潘家口水庫(kù)熱分層期溶解氧垂向分布及影響因素

高 銳，黃歲樑，孫逸璇

(1.南開大學(xué) 環(huán)境污染過(guò)程與基準(zhǔn)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300071；2.南開大學(xué) 天津市城市生態(tài)環(huán)境修復(fù)與污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300071；3.南開大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 水環(huán)境數(shù)值模擬研究室，天津 300071)

1 研究背景

受氣溫變化影響，水深超過(guò)7 m的水庫(kù)、湖泊等天然水體由于垂向上受熱不均會(huì)產(chǎn)生熱分層[1]，該現(xiàn)象在夏季尤為常見[2]。熱分層期水體從上至下分為混合層(變溫層)、溫躍層(斜溫層)和滯溫層(均溫層)[3-4]，其穩(wěn)定性受水深、水體流動(dòng)性以及氣象條件等因素的協(xié)同影響[5-6]。

溶解氧(DO)在水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能演化中起著重要作用。DO濃度會(huì)影響水體氮、磷的主要存在形態(tài)及其遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，濃度低于6.5 mg/L時(shí)會(huì)影響魚類的生長(zhǎng)、繁殖等生理過(guò)程和空間分布[7-9]。已有研究表明，熱分層期DO垂向分布與諸多因素有關(guān)，水溫是主要因素之一，水體熱分層會(huì)引發(fā)DO垂向產(chǎn)生混合層、氧躍層和滯氧層[5]。其中，氧躍層DO濃度變化劇烈，當(dāng)熱分層對(duì)DO影響顯著時(shí)，層內(nèi)會(huì)出現(xiàn)溶解氧極小值(metalimnetic oxygen minimum,MOM)[10]，MOM區(qū)域的缺氧環(huán)境(DO濃度<2 mg/L)會(huì)導(dǎo)致魚類及浮游動(dòng)物等窒息死亡，從而危害水生態(tài)環(huán)境[11]。此外，浮游生物、光照強(qiáng)度、有機(jī)物和pH等均會(huì)影響天然水體中DO的垂向分布[11-12]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)湖、庫(kù)熱分層及其水質(zhì)的垂向變化關(guān)注較多，如Beutel[13]研究了湖泊熱分層期滯溫層缺氧條件下沉積物中氨的釋放過(guò)程。Edwards等[14]研究了Erie湖泊初級(jí)生產(chǎn)力與水體缺氧現(xiàn)象之間的關(guān)系。Noori等[15]研究了Karkheh水庫(kù)熱分層對(duì)溶解氧和營(yíng)養(yǎng)鹽的影響。田盼等[16]研究了神農(nóng)溪不同季節(jié)DO與葉綠素a的垂向分布特征。然而，以往研究多集中于熱分層對(duì)溶解氧、營(yíng)養(yǎng)鹽等水質(zhì)指標(biāo)的影響，對(duì)導(dǎo)致氧躍層MOM區(qū)域形成的原因研究較少。因此需加強(qiáng)對(duì)熱分層期DO垂向分布、溶解氧極小值等缺氧區(qū)域演化過(guò)程等方面的研究，這對(duì)水資源保護(hù)與治理意義重大。

潘家口水庫(kù)屬于大型人工深水湖泊，位于河北省遷西縣灤河干流上，是天津市和唐山市的重要水源[17]。為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水庫(kù)初期大力發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)。隨著網(wǎng)箱養(yǎng)魚規(guī)模不斷增加，水體中餌料及魚類排泄物不斷積累，致使庫(kù)區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化，水質(zhì)常年為V類或劣V類[18]。近年來(lái)雖已全面清理網(wǎng)箱養(yǎng)魚，但水質(zhì)仍處于中營(yíng)養(yǎng)水平，氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度高，時(shí)常有藻類水華爆發(fā)[19]，水環(huán)境狀況及演變趨勢(shì)受到外界高度關(guān)注。本研究針對(duì)水庫(kù)存在的缺氧等水質(zhì)問(wèn)題，對(duì)壩前水溫、DO、浮游植物等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析庫(kù)區(qū)DO垂向變化特征，并探討導(dǎo)致氧躍層MOM形成的原因，以期為未來(lái)水庫(kù)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與水資源利用提供一定的科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 采樣點(diǎn)設(shè)置

潘家口水庫(kù)是引灤入津的主體工程，位于河北省灤河干流，總庫(kù)容為29.3×108m3。其控制流域面積占灤河全流域的75%，為33 700 km2，多年平均徑流量占比53%，為24.5×108m3，正常蓄水位為222.00 m，歷年最大水深約為80 m，水庫(kù)所在區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為15 ℃[20-21]。潘家口水庫(kù)水深庫(kù)大，流速很小，夏季熱分層期各物理量空間分布趨于穩(wěn)定，為減小水面風(fēng)力、船舶航行等因素對(duì)采樣的影響和實(shí)現(xiàn)固定位置采樣，本研究在距潘家口水庫(kù)大壩前約1 km處(40°24′00.8″N，118°17′10.7″E)設(shè)置固定平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和采樣。該點(diǎn)在采樣期水深大約為60 m。采樣時(shí)間為2019年8月，共采樣4次，采樣點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 潘家口水庫(kù)監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)位置

2.2 水溫、水深、pH、電導(dǎo)率、總?cè)芙庑怨腆w(TDS)、葉綠素a(chl-a)、DO監(jiān)測(cè)

水溫、水深、pH、電導(dǎo)率、TDS、chl-a、DO利用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀(YSI-EXO2，A Xylem brand1725 Brannum Lane Yellow Springs,USA)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。YSI-EXO2被固定在采樣平臺(tái)上，通過(guò)控制轉(zhuǎn)軸將其從表面緩慢投放至庫(kù)底，再?gòu)膸?kù)底緩慢拉回到水面，采樣頻率為1次/s。

2.3 總氮(TN)、總?cè)芙庑缘?TDN)、總磷(TP)、總?cè)芙庑粤?TDP)、高錳酸鹽指數(shù)測(cè)定

利用采樣平臺(tái)固定5 L卡蓋式采水器(NISKIN，General Oceanics，USA)采集水樣。采樣深度從水面起分別為1、3、6、9、12、15、20、25、30、40、50、57 m，共采集12個(gè)水樣。水樣加硫酸冷藏于保溫箱中帶回實(shí)驗(yàn)室分析，TN、TDN、TP、TDP濃度和高錳酸鹽指數(shù)采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)[22]測(cè)定，藻細(xì)胞密度采用藻類實(shí)驗(yàn)室分析儀(BBE ALA-03-10)測(cè)定。

2.4 水溫和溶解氧結(jié)構(gòu)劃分

溫躍層和氧躍層垂向梯度劃分方法在熱分層水體中被廣泛使用，其劃分梯度值依地區(qū)而定，范圍從0.05 ～ 1.00不等[23-26]。本文分別采用0.5 ℃/m和0.5 mg/(L·m)作為水溫和溶解氧各層的劃分界限，并采用各層上邊界對(duì)應(yīng)水深為各層水深。

2.5 浮力頻率

浮力頻率常用于表征流體垂直位移的穩(wěn)定性。當(dāng)流體質(zhì)點(diǎn)在穩(wěn)定環(huán)境中受浮力和重力作用做垂向運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的振蕩頻率被稱為浮力頻率[27]，公式如下：

(1)

式中：g為重力加速度，取9.8 m/s2；z為水深，m；ρ為水體密度，kg/m3。當(dāng)N2<5×10-5s-2時(shí)，水體處于混合狀態(tài)；當(dāng) 5×10-5s-25×10-4s-2時(shí)，水體處于穩(wěn)定分層狀態(tài)。

忽略水體泥沙和鹽度的影響，水溫對(duì)應(yīng)的水體密度由公式(2)計(jì)算[28-29]：

ρ=1×10-11T6+5×10-9T5-1×10-6T4+1×10-4T3-

9.1×10-3T2+6.79×10-2T+999.84

(2)

式中：T為水溫，℃。

2.6 數(shù)據(jù)分析

采用ArcGIS 10.7繪制研究區(qū)域監(jiān)測(cè)位置。使用SPSS19.0對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)性及回歸分析。利用Origin 2018和Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 水體熱分層穩(wěn)定性

潘家口水庫(kù)采樣點(diǎn)最大水深為58 m。2019年8月潘家口水庫(kù)熱分層結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性特征見表1，水庫(kù)水溫及浮力頻率(N2)的垂向分布曲線見圖2。

表1 2019年8月潘家口水庫(kù)熱分層結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性特征

由表1和圖2可知，水溫呈現(xiàn)混合層、溫躍層和滯溫層結(jié)構(gòu)?；旌蠈铀疁卮瓜蚍植季鶆?，平均水溫均大于24 ℃，層內(nèi)N2范圍為1.1×10-4～3.5×10-3s-2，分層較為穩(wěn)定。溫躍層水溫沿水深方向顯著降低，溫度梯度最大可達(dá)到6.2 ℃/m(圖2(c))，層內(nèi)N2急劇增大，平均值大于5×10-4s-2，分層穩(wěn)定。滯溫層水溫較低，N2平均值小于5×10-4s-2，水體處于弱分層狀態(tài)。總體來(lái)看，從月初到月底，混合層平均水溫由26.7 ℃降至24.5 ℃，厚度逐漸增大。溫躍層水深由4.9 m增大至8.4 m，最大溫度梯度由6.2 ℃/m降至4.4 ℃/m(圖2)，N2呈波動(dòng)減小趨勢(shì)，穩(wěn)定性逐漸減弱。滯溫層水深由13.0 m增大至15.4 m，平均水溫由7.7 ℃增大至8.4 ℃。

圖2 2019年8月潘家口水庫(kù)水溫及浮力頻率垂向分布曲線

3.2 溶解氧垂向分布特征

水體中DO的垂向分布特征如表2和圖3所示。由表2和圖3可見，監(jiān)測(cè)期DO垂向分布呈“倒V”狀，DO濃度混合層>滯氧層>氧躍層?；旌蠈覦O平均濃度均大于8 mg/L，濃度較高且垂向差異較小，厚度較小。氧躍層DO梯度顯著增大，DO濃度先迅速減小后快速增大，DO平均梯度在0.89 ～ 1.72 mg/(L·m)之間(表2)，最大梯度可達(dá)到3.95 mg/(L·m)(圖3(c))，水體局部區(qū)域處于缺氧狀態(tài)(小于 2 mg/L)，并出現(xiàn)MOM。MOM在1.58 ～ 3.32 mg/L之間，最小MOM出現(xiàn)在8月10日水深5.1 m處(圖3(a))。總體來(lái)看，從8月初到月底，氧躍層由1.6 m逐漸增大至6.8 m，其厚度由9.7 m逐漸減小至6.6 m，MOM從1.58 mg/L逐漸增大至2.40 mg/L，氧躍層逐漸下移，厚度呈現(xiàn)波動(dòng)減小趨勢(shì)且層內(nèi)MOM逐漸增大(表2)。滯氧層DO逐漸恢復(fù)，厚度較大，DO平均濃度均大于5 mg/L，且沿水深方向緩慢減小。

圖3 2019年8月潘家口水庫(kù)溶解氧DO垂向分布曲線

表2 2019年8月潘家口水庫(kù)溶解氧垂向分布特征

3.3 pH、電導(dǎo)率和總?cè)芙庑怨腆w垂向分布特征

水體pH、電導(dǎo)率和總?cè)芙庑怨腆w(TDS)垂向分布特征如圖4所示。由圖4可以看出，水體pH平均值為8.01，總體呈堿性。在垂向分布上，混合層和溫躍層pH變化明顯，其沿水深方向先減小后增大，且在溫躍層內(nèi)出現(xiàn)極小值，最小可達(dá)到7.63(圖4(a))。滯溫層pH分布逐漸均勻，且層內(nèi)隨水深增大pH略微減小。在時(shí)間分布上，從8月初至月底，pH平均值從7.85增大至8.28，極小值從7.63增大至7.92，極小值對(duì)應(yīng)的水深也由5.1 m逐漸增大至10.3 m。

圖4 2019年8月潘家口水庫(kù)pH、電導(dǎo)率和總?cè)芙庑怨腆w垂向分布曲線

電導(dǎo)率和TDS在垂向上存在明顯分層現(xiàn)象，其變化趨勢(shì)與pH相反。混合層電導(dǎo)率和TDS變化相對(duì)較小，層內(nèi)電導(dǎo)率和TDS平均值分別為477.0 μS/cm和309.7 mg/L。電導(dǎo)率和TDS在溫躍層中顯著增大，電導(dǎo)率平均值由482.5 μS/cm增大至570.0 μS/cm，TDS平均值由312.7 mg/L增大至370.2 mg/L。滯溫層電導(dǎo)率和TDS分布逐漸均勻，且沿水深方向略微增加。

3.4 氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽垂向分布特征

水庫(kù)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽垂向分布特征如圖5所示。由圖5可見，氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽沿水深方向整體呈增加趨勢(shì)，TN和TDN濃度范圍分別為4.3～6.3和4.1～6.2 mg/L，TP和TDP濃度范圍分別為0.02～0.13和0.01～0.11 mg/L?；旌蠈覶N和TDN濃度分別在4.3～5.0和4.1～4.5 mg/L之間，氮濃度及其變化相對(duì)較??；TP和TDP平均濃度分別為0.025和0.01 mg/L，濃度較小且垂向分布相對(duì)均勻。溫躍層氮、磷濃度顯著增大，TN和TDN平均濃度梯度分別為0.056和0.034 mg/(L·m)；TP和TDP平均濃度梯度分別為0.003 2和0.002 9 mg/(L·m)，最大濃度梯度分別可達(dá)到0.009和0.011 mg/(L·m)(圖5(d))。滯溫層TN和TDN先波動(dòng)增加，50 m之后逐漸減小，濃度分別在4.5～6.3 mg/L和4.5～6.2 mg/L之間，濃度較高且變化相對(duì)較?。籘DP和TP在15～50 m變化幅度較溫躍層低，50 m之后磷濃度明顯增大，TP和TDP最大濃度分別為0.13和0.11 mg/L。

圖5 2019年8月潘家口水庫(kù)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽垂向分布曲線

3.5 浮游植物垂向分布特征

浮游植物生物量垂向分布特征如圖6所示。分析圖6可知，混合層、溫躍層和滯溫層浮游植物平均生物量分別為2.30、0.89和0.61 mg/L。垂向分布上，綠藻(Chlorophyta)主要分布在混合層，生物量較大；硅藻(Bacillariophyta)主要分布在溫躍層和滯溫層，分布范圍較廣；隱藻(Cryptophyta)前期主要分布在混合層，后期在溫躍層中生物量增大；藍(lán)藻(Cyanobacteria)數(shù)量較少，在混合層有少量分布。時(shí)間分布上，8月10日浮游植物生物量較小，優(yōu)勢(shì)藻種為綠藻和隱藻，分別占生物總量的25%和52%。8月10日之后浮游植物繁殖速度增大，水深15 m以下硅藻大量繁殖，優(yōu)勢(shì)藻種轉(zhuǎn)變?yōu)楣柙搴途G藻，分別占生物總量的56%和37%。

圖6 2019年8月潘家口水庫(kù)浮游植物生物量垂向分布特征

4 討 論

4.1 潘家口水庫(kù)熱分層結(jié)構(gòu)特征分析

通過(guò)判定水體類型來(lái)判斷水庫(kù)分層結(jié)構(gòu)在湖泊學(xué)中被廣泛應(yīng)用[30]。α判定值(年入庫(kù)總水量/總庫(kù)容)和滯留時(shí)間(庫(kù)容/入庫(kù)流量)是常見的水體類型判定指標(biāo)，兩者將水體分為河流型、過(guò)渡型和湖泊型[31]。通過(guò)計(jì)算可知，潘家口水庫(kù)α判定值為0.45(α<10)，滯留時(shí)間為2.20年[32](大于 300 d)，符合湖泊型水庫(kù)的特征。

潘家口水庫(kù)混合層水體受太陽(yáng)輻射和風(fēng)力擾動(dòng)等外界條件的影響，水溫較高且垂向混合均勻。其下方水體受太陽(yáng)輻射影響逐漸減小，水溫沿水深方向溫差逐漸增大，熱分層逐漸形成。熱分層阻礙了能量的垂向傳遞，導(dǎo)致水溫梯度急劇增大而形成溫躍層。溫躍層較大的溫度梯度進(jìn)一步抑制了能量的垂向傳遞，致使溫躍層下方水體由于長(zhǎng)期能量攝入較少而處于低溫狀態(tài)(小于 10 ℃)，且水體由于所處位置較深受外界擾動(dòng)較小而形成滯溫層。即潘家口水庫(kù)熱分層呈混合層-溫躍層-滯溫層結(jié)構(gòu)，這與Effler等[10]和Noori等[15]對(duì)水庫(kù)熱分層研究得出的結(jié)論一致。

圖7(a)為水溫和氣溫隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，圖7(a)顯示，表層水溫與日平均氣溫變化趨勢(shì)一致，混合層與溫躍層分界處水深較淺，受氣溫影響較大，水溫較高，同時(shí)水體受外界擾動(dòng)影響較大，該處水溫波動(dòng)幅度較大。溫躍層由于存在較大溫度梯度，能量的垂向傳遞受到限制，致使溫躍層與滯溫層分界處水溫受氣溫影響較小，水溫較低，同時(shí)分界處水體受外界擾動(dòng)影響較小，該處水溫波動(dòng)幅度較小。圖7(b)為表底溫差(ΔT)與浮力頻率(N2)的相關(guān)關(guān)系。由圖7(b)可知，ΔT與N2存在顯著線性關(guān)系，R2為0.95，且N2>5×10-4s-2，說(shuō)明能量輸入差異(ΔT)是導(dǎo)致潘家口水庫(kù)熱分層形成的主要因素，同時(shí)該差異也決定著水體熱分層的穩(wěn)定性[11,33]。余曉等[32]對(duì)深水水庫(kù)的研究表明，表底溫差不僅限制了水體的垂向摻混，致使熱分層現(xiàn)象產(chǎn)生，而且還影響著熱分層的季節(jié)性交替。

圖7 2019年8月潘家口水庫(kù)熱分層期水溫與氣溫變化趨勢(shì)及表底溫差與浮力頻率的相關(guān)關(guān)系

4.2 潘家口水庫(kù)溶解氧垂向分布特征分析

潘家口水庫(kù)熱分層形成后，DO垂向逐漸產(chǎn)生混合層-氧躍層-滯氧層結(jié)構(gòu)，其垂向分層結(jié)構(gòu)與熱分層相似。圖8為水庫(kù)水溫、浮力頻率(N2)、溶解氧(DO)和浮游植物生物量的垂向分布曲線。由圖8可以看出，各層水溫與溶解氧的變化趨勢(shì)基本同步。水溫和DO混合層變化趨勢(shì)一致，深度隨時(shí)間逐漸下移，厚度分別增加5.2和3.5 m。氧躍層水深較溫躍層淺，氧躍層厚度由9.7 m減小至6.8 m，溫躍層厚度由8.1 m減小至7.0 m，兩者隨時(shí)間的變化趨勢(shì)一致。滯氧層在8月初水深為11.3 m，后期隨著熱分層減弱，其水深逐漸下移至13.4 m。

圖8 2019年8月潘家口水庫(kù)水溫、浮力頻率、溶解氧和浮游植物垂向分布曲線

表3為潘家口水庫(kù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體各項(xiàng)理化指標(biāo)相關(guān)關(guān)系。表3中的相關(guān)性分析結(jié)果表明，DO與水溫存在顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.310(P<0.01)，與N2呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.338(P<0.01)，說(shuō)明DO垂向分布與熱分層密切相關(guān)。此外，當(dāng)水庫(kù)光補(bǔ)償點(diǎn)水深較淺時(shí)，光補(bǔ)償點(diǎn)下方水體由于耗氧未能得到及時(shí)補(bǔ)充，致使熱分層期氧躍層深度較溫躍層淺。邱曉鵬等[34]對(duì)棗莊周村水庫(kù)的研究表明，溫躍層和氧躍層位置受氣溫和光補(bǔ)償點(diǎn)位置等條件的影響，氧躍層深度較溫躍層淺，其厚度較溫躍層大。綜上可知，熱分層是導(dǎo)致DO分層的主要原因，同時(shí)影響著DO層化結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化特征，這與Zhang等[25]的研究結(jié)果一致。

表3 2019年8月潘家口水庫(kù)水體各項(xiàng)理化指標(biāo)相關(guān)關(guān)系

水體各層DO濃度由耗氧和復(fù)氧過(guò)程共同決定。表層水體復(fù)氧主要來(lái)源于大氣和浮游植物光合作用的補(bǔ)給，深水區(qū)復(fù)氧主要通過(guò)水體對(duì)流擴(kuò)散補(bǔ)充。而耗氧主要來(lái)源于水體中有機(jī)物質(zhì)氧化分解及浮游生物的呼吸作用等生物化學(xué)循環(huán)過(guò)程[35]。淡水中不同溫度DO飽和濃度表達(dá)式[36]為：

(3)

式中：CDO為溶解氧濃度，mg/L；T為水溫，℃。由理論模型可知，當(dāng)水溫沿水深方向減小時(shí)，DO濃度垂向變化隨水深增加而逐漸增大。然而對(duì)于潘家口水庫(kù)等深水型水庫(kù)，溶解氧受熱分層和不同生化過(guò)程協(xié)同作用，各層呈現(xiàn)出不同的演變特征。

混合層DO受大氣復(fù)氧和浮游植物的光合作用產(chǎn)氧影響，且水庫(kù)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽充足，混合層水溫適宜，浮游植物生物量高達(dá)2.30 mg/L，DO的飽和度為112%，處于過(guò)飽和狀態(tài)，同時(shí)受風(fēng)力擾動(dòng)等外界條件影響較大，DO垂向分布較為均勻。

溫躍層內(nèi)上側(cè)DO濃度顯著降低，對(duì)應(yīng)位置形成了6.6～9.7 m的氧躍層，并在該層出現(xiàn)了MOM，其主要原因有：

(1)溫度梯度限制混合層DO對(duì)氧躍層的補(bǔ)給[37]。研究表明，水體溫度梯度會(huì)顯著影響DO垂向擴(kuò)散通量，梯度越大，擴(kuò)散越困難[6]。潘家口水庫(kù)熱分層形成后，溫躍層水溫顯著降低，平均溫度梯度高達(dá)2.26 ℃/m，浮力頻率均大于5×10-4s-2，水體處于穩(wěn)定分層狀態(tài)，穩(wěn)定的熱分層阻礙了上層水體對(duì)該層DO的補(bǔ)給，導(dǎo)致溫躍層DO顯著降低。將溶解氧與水溫、浮力頻率垂向分布曲線(圖8)進(jìn)行對(duì)比也可以看出，MOM均出現(xiàn)在水溫顯著降低和浮力頻率急劇增大的區(qū)域，這與官卓宇[4]對(duì)瀾滄江中游水庫(kù)溶解氧的研究結(jié)果一致。此外，表4給出了氧躍層水深(OD)和MOM水深(MD)與溫躍層水深(TD)和溫躍層厚度(TT)的線性擬合關(guān)系，由表4可知，OD和MD分別與TD和TT存在正相關(guān)和負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明溫躍層顯著影響氧躍層的垂向分布和MOM的形成[34]。

表4 OD和MD與TD和TT的線性擬合關(guān)系

(2)溫躍層有機(jī)物質(zhì)氧化分解耗氧[38]。監(jiān)測(cè)期間潘家口水庫(kù)混合層、溫躍層和滯溫層高錳酸鹽指數(shù)分別為2.94、2.80和2.71 mg/L，說(shuō)明混合層和溫躍層有機(jī)物濃度較高，水體化學(xué)需氧量大。水溫是影響藻類生長(zhǎng)的主要因素之一[39]，潘家口水庫(kù)水溫與浮游植物生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.624(P<0.01)。水體混合層水溫高，適宜藻類生長(zhǎng)繁殖，藻死亡后形成的有機(jī)顆粒物較小，沉降速度也較小，而溫躍層厚度較大(大于 7 m)，有機(jī)顆粒物有足夠的時(shí)間在溫躍層被微生物氧化分解，這一過(guò)程消耗氧氣，并釋放出CO2和有機(jī)酸，同時(shí)溫躍層較大的溫度梯度阻礙了上、下層溶解氧對(duì)該層的補(bǔ)給，致使溫躍層DO濃度持續(xù)降低，pH顯著降低，水體逐漸發(fā)展為缺氧狀態(tài)，并出現(xiàn)MOM現(xiàn)象。相關(guān)性分析結(jié)果(表3)同樣表明，DO與pH呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.741(P<0.01)，表明兩者變化趨勢(shì)一致?？柗騕40]研究也表明，進(jìn)入溫躍層的大部分有機(jī)顆粒體積較小且沉降速度很小，10 μm顆粒沉降10 m需要40 d，證實(shí)了上層有機(jī)顆粒物下沉經(jīng)過(guò)溫躍層時(shí)需要較長(zhǎng)時(shí)間。Kreling等[35]對(duì)德國(guó)Arendsee湖MOM的形成研究發(fā)現(xiàn)，上層顆粒有機(jī)碳的下沉促進(jìn)了MOM的發(fā)展。官卓宇等[41]的監(jiān)測(cè)結(jié)果也表明，MOM的形成與溫躍層中溶解氧的大量消耗和難以得到補(bǔ)給有關(guān)。此外，熱分層期溫躍層下方水體DO濃度較低，增加了低氧區(qū)域及沉積物中還原性氣體的釋放量，并影響了還原性氣體的垂向擴(kuò)散，導(dǎo)致溫躍層耗氧進(jìn)一步增大。Mcclure等[42]對(duì)Falling Creek水庫(kù)研究發(fā)現(xiàn)，水體熱分層改變了水體中甲烷和二氧化碳的垂向分布，導(dǎo)致甲烷在溫躍層中積累礦化耗氧，并釋放出二氧化碳，進(jìn)一步促進(jìn)了MOM的發(fā)展。

(3)浮游植物生命活動(dòng)耗氧[35]。楊正健[30]在三峽庫(kù)區(qū)的研究中發(fā)現(xiàn)，真光層內(nèi)浮游植物光合作用大于呼吸作用，真光層以下的水體，浮游植物呼吸作用大于光合作用，浮游植物生長(zhǎng)受限制，導(dǎo)致DO濃度降低。相關(guān)性分析結(jié)果(表3)表明，浮游植物生物量與TN和TP均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.624和-0.533(P<0.01)，與DO呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.537(P<0.01)。其原因是浮游植物生命活動(dòng)消耗氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽并釋放出氧氣，水體溶解氧濃度增加。此外，圖9給出了溫躍層DO與葉綠素a、浮力頻率的線性擬合關(guān)系，由圖9(a)可知，溫躍層DO濃度與葉綠素a濃度呈顯著正相關(guān)(R2=0.44，P<0.05)，這進(jìn)一步說(shuō)明溫躍層浮游植物光合作用大于呼吸作用，浮游植物呼吸作用耗氧不是MOM產(chǎn)生的主要原因。

圖9 溫躍層DO濃度與葉綠素a濃度及浮力頻率的線性擬合關(guān)系

滯氧層與滯溫層水深基本一致，DO沿水深方向緩慢降低。Müller等[43]研究發(fā)現(xiàn)，滯溫層DO消耗存在兩種途徑：一是沉積物向底層水體中擴(kuò)散的還原物質(zhì)消耗氧氣。二是沉積物表面的有機(jī)物消耗氧氣。由圖8可知，滯氧層上側(cè)浮游植物生物量較大，以適宜在12 ～ 25 ℃生長(zhǎng)的硅藻為主，DO濃度較高，靠近底泥附近DO濃度顯著降低。根據(jù)潘家口水庫(kù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，水庫(kù)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高，這與長(zhǎng)期以來(lái)水庫(kù)的網(wǎng)箱養(yǎng)殖活動(dòng)有關(guān)，網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)生的魚食殘?jiān)两档匠练e物表面，導(dǎo)致底泥有機(jī)物質(zhì)污染嚴(yán)重，沉積物中有機(jī)物質(zhì)的礦化作用消耗氧氣并向水體釋放氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽，層內(nèi)DO濃度持續(xù)降低[32,44]。

熱分層改變了水體垂向上的熱量傳遞，致使DO垂向出現(xiàn)分層。由圖9(b)可知，溫躍層N2與DO呈顯著負(fù)相關(guān)(R2=0.51，P<0.05)，其原因是水體熱分層形成時(shí)，溫躍層顯著增大的N2限制了溶解氧的垂向補(bǔ)給，延長(zhǎng)了耗氧生物和有機(jī)物質(zhì)等在溫躍層滯留的時(shí)間，使得溫躍層氧氣消耗加劇，這一系列過(guò)程為氧躍層和MOM的形成創(chuàng)造了條件，官卓宇[4]和俞焰等[36]的研究也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。綜上所述，潘家口水庫(kù)水體熱分層是導(dǎo)致MOM形成的主要物理因素，有機(jī)物質(zhì)的氧化分解及浮游植物的呼吸作用耗氧對(duì)溫躍層DO的共同作用是引起MOM形成的生物、化學(xué)因素。

5 結(jié) 論

(1)潘家口水庫(kù)8月份存在顯著熱分層現(xiàn)象，水溫呈混合層-溫躍層-滯溫層結(jié)構(gòu)。表、底層能量輸入差異是促進(jìn)潘家口水庫(kù)水體熱分層形成的主要因素。

(2)熱分層期DO垂向呈混合層-氧躍層-滯氧層結(jié)構(gòu)，分層結(jié)構(gòu)與熱分層相似。相關(guān)性分析表明，DO與水溫呈顯著正相關(guān)，與表征熱分層穩(wěn)定性的N2呈顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明熱分層不僅是DO垂向分層的主要原因，而且還影響著DO層化結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化特征。

(3)溶解氧各層呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)?；旌蠈尤芙庋跏艽髿鈴?fù)氧和浮游植物光合作用產(chǎn)氧影響，溶解氧處于過(guò)飽和狀態(tài)，垂向分布相對(duì)均勻。滯氧層受沉積物中有機(jī)物等還原物質(zhì)耗氧影響，DO沿水深方向逐漸降低。受溫度梯度影響，混合層和滯氧層對(duì)氧躍層溶解氧補(bǔ)給減小，同時(shí)氧躍層有機(jī)物質(zhì)氧化分解耗氧增加，致使氧躍層DO顯著降低，并出現(xiàn)MOM；MOM水深與熱分層參數(shù)(溫躍層水深和厚度)存在相關(guān)關(guān)系，DO與pH、浮游植物生物量、氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽呈顯著相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明熱分層是MOM形成的主要物理因素，水體有機(jī)物質(zhì)的氧化分解及浮游植物呼吸作用耗氧是導(dǎo)致MOM形成的生物、化學(xué)因素。