湖庫溫躍層溶解氧最小值的形成原因、衍生的生態(tài)風險及控制研究進展*

文 剛，王 碩，曹瑞華，溫成成，楊 勐，黃廷林

(1：西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室，西安 710055) (2：西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西省環(huán)境工程重點實驗室，西安 710055)

湖泊、水庫已成為城市的主要供水水源[1-2]，其水質(zhì)直接影響飲用水水質(zhì)的好壞. 深水湖庫在夏秋季存在明顯的熱力分層，一般可分為3個水層(圖 1)：變溫層(epilimnion)、溫躍層(metalimnion)和滯溫層(hypolimnion)[3]. 溫躍層的特征在于溫度、生物量、微生物活性以及氣體等的傳輸速率都具有非常強烈的梯度[4]. 水體的垂向分層對光照、溶解氧(DO)、營養(yǎng)物質(zhì)和微生物有著重要影響[5-7]，同時也會改變浮游植物和浮游動物的垂直分布和遷移以及浮游動物和魚類等高等生物的攝食行為[6,8-10].

隨著水體富營養(yǎng)化加劇和全球氣候變暖，許多湖庫夏秋季發(fā)生明顯的藻類水華[11-12]. 深水湖庫改變了原有水體流態(tài)及夏秋季較高的溫度、光照和充足的營養(yǎng)鹽為藻類暴發(fā)提供了有利條件，尤其在分層型水源地水庫，藻類暴發(fā)已成為普遍現(xiàn)象和共性難題[13-14].

多數(shù)深水湖庫在夏秋季均會同時存在熱分層和藻類暴發(fā)的問題，這可能誘發(fā)湖庫出現(xiàn)另一個新問題：形成溫躍層溶解氧最小值(metalimnetic oxygen minimum，MOM)[4,15]，如圖 1所示. 早在1960年，Shapiro[16]的早期工作確定了可能導(dǎo)致MOM形成的3個因素：(1)低DO濃度水體的流入；(2)水體中原位生化過程，包括有機質(zhì)的降解和生物的呼吸作用，其中橈足類的呼吸作用是華盛頓湖溫躍層氧耗竭的主要驅(qū)動力；(3)溫躍層邊壁沉積物消耗DO. 1998年Effler等[17]提出水庫MOM的形成原因：(1)溫躍層生物的呼吸作用和因衰亡而沉降的有機質(zhì)降解耗氧；(2)較高濃度非遷移浮游動物的呼吸作用；(3)需氧量較高或者溶解氧水平較低水體的潛入. 由于各種水體過程，使得部分區(qū)域DO呈最小值狀態(tài)[18-19]，甚至達到缺氧[20-21]、厭氧水平[22-25]

熱分層時期MOM在不同營養(yǎng)狀態(tài)水平的湖庫中均有發(fā)現(xiàn)[17-18]，國內(nèi)外一些學(xué)者對其形成機制有所報道，但尚無綜述性的文獻參考，且對于MOM所導(dǎo)致的生態(tài)風險、水質(zhì)問題以及最終的控制方法論述較少. 本文旨在通過總結(jié)現(xiàn)有研究，綜合早期的假設(shè)、現(xiàn)場觀察和系統(tǒng)分析，總結(jié)MOM的形成原因、生態(tài)風險和水質(zhì)響應(yīng)以及不同的控制方法. 最后，根據(jù)已有研究進展，對該科學(xué)問題的研究進行展望.

1 國內(nèi)外有關(guān)MOM的報道

截至到目前，在全球10個國家、51個湖泊/水庫報道過溫躍層溶解氧最小值的現(xiàn)象，詳細信息見表1. 追溯到1937年，Wiebe[26]在美國田納西州的深水水庫Norris水庫發(fā)現(xiàn)報道了MOM，在夏季熱分層時期，DO在9.14～15.24 m處急劇減少，并在1941年的北卡羅來納州Hiwassee水庫和肯塔基州Herrington水庫也發(fā)現(xiàn)了類似的DO分布[27]. 1957年，Shapiro等[16]在美國華盛頓湖再次報道了溫躍層DO濃度較低的現(xiàn)象，持續(xù)6個月，DO 在15 m處最小為2.0 mg/L，緊接著Kim等[28]對該湖的進一步研究確認了MOM的存在. 1937-2000年，在美國15個州的25個湖泊、水庫中報道了MOM；21世紀初，又相繼在明尼蘇達州Holland湖[29]、弗吉尼亞州Spring Hollow水庫[30]與Falling Creek水庫[23]、北卡羅來納州Norman湖和Badin湖[31]發(fā)現(xiàn)了MOM. 根據(jù)文獻記載，其他國家關(guān)于此現(xiàn)象的報道比美國少，且集中在20世紀末和21世紀初. 其中德國分別于2000年在Ammer湖[24]、2002年在Goitsche湖[32]、2005年在Geneva湖[33]、2016年在Arendsee湖[22]和2018年在Rappbode水庫[18]報道了MOM；芬蘭于2000、2001和2008年分別在Hiidenvesi湖[34]、Ostra Kyrksundet湖[35]和Rehtijarvi湖[36]證實了MOM的存在；荷蘭、韓國、加拿大、墨西哥、新西蘭和瑞士從1981年開始也相繼發(fā)現(xiàn)了MOM；中國于2015年在千島湖[20,37]、2017年在李家河水庫[15]和2020年在潘家口水庫[38]、糯扎渡水庫[39]、小灣水庫[39]發(fā)現(xiàn)了MOM. MOM的發(fā)現(xiàn)為湖泊科學(xué)的研究提出了新的問題.

圖2 2017年西安市李家河水庫 溶解氧的垂向分布[15]Fig.2 Vertical distribution of DO in Lijiahe Reservoir of Xi’an City in 2017 [15]

MOM主要發(fā)生于夏秋季，位于水面下5～40 m之間；溫躍層DO濃度大多低于4 mg/L，在8-9月達到最低，甚至達到厭氧狀態(tài)；MOM 開始時間一般為5月，延續(xù)至9-10月，不同地域、不同類型湖庫有所不同. 對于深水水庫，MOM一般位于10～30 m深的水層，DO濃度最低可達到小于2 mg/L的厭氧水平，但由于地域不同，MOM的特征可能稍有差異. 如中國李家河水庫的溫躍層在7月和8月達到厭氧狀態(tài)(圖2)[15]；德國Ammer湖[24]在9月形成一個DO<2 mg/L的MOM區(qū)域，Goitsche湖[32]則在8月形成DO約為4 mg/L的MOM區(qū)域；瑞士Zurich湖[25]和Lugano湖[40]的MOM則分別出現(xiàn)在10月和11月. 不同營養(yǎng)狀態(tài)水平的水庫形成MOM的特征亦有所不同，如：德國富營養(yǎng)湖泊Arendsee湖[22]和美國富營養(yǎng)湖泊 Falling Creek 湖[23]會在夏末形成嚴格厭氧的MOM區(qū)域，而德國貧營養(yǎng)的Rappbode水庫[18]和中國中營養(yǎng)水平的千島湖[20]則會形成DO最小值約為4.0 mg/L 的MOM區(qū)域.

隨著越來越多有關(guān)湖庫MOM的報道，關(guān)于MOM的成因分析、導(dǎo)致的生態(tài)風險和水質(zhì)問題以及控制方法也成為很多學(xué)者的研究對象. 不同地域、不同類型湖庫形成的MOM的特征與形成原因可能存在差異. 因此，本文結(jié)合現(xiàn)有研究成果，綜述了MOM的形成原因、生態(tài)風險和水質(zhì)響應(yīng)，并對未來研究進行展望.

2 MOM的研究方法

熱分層期湖庫MOM可在不同營養(yǎng)狀態(tài)水平的湖庫中存在. Jones等[69]對密蘇里州湖庫的研究表明，大多中營養(yǎng)或富營養(yǎng)狀態(tài)的湖庫會出現(xiàn)MOM；同樣的現(xiàn)象在貧營養(yǎng)水體亦有發(fā)現(xiàn)，如我國的千島湖[20]及德國的Rappbode水庫[18]. 針對國內(nèi)外湖庫中出現(xiàn)的MOM，許多學(xué)者在案例研究中均有相關(guān)報道.

大部分學(xué)者通過對湖庫水體中DO、溫度、葉綠素濃度以及藻類等的季節(jié)監(jiān)測來掌握MOM的變化動態(tài). 除了對實際水體的季節(jié)監(jiān)測，水質(zhì)模型的引入能夠更加直觀、清晰地解析MOM的形成過程. 2001年，Joehnk等[24]使用一維物理生態(tài)耦合模型模擬Ammer湖MOM的形成；2003年，Antonopoulos等[70]采用類似的方法模擬了Vegoritis湖中的MOM[22]；2020年，Mi等[4]建立了水質(zhì)模型CE-QUAL-W2(在空間上清楚地表示了流體動力學(xué)、氧氣、養(yǎng)分和浮游植物的群落動態(tài))并模擬Rappbode水庫中MOM形成的動態(tài)過程. 通過與實際水體監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比，逐步完善水質(zhì)模型的真實可靠性，為湖庫動力學(xué)的研究提供方便快捷的技術(shù)手段.

3 MOM的成因分析

20世紀后期，Shapiro[16]和Effler等[17]已經(jīng)總結(jié)了MOM形成的可能原因，2015年張運林等[20]又將千島湖溫躍層中氧的演化過程歸結(jié)為以下幾個原因：(1)通過水氣界面的氣體交換；(2)水柱內(nèi)的垂直混合；(3)光合作用引起的水中DO濃度增加；(4)水體有機質(zhì)的微生物代謝分解、化學(xué)氧化和其他還原性無機物質(zhì)消耗DO；(5)底棲沉積物對氧的消耗. 黃廷林等[15]于2017年在西安市水源水庫——李家河水庫發(fā)現(xiàn)并報道了該現(xiàn)象，將MOM形成原因研究總結(jié)如下：(1)溫躍層中衰亡藻類的降解和微生物呼吸耗氧高于光合作用的產(chǎn)氧；(2)高氧耗水體的層流作用；(3)溫躍層對應(yīng)側(cè)壁高耗氧水體的引入；(4)分層對溫躍層復(fù)氧的阻礙. 除以上原因，2018年Chen等[71-72]發(fā)現(xiàn)表層混合(epilimnetic mixing，EM)及滯溫層充氧(hypolimnetic oxygenation，HOx)系統(tǒng)如操作不當，亦會人為誘發(fā)MOM.

綜上，將現(xiàn)有關(guān)于MOM成因的研究主要歸納為自然原因和人為原因兩大類：自然原因包括水體分層、有機質(zhì)(藻源有機質(zhì)、高濁水引入自然有機質(zhì)、邊壁有機質(zhì))代謝耗氧、水生生物呼吸耗氧、復(fù)氧不足等；人為原因包括水質(zhì)改善系統(tǒng)意外導(dǎo)致高耗氧水體引入溫躍層等，具體分析如下.

3.1 自然原因

3.1.1 夏秋季熱分層的影響 湖泊熱分層是指垂直剖面中水溫分布不均，是湖泊中一個基本而重要的物理過程. 張運林等[21]發(fā)現(xiàn)水庫中DO深度剖面、水溫深度剖面和夏秋季熱分層密切相關(guān)，且氧躍層深度與溫躍層深度呈顯著正相關(guān)[20].

2019年，Wentzky等[18]發(fā)現(xiàn)水庫水體分層會導(dǎo)致有機體在溫躍層沉速降低且堆積，消耗大量DO而又無法從上下層水體復(fù)氧，造成MOM的出現(xiàn). 此外，水質(zhì)模型也清晰地表明熱分層的強度與持續(xù)時間[24]、溫躍層中強烈的溫度和密度梯度[4]對MOM的形成起著決定性的作用.

水體熱分層的形成是MOM出現(xiàn)的先決條件，DO的層化結(jié)構(gòu)在很大程度上取決于湖泊熱分層的層化模式[73]，熱分層阻礙了水體復(fù)氧且溫躍層較高的溫度致使局部耗氧率增加從而促進了MOM的形成.

3.1.2 有機質(zhì)降解耗氧和生物呼吸作用的影響 早在1979年對富營養(yǎng)化湖泊中MOM成因的研究指出，有機物的分解占主導(dǎo)，并估計浮游動物呼吸作用貢獻不到10%[74]. Schram等[58]在肯塔基州的一個湖泊中發(fā)現(xiàn)，微生物呼吸耗氧對DO損失的貢獻最大(>44%)，浮游動物的呼吸耗氧次之(26%～31%). 因此，上表層有機物沉降過程中的快速分解在MOM形成中起重要作用[75]，見圖3.

藻類水華是夏季富營養(yǎng)化水源地水庫的普遍現(xiàn)象，藻類或水中顆粒有機質(zhì)會從表面開始沉降，由于溫躍層的高密度水體，有機質(zhì)沉降速度減慢并逐漸堆積，隨后被溫躍層中的微生物進行好氧分解消耗大量DO[15,22]. 其次，部分好氧微生物以及浮游動物會進行呼吸作用來滿足自身的生存需要，也會消耗部分溫躍層DO[29].

劉雪晴等[76]報道，在西安李家河水庫水華暴發(fā)期，表層至溫躍層溫度的降低致使水體密度增加3.7 kg/m3，水體產(chǎn)生的密度差使有機物、沉降的藻類在溫躍層堆積[30]，藻類降解消耗大量DO. Wentzky等[18]通過多通道葉綠素a熒光儀在不同激發(fā)波長下定量估計了浮游植物生物碳耗氧量約為3.1 mg/L，其與MOM中觀察到5 mg/L的氧耗相當，分析得出單位藻類的礦化耗氧量(OCmax)約在43～345 mg之間. 最終結(jié)果表明德國Rappbode水庫溫躍層中浮絲藻(Planktothrixrubescens)水華為形成MOM做出了重要的貢獻. 張運林等[20]對千島湖的垂向監(jiān)測結(jié)果顯示，在MOM所在區(qū)域，可溶性有機物濃度也較高. Ernst等[78]和Hofmann等[79]在對德國Ammersee湖的研究中發(fā)現(xiàn)，在略低于浮絲藻屬峰值所在位置，DO逐漸被消耗到很低的水平. van den Wyngaert等[25]也發(fā)現(xiàn)MOM的形成緊跟在溫躍層浮絲藻水華之后. 綜上，水庫上層過程，特別是藻類動態(tài)過程是形成MOM的主要過程.

圖3 湖庫夏秋季熱分層及有機質(zhì)降解、生物呼吸作用導(dǎo)致MOM示意圖Fig.3 Diagram of MOM in summer and autumn caused by degradation of organic matters and biological respiration in lakes and reservoirs

3.1.3 湖庫邊壁沉積物與水流的橫向夾帶聯(lián)合影響 水庫的形態(tài)可能加速DO消耗. 早在1960年，Shapiro[16]就發(fā)現(xiàn)，華盛頓湖的MOM部分是邊壁緩坡處的沉積物耗氧造成的. 隨后研究表明低氧水或低營養(yǎng)且富含有機質(zhì)的水通過水流的橫向夾帶，刺激了溫躍層中微生物呼吸作用且降解夾帶的有機質(zhì)消耗DO[17,24]，具體概念模型見圖4.

圖4 湖庫夏秋季邊壁水流的橫向夾帶導(dǎo)致MOM示意圖Fig.4 Diagram of MOM in summer and autumn caused by transverse entrainment of side wall water in lakes and reservoirs

部分水庫或者湖泊有較大區(qū)域坡度較緩的淺灣，沉積物表面積與水體積之比就會增加[22]，使得沉積物表面呈現(xiàn)缺氧狀態(tài). Mi等[4]采用CE-QUAL-W2水質(zhì)模型模擬Rappbode水庫時發(fā)現(xiàn)由于沉積物面積與水量的高比率，且沉積物耗氧速率有強烈溫度依賴性，模擬的秋季MOM層(即0.024 mg/(L·d))總耗氧量的60%起源于泥沙耗氧. 但對于坡度相當陡峭的峽谷狀[15]、高山深水水庫[25,40]，泥沙表面積與水量之比相對較低，沉積物吸氧量不是DO耗竭的主要原因.

淺灣沉積物所在深度大致對應(yīng)湖泊中心水體溫躍層所在水層，由于水體的內(nèi)源波動，經(jīng)過水流的橫向夾帶，刺激水庫中心溫躍層的氧耗，促進MOM的形成[23]. 如夏季Holland湖的淺灣底部缺氧，由于地表水體徑流或者水體的內(nèi)源流動，使得淺灣底部缺氧水體夾帶溶解有機質(zhì)和懸浮固體有機質(zhì)橫向侵入湖泊主體的溫躍層，加快溫躍層的氧耗，降低DO濃度，促進MOM的形成[29]. Nix[56]的研究表明，美國DeGray水庫溫躍層的高耗氧量可歸因于大量帶有易降解有機質(zhì)或者還原性質(zhì)的鐵錳洪水的流入，消耗了溫躍層中的DO.

3.1.4 DO的傳輸受阻 就一維質(zhì)量平衡而言，MOM的形成和持續(xù)受兩個過程控制：溫躍層中DO的消耗和氧穿過溫躍層上下邊界的垂直遷移[22]. 前者由于沉積物氧需求、浮游動物呼吸、有機物的需氧礦化或還原物質(zhì)的氧化而降低了局部的DO濃度. 大多數(shù)研究都著重于前者(見本文前述)，但DO的垂直遷移也是一個不可忽略的因素.

早在2001年，Joehnk等[24]在美國Ammer湖的湖泊微生物模型模擬中包括了垂直遷移，由于沒有提供關(guān)于其數(shù)量或?qū)剀S層質(zhì)量平衡相對貢獻的信息，所以對其影響的研究當時并沒有很深入.

而Kreling等[22]在Arendsee水庫中發(fā)現(xiàn)，凈DO的垂直輸送與DO凈生產(chǎn)量處于同一數(shù)量級，并通過向MOM輸送溶解氧來抵消溶解氧的消耗，表明溶解氧的垂向通量是MOM形成的關(guān)鍵因素. MOM水層消耗的DO分別有27%和7%來自表層和底部滯溫層. 因此，DO的垂直輸送對溫躍層氧動態(tài)方面起著不可或缺的作用，且在根據(jù)DO濃度的時間變化來估算DO消耗率時，應(yīng)考慮凈垂直輸送.

全球變暖加劇了水體分層的出現(xiàn)和分層過程的持續(xù)[80]，分層期形成的密度躍層使上下層水體氧傳輸受限，水體DO被大量消耗卻得不到新的補給[76]，進而加劇該現(xiàn)象.

3.1.5 其他原因 隨著全球氣候變暖，湖庫表層水溫升高增加了熱分層的強度與持續(xù)時間，夏季中位風速降低與降水減少，削弱水體內(nèi)部擾動，阻礙了深層水體復(fù)氧[81]. 由于湖庫富營養(yǎng)化導(dǎo)致的藻類水華，降低了水體透明度，溫躍層所在深度的光輻射減弱，使得藻類的光合產(chǎn)氧無法滿足DO的消耗需求[30,78]，溫躍層耗氧加劇.

圖5 Falling Creek水庫監(jiān)測期水溫(A)和 溶解氧(B)剖面圖[60]Fig.5 Water temperature (A) and DO (B) profiles of Falling Creek Reservoir[60]

3.2 人為原因

通常部署在水庫中的水質(zhì)管理系統(tǒng)，如滯溫層充氧系統(tǒng)(hypolimnetic oxygenation，HOx)和表層混合系統(tǒng)(epilimnetic mixing，EM)，由于操作不當，也會促進和加劇MOM的產(chǎn)生[71-72]. HOx多應(yīng)用于淺水湖庫，運行期間，滯溫層實現(xiàn)有效的供氧. 如果HOx系統(tǒng)未能將整個滯溫層充氧，會導(dǎo)致DO濃度較低的水剛好停留在溫躍層下方，由于水流作用，橫向夾帶的低氧水會在溫躍層消耗DO，微生物呼吸、有機質(zhì)的降解都會加速MOM的出現(xiàn)[82]，對于淺水湖泊，MOM 60%的氧耗起源于邊壁沉積物以及底棲過程. 在HOx系統(tǒng)停止運行期間，沉積物會在3天后形成一個缺氧環(huán)境，如圖5所示. 由于沒有供氧，使得溫躍層底部和滯溫層上部的DO成為主要DO源，各種作用造成的氧耗最終也會加劇MOM[60]. EM系統(tǒng)的運行會擾亂上層水體，從而使得部分上層的富營養(yǎng)水體進入溫躍層，增加溫躍層的氧耗，促進形成MOM[83].

4 MOM導(dǎo)致的生態(tài)風險及對水生環(huán)境的影響

DO可控制湖泊沉積物中磷的釋放與無機氮的去除效率[84-85]. 缺氧會改變魚類的生理過程、空間分布和捕食者相互作用[86-88]，增加水庫中有機質(zhì)和營養(yǎng)負荷[89]，對水質(zhì)產(chǎn)生不利影響[85,90-92]. 因此，研究MOM對溫躍層生態(tài)及水質(zhì)構(gòu)成的風險，具有重要意義.

4.1 MOM導(dǎo)致的生態(tài)風險

DO濃度降低對水生生物(如浮游植物、魚類)的影響，已在世界許多湖泊和水庫中報道. 溫度和溶解氧的聯(lián)合作用會致使許多生物在生境中面臨一種取舍，即選擇溫度適宜但DO水平較低的MOM區(qū)域或選擇DO水平較高但溫度不適宜的變溫層或溫躍層. 熱分層期形成的MOM制約著浮游動物日夜垂直遷移模式[29,93-94]，影響魚類在水庫中的分布和遷移模式；此外，缺氧引起的棲息區(qū)域減少可能導(dǎo)致魚類額外的能量消耗、攝食和生長速度的降低[17,31].

圖6 模擬Hiidenvesi湖的溫度、DO、 濁度以及幽蚊屬的垂直分布[61]Fig.6 Simulated vertical distribution of water temperature, DO, turbidity and Chaoborus in Lake Hiidenvesi [61]

4.1.1 對水生動物捕食的影響 溫躍層中的高密度水體會影響顆粒(如黏土)從變溫層到滯溫層的沉降速度，從而在溫躍層中形成最大濁度，如圖6所示. 由于DO濃度限制了魚在溫躍層中的停留時間，而濁度的變化影響了對獵物的檢測，該層MOM與濁度水體的結(jié)合為部分生物提供了庇護，有利于防止諸如幽蚊屬(Chaoborus)等生物被魚類捕食[61]；魚類可以有效地探測和避免低氧環(huán)境[94]，夏季Hiidenvesi水庫溫躍層較低DO濃度，使得低氧耐受性較差的胡瓜魚垂直遷移到DO濃度較高的表層水體，而幽蚊屬停留在MOM所在水層，破壞了水體內(nèi)部的生態(tài)分布[34].

同樣，枝角類浮游動物(如水蚤Cladoceran)比魚類更能忍受較低的DO濃度[34]，也可以將存在DO濃度梯度的溫躍層作為躲避魚類捕食的庇護所. 不過，部分胡瓜魚(OsmerusmordaxMitchill)為了生存需要，會冒險進入MOM所在水層來捕獲幽蚊幼蟲或水蚤，這與Arend[90]觀察到的黃鱸魚(PercaflavescensMitchill)會突襲缺氧的滯溫層來捕獲高質(zhì)量的獵物情況類似. 這種情況會使以水蚤為食物的幽蚊屬浮游動物和胡瓜魚共同存在于同一水層，MOM為脊椎動物和無脊椎動物捕食者的共存提供了空間，從而導(dǎo)致枝角類浮游動物生物量的減少.

4.1.2 對水生動物遷移的影響 Coutant[93]發(fā)現(xiàn)鱸魚適宜的夏季棲息環(huán)境為水溫在18～25℃之間、DO濃度大于2 mg/L，并指出當棲息環(huán)境受限或不適用時，可能會導(dǎo)致條紋鱸魚生長緩慢甚至死亡. Thompson等[95]的研究又表明，缺氧會迫使條紋鱸魚(Moronesaxatilis)進入較溫暖的水域，遷移到溫躍層頂部，有時會在幾周內(nèi)占據(jù)相對較高溫度的水域(27～30℃)來存活幾個月的時間. 而Rice等[31]的研究發(fā)現(xiàn)，較小的條紋鱸魚更偏向于溫度，因此會占據(jù)較溫暖的表層,而大型條紋鱸魚會選擇其他水域. 美國北卡羅納州Norman湖與Badin湖由于MOM的形成，會在溫躍層底部形成一個好氧區(qū)，條紋鱸魚喜好的灰西鯡(Alosapseudoharengus)和紅鯡魚(A.aestivalis)生活在此區(qū)域，溫躍層的缺氧條件及好氧區(qū)的獵物存在，會迫使較大的條紋鱸魚進入此水域. 然而，如果溫躍層缺氧的程度或厚度對魚類移動產(chǎn)生了足夠的障礙，條紋鱸魚可能會被困在這個隔離區(qū)域，甚至DO濃度在這個區(qū)域下降到臨界水平以下會導(dǎo)致條紋鱸魚在夏季死亡.

4.1.3 對水生動物的危害 MOM形成的缺氧甚至厭氧條件使得美國阿肯色州-密蘇里州Bull Shoals水庫的虹鱒魚死亡以及Norman湖和Badin湖條紋鱸魚死亡[96]. 美國另一水庫，北卡羅來納州J. Strom Thurmond水庫的紅鯡魚會集中在被嚴重MOM隔離的有氧滯溫層區(qū)域，且隨MOM加劇，將驅(qū)使紅鯡魚靠近大壩底部壓縮的有氧區(qū)域，該區(qū)域魚類密度增加，造成紅鯡魚的死亡[96].

河鱒通常生存在21℃左右且有氧的水域中[29]. 夏季Holland湖中，由于表層普遍高于24℃的水溫以及溫躍層和滯溫層較低的DO濃度，河鱒無法在夏季生存. 此外，缺氧導(dǎo)致部分魚類水平地遷移到較淺的湖岸，如在Erie湖中心的缺氧區(qū)圓蝦虎魚(NeogobiusmelanostomusPallas)基本消失，均水平遷移到較淺、氧氣充足的湖岸水體中[90].

MOM改變了水體原有的生態(tài)環(huán)境，造成水生動物棲息地區(qū)域減少、攝食環(huán)境改變. 最終水體中水生動物被迫遷移，破壞水體生態(tài)分布，致使生物非正常死亡，危害水體生態(tài)安全.

4.2 MOM對水生環(huán)境的影響

MOM除了影響水庫中的生物活動外，還會對水體溫室氣體產(chǎn)生影響[81]. McClure等[23]研究的Falling Creek水庫MOM會在水體中產(chǎn)生一個氧化還原梯度，從而顯著改變溫室氣體分布，見圖7. Falling Creek水庫中由于MOM的存在以及HOx系統(tǒng)的運行[82]，被充氧的滯溫層會使富含微生物的沉積物呼吸加劇,產(chǎn)生大量的CO2積聚在滯溫層；營養(yǎng)物質(zhì)豐富的上游沉積物由于缺氧會產(chǎn)生較高的CH4生成速率，富含CH4的水體在風力或者水力作用下從上游較淺沉積物所在位置橫向流入MOM所在水層，從而導(dǎo)致MOM內(nèi)CH4濃度升高. 同時，Goudsmit等[97]的研究表明，當溫躍層達到缺氧甚至厭氧狀態(tài)時，CH4無法氧化，積聚在溫躍層. 沉積物中CH4的橫向運移是MOM中CH4積累的主要來源，好氧變溫層和厭氧溫躍層產(chǎn)生的CH4貢獻一小部分[98-99]. 此外，MOM會改變CH4和CO2排放峰值的時間. 由于暴雨或其他擾動引起的深處水體混合會夾帶低氧的溫躍層水來到水庫表層，伴隨著水體中溫室氣體的移動，從而導(dǎo)致CH4和CO2在混合期前擴散通量逐漸增大.

圖7 2015年8月24日(A)和2016年8月26日(B)DO濃度熱圖；2015年8月24日(C)和 2016年8月26日(D)CH4和CO2的剖面圖[23]Fig.7 DO concentrations on August 24, 2015 (A) and August 26, 2016 (B); Vertical profiles of dissolved CH4 and CO2 on August 24, 2015 (C) and August 26, 2016 (D)[23]

現(xiàn)有研究雖對MOM導(dǎo)致的生態(tài)風險研究較多，但有關(guān)MOM條件下的水質(zhì)變化規(guī)律尚不清楚，此方面的研究還存在許多空缺. 例如在厭氧、無光、壓力、微生物作用下，藻細胞、藻類有機物的轉(zhuǎn)化規(guī)律還不清楚，亟待深入研究，探明在MOM條件下飲用水水源水質(zhì)的演變規(guī)律.

5 控制方法

在國內(nèi)，針對MOM原位控制多采用揚水曝氣技術(shù)(water-lifting aerators，WLAs)[100]，最新一代示意圖見圖8. WLAs兼具滯溫層充氧及全層混合，自然混合過程的提前與混合作用時效的延長，可消除分層期底層水體厭氧現(xiàn)象及控制表層藻類暴發(fā)[101]，目前已在中國多個省份水源地水庫得到應(yīng)用[15,100,102]. 2018年，黃廷林課題組研究指出，WLAs通過全層混合和表層藻類削減，可高效改善因衰亡藻類溫躍層積聚誘發(fā)的MOM[101]. 國內(nèi)許多水質(zhì)原位控制技術(shù)(如揚水造流技術(shù))對藻類原位控制取得了顯著效果[103]，由于關(guān)于湖庫MOM的研究較少，對MOM的改善效果尚無具體報道.

圖8 揚水曝氣系統(tǒng)：(a)揚水曝氣系統(tǒng)示意圖；(b)李家河水庫揚水曝氣器布置圖；(c)揚水曝氣器結(jié)構(gòu)圖 (1-空氣壓縮機；2-氣柜； 3-空氣過濾器；4-流量計；5-空氣管；6-WLAs；7-冷卻水泵；8-冷卻管；9-回流管[15])Fig.8 The water lifting aeration system: (a) sketch of the water lifting and aeration system, (b) layout of the water lifting aerators in Lijiahe Reservoir, (c) diagram of the water lifting aerator structure (1-air compressor; 2-gas holder； 3-air filter; 4-flowmeter; 5-air pipe; 6-WLAs; 7-cooling water pump; 8-cooling pipe; 9-return pipe[15])

國外常用的水庫原位控制技術(shù)包括滯溫層充氧技術(shù)(HOx)和變溫層混合技術(shù)(EM)[71-72]，如圖9所示. HOx技術(shù)可以高效地對底部滯溫層充氧[82]，降低水中氮、磷、鐵、錳的濃度[83]，該技術(shù)已經(jīng)被運用到全球30多個水庫. EM技術(shù)主要通過擾亂水體上部分的分層作用達到控制表層藻類的目的[104]. 在全球范圍內(nèi)，HOx和EM系統(tǒng)研發(fā)運行的初衷主要是為了改善滯溫層缺氧區(qū)水質(zhì)和緩解表層藻華，對MOM改善效果不明顯[105-106]. HOx的間歇運行反而會刺激溫躍層的氧耗，加劇MOM.

除去水質(zhì)管理系統(tǒng)，采用分層取水的方式也能夠使取水口高程附近水體流速較大，水體混合比較均勻，垂向上相互摻混、能量差異減小[107-108]，最終增加氧的補給，改善MOM. 官卓宇[109]對小灣水庫的MOM進行模擬，結(jié)果表明，當分層取水使水溫分層明顯削弱或取水口距離MOM層較近使其擾動導(dǎo)致溶解氧得到交換時[110]，MOM逐漸消失. 因此當水庫出現(xiàn)明顯的MOM時，可針對水庫溫躍層以上區(qū)域進行分層取水，使水庫溫躍層溫度梯度降低，促進溫躍層復(fù)氧和摻混.

現(xiàn)有水質(zhì)原位控制方法主要改善滯溫層厭氧、控制表層高藻或者擾亂夏季水庫上層水體的熱分層，有關(guān)對MOM控制及作用機理的研究鮮見，特別是混合充氧技術(shù)對MOM的控制效果和運行啟動條件還需要進一步探索.

圖9 HOx系統(tǒng)和EM系統(tǒng)示意圖[104]Fig.9 Schematic diagram of HOx and EM systems[104]

6 研究展望

國外在MOM形成原因、機理以及產(chǎn)生的影響方面研究較多，不同地區(qū)均有MOM的報道，但不同水庫的形態(tài)特征差異很大，關(guān)于我國飲用水水源地水庫MOM的綜合性研究較少. 全球氣候變暖導(dǎo)致的熱分層顯著、DO溶解度降低以及湖庫藻華的多重作用[81]，使得湖庫在溫躍層因藻類衰亡耗氧出現(xiàn)厭氧現(xiàn)象的機率增加. 由于我國地域幅員遼闊,地形復(fù)雜，且不同湖庫水深、庫容量、地形、氣候條件和藻類暴發(fā)情況差異極大，所以MOM在我國的湖庫情況更加復(fù)雜.

基于現(xiàn)有的研究成果，認為還有以下幾方面需要進一步研究：

1)針對國內(nèi)不同地區(qū)、不同類型水源地水庫的MOM進行研究，探明夏秋季MOM的特征以及主要形成原因；

2)探明在MOM條件下的水質(zhì)演變規(guī)律，如總氮、氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、總磷、溶解性有機碳以及溶解性有機氮等水質(zhì)參數(shù)的變化，特別是在厭氧、無光、壓力條件下藻類、藻類有機物的轉(zhuǎn)化規(guī)律；

3)探明高效控制水源地水庫MOM的方法，明確現(xiàn)有原位控制方法的效能和控制技術(shù)條件；

4)若水源地水庫暫無高效的原位控制措施，可開展取水口高程優(yōu)化規(guī)避厭氧溫躍層，或現(xiàn)有飲用水處理工藝來優(yōu)化消除MOM誘發(fā)的水質(zhì)問題等方向研究.

5)進一步探究湖庫底部滯溫層缺氧和MOM在其生成機理、水質(zhì)影響等方面的區(qū)別研究.

7 結(jié)論

1)夏秋季不同類型、不同營養(yǎng)水平的湖庫中均會形成MOM. MOM形成主要分為自然原因和人為原因兩大類. 自然原因包括夏秋季熱分層限制溶解氧傳輸、有機質(zhì)降解和生物呼吸作用加速溶解氧消耗以及湖庫邊壁低溶解氧水流的橫向輸送；人為原因主要是水質(zhì)改善系統(tǒng)(如HOx和EM)操作不當所致.

2)DO濃度降低引起的MOM正在影響著水生生態(tài)和淡水群落. MOM改變了水生動物(如魚類、幽蚊屬、枝角類浮游動物)的遷移模式，缺氧引起的棲息區(qū)域減少和質(zhì)量降低制約著生物捕食效率和生長速率. 此外，還會顯著改變水體中溫室氣體(CH4和CO2)分布，影響供水水質(zhì).

3)目前國外水庫原位控制技術(shù)主要包括滯溫層充氧技術(shù)(HOx)和變溫層混合技術(shù)(EM)，均無法徹底改善MOM，甚至可能誘發(fā)MOM的形成. 國內(nèi)多采用揚水曝氣技術(shù)(WLAs)，同時兼?zhèn)淞说讓痈咝С溲?、上層混合、破壞水體分層和提高生物凈化效能等多種原位改善水質(zhì)功能，具有廣闊的應(yīng)用前景. 采用分層取水的方式使得水庫溫度梯度降低，促進溫躍層摻混和復(fù)氧，改善MOM.

關(guān)于MOM的形成原因、導(dǎo)致的生態(tài)風險和控制機理已有較多研究，但還需進一步探索MOM造成的水質(zhì)影響，尋求高效的水源水質(zhì)原位控制方法.