亞深型水庫水體季節(jié)性分層特征研究*

鄭瑩瑩，劉樹元, ，劉 虹，馬 晨，江蓉蓉，閻百興

(1.臺(tái)州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000；2.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130102)

水體形成季節(jié)性的穩(wěn)定物理分層是水庫的重要特征[1]。水庫中水體停留時(shí)間長(zhǎng)，流速緩慢，水庫整體更新慢，因而水庫是人為形成的容積巨大的停滯水域[2]。夏季，氣溫的升高會(huì)使表層水體水溫升高，但一定的水深又使水體在垂直方向上的傳熱不均，因此導(dǎo)致水體形成上高下低的水溫結(jié)構(gòu)，引起水體密度在垂直方向上的上輕下重，借助于水庫的大水力停留時(shí)間，形成垂直方向上的物理分層[3]。尤其夏季太陽輻射強(qiáng)烈時(shí)期，水體垂直方向上的溫差進(jìn)一步加大，垂直方向密度差異隨之進(jìn)一步加大，因此在夏季高溫時(shí)期會(huì)形成最為穩(wěn)定的分層結(jié)構(gòu)[4-5]。所以，水溫分層的形成和演變過程是明確水體季節(jié)性分層的基礎(chǔ)。

長(zhǎng)時(shí)間和大溫差的穩(wěn)定分層結(jié)構(gòu)會(huì)影響水庫水體的物理性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)過程和生物活動(dòng)[4,6-8]。水庫水體穩(wěn)定分層結(jié)構(gòu)的形成，使水體在垂直方向上具有了溫度梯度最大的溫躍層。溫躍層的存在減弱或阻礙了上下水體的對(duì)流和混合，抑制了水體垂直方向上的物質(zhì)交換，尤其引起溶解氧向下傳輸?shù)臏p少，造成底層水體形成缺氧或厭氧的還原環(huán)境[9-11]。沉積物中的金屬元素和營(yíng)養(yǎng)鹽等在微生物的作用下釋放進(jìn)入底層水體，形成內(nèi)源污染，使水質(zhì)惡化[12-13]。在氣溫下降的秋冬季時(shí)期，表層水體水溫降低，而底層水體由于表層水體的覆蓋，受氣溫的影響滯后，水溫高于表層水體，水層的密度差異形成“翻庫”，導(dǎo)致底層水體攜帶還原性金屬元素及營(yíng)養(yǎng)鹽上浮，對(duì)水庫整體造成污染[14]。同時(shí)，湖庫的穩(wěn)定分層附加傳統(tǒng)的底層取水方式會(huì)對(duì)下游的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。湖庫穩(wěn)定分層時(shí)期，底層水體溶解氧含量和水溫均較低，理化指標(biāo)較差，對(duì)于河道內(nèi)水生生物的生長(zhǎng)和繁殖形成抑制，對(duì)下游農(nóng)作物的生長(zhǎng)機(jī)能產(chǎn)生不利影響，也不利于景觀用水的使用[15]。

水溫、水體透明度和水深與水體熱分層參數(shù)(如溫躍層深度、厚度和強(qiáng)度)有一定的相關(guān)性[16]。其中，一定的水深能夠保證夏秋季節(jié)穩(wěn)定分層時(shí)期形成完整的3 層結(jié)構(gòu)，同時(shí)能夠維持恒溫層較為恒定的低溫，而溫度對(duì)于微生物的活性和化學(xué)反應(yīng)過程具有較大影響。相反，較淺的水深可能在一定時(shí)期不能形成完整的3 層結(jié)構(gòu)，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致不同季節(jié)底層水溫受氣溫的影響而波動(dòng)，從而影響微生物活性、水化反應(yīng)速率以及沉積物釋放，進(jìn)而對(duì)于水庫水質(zhì)的作用程度產(chǎn)生影響[17]。

鑒于大型深水型水庫對(duì)于區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重大意義，近年來對(duì)于此類水庫的熱分層形成機(jī)理、水質(zhì)響應(yīng)特征以及水質(zhì)原位修復(fù)改善的研究頗多。如貴州高原紅楓湖水庫(最大水深45 m)[18]、亞熱帶特大山谷型水庫-千島湖(正常水位106～107 m)[16-17]、北方峽谷型水庫-黑河水庫(平均水位70～90 m)[11]和金盆水庫(正常水位94 m)[19]等，以上水庫的深度一般均在30 m 以上，能夠形成完整和典型的3 層結(jié)構(gòu)，是研究熱分層結(jié)構(gòu)的典型樣本。實(shí)際上，水體水深超過7 m 的水庫就有可能形成溫躍層[20]，而水深更深的深水型水庫會(huì)形成完整的3 層結(jié)構(gòu)。對(duì)于深度在10～30 m 以下的亞深型水庫，水體的分層結(jié)構(gòu)必然會(huì)出現(xiàn)受水深影響的變化特征，進(jìn)而會(huì)呈現(xiàn)出有別于深水型水庫的水體物理、化學(xué)和生物指標(biāo)的響應(yīng)特征。

亞深型水庫具有數(shù)量眾多和分布廣泛的特點(diǎn)，對(duì)于區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水環(huán)境保護(hù)具有重要作用。以位于浙江省臺(tái)州市的長(zhǎng)潭水庫為例，該水庫是集供水、灌溉、防洪和發(fā)電于一體的大(Ⅱ)型水庫，為地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善提供了重要保證。該水庫雖然最大水深為42 m，但由于位于亞熱帶臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)，年降水量達(dá)到2 000 mm 左右，且降雨量主要集中在夏秋的梅雨季節(jié)，降雨、臺(tái)風(fēng)及高溫等多種氣候現(xiàn)象疊加，為保證防臺(tái)和防洪要求，水庫蓄水水位長(zhǎng)期位于30 m 以下，因此實(shí)質(zhì)上運(yùn)行水深較淺。由于熱分層的影響，長(zhǎng)潭水庫的水質(zhì)會(huì)出現(xiàn)季節(jié)性變化，近年來其水質(zhì)的季節(jié)性變化逐漸受到關(guān)注。因此，長(zhǎng)潭水庫是一座較為典型的亞深型熱分層水庫。隨著臺(tái)州市對(duì)于長(zhǎng)潭水庫周邊生態(tài)環(huán)境治理的持續(xù)投入，森林覆蓋率較高，面、點(diǎn)源污染輸入基本絕跡，入庫河流的水質(zhì)持續(xù)改善。因此，內(nèi)源污染成為長(zhǎng)潭水庫水質(zhì)季節(jié)性惡化的根本原因[13]。

為加強(qiáng)長(zhǎng)潭水庫供水水質(zhì)的可預(yù)測(cè)性，推動(dòng)水庫水質(zhì)修復(fù)改善技術(shù)研究，對(duì)水庫進(jìn)行科學(xué)管理，有必要對(duì)于類似于長(zhǎng)潭水庫的亞深型水體的熱分層結(jié)構(gòu)尤其是溫躍層的形成規(guī)律進(jìn)行研究。以長(zhǎng)潭水庫為研究對(duì)象，探討淺層水庫(水深在10～30 m)熱分層結(jié)構(gòu)的形成及水質(zhì)響應(yīng)特征，以期對(duì)亞深型水庫的內(nèi)源污染形成機(jī)制以及原位水質(zhì)改善技術(shù)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

長(zhǎng)潭水庫(N28°30′～28°40′，E121°00′～121°04′)位于浙江省臺(tái)州市西部的永寧江上游。水庫集水面積441 km2，年均降水量1 948 mm，入庫水量5.65×109m3。壩高43 m，最高水位42 m，總庫容7.32×109m3。長(zhǎng)潭水庫灌溉面積6.95 萬hm2，防洪面積1.87 萬hm2，水電站總裝機(jī)容量9 920 kW，供水范圍覆蓋臺(tái)州市南部五縣區(qū)和數(shù)萬家企業(yè)。

1.2 采樣及測(cè)試

庫區(qū)內(nèi)靠近大壩的深水區(qū)是長(zhǎng)灘水庫分層結(jié)構(gòu)比較明顯的區(qū)域，也是水庫出水口所處位置。如圖1 所示：本次試驗(yàn)水樣采集地點(diǎn)設(shè)置在長(zhǎng)潭水庫大壩處(N28°36′36″，E121°04′23″)。

2018 年1—12 月在采樣點(diǎn)持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)采樣。采集頻率為每月3 次，設(shè)置在每月的上旬(5 日 ±2 d)、中旬(15 日 ±3 d)和下旬(25 日 ±3 d)各采樣1 次，采樣的時(shí)間集中在每日上午的9：00—11：00，然后取3 次的平均值。采用便攜式多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀(意大利產(chǎn)HANNA)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水溫、pH 和溶解氧(DO)。水樣取回實(shí)驗(yàn)室后首先經(jīng)0.45 μm 醋酸纖維膜過濾，然后進(jìn)行葉綠素a的測(cè)定，測(cè)定方法為丙酮萃取分光光度法[21]。

圖1 長(zhǎng)潭水庫采樣點(diǎn)位置Fig.1 Location of sampling sites in Changtan Reservoir

1.3 數(shù)據(jù)處理

水體相對(duì)穩(wěn)定性(relative water column stability，RWCS)采用以下公式計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行判別[22]。

式中，Dh為底層水體密度；Ds為表層水體密度；D4和D5分別為純水4 ℃和5 ℃時(shí)的密度。

垂直方向溫度梯度大于0.2 ℃/m 的水層定義為溫躍層，相應(yīng)地，該水層上部水深定義為溫躍層上界，該水層下部水深定義為溫躍層下界，上下界的差值定義為溫躍層的厚度，溫躍層的垂直方向溫度梯度定義為溫躍層的強(qiáng)度[23]。

2 結(jié)果與分析

2.1 水溫垂直分層與季節(jié)變化

如圖2 所示：2018 年春季，長(zhǎng)潭水庫水體剖面平均水溫從大到小的順序是1 月＞3 月＞2 月。從表層水體溫度變化來看，1 月最高，3 月次之，2 月最低；底層水溫變化與表層基本相同，表底層水溫差異不大，最大在1 月，為2.43 ℃。從垂直方向水溫變化來看，1—3 月的水溫剖面分布溫差變化不大，1—3 月的溫度分別為 (13.33±0.12) ℃ (平均值±平均偏差，下同)、(11.46±0.04) ℃和(12.16±0.08) ℃，可認(rèn)為整體垂直方向摻混均勻，水溫?zé)o明顯分層。

圖2 長(zhǎng)潭水庫水溫的垂直剖面變化Fig.2 Vertical profile variation of water temperature in Changtan Reservoir

4 月的表層水溫為14.35 ℃，與底層水溫相差3.24 ℃；垂直方向來看，其溫度變化可分為3 個(gè)水段，在0～2.5 m 范圍內(nèi)，平均溫度為(14.34±0.01) ℃，溫度基本不變；在2.5～14.5 m 范圍內(nèi)，平均溫度為(13.03±0.16) ℃，垂直方向溫差逐漸增大；在14.5～25.5 m 范圍內(nèi)，平均溫度為(11.54±0.25) ℃，垂直方向溫差較上一層有所減少。同樣，5—6 月具有類似的規(guī)律，即雖然隨著水深的增加，水體垂直方向上的溫度逐漸降低，但是在3 種不同的深度范圍內(nèi)，降低的速率不同。由此可見，4—6 月雖然表層水體溫度升高較快，但底層水溫基本維持在11.21～12.25 ℃范圍內(nèi)，受表層水體溫度升高的影響較小。

7—9 月是長(zhǎng)潭水庫氣溫最高的3 個(gè)月份。該時(shí)期水溫的剖面分布特征與5、6 月相比，既有相同的變化趨勢(shì)又有不同的水層結(jié)構(gòu)特征。與5、6 月相同的是，隨著水深的增加，水溫明顯下降；區(qū)別在于7—9 月期間如果按照垂直方向水溫的差異進(jìn)行水層的分類，那么長(zhǎng)潭水庫在該時(shí)期只有2 個(gè)明顯水層。以8 月為例，在0～3.5 m的垂直水段內(nèi)，平均溫度為(33.51±0.10) ℃，溫度基本保持不變；進(jìn)入3.5～26.5 m 的水段內(nèi)，平均溫度為(24.57±3.73) ℃，溫度在33.36～17.72 ℃之間變化。同時(shí)可以看出：隨著氣溫升高，底層水溫受到了氣溫影響，由6 月的12.25 ℃升高到了8 月的17.72 ℃，隨著9 月的氣溫降低，底層水溫回落到15.38 ℃。

表層水溫受氣溫影響，表現(xiàn)為10 月＞11 月＞12 月。在10—11 月，同7—9 月的情況類似，長(zhǎng)潭水庫繼續(xù)維持2 層結(jié)構(gòu)特征。以10 月為例，在0～11.5 m 的水層范圍內(nèi)，平均水溫為(24.83±0.19) ℃，溫度在24.57～25.08 ℃之間變化，溫度差異較??；在11.5～25.5 m 的水層內(nèi)，平均水溫為(19.45±1.81) ℃，溫度在24.57～16.84 ℃之間變化，溫度差異較大。而在12 月，長(zhǎng)潭水庫垂直方向水體已經(jīng)完全混合，分層結(jié)構(gòu)已經(jīng)消失。10—12 月，長(zhǎng)潭水庫底層水溫趨向于一致，在15.86～16.84 ℃之間變化。

2.2 水體穩(wěn)定性和降雨量變化

如圖3 所示：長(zhǎng)潭水庫的RWCS 自1—12 月呈現(xiàn)單峰變化。在1—3 月，RWCS 值的變化較為平穩(wěn)，在3.5～13.25 之間變化；自4 月開始，隨著氣溫升高，表層水溫提升，RWCS 隨之升高，最大值出現(xiàn)在8 月，為521；進(jìn)入9 月以后，氣溫降低，表層水體溫度降低，表層和底層水溫差異減小，在12 月水體達(dá)到完全混合，RWCS 降為10.13。從降雨量的月份分布來看，全年總降雨量為1 835.5 mm，其中雨季集中分布在5—6 月以及8—10 月，占全年降雨量的70.55%，與熱分層期基本重疊。

2.3 溫躍層結(jié)構(gòu)的季節(jié)性變化

圖3 水體相對(duì)穩(wěn)定性(RWCS)及月平均降雨量Fig.3 Relative water column stability (RWCS) and average monthly rainfall in Changtan Reservoir

圖4 水體相水體溫躍層強(qiáng)度及厚度的季節(jié)性變化Fig.4 Seasonal variation of strength and thickness of thermocline in Changtan Reservoir

如圖4 所示：溫躍層上界初期位置較淺，后期位置下降明顯。5—8 月，溫躍層上界距離水體表層較小，溫躍層深度較淺，主要在3～4 m 左右變動(dòng)。進(jìn)入9 月以后，溫躍層下潛，深度增加，溫躍層上界與表層水體的距離增加，從9 月的7.5 m 一直下降至11 月的17.5 m。

在分層結(jié)構(gòu)形成后，溫躍層下界不斷下降，直至水庫底部。5—6 月，溫躍層下界不斷向下延伸，從5 月的17.5 m 延伸至6 月的22.5 m，7 月，溫躍層下界繼續(xù)下降，對(duì)恒溫層形成持續(xù)的擠壓作用，直至溫躍層下界觸及水庫底部，恒溫層消失。因此，在不同的穩(wěn)定分層時(shí)期內(nèi)，長(zhǎng)潭水庫分層呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)特征，在5—6 月為3 層結(jié)構(gòu)分層期，7—11 月為2 層結(jié)構(gòu)分層期，而恒溫層只存在于5—6 月。

在分層期內(nèi)，溫躍層厚度變化較為復(fù)雜。5—8 月，溫躍層的厚度處于不斷增加的時(shí)期，從14 m (5 月)→19 m (6 月)→21 m (7 月)向23 m(8 月)變化，厚度最大的8 月占水深的85.19%。9—11 月，溫躍層處于不斷變薄的時(shí)期，厚度從9 月的19 m 一直減少至11 月的8 m。

溫躍層強(qiáng)度是衡量和判別熱分層結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)之一。5—6 月，隨著水溫升高，溫躍層強(qiáng)度從5 月的0.38 ℃/m 達(dá)到最大值0.70 ℃/m。進(jìn)入7 月，溫躍層的強(qiáng)度開始下降至0.53 ℃/m。8 月，溫躍層的強(qiáng)度回升至0.68 ℃/m。9 月，隨著水溫的下降，溫躍層強(qiáng)度又降至0.57 ℃/m，10 月，溫躍層強(qiáng)度繼續(xù)降低至0.55 ℃/m。11 月，溫躍層強(qiáng)度突然有所上升，達(dá)到自9 月以來的最高值，為0.63 ℃/m。

2.4 長(zhǎng)潭水庫溶解氧(DO)及pH 的季節(jié)性變化

如圖5 所示：長(zhǎng)潭水庫中DO 的垂直方向分布呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性特征。

圖5 長(zhǎng)潭水庫溶解氧(DO)垂直方向分布的季節(jié)性變化Fig.5 Seasonal variation of dissolved oxygen (DO) vertical distribution in Changtan Reservoir

在1—2 月，表層水體和底層水體的DO 差別不大。進(jìn)入3 月后，隨著氣溫的升高，水溫隨之上升，在表層的0～8 m 處出現(xiàn)DO 躍層，DO 的質(zhì)量濃度為0.11 mg/L。

進(jìn)入4 月，雖然長(zhǎng)潭水庫依然沒有形成穩(wěn)定的分層結(jié)構(gòu)，但是由于藻類在真光層內(nèi)的光合作用，DO 在水體的5 m 左右達(dá)到最大值(11.08 mg/L)，隨后，DO 值持續(xù)下降，至底層水體時(shí)降為8.33 mg/L，在5～26 m 之間的平均DO質(zhì)量濃度梯度為0.13 mg/(L·m)。進(jìn)入5 月后，長(zhǎng)潭水庫DO 的垂直方向分布繼續(xù)維持4 月的單峰分布特征，即在5 m 左右達(dá)到DO 質(zhì)量濃度的最大值(12.08 mg/L)，隨后DO 質(zhì)量濃度持續(xù)下降，但平均質(zhì)量濃度梯度增大至0.29 mg/(L·m)，且由于穩(wěn)定的分層結(jié)構(gòu)的形成(圖2)，底層水體DO 下降至6.56 mg/L。進(jìn)入6 月后，由于真光層內(nèi)藻類作用導(dǎo)致的DO 極大值達(dá)到12.42 mg/L，垂直方向平均DO 質(zhì)量濃度梯度較5 月增加至0.45 mg/(L·m)，而底層水體的DO 進(jìn)一步降至3.84 mg/L。

進(jìn)入7—9 月，長(zhǎng)潭水庫的DO 垂直方向分布自上而下呈現(xiàn)出明顯的3 峰特征，第1 峰為藻類在5～8 m 的范圍內(nèi)由于光合作用使DO 增加的緣故；隨著水深增加，由于處于溫躍層內(nèi)，水溫較高，有機(jī)物的分解速率加快，耗氧速率增加，DO 含量迅速下降，在12～14 m 范圍內(nèi)形成第2峰，如9 月DO 質(zhì)量濃度在13 m 處低至2.06 mg/L，這可能與水溫降低，藻類大量死亡有關(guān)；有機(jī)物消耗后，水體內(nèi)DO 含量逐漸上升，至19～21 m處，由于底層水體沉積物還原物質(zhì)釋放過程中的耗氧作用，因而形成第3 峰。7—9 月的最大DO 梯度均由水體有機(jī)物礦化貢獻(xiàn)，分別為0.52、0.83 和0.71 mg/(L·m)，底層水體DO 質(zhì)量濃度分別為2.35、2.65 和1.83 mg/L。

在10 月，DO 在0～10 m 范圍內(nèi)混合較為均勻，11 月，DO 混合質(zhì)量深度增加至17 m，而進(jìn)入12 月，長(zhǎng)潭水庫整個(gè)水體剖面DO 已經(jīng)完全混合均勻。10—11 月底層水體DO 質(zhì)量濃度分別為2.29 和3.24 mg/L，而12 月底層水體DO 質(zhì)量濃度已經(jīng)恢復(fù)至7.43 mg/L。

如圖6 所示：1—3 月水體垂直方向pH 分別為7.53±0.07、7.02±0.26 和7.18±0.08，整體呈現(xiàn)中性。

進(jìn)入4 月，pH 的垂直方向分布較為均勻，為7.66±0.16。5—6 月10 m 以下水體的pH 分別為7.54±0.11 和7.51±0.16。5 月，在表層水體0～5.5 m 范圍內(nèi)，pH 為8.82±0.25；6 月，在表層水體0～7.5 m 范圍內(nèi)，pH 為8.93±0.08。因此，長(zhǎng)潭水庫4 月水體垂直方向呈中性，5—6 月表層水體由于藻類的光合作用而偏弱堿性，而底層水體呈中性。

7 月，4.5 m 以上水體的pH 為9.04±0.12，8—9 月在7.5 m 以上水體的pH 分別是9.43±0.05 和9.19±0.10。7—9 月底層水體的pH 分別為6.86±0.07、6.42±0.01 和6.63±0.01。所以，7—9 月長(zhǎng)潭水庫表層水體呈弱堿性，底層水體由于溫躍層的包裹和覆蓋呈弱酸性。

10—12 月，10 m 以上水體的pH 分別為7.69±0.038、7.48±0.039 和7.39±0.036。10—11 月，距庫底3 m 范圍內(nèi)的底層水體的pH 分別為6.59±0.064 和6.52±0.13。12 月，pH 垂直方向分布均勻，為7.40±0.032。因此，10—11 月長(zhǎng)潭水庫表層pH 呈現(xiàn)中性，底層水體pH 呈現(xiàn)弱酸性，12 月水體pH 呈均勻分布，呈中性。

2.5 長(zhǎng)潭水庫葉綠素a 的季節(jié)性變化

如圖7 所示：長(zhǎng)潭水庫葉綠素a 的垂直方向分布特征的季節(jié)性變化較為明顯。

1—2 月長(zhǎng)潭水庫葉綠素a 的垂直方向分布的離散性變化較大，整體有1 月＞2 月的趨勢(shì)。如1 月葉綠素a 質(zhì)量濃度為(1.11±0.48) μg/L，2 月葉綠素a 質(zhì)量濃度為(1.03±0.21) μg/L。3 月，隨著氣溫上升，同時(shí)，“翻庫”后真光層中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度增加，有利于浮游植物的生長(zhǎng)，葉綠素a 在表層3～5 m 處出現(xiàn)極大值，隨后，由于水體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，垂直方向混合減弱。

4 月，葉綠素a 基本維持了3 月的分布規(guī)律。進(jìn)入5 月后，葉綠素a 的質(zhì)量濃度在表層水體3～4 m 處達(dá)到極大值(4.37 μg/L)，是4 月極大值的2.34 倍。6 月，長(zhǎng)潭水庫葉綠素a 的質(zhì)量濃度持續(xù)增大，最大值達(dá)到4.83 μg/L，分布在表層水體的2～3 m 處，而在垂直方向分布上，整體離散性較大。

7—8 月，長(zhǎng)潭水庫葉綠素a 質(zhì)量濃度在7～8 m 處繼續(xù)呈現(xiàn)極大值，分別達(dá)到2.64 μg/L 和3.62 μg/L，9 月后此值減小至 1.68 μg/L，位置上抬至4～5 m 處。

圖6 長(zhǎng)潭水庫pH 值垂直方向分布的季節(jié)性變化Fig.6 Seasonal variation of pH vertical distribution in Changtan Reservoir

10 月，葉綠素a 質(zhì)量濃度的垂直方向分布重復(fù)夏季的規(guī)律，并在表層水體5～6 m 處達(dá)到極大值(3.41 μg/L)。11 月，15 m 以上水層葉綠素a 的離散性增加；12 月，葉綠素a 的垂直方向分布離散性整體較大。

從葉綠素a 的全年垂直方向分布來看，3、4、5、7、8、9 和10 月基本呈現(xiàn)單峰的變化特征，且極大值出現(xiàn)在表層水體3～8 m 處，葉綠素a 質(zhì)量濃度的最大值出現(xiàn)在夏季長(zhǎng)潭水庫分層結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定的時(shí)期。

3 討論

3.1 長(zhǎng)潭水庫水溫層化結(jié)構(gòu)的演替模式

(1)水溫分層結(jié)構(gòu)的季節(jié)性變化

圖7 長(zhǎng)潭水庫葉綠素a 質(zhì)量濃度的季節(jié)性變化Fig.7 Seasonal variation of mass concentration of chlorophyll a vertical distribution in Changtan Reservoir

水溫的季節(jié)性變化是水庫形成穩(wěn)定分層的必要條件[10]，而垂直方向水溫的分布能夠較為直觀地反映水溫的分層變化[24]。1 月水溫自表層至底層逐漸增加，表明不斷降低的大氣環(huán)境溫度對(duì)于水溫產(chǎn)生了自上而下的影響，2 月隨著氣溫的持續(xù)降低，水體上下混合均勻的程度在增加，而3 月，隨著氣溫升高，表層水溫升高。整體來看，在1—3 月低氣溫條件下，長(zhǎng)潭水庫表層和底層的水體得到了充分混合。4—6月，隨著氣溫的逐漸升高，平均水溫升高，同時(shí)水體垂直方向溫差加大。長(zhǎng)潭水庫水體變溫層、溫躍層和恒溫層的3 層結(jié)構(gòu)初步形成。6—7 月，受氣溫持續(xù)升高的影響，水溫變化的下潛深度持續(xù)增加，恒溫層的上界不斷被壓縮，但由于水深所限，恒溫層的厚度不斷減小，直至消失。因此，7—9 月長(zhǎng)潭水庫水層具有明顯的變溫層和溫躍層2 層結(jié)構(gòu)特征，這與同處亞熱帶地區(qū)的深水型水庫千島湖的分層特征明顯不同[16]。10—12月，隨著氣溫降低，長(zhǎng)潭水庫水體垂直方向混合深度不斷增加。但是與其他時(shí)期不同，該時(shí)期水溫的剖面分布呈現(xiàn)2 種不同的狀態(tài)：一是在10—11 月繼續(xù)維持長(zhǎng)潭水庫夏季2 層結(jié)構(gòu)特征；二是在12 月，隨著氣溫的持續(xù)降低，垂直方向溫度梯度不斷減小，分層結(jié)構(gòu)消失。

比照RWCS 值的變化，長(zhǎng)潭水庫分層期為5—11 月，混合期為1—4 月以及12 月，全年呈現(xiàn)單循環(huán)的混合模式。

(2)溫躍層結(jié)構(gòu)特征對(duì)于熱分層及水深的響應(yīng)機(jī)制

溫躍層的上界主要受氣溫的影響，而溫躍層下界受氣溫和水深的共同作用。5—8 月，由于氣溫較高，輻射作用強(qiáng)烈，溫躍層深度較淺。9 月以后，氣溫降低，溫躍層下潛，溫躍層上界深度增加。5—6 月，隨著氣溫升高，溫躍層下界不斷向下延伸；7 月，由于長(zhǎng)潭水庫深度限制，溫躍層下界已經(jīng)觸底，恒溫層消失，水庫垂直方向呈現(xiàn)溫變層+溫躍層的2 層結(jié)構(gòu)。8 月，氣溫繼續(xù)升高，溫躍層下界持續(xù)與底部接觸。9 月及以后，由于氣溫降低，溫躍層整體下潛，因此溫躍層下界并未出現(xiàn)向上抬升的趨勢(shì)，而是繼續(xù)與底部接觸，維持長(zhǎng)潭水庫2 層的分層結(jié)構(gòu)。

溫躍層的厚度主要受氣溫和水深支配。5—8 月，氣溫逐漸升高，溫躍層的厚度不斷加大。進(jìn)入7、8 月后，雖然受水深限制，但是溫躍層厚度的整體趨勢(shì)是不斷加大的。9—11 月，隨著氣溫的降低，表層水溫下降(圖2)，受溫躍層上界下潛以及長(zhǎng)潭水庫有限水深的影響，溫躍層厚度不斷減少，溫躍層變薄。

在不同的時(shí)期內(nèi)，溫躍層的強(qiáng)度受水溫的影響或者水溫與水深的共同作用[25]。在5—6 月的3 層結(jié)構(gòu)存在期，溫躍層的強(qiáng)度主要受水溫影響，這與傳統(tǒng)意義上溫躍層形成的機(jī)制類似[14]。7—11 月的2 層結(jié)構(gòu)存在期，溫躍層的強(qiáng)度受水溫與水深的共同作用。進(jìn)入7 月，由于溫躍層下界觸底，溫躍層的垂直方向剖面沒有完整呈現(xiàn)，氣溫對(duì)于溫躍層內(nèi)水溫產(chǎn)生影響，促使其強(qiáng)度明顯下降，這與千島湖內(nèi)隨水深增加溫躍層強(qiáng)度增加的結(jié)論相同[16]。8 月，由于降雨影響(圖3)，長(zhǎng)潭水庫水深有所增加，同時(shí)受水溫升高以及長(zhǎng)潭水庫水深增加的影響，溫躍層的強(qiáng)度較7 月有所增加。9 和10 月，由于水溫持續(xù)下降，水深有所抬升，溫躍層繼續(xù)下潛，溫躍層強(qiáng)度繼續(xù)降低。11 月，溫躍層強(qiáng)度突然有所上升，主要是受溫躍層內(nèi)在較薄的水層內(nèi)產(chǎn)生較大的溫差所致。由于氣溫降低，溫躍層表層水溫降到了全年分層期內(nèi)的最低溫度，而底層水體由于溫躍層的阻擋，繼續(xù)維持較高的水溫，因此在垂直方向深度較小的范圍內(nèi)產(chǎn)生了較大的溫差。

3.2 長(zhǎng)潭水庫特殊分層結(jié)構(gòu)影響下的水環(huán)境效應(yīng)

(1) DO 和pH 的響應(yīng)特征

DO 的變化主要受水體物理分層結(jié)構(gòu)的阻隔、藻類釋氧和有機(jī)物礦化耗氧的影響。

1—2 月，由于氣溫降低，水體處于垂直方向混合期，DO 在垂直方向上的分布較為均勻，進(jìn)入3 月后，DO 垂直方向質(zhì)量濃度之所以形成躍層，主要是藻類在真光層內(nèi)光合作用所致[26]。

4 月，底層水體DO 的質(zhì)量濃度下降主要是因?yàn)楸韺釉孱惖瘸跫?jí)生產(chǎn)者在生命活動(dòng)中產(chǎn)生的有機(jī)物向下層水體沉降，并在水溫升高的水體中不斷礦化耗氧所致。進(jìn)入5—6 月，底層水體的DO 進(jìn)一步下降，同時(shí)溫躍層的阻隔致使表層和底層的DO 質(zhì)量濃度差異增大，垂直方向平均DO 質(zhì)量濃度梯度有所增加。

7—9 月，長(zhǎng)潭水庫處于2 層分層結(jié)構(gòu)時(shí)期。進(jìn)入溫躍層范圍內(nèi)的底層水體，由于溫躍層的包裹，其水溫較5、6 月有所上升，上升的水溫有利于沉積物中氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行，進(jìn)一步促使底層水體環(huán)境向缺氧狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

10—12 月，隨著氣溫的持續(xù)下降，水體垂直方向混合深度不斷增加。10 和11 月，由于氣溫降低，藻類對(duì)于DO 的貢獻(xiàn)已經(jīng)可以忽略，主要是水體有機(jī)物礦化和沉積物內(nèi)源釋放耗氧。10 和11 月底層水體DO 質(zhì)量濃度受到溫躍層的包圍和阻隔作用，呈現(xiàn)較低數(shù)值。

水體中的pH 變化主要受表層水體中藻類的光合作用和底部沉積物中的有機(jī)物厭氧氧化反應(yīng)的共同影響[16,27]。在混合期的1—3 月，由于水體垂直方向混合較為均勻，DO 質(zhì)量濃度較高且均勻，長(zhǎng)潭水庫表層與底層水體的pH 差異不大。進(jìn)入4 月，藻類尚未進(jìn)入大量繁殖期，同時(shí)水體垂直方向混合較好，長(zhǎng)潭水庫的垂直方向pH 分布依然較為均勻。5 和6 月，水體形成了穩(wěn)定的3 層結(jié)構(gòu)，但在底部的恒溫層內(nèi)，依然維持在較低溫度范圍內(nèi)，對(duì)于微生物活性和耗氧化學(xué)反應(yīng)起到了抑制作用，因此，此時(shí)期內(nèi)10 m 以下水體的pH 雖然在不斷降低，但無明顯差異，依然維持在中性環(huán)境。而在表層，由于藻類利用水體中的CO2進(jìn)行光合作用，促使pH 明顯增加。

進(jìn)入7—9 月，長(zhǎng)潭水庫形成了典型的2 層分層結(jié)構(gòu)，表層水體依然受藻類光合作用影響，而底層水體，由于受溫躍層的包裹，溫度較高，DO 處于較低的水平，有機(jī)物的厭氧氧化反應(yīng)活躍，產(chǎn)生的有機(jī)酸等降低了底層水體的pH。

10—12 月，由于水溫的降低，表層水體藻類的豐度降低，其光合作用對(duì)于pH 的貢獻(xiàn)減弱，因而pH 分布較為均勻。10—11 月，由于溫躍層依然阻擋著底層水體DO 的供應(yīng)，底層依然處于厭氧還原環(huán)境，因此其pH 依然較低。12 月，長(zhǎng)潭水庫進(jìn)入均勻混合期，pH 垂直方向分布表現(xiàn)為整體均勻性。

(2)葉綠素a 的垂直方向分布規(guī)律

葉綠素a 是表征水體藻類等浮游植物生物量的重要指標(biāo)，浮游植物在水體真光層中可利用營(yíng)養(yǎng)鹽、進(jìn)行光合作用從而大量繁殖[28-30]。

1 月長(zhǎng)潭水庫葉綠素a 的垂直方向分布的離散性變化，主要是上一年度的12 月長(zhǎng)潭水庫經(jīng)“翻庫”后水體整體混合，浮游植物在水庫的垂直方向呈離散分布所致。進(jìn)入2 月后，隨著水體混合程度減弱，葉綠素a 的離散性減少。3 月，葉綠素a 的質(zhì)量濃度主要受透光強(qiáng)度的影響，主要表現(xiàn)為隨著水深的增加和透射光強(qiáng)度的下降，其質(zhì)量濃度逐漸減小。

進(jìn)入5 月后，由于溫度的進(jìn)一步升高，葉綠素a 的質(zhì)量濃度進(jìn)一步增加。6 月，長(zhǎng)潭水庫葉綠素a 整體離散性較大，可能與6 月長(zhǎng)潭水庫集中降雨較多，入庫徑流量較大，垂直方向混合較為強(qiáng)烈有關(guān)。

7—9 月，由于溫躍層的阻隔和抑混作用，葉綠素a 的下潛作用被遏制，質(zhì)量濃度在表層水體呈現(xiàn)出較大數(shù)值。

10 月，由于水體分層結(jié)構(gòu)的持續(xù)影響，長(zhǎng)潭水庫的葉綠素a 質(zhì)量濃度的垂直方向分布基本重復(fù)夏季的規(guī)律。隨著溫躍層的下移，11 月長(zhǎng)潭水庫溫躍層以上水體垂直方向混合加劇，15 m 以上水層葉綠素a 的離散性增加，12 月，分層結(jié)構(gòu)消失，水體垂直方向混合程度達(dá)到全年最大，導(dǎo)致了葉綠素a 的垂直方向分布呈現(xiàn)較大的離散性。

可見，水體垂直方向上的混合程度成為葉綠素a 的垂直方向分布離散性最為直接的影響因素。

4 結(jié)論

(1) 2018 年長(zhǎng)潭水庫的分層期為5—11 月，混合期為1—4 月和12 月，分層期為7 個(gè)月，混合期為5 個(gè)月，分層期中5—6 月為變溫層+溫躍層+恒溫層的3 層結(jié)構(gòu)，7—11 月為變溫層+溫躍層2 層結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)潭水庫呈現(xiàn)亞熱帶亞深型水庫的特殊分層形式。

(2)水溫分層的結(jié)構(gòu)特征對(duì)于水體DO 和pH 的垂直方向分布產(chǎn)生了重要影響。受溫躍層的包裹作用影響，2 層結(jié)構(gòu)分層期的底層水體水溫、DO 和pH 與3 層結(jié)構(gòu)分層期明顯不同，表現(xiàn)為水溫升高，DO 和pH 下降。

(3)在水體混合期的1、2、6 和12 月，葉綠素a 的垂直方向分布離散性較大。水體垂直方向上的混合程度成為葉綠素a 的垂直方向分布離散性最為直接的影響因素。