧區(qū)進(jìn)行定量化分析,計算方法如下[20]:

AI=Hanoxic/Hw

(4)

式中,Hanoxic為某監(jiān)測垂線中DO濃度低于2.00 mg/L的水深(m);Hw為監(jiān)測點位的總水深(m)。 當(dāng)AI=0時,水體內(nèi)無缺氧區(qū);當(dāng)AI>0時,水體內(nèi)存在缺氧區(qū)。同時可以根據(jù)AI指數(shù)的大小對水體缺氧程度進(jìn)行比較,AI指數(shù)越高說明水體缺氧程度越嚴(yán)重。

本文選取廣西南寧天雹水庫2019年11月-2020年2月28日水體垂向水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)按照上述計算方法得出冬季天雹水庫混合層深度,用于以下分析。

采用Microsoft Excel 2019軟件匯總和處理數(shù)據(jù),采用SPSS 26軟件進(jìn)行相關(guān)性分析,采用Origin 2021進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 水庫氣象水文條件

水庫氣溫及降雨年際分布情況如圖2所示,天雹水庫2019-2020年間,月最大降雨量可達(dá)269.20 mm,最小僅為5.6 mm,在2019年9月-2020年1月期間降雨量較為穩(wěn)定,平均月降雨量為18.84 mm,水庫最高氣溫為28.90℃,2019年9月-2020年1月氣溫呈下降趨勢,下降約14.50℃,2月開始呈現(xiàn)氣溫回升趨勢,6-8月處于持續(xù)高溫多雨狀態(tài),屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候。水庫出入庫流量及飲用水量年際分布情況(圖3)揭示,天雹水庫出入庫流量變化與降雨量相關(guān)性較強(qiáng),出入庫流量均在2019年7月達(dá)到最大值,分別為373.90萬、297.20萬m3,出入庫流量在2019年9月-2020年1月變化較穩(wěn)定,月均值分別為86.30萬、26.10萬m3。分析可知,天雹水庫冬季(2019年11月-2020年2月)降雨量及出入庫流量處于較穩(wěn)定狀態(tài),水體受其波動影響較小。而天雹水庫水廠飲用水使用量年內(nèi)呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢,月均值可達(dá)54.91萬m3,其中研究時段內(nèi)平均月飲用水量為56.16萬m3,可見在秋冬季天雹水庫引用水需求量仍較大,因此熱分層消亡期飲用水源安全也成為目前較為關(guān)注的問題之一。

圖2 天雹水庫氣溫與降雨量年際分布Fig.2 Interannual distribution of temperature and rainfall of Tianbao Reservoir

圖3 天雹水庫出入庫流量、流量盈虧及飲用水量年際分布Fig.3 Interannual distribution of inflow and outflow discharge, flow profit and loss and drinking water volume of Tianbao Reservoir

2.2 水體理化指標(biāo)垂向結(jié)構(gòu)時間演化特征

本文重點關(guān)注冬季熱分層消亡期,為更好地說明天雹水庫熱分層變化情況,此處選取2018年3月-2019年4月水溫數(shù)據(jù)計算熱分層穩(wěn)定指數(shù)(圖4)。為方便研究,根據(jù)溫躍層及氧躍層變化情況將RWCS指數(shù)大小對各時期進(jìn)行劃分[26]。分析可知:天雹水庫熱分層開始形成時間基本處于3月中旬,4月中旬后熱分層穩(wěn)定程度逐漸加強(qiáng),RWCS/H指數(shù)由初期的1.45 m-1增至最大值5.37 m-1,隨后水體處于熱分層穩(wěn)定狀態(tài),直至11月初進(jìn)入水庫翻庫期,大約在12月中后期水體翻庫過程完成,水體基本處于同溫混合狀態(tài)。天雹水庫處于熱分層穩(wěn)定期時間達(dá)7個月左右,長期的穩(wěn)定分層對水庫底部DO及沉積物環(huán)境帶來了顯著影響,在熱分層破壞后常常伴隨著“黑水”等水質(zhì)惡化現(xiàn)象出現(xiàn),因此選取2019年11月-2020年2月底為主要時段,進(jìn)一步研究天雹水庫冬季熱分層消亡影響因素及其對水體理化指標(biāo)的影響。

圖4 天雹水庫熱分層穩(wěn)定指數(shù)年際變化Fig.4 Interannual variation of thermal stratification index of Tianbao Reservoir

水溫是湖泊水環(huán)境演變的關(guān)鍵驅(qū)動因子,水體內(nèi)部的物理化學(xué)特性與水溫密切相關(guān)。研究時段內(nèi),由于氣溫的下降而導(dǎo)致水庫表層水體溫度逐漸下降,水體垂向密度梯度差異逐漸減小且水體垂向交換作用逐漸增強(qiáng),水庫過渡區(qū)及湖泊區(qū)水溫結(jié)構(gòu)開始逐漸由分層型向混合型演變,熱分層開始進(jìn)入消亡期,但過渡區(qū)與湖泊區(qū)之間存在顯著差異(圖5a,5b)。過渡區(qū)水深較淺,垂向水溫整體較高,均值約為21.30℃,熱分層消亡初期表底層水溫差約為4.90℃。在12月5日前后過渡區(qū)出現(xiàn)顯著的“翻庫”現(xiàn)象,水溫分層結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,表底層水溫差約為0.90℃,垂向水溫均值約為18.70℃,過渡區(qū)水體呈現(xiàn)完全混合狀態(tài),但由于其水深較淺,在完全混合后易受到氣溫突增等外界因素的影響,水體垂向溫度發(fā)生小幅度的波動,整體仍呈現(xiàn)混合狀態(tài)。湖泊區(qū)垂向水溫分布較為復(fù)雜,熱分層消亡初期水深在8.00 m以上區(qū)域的水溫同過渡區(qū)相近,均值約為21.20℃,而8.00 m以下區(qū)域水溫較低,均值僅有16.00℃,表底層水溫差達(dá)6.30℃。12月5日前后湖泊區(qū)水體溫度分層現(xiàn)象開始減弱,底部水溫仍呈現(xiàn)較低狀態(tài),12月5日-1月19日水體處于熱分層消亡過渡期,水體垂向溫度差異逐漸減小,淺層水體受氣溫波動影響出現(xiàn)小范圍波動。1月19日-2月14日過渡區(qū)處于完全混合狀態(tài),水體垂向溫度均值穩(wěn)定在16.30℃左右。由此可知,湖泊區(qū)較過渡區(qū)熱分層消亡存在滯后現(xiàn)象,且湖泊區(qū)混合過程所需時間也較長。

圖5 天雹水庫理化指標(biāo)垂向結(jié)構(gòu)沿時變化Fig.5 Vertical structure of the physical and chemical index of Tianbao Reservoir changes along the time

與熱分層的演化過程相似,天雹水庫的DO也呈現(xiàn)出明顯的時間變化特征(圖5c、5d):2019年11月份,過渡區(qū)存在DO分層現(xiàn)象,表層混合層厚度約為7.80 m,DO濃度約為7.30 mg/L。庫底處于缺氧狀態(tài),缺氧區(qū)厚度約為1.70 m,DO濃度低于2.00 mg/L。進(jìn)入12月份,伴隨著過渡區(qū)熱分層結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著破壞,下層水體的DO得到迅速補(bǔ)充,缺氧現(xiàn)象得到明顯緩解,平均垂向DO濃度約為6.10 mg/L。湖泊區(qū)DO分層現(xiàn)象較過渡區(qū)更為明顯,11月份湖泊區(qū)表層混合層厚度約為8.00 m,DO濃度約為7.70 mg/L,缺氧區(qū)厚度約6.10 m,DO濃度與過渡區(qū)相似,整體低于2.00 mg/L。湖泊區(qū)進(jìn)入熱分層消亡期后,由于其水體深度較大,此時熱分層結(jié)構(gòu)依然穩(wěn)定,下層水體DO補(bǔ)充途徑受阻,缺氧區(qū)的耗氧量大于DO的補(bǔ)充量,缺氧現(xiàn)象依然明顯。12月-次年1月中旬,受熱分層程度削弱的影響,DO混合層的深度開始逐漸下降,由11月份的8.00 m下降至約11.70 m,進(jìn)而導(dǎo)致缺氧區(qū)的厚度受到明顯壓縮,平均厚度降至約2.40 m,但此時缺氧區(qū)仍存在。1月中下旬及2月初,熱分層結(jié)構(gòu)完全消失,水體垂向混合已徹底完成,水庫表層富氧水與底層低氧水完全混合,氧分層現(xiàn)象同熱分層類似,完全消失,水體表底層DO濃度均達(dá)到約5.40 mg/L。2月末,水體表層DO濃度出現(xiàn)增高現(xiàn)象,分析可能由于輻射突增而導(dǎo)致水體表層藻類光合作用加強(qiáng),引起表層水體DO變化。與熱分層消亡過程相似,湖泊區(qū)較過渡區(qū)DO分層及缺氧區(qū)的消亡過程也存在滯后現(xiàn)象,且整個混合過程持續(xù)時間較長。

同時,過渡區(qū)與湖泊區(qū)的pH值與ORP的變化也與水體熱分層消亡過程有著緊密的聯(lián)系,隨著熱分層消亡過程,水體pH值與ORP整體呈現(xiàn)出表層大,底層小的狀態(tài),同時伴隨著水體的混合過程,pH值與ORP在垂向水體上逐漸趨于一致,分別約為7.10、153.00 mV,表層水體受氣溫回升等因素影響略有波動。通過上述分析可知,天雹水庫湖泊區(qū)較過渡區(qū)熱分層消亡開始時間滯后約7天,但完全混合時間滯后約40 d,在水體長期持續(xù)的混合過程中,水溫、DO等水體理化指標(biāo)均出現(xiàn)了顯著的變化,由此表明,整個的“翻庫”過程會在一定程度上導(dǎo)致水體理化指標(biāo)及水質(zhì)發(fā)生大幅度變動。

2.3 水體剖面水溫和DO的空間演化特征

水庫熱分層的空間分布狀況隨庫區(qū)熱分層現(xiàn)象的強(qiáng)弱變化有明顯的規(guī)律性演變特征。本文以水溫垂向監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)的典型三層結(jié)構(gòu)作為熱分層空間分布范圍的判斷依據(jù),熱分層消亡過程(圖6a)中,位于熱分層空間延伸距離0.29 km處的湖泊區(qū)S2監(jiān)測點整體仍呈現(xiàn)三層熱分層結(jié)構(gòu),熱分層空間最大延伸距離可達(dá)1.10 km,占水庫總回水長度約50%,表底層水溫差可達(dá)3.50℃,熱分層現(xiàn)象仍較為明顯;而位于延伸距離1.28 km處的S1監(jiān)測點整體已無三層熱分層結(jié)構(gòu),熱分層強(qiáng)度明顯減小,表底層水溫差僅有0.90℃。由此可知南方水庫湖泊區(qū)的熱分層消亡速度整體慢于過渡區(qū)。

圖6 天雹水庫2019年12月15日熱分層、缺氧區(qū)空間分布特征Fig.6 Spatial distribution characteristics of heat stratification and hypoxia area of Tianbao Reservoir on December 15, 2019

與熱分層空間變化規(guī)律相似,天雹水庫冬季熱分層消亡期缺氧區(qū)的沿程分布也表現(xiàn)出明顯的規(guī)律(圖6b),本文以水體內(nèi)存在DO含量小于2.00 mg/L的最大范圍作為水庫內(nèi)缺氧區(qū)的空間分布范圍。2019年12月天雹水庫湖泊區(qū)存在明顯缺氧區(qū),S2點底部仍存在大范圍缺氧區(qū)域,最大延伸距離可達(dá)0.75 km,缺氧區(qū)平均DO濃度僅有1.25 mg/L;而S1監(jiān)測點處DO已處于完全混合狀態(tài),平均DO濃度為6.75 mg/L左右,無缺氧區(qū)域存在。由此可知,天雹水庫缺氧區(qū)的覆蓋范圍隨著水體混合過程出現(xiàn)了明顯變化。

綜上所述,在熱分層消亡初期,天雹水庫水體DO濃度沿縱向分區(qū)(河流區(qū)-過渡區(qū)-湖泊區(qū))差異明顯。2019年11-12月,在缺氧區(qū)消退期的前期,隨著熱分層作用的減弱,水體缺氧區(qū)厚度逐漸減小,缺氧區(qū)距離開始明顯縮短。當(dāng)水體熱分層完全消失后,水體內(nèi)部DO充分混合,缺氧區(qū)徹底消失,水體DO平均濃度大于7.50 mg/L,水體表底DO平均濃度差異小于2.00 mg/L。

2.4 水庫混合層深度及氣象因子變化特征

混合層是湖庫上部溫度和密度混合相對均勻的層結(jié),可以較為清晰的表征水體分層與混合過程,混合層深度越大說明湖水混合更為均勻[27]。本研究利用浮標(biāo)監(jiān)測資料對研究時段內(nèi)的湖泊區(qū)混合層深度進(jìn)行計算,得到其時間變化序列。天雹水庫混合層深度在觀測時段內(nèi)總體上呈現(xiàn)出較為規(guī)律的逐日變化特征(圖7),熱分層消亡初期混合層深度整體較小,基本穩(wěn)定在7.00 m左右;11月29號后混合層深度開始呈現(xiàn)增大趨勢,由熱分層消亡初期的7.00 m增大至13 m。2019年12月20日-次年2月10日混合層深度基本穩(wěn)定在13.00 m左右,接近完整的湖泊深度,垂直溫度一致,對應(yīng)時段內(nèi)輻射及氣溫整體偏小,混合期平均輻射僅有50.00 W/m2,遠(yuǎn)低于非混合期平均輻射120.00 W/m2,而混合期風(fēng)速達(dá)1.00 m/s,高于完全混合前后平均風(fēng)速,較大風(fēng)速引起的風(fēng)力擾動施加于水體表面,加速了水體的混合。2月10日后氣溫及輻射均開始逐漸升高,最高分別可達(dá)21.25℃、138.46 W/m2,水體吸收輻射使溫度升高,同時風(fēng)速較小,當(dāng)風(fēng)生流不足以擾動整個水團(tuán),水庫水體垂向溫差增大,能夠有效阻止水體混合,導(dǎo)致混合層深度持續(xù)減小,平均混合層深度僅有2.00 m。由此可知,輻射、氣溫以及風(fēng)速對熱分層的形成與消亡起著重要的作用,這與蘇榮明珠等[27]的研究結(jié)論相符合。

圖7 混合層深度、日均氣溫及日均輻射變化Fig.7 MLD, average daily temperature, average daily radiation and average daily wind speed variation

3 討論

3.1 水庫混合層深度對氣象因子的響應(yīng)關(guān)系

根據(jù)研究時段內(nèi)混合層深度及氣象因子監(jiān)測數(shù)據(jù)計算相關(guān)性系數(shù)(圖8a), 結(jié)果顯示,在熱分層消亡期,輻射、氣溫與混合層深度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(RT=0.927,RR=0.925,P<0.01),風(fēng)速與混合層深度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(RWS=0.728,P<0.01),輻射和風(fēng)速對水庫水體熱分層的作用相反,輻射越強(qiáng)混合層深度越小,水體熱分層越容易形成;風(fēng)速越大,混合層深度越大,水庫水體垂直混合越均勻。

圖8 混合層深度、氣象因子及理化指標(biāo)相關(guān)性分析(*P<0.05,**P<0.01)(a為混合層深度與氣象因子,b為混合層深度與水體理化指標(biāo))Fig.8 Correlation analysis of mixed layer depth, meteorological factors and physicochemical indexes(MLD and meteorological factors(a), MLD and physical and chemical indicators of water bodies(b))

湖庫水體熱分層的形成與消亡廣泛存在于自然界中,主要受水溫(熱通量)、氣候條件、以及湖泊的形態(tài)(水深、長度、寬度和面積等)、流動性以及透明度等因素影響[28-29]?；旌蠈由疃饶軌蜉^好表征水體分層與混合過程,氣象條件是其主要的外界驅(qū)動因子,其中氣溫、輻射、風(fēng)速是至關(guān)重要的影響因素。當(dāng)輻射增強(qiáng),水庫周邊區(qū)域氣溫增大,水體表層通過吸收太陽(短波)輻射、大氣(長波)輻射熱通量獲得能量時,表層水體升溫速度快于深層水體,使水體密度隨深度增加,熱分層逐漸形成;與之相反的是,當(dāng)表層水溫高于空氣溫度時,水體通過輻射、蒸發(fā)和對流等形式將水體中的熱量向大氣中傳輸,表層水體熱量散失,使表層降溫速度快于深層水體,導(dǎo)致水體密度隨深度的增加而減小,形成密度梯度,引發(fā)水體上下混合進(jìn)而破壞原本穩(wěn)定的水體熱分層結(jié)構(gòu)。水面散熱對水溫的影響主要表現(xiàn)在水面蒸發(fā)使得水面溫度降低,而影響水面蒸發(fā)的因素與水面以上的平均風(fēng)速和空氣中的濕度等因素有關(guān)[10]。對風(fēng)力作用來說,風(fēng)速越大,水體表層水分子擴(kuò)散的速度越快,蒸發(fā)強(qiáng)度越大,隨之帶走的熱量也將越多,水體呈現(xiàn)降溫趨勢,頻繁的風(fēng)力擾動會使水體垂直湍流作用加劇,導(dǎo)致水體的垂向混合,消解水體的熱分層結(jié)構(gòu)。由此可見,水庫水體的混合和分層狀態(tài)主要受輻射導(dǎo)致的分層現(xiàn)象和風(fēng)力擾動導(dǎo)致的湍流混合共同作用的結(jié)果,這與紅楓湖[28]、撫仙湖[10]、太湖[30]等研究結(jié)果相似。

3.2 水庫水體理化指標(biāo)對混合層深度變化的響應(yīng)關(guān)系

混合層深度與水體理化指標(biāo)之間的相關(guān)性(圖8b)揭示,在熱分層消亡期,水溫與混合層深度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(R=0.868,P<0.01),隨著氣溫及輻射的降低,中表層水體的溫度逐漸下降,在“翻庫”的作用下垂向水溫趨于均勻狀態(tài),同時溫度低于混合前;因此在熱分層消亡期水體混合過程中,垂向水溫均值越小,混合層深度越大。與水溫變化不同的是,DO、pH值、ORP與混合層深度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(RDO=0.747,RpH=0.761,RORP=0.747,P<0.01),混合層深度越大水體混合越均勻,進(jìn)而水體中底部DO受到補(bǔ)充,濃度越高,同時垂向ORP也隨之升高;而水體底部的pH值則隨著DO的補(bǔ)充及水體混合呈現(xiàn)上升狀態(tài);由此可知,水體混合層深度越大,垂向DO、pH值、ORP也隨之增大。

水體垂向水溫受氣象因子的影響較為顯著,通過混合層深度可直觀的表征水溫垂向混合狀態(tài),在氣象因子的影響下水體發(fā)生上下混合,進(jìn)而混合層深度逐漸增大。同時不同庫區(qū)的水體混合時間也存在差異,過渡區(qū)相對于湖泊區(qū)水體深度較小,因此其熱分層穩(wěn)定性也較差,過渡區(qū)水體在氣象因子發(fā)生較大幅度波動時混合會較早于湖泊區(qū),混合層深度也越早達(dá)到底層水體。

溫度分層是底層水體缺氧的主要影響因素,由于溫躍層的存在而導(dǎo)致水體上下層DO的傳遞受到阻擋,同時可能由于水體表層藻類在適當(dāng)?shù)臍鉁丶肮庹諚l件下通過光合作用產(chǎn)氧且伴隨著底層沉積物生物、化學(xué)耗氧的雙重作用而造成水體底部一直處于厭氧狀態(tài)而表層DO濃度較高。進(jìn)入秋冬季,熱分層逐漸失穩(wěn)破壞,導(dǎo)致上下層水體垂向?qū)α骰旌?來自上層水體及水-氣界面中的氧被傳遞至下方,底層水體缺氧狀況得到改善。同時底層水體中的還原性物質(zhì)在水體混合的過程中向上遷移,消耗上層水體中的DO,在水體底層復(fù)氧及上層耗氧的雙重作用下,水體垂向DO濃度差異逐漸消失,在混合層深度達(dá)到最深并保持穩(wěn)定時達(dá)到完全混合狀態(tài)。

熱分層時期,水體pH值與同期水溫、DO變化趨勢基本一致,隨水深增加遞減,而天雹水庫水體pH值變化主要受到水體中氧化還原類物質(zhì)的分解反應(yīng)影響,可能是沉積在水體底部的有機(jī)質(zhì)厭氧分解產(chǎn)生各類有機(jī)酸[31-33],受水體熱分層的影響,由水體底部有機(jī)質(zhì)厭氧分解而導(dǎo)致的pH值變化對表層水體影響較小。而天雹水庫垂向ORP則隨著水體熱分層消亡導(dǎo)致的水體混合及DO上升的作用下,由上高下低的狀態(tài)向垂向均勻混合轉(zhuǎn)變[34]。同時水體的垂向交換使底部沉積物受到較大幅度擾動,造成沉積物中污染物向上層水體釋放,導(dǎo)致水體惡化。

3.3 熱分層消亡對水庫缺氧區(qū)時空變化的驅(qū)動作用

水庫等水體在熱分層穩(wěn)定存在期間,由于溫躍層的存在阻礙了表層水體中的DO向滯溫層區(qū)域遷移補(bǔ)充,使得水庫底層DO濃度在相關(guān)耗氧機(jī)制的作用下持續(xù)穩(wěn)定地降低,進(jìn)而導(dǎo)致湖庫底部缺氧[35]。如圖9所示,在熱分層消亡初期,混合層深度整體穩(wěn)定在6.85 m左右,隨著熱分層的消亡過程,混合層深度逐漸增大至13.65 m左右,水體逐漸進(jìn)入完全混合狀態(tài);同時,總藻也由混合初期的0.78 RFU下降至完全混合狀態(tài)下的0.69 RFU;而缺氧指數(shù)則由初期的0.40左右逐漸降低至1月11日的0.07,最終在水體完全混合后降到最小值0,缺氧指數(shù)的逐漸降低表明水體的缺氧區(qū)域逐漸減小,最終伴隨著水體的完全混合而消失。1月18日后可能由于氣象條件的突變,導(dǎo)致混合層深度的突降,同時伴隨著總藻的增加,而底部水體DO并未在短時間內(nèi)完全消耗,缺氧指數(shù)仍為0,但在2月16日后由于氣溫突增,風(fēng)速降低等因素導(dǎo)致混合層深度回升至2.62 m左右,同時總藻也呈現(xiàn)增加趨勢達(dá)到1.12 RFU,而在適當(dāng)?shù)臍鉁睾凸庹兆饔孟卤韺铀w的溶解氧得到快速恢復(fù),但缺氧指數(shù)在短期內(nèi)仍為0,底部未出現(xiàn)快速缺氧現(xiàn)象,這與劉暢等[20]的研究結(jié)果有所不同,可能由于其所研究水庫位于北方,氣溫在短期內(nèi)增幅難以使其混合層快速減小,同時難以在藻類的作用下使表層的溶解氧快速恢復(fù)。

圖9 天雹水庫缺氧指數(shù)、混合層深度及總藻類沿時間對比Fig.9 Comparison of the anoxic index, mixed layer depth and total algae along the time in Tianbao Reservoir

熱分層期間,溫躍層在較大程度上阻止了表層水體光合作用及大氣復(fù)氧對滯溫層氧氣的補(bǔ)充,在滯溫層有機(jī)質(zhì)耗氧反應(yīng)作用下,缺氧區(qū)逐漸產(chǎn)生;當(dāng)熱分層進(jìn)入消亡期后,水體垂向密度差異逐漸減小,水體的垂向?qū)α髦饾u增強(qiáng),表層高氧水與滯氧層低氧水完全混合,缺氧現(xiàn)象隨即消失。由此可見,缺氧指數(shù)與混合層深度的變化特征具有明顯的時間相似性,同時缺氧區(qū)對于熱分層的驅(qū)動反應(yīng)存在一定的滯后效應(yīng)。熱分層的形成和穩(wěn)定為水體缺氧區(qū)的形成與演化創(chuàng)造了條件,這說明水體的熱分層狀態(tài)決定了天雹水庫DO的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律。

3.4 水庫熱分層形成與消亡問題調(diào)控建議

天雹水庫水廠秋冬季月均用水量為56.16萬 m3,可見在熱分層消亡期天雹水庫取水需求較大,而庫區(qū)水質(zhì)惡化現(xiàn)象頻發(fā),熱分層消亡期飲用水源安全成為了目前較為關(guān)注的問題之一。因此水庫分層破壞過程中水體理化指標(biāo)變化對整個庫區(qū)水質(zhì)的影響研究變得十分重要,本文根據(jù)研究分析結(jié)果提出以下調(diào)控措施:(1)在控源截污的基礎(chǔ)上開展定期的底泥疏浚工作,降低由底泥內(nèi)源釋放所帶來的水質(zhì)惡化風(fēng)險;(2)重點在熱分層形成與穩(wěn)定期通過對出入庫流量的調(diào)整進(jìn)行合理的水位調(diào)控并輔以底部曝氣,縮短水庫分層時間并減小分層覆蓋范圍,降低外源污染輸入及沉積物釋放;(3)水廠取水方式由表層單一取水口變?yōu)榇瓜蚨鄬尤∷?進(jìn)一步降低熱分層帶來的影響,根據(jù)湖泊區(qū)及過渡區(qū)熱分層情況重點選取庫區(qū)溫躍層所在位置進(jìn)行取水,取水水深約為6～9 m;(4)使用水環(huán)境數(shù)學(xué)模型手段進(jìn)行調(diào)控效果預(yù)測及調(diào)控標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定,在已知條件下進(jìn)行水庫熱分層情況、理化指標(biāo)及水質(zhì)變化的預(yù)測預(yù)報,并及時進(jìn)行調(diào)控。

4 結(jié)論

1) 熱分層消亡期,水庫過渡區(qū)水體較湖泊區(qū)提前約40 d達(dá)到完全混合狀態(tài)。氣象因子的大幅變化導(dǎo)致水體熱分層結(jié)構(gòu)失穩(wěn),混合層深度由消亡初期的6.85 m增大至13.65 m左右,而缺氧區(qū)由5.63 m下降至0.80 m左右,直至水體完全混合后消失。

2)氣象因子是引起熱分層結(jié)構(gòu)變化的主要因素,強(qiáng)輻射與高氣溫的共同作用下導(dǎo)致水體熱分層增強(qiáng),而較強(qiáng)的風(fēng)速則會促進(jìn)水體的垂向混合。

3)熱分層消亡期水體理化指標(biāo)受到混合程度的影響較為顯著(P<0.05),垂向水溫的降低促進(jìn)了混合層深度的增大,同時促進(jìn)DO由表層向底層補(bǔ)充,垂向ORP也呈增大趨勢,并緩解了底層pH值的降低。

4)熱分層消亡為突發(fā)性水質(zhì)惡化提供了環(huán)境條件,且過渡區(qū)-湖泊區(qū)的熱分層消亡不同步延長了庫區(qū)水質(zhì)惡化持續(xù)時間,應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注水庫不同區(qū)域分層破壞過程中水體理化指標(biāo)變化,利用水環(huán)境數(shù)學(xué)模型進(jìn)行調(diào)控效果預(yù)測及調(diào)控標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定,在控源截污的基礎(chǔ)上開展水位調(diào)控并輔以底部曝氣及取水口采用垂向多層取水等方式緩解由于熱分層消亡帶來的水質(zhì)安全問題。