金沙江下游梯級水庫夏冬季垂向水體理化特征研究

摘要：大壩建設與水庫蓄水明顯改變了河流的水文條件，使得壩前區(qū)域流速減緩、水位顯著升高，進而影響庫區(qū)物質循環(huán)模式。然而，目前關于金沙江下游梯級水庫調度影響下的垂向水體理化特征變化情況仍不清晰。為此，2022年1月（冬季）和7月份（夏季）分別對烏東德、溪洛渡、向家壩3座水庫壩前垂向水體進行分層采樣，分析壩前垂向梯度下水溫和溶解氧濃度的分布特征，并探究不同時期垂向光、熱、氧特性差異的成因。結果表明：① 垂向光、熱、氧特性表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性特征，而入庫和出庫流量是決定梯級水庫中垂向分層特性的關鍵因素。在夏季，垂向水溫梯度變化不明顯，3座水庫均未形成穩(wěn)定的溫躍層，且?guī)靺^(qū)水體垂向摻混均勻，混合層深度與水深相當；冬季水庫中出現(xiàn)了穩(wěn)定的熱力分層，但受水位波動和庫區(qū)水體交換的影響，主要集中在表層0～10 m水體中。此外，梯級水庫中熱分層穩(wěn)定指數(shù)（RWCS/H）則是夏季要遠大于冬季。溶解氧濃度受水溫和浮游植物共同影響，在夏季表層水體中出現(xiàn)實測值要遠高于理論飽和值的現(xiàn)象，并伴有氧躍層的出現(xiàn)。② 相關性分析結果顯示，夏季葉綠素a濃度與水溫、溶解氧、pH、電導率、總氮和光照條件（水體透明度和真光層深度）顯著正相關，冬季葉綠素a濃度則與水體透明度顯著正相關，表明庫區(qū)水溫適宜，且光照和營養(yǎng)鹽充足的條件下，會顯著促進浮游植物的生長，進一步增加水體中飽和溶解氧濃度。因此，夏季溶解氧濃度和氧躍層厚度要明顯大于冬季。冬季的真光層深度顯著大于夏季，通過相關性分析發(fā)現(xiàn)，真光層深度主要受表層水體透明度影響，與上游來水中的泥沙含量和暴雨徑流密切相關。研究成果可為水庫生態(tài)的適應性調度提供參考。

關 鍵 詞：水體理化特征；分層特性；熱分層穩(wěn)定指數(shù)；真光層深度；調度運行；梯級水庫；金沙江下游

中圖法分類號：P333；TV697.21

文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.12.008

0 引 言

水庫是受到人為調度運行和天然徑流雙重影響的特殊生態(tài)系統(tǒng)，兼具河流與湖泊的雙重特性，水庫的相關研究方法和理論多借鑒于自然湖泊與河流的經驗。水溫、光照和溶解氧濃度作為水庫生態(tài)系統(tǒng)中重要的環(huán)境因子，不僅直接影響水庫的生態(tài)平衡，而且其變化還會對生源要素循環(huán)產生深遠影響^［1］。其中，水庫的垂向水溫變化既受到與湖泊相似的自然條件影響，同時也受自身調度方式的干擾^［2］。此外，水庫垂向光、熱、氧分層的形成與消失，控制和影響著水體諸多物理、化學和生物過程^［3］，引起一系列水庫湖沼學變量的時空動態(tài)變化，并對水庫的生態(tài)環(huán)境產生影響。研究表明，較高的氣溫和太陽輻射會促進表層水體升溫，進而擴大表底溫差，形成穩(wěn)定的熱力分層現(xiàn)象^［4］。而水庫中較為穩(wěn)定的溫度分層會產生密度梯度較大的溫躍層，阻礙水體的垂向摻混，進而影響氣體和溶解性物質的垂向遷移^［5-6］，引起水庫垂向氧化還原梯度及后續(xù)一系列湖沼學參數(shù)的改變^［7］，從而對水庫生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產生威脅。蔡陽揚等^［8］發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的熱分層結構有利于擴大水庫中藍藻的生長優(yōu)勢，當光照條件和營養(yǎng)鹽充足時，湖庫內浮游植物會大量繁殖，形成藍藻水華嚴重危害庫區(qū)水體水質^{［4，9］}。而風力擾動則在水體表面通過剪切或波浪形成的破碎波誘導表底層水體之間的摻混，破壞水體分層結構^［10］。對于庫區(qū)水體交換量較大的梯級水庫而言，上游入流以及下游出流是水體能量和物質交換的主要通道，流量帶來的擾動同樣會影響水體垂向光、熱、氧分布特征^［11］。

長江上游是中國重要的水電開發(fā)基地，在金沙江下游筑有烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩4座大型梯級水電站，是開發(fā)長江水能資源的關鍵性工程，同時承擔著防洪、灌溉、航運、攔沙等作用，對促進地區(qū)經濟發(fā)展、實現(xiàn)貧困地區(qū)脫貧致富具有十分重要的意義。但大壩建設和水庫蓄水明顯改變了河流的水文條件，使其從原先的河流激流系統(tǒng)向現(xiàn)在的湖泊靜態(tài)系統(tǒng)轉變^［12］，因此被認為是影響河流生態(tài)系統(tǒng)連續(xù)性、完整性的重要人為因素^［13］。大壩的攔截和水庫調度運行導致庫區(qū)水動力減弱，水體滯留時間增加，在水庫中形成了不同程度的水體分層現(xiàn)象^［14］，進一步影響水庫中理化指標的垂向分布及生源要素的遷移轉換過程^［15］。研究結果表明，不同水庫由于其庫齡和調度運行方式的差異，對壩前水庫的理化參數(shù)及生源要素循環(huán)模式均會產生影響^［16］。此外，2022 年長江流域發(fā)生歷史罕見的嚴重干旱，上游來水總體偏枯^［17］，而水體交換量的減少也為庫區(qū)垂向光、熱、氧特性成因分析帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。同時，針對河流梯級水電開發(fā)引起的水溫、溶解氧等垂向生境要素變化及分層特性的研究尚處于初始階段，亟需加強。

基于此，本次研究以金沙江下游梯級水庫烏東德、溪洛渡、向家壩水電站壩前垂向水體為研究對象，分別在2022年1月（冬季）和7月（夏季）進行研究，闡述壩前垂向水體溫度特征、光學特性等分層結構特性，探究梯級水庫垂向水體的理化特征及其變化機理，為水動力驅動下高壩大庫垂向分層演化規(guī)律奠定堅實基礎，完善高壩大庫水庫湖沼學研究，以期為水庫生態(tài)的適應性調度技術開發(fā)提供可靠依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況及樣品采集

金沙江流域處于青藏高原和云貴高原向四川盆地過渡的斜坡地帶，地勢西高東低，區(qū)域地形起伏明顯。烏東德、溪洛渡、向家壩水庫所處的金沙江下游流域位于川滇區(qū)域屬南亞熱帶氣候區(qū)，年內月平均水溫在10.7～23.1 ℃之間。金沙江下游河段多年平均降水量為600～1 500 mm，區(qū)域降水年內分配不均，雨旱季分明，年降水量的80%集中在5～10月。2022年烏東德、溪洛渡和向家壩水庫水位和流量的波動情況如圖1所示，各水庫特征參數(shù)如表1所列。其中，水庫特征參數(shù)從中國長江三峽集團有限公司提供的環(huán)境影響評價報告書中獲得。

2022年1月（冬季）和7月（夏季）在烏東德、溪洛渡和向家壩水庫壩前區(qū)域進行樣品采集（圖1，表2 ），自表層0.5 m至水底分層取樣，分別為水面下0.5（表層），5，10，15，20，30，50 m，次底層和底部的9個水層。對水溫（Water Temperature，WT）、溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）、pH、電導率（Electrical Conductivity，EC）、總氮（Total Nitrogen，TN）、總磷（Total Phosphorus，TP）、葉綠素a（Chlorophyll a，Chl.a）、溶解性有機碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）、顆粒有機碳（Particular Organic Carbon，POC）濃度和光合有效輻射（Photosynthetically Active Radiation，PAR）等指標進行監(jiān)測。其中，水溫、溶解氧、pH和電導率通過多參數(shù)水質分析儀（EXO2，YSI，美國）進行現(xiàn)場檢測，水下光合有效輻射用LI-250A光照計（美國）測定。

1.2 理化參數(shù)分析

總氮（TN，mg/L）、總磷（TP，mg/L）和葉綠素a（Chl.a，μg/L）分別參考國家環(huán)境保護標準（HJ 636—2012、GB 11893—89和HJ 897—2017）通過紫外分光光度法進行測定和分析，溶解性有機碳（DOC，mg/L）和顆粒有機碳（POC，mg/L）分別用總有機碳分析儀（vario TOC select，Elementar，德國）和元素分析儀（vario EL cube，Elementar，德國）進行測定與分析。

1.3 壩前垂向光、熱、氧分層特性

真光層深度（Euphotic Depth，Z_eu）指開放水體中陽光所達、光合作用得以發(fā)生的水體深度，通常為浮游植物生長的有效層。本文依據(jù)漫射衰減系數(shù)^［18］計算Z_eu：

K_d（PAR）=-1/zlnE_d（PAR，z）/E_d（PAR，0）（1）

Z_eu（PAR）/=-1/E_d（PAR）ln1%E_d（PAR，0）/E_d（PAR，0）

/=2ln10/K_d（PAR）=4.605/K_d（PAR）（2）

式中：K_d（PAR）為PAR漫射衰減系數(shù)，m^-1;z為水體表面到測量處的深度;E_d （PAR，z）為深度z處的向下輻射度;E_d（PAR，0）為水面起始向下的輻照度，其測定選用水下光照計，分水下0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m，每層記錄2個數(shù)據(jù)，取其平均值。

混合層深度（Mixing layer depth，Z_mix）為水體上層溫度和密度垂直混合充分的水層厚度，混合層的確定對量化水庫中層結變化至關重要。目前關于混合層深度的計算方法并不統(tǒng)一，不少學者從水溫或水體密度角度計算，依據(jù)Kara等^［19］的ΔT取值標準，本次研究選取表層水體溫差 ≤ 1.0 ℃ 作為Z_mix的參考標準^［20］。關于溫躍層，一些研究中的中國陸架（＞ 200 m）采用0.05 ℃/m的準則^［21-22］，本文以0.2 ℃/m和0.2 mg·L^-1·m^-1 作為溫躍層和氧躍層的判定標準。

熱分層穩(wěn)定指數(shù)（RWCS/H）有效評價水庫熱分層穩(wěn)定水平^［23］，具體計算公式如下：

RWCS/H=ρ_b-ρ_s/（ρ₄-ρ₅）H（3）

式中：ρ_b和ρ_s分別為底層、表層水體密度，kg/m³；ρ₄和ρ₅分別為4 ℃和5 ℃時純水密度，kg/m³；H為水深，m。當RWCS/H＞2.0 m^-1時，為穩(wěn)定分層狀態(tài)，RWCS/H越大，水體越易分層，RWCS/H越小則水體越易發(fā)生混合。

忽略水中泥沙的影響，水溫對應水體密度的計算公式如下^［24］：

ρ_T=10001-T+288.9414/508929.2（T+68.12936）（T-3.9863）²（4）

式中：ρ_T為水體密度，kg/m³；T為水體溫度，℃。

1.4 數(shù)據(jù)分析

對比分析冬季和夏季水庫調度下，理化指標和分層特征的差異，并通過相關性分析，解釋形成垂向分層特征差異的成因，系統(tǒng)分析烏東德、溪洛渡和向家壩梯級水庫調度對垂向特征的影響。所有數(shù)據(jù)分析及可視化均在Origin 2023和R語言4.1.2中完成。

2 結果與分析

2.1 理化參數(shù)季節(jié)變化特征

梯級水庫壩前水溫和溶解氧濃度均存在明顯的季節(jié)性差異，其垂向梯度變化如圖2（a）所示。在冬季（1月），烏東德、溪洛渡和向家壩3座水庫壩前水溫和溶解氧濃度的垂向變化均不明顯，其中水溫的垂直波動幅度分別為0.92，0.10，0.32 ℃，溶解氧濃度的波動幅度分別為0.30，0.47，0.85 mg/L。而在夏季（7月），各庫區(qū)水溫均在表層出現(xiàn)最大值，0～10 m處水溫明顯下降，且在溪洛渡水庫100 m到底部區(qū)域水溫再次顯著降低，其波動幅度分別達到1.091，6.578，2.653 ℃。溶解氧濃度在烏東德水庫的0～10 m處明顯增加，之后趨于穩(wěn)定；在溪洛渡和向家壩水庫，溶解氧濃度則是先增加再減小后趨于穩(wěn)定。而這3座水庫中，溶解氧濃度的范圍均在11.08～14.80 mg/L之間，處于高度飽和狀態(tài)。此外，夏季水溫和溶解氧濃度要明顯高于冬季。

梯級水庫壩前pH、電導率、總氮、總磷、葉綠素a和DOC濃度在不同時期的差異如圖2（b）所示，冬季水庫中pH、電導率、總氮、總磷、葉綠素a和DOC濃度的均值分別為（7.919±0.005），（489.522±11.353）μS/cm，（0.407±0.008）mg/L，（0.019±0.001）mg/L，（0.715±0.126）μg/L和（2.126±0.050）mg/L；而夏季水庫中pH、電導率、總氮、總磷、葉綠素a和DOC濃度的均值分別為（8.068±0.023），（480.970±3.289）μS/cm，（0.705±0.032）mg/L，（0.060±0.012）mg/L，（3.213±0.541）μg/L和（1.727±0.084）mg/L。其中pH、總氮、總磷和葉綠素a濃度均值表現(xiàn)為夏季更高，電導率和DOC濃度均值則是冬季更高。

2.2 梯級水庫冬季、夏季垂向光、熱、氧特征分析

根據(jù)溫躍層0.2 ℃/m以及氧躍層0.2 mg/（L·m）的劃分梯度準則，計算得出各水庫冬季、夏季時期溫躍層和氧躍層的深度，如表3所示。在冬季時期，3座水庫中均未形成穩(wěn)定的溫、氧躍層，熱分層穩(wěn)定指數(shù)RWCS/H處于0.001～0.128 m^-1之間；夏季時期表現(xiàn)出上層水溫高、下層水溫低即“上高下低”的現(xiàn)象，且分別在水深1.08～3.00，1.08～10.20，1.20～6.90 m處形成穩(wěn)定的溫躍層，其最大溫躍梯度分別為0.378，0.308，0.276 ℃/m。此外，表征水庫熱分層穩(wěn)定水平的RWCS/H指數(shù)在烏東德、溪洛渡和向家壩水庫上層水體中分別為2.36，8.28，4.71 m^-1。溶解氧濃度在烏東德、溪洛渡和向家壩水庫的0～10 m有明顯變化，并分別在0.3～3.1，3.1～10.2，0.5～4.7 m處形成穩(wěn)定的氧躍層，最大溶解氧梯度分別為0.243，0.256，0.350 mg/（L·m）。

對比季節(jié)間烏東德、溪洛渡和向家壩水庫壩前真光層深度、混合層深度以及真光層/混合層深度差異，結果表明，冬季的真光層和混合層深度明顯高于夏季時期（圖3）。其中，冬季各水庫真光層深度分別為11.37，14.29，7.69 m，混合層深度達141.40，162.14 m，和109.95 m，與最大取樣深度相當；夏季各水庫真光層深度為2.11，6.23，6.95 m，混合層深度為2.10，2.83，4.40 m。此外，真光層深度與混合層深度的比值（Z_eu/Z_mix）在冬季時期為0.08，0.09和0.07，而在夏季為1.00，2.20和1.58。

2.3 梯級水庫理化參數(shù)關聯(lián)分析

金沙江下游梯級水庫在不同季節(jié)間水體理化參數(shù)之間的相關性分析如圖4所示。在冬季時期，水體垂向分層特性均與電導率、葉綠素a濃度、水體透明度（SDD）和流速（Velocity）呈正相關關系，與總氮、總磷及溶解氧濃度呈負相關關系；而在夏季時期，分層特性與水溫、溶解氧、電導率、總氮、葉綠素a濃度和水體透明度均表現(xiàn)為正相關關系，又與總磷和DOC濃度呈負相關關系。其中，電導率、葉綠素a濃度和水體透明度均與垂向分層特性表現(xiàn)出更為顯著的正相關關系，而溶解氧和總磷濃度表現(xiàn)出更為顯著的負相關關系。此外，垂向分層特性之間的相關關系多為顯著正相關。

3 討 論

3.1 梯級水庫冬季、夏季垂向光、熱、氧特性差異的成因分析

如圖3和表3所示，梯級水庫季節(jié)間溫躍層、氧躍層、真光層和混合層深度均存在顯著差異。研究表明，溫躍層深度和厚度與氣溫變化緊密相關，庫區(qū)表層水體與大氣進行熱交換，并通過對流輸送、紊流擴散和溫差異重流等方式實現(xiàn)庫區(qū)內部熱量交換^［25-26］。而金沙江下游3座水庫地處高海拔的南亞熱帶氣候區(qū)，光熱資源豐富。海拔1 400 m以下的干熱河谷地帶干熱資源豐富，日照時數(shù)長、太陽輻射強。1月份烏東德、溪洛渡和向家壩水庫外界氣溫分別為18.3，10.3，10.2 ℃，而冬季上游來水較少，水力停留時間更長，壩前區(qū)域水體流動性弱，此時水體溫度主要通過溫差實現(xiàn)對流交換，但由于水體比熱容相較于陸地更大，在溫度變化上表現(xiàn)更加緩慢。盡管烏東德庫區(qū)表層水溫有相對明顯的變化，但由于水溫變化梯度較小，均未出現(xiàn)明顯的熱力分層現(xiàn)象。同時，熱分層穩(wěn)定指數(shù)（RWCS/H）也明顯低于分層閾值^［27］。根據(jù)庫區(qū)垂向溫差小于1.0 ℃的混合層參考標準^［20］，發(fā)現(xiàn)烏東德、溪洛渡和向家壩水庫的混合層深度均與最大采樣深度相當，表明庫區(qū)水體垂向摻混均勻。而穩(wěn)定的熱力分層是決定溶解氧和營養(yǎng)鹽等化學因子垂向分層和混合交換的關鍵因素^［7］，因此3座水庫溶解氧也未出現(xiàn)穩(wěn)定分層現(xiàn)象。受2022年夏季連續(xù)高溫影響，壩前區(qū)域表層水溫升高并向庫區(qū)中層延伸，而此時上游來水與中層溫度相近，沿等密度層流動，增強了中層水體的對流交換，再加上水體的垂向熱傳遞作用，7月份庫區(qū)水溫對比往年有明顯增加^［28］，并在水庫表層出現(xiàn)穩(wěn)定的熱力分層。但由于長江流域持續(xù)的高溫少雨，夏季時期出現(xiàn)“汛期反枯”現(xiàn)象。比較2022年與之前5 a金沙江下游待蓄水量的均值^［17］，發(fā)現(xiàn)庫區(qū)入庫流量較往年有明顯減少。因而在10～12月份期間，3座水庫均未達到設定的正常蓄水位高度（圖1（b），表2）。在汛期為了防洪安全，需要通過增加放水量來降低水庫水位，這種調度行為會改變庫區(qū)水體的垂向分層結構。而水庫在水位較高時，深層水體與表層水體之間的溫度和溶解氧差異會增大，形成明顯的分層現(xiàn)象；但在水位較低時，這種分層現(xiàn)象會減弱。研究表明，枯水年夏季溫躍層厚度和強度均偏低，且根據(jù)3座水庫壩前水溫分層狀況，推測“汛期反枯”現(xiàn)象對上游水庫的影響要明顯強于下游水庫，這可能與梯級水庫的聯(lián)合調度有關。

對比冬季和夏季水庫垂向水溫與溶解氧濃度的梯度變化（圖2（a）），發(fā)現(xiàn)在溫度分層期間，上部水體與底部水體之間的溶解氧交換受到阻礙，且水溫對上層溶解氧濃度影響要強于下層水體。研究表明，較穩(wěn)定的熱力分層會產生密度梯度較大的溫躍層，從而阻止上層水體中溶解氧的垂向擴散，溫度梯度越大，擴散越困難^［29］，進而導致溫躍層溶解氧濃度顯著降低。此外，依據(jù)亨利系數(shù)計算得出表層水溫對應下的飽和溶解氧濃度^［30］，對比YSI-EXO2實際測得數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)冬季實測值與理論飽和溶解氧濃度大致相當，而夏季時期溶解氧濃度實測值要遠高于理論值（表4）。這表明夏季水庫中的溶解氧除大氣復氧外，內源浮游植物的光合作用產氧同樣占有較大比重。在光合作用過程中，溫度的升高會顯著促進浮游植物的生長，增加二氧化碳的消耗和氧氣的釋放，導致水體中pH和溶解氧水平的增加，這可能是金沙江下游3座水庫中溶解氧維持飽和狀態(tài)的主要原因。浮游植物是水生系統(tǒng)中關鍵的初級生產者，葉綠素a作為衡量水體初級生產力的重要指標，是水環(huán)境科學十分關鍵的參數(shù)。如圖4所示，除水溫外，水體透明度、溶解氧、總氮、總磷和光照條件均與葉綠素a濃度表現(xiàn)出顯著的相關關系。冬季水體透明度和熱分層穩(wěn)定指數(shù)與葉綠素a濃度顯著正相關，而夏季時期，水體透明度、水溫、溶解氧、總氮和光照強度與葉綠素a濃度顯著正相關。表明庫區(qū)水溫適宜，氮、磷營養(yǎng)鹽充足的條件下，會顯著促進浮游植物的生長。而隨著水深增加，水溫和光合有效輻射強度降低弱化了浮游植物體內酶的活性，光合作用減弱，從而導致中下層水體中葉綠素a濃度降低^［31-32］。研究發(fā)現(xiàn)，除營養(yǎng)鹽外，水力條件也是水庫中浮游植物和Chl.a濃度變化的重要驅動因子^［33］。夏季水量交換大，在中下層區(qū)域可能形成環(huán)流現(xiàn)象，將上層富含葉綠素a的水體帶到下層^［34］，這也就導致通過丙酮萃取-紫外分光光度計法測得的下層水體中葉綠素a濃度仍然較高；當然也不排除中下層區(qū)域存在光合作用的殘余效應，即在上層光照充足的情況下，藻類本身進行光合作用產生葉綠素a，然后向下沉降聚集^［35］。

此外，研究發(fā)現(xiàn)真光層深度主要受表層水體透明度影響，其次是葉綠素a濃度^［36］。結合相關性分析結果，筆者團隊同樣在金沙江下游體積水庫中發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象（圖4）。徐京萍等^［37］結合高光譜數(shù)據(jù)反演得出水中懸浮物濃度是影響水體透明度和渾濁度等光學性質的關鍵，并決定了水下光和有效輻射強度。通過對比1月和7月份入庫流量變化（圖1（b）），發(fā)現(xiàn)上游來水明顯增加了庫區(qū)表層顆粒物濃度（圖5）。但由于水庫“蓄清排渾”的運行方式，加上1月份水力停留時間較長，上游來水中的泥沙經大壩攔截和重力沉降后較7月份有明顯降低，且沿河流方向顆粒物濃度有所降低。但通過入庫流量判斷，溪洛渡和向家壩水庫沿線降雨徑流有所增加，也就導致表層顆粒物濃度明顯升高。因此呈現(xiàn)出1月份真光層深度高于7月份，溪洛渡和向家壩水庫真光層深度高于烏東德的整體趨勢（圖3）。結合真光層深度與混合層深度之比（Z_eu/Z_mix）的臨界層理論，進一步證實藻類生長受水溫和光照條件共同影響^［38］，當Z_eu/Z_mix的比值高于臨界值時，光照條件占主導地位，壩前垂向水體中葉綠素a濃度在真光層深度下迅速上升，并出現(xiàn)局部水華現(xiàn)象；當Z_eu/Z_mix的比值小于臨界值時，水溫條件占主導地位，即使真光層深度很高，但通常水體中葉綠素a濃度較低，不會出現(xiàn)水華暴發(fā)現(xiàn)象。而實際7月份溪洛渡和向家壩水庫確實也發(fā)生局部水華現(xiàn)象，這表明在金沙江下游梯級水庫中Z_eu/Z_mix的臨界值可能要大于1，這主要與水庫中真光層較低以及水溫在7月混合不均勻有關。

一些湖庫的研究表明，水體熱量分層驅動著水體溫度結構、水動力學、營養(yǎng)鹽、捕食者和浮游植物動態(tài)變化，并遵循一定的季節(jié)變化模式^［39-41］。綜合可知金沙江下游3座水庫同樣遵循這一規(guī)律，即水庫的水溫分層形成與消失對溶解氧、pH、營養(yǎng)鹽及浮游植物的垂向分布同樣會產生重大影響^［42］。

3.2 水庫調度對壩前垂向光、熱、氧特性的影響

梯級水電開發(fā)對河流水生環(huán)境產生了一系列影響，研究發(fā)現(xiàn)水庫調度通過調節(jié)水位高度、入庫流量、出庫流量和出水位置，改變庫區(qū)水動力條件和水力停留時間，對庫區(qū)垂向理化特性影響顯著^［43］。通過Pearson相關性分析得出調度干擾對水庫垂向特性的影響如圖6所示，金沙江下游梯級水庫調度參數(shù)中的月平均入庫流量（Inflow，Q_in）和出庫流量（Outflow，Q_out）對溫躍層、氧躍層、混合層深度、相對水柱穩(wěn)定性指數(shù)和熱分層穩(wěn)定系數(shù)均存在顯著的相關性，其中與混合層深度顯著負相關。此外，水力停留時間、庫容和庫齡與分層特性均表現(xiàn)為正相關關系，而水位對分層特性的影響與入庫和出庫流量正好相反。研究表明，入庫流量參與水庫水體的對流輸送、紊流擴散和溫差異重流等過程，對庫區(qū)水溫結構產生不同程度的影響；而出庫流量則在泄流過程中帶走熱量，造成庫區(qū)熱量損失^［44］。華逢耀等^［45］則進一步發(fā)現(xiàn)，高入庫流量會加劇水體的擾動，使得水體受到卷吸摻混作用增強，會明顯降低熱力分層的穩(wěn)定性。對于金沙江下游梯級水庫而言，區(qū)域降水年內分配不均，雨旱季分明，年降水量的80%集中在5～10月，因此夏季的出入庫流量都要明顯高于冬季，這理應導致夏季水庫垂向分層不明顯，但事實與之相反，為夏季溫躍層、氧躍層和熱分層穩(wěn)定系數(shù)要明顯高于冬季時期，混合層和真光層深度則是冬季大于夏季時期。而曾康等^［23］發(fā)現(xiàn)，降雨會增加庫區(qū)入庫流量，進而削弱水體的熱分層穩(wěn)定性。此外，He等^［46］通過長時間序列下的水位與水溫關聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)水位升高時水體熱分層穩(wěn)定性也有所降低。而龍良紅^［47］、戴凌全^［11］等對溪洛渡水庫的研究表明，季節(jié)變化下表層到泄水口處水溫差異明顯，且當出水位置上移時，壩前等溫層厚度縮小，溫躍層深度上移。此外，對于金沙江下游梯級水庫而言，烏東德水庫庫齡較小，其水體分層現(xiàn)象可能較為顯著，這與其蓄水初期水體混合較為均勻、水溫分層結構尚未穩(wěn)定有關。而溪洛渡和向家壩水庫運行時間相對較長，其水體分層結構可能相對穩(wěn)定，受到調度方式的影響也更為明顯^{［11，48］}。因此推測，金沙江下游梯級水庫所展示出的獨特分層現(xiàn)象，可能與其獨特的調度方式以及鮮明的水文條件變化有關，使得其與絕大多數(shù)水庫的分層特性存在顯著差異。

4 結 論

（1） 金沙江下游梯級水庫季節(jié)間水溫差異明顯，在夏季形成了穩(wěn)定的熱力分層現(xiàn)象，但受庫區(qū)高水體交換量的影響，溫躍層和混合層深度相對較低，且主要集中在表層水體中。而冬季由于金沙江下游3座水庫地處高海拔的南亞熱帶氣候區(qū)，光熱資源豐富。冬季外界氣溫仍相對較高，在風力擾動和垂向對流等條件的影響下，水體垂向摻混均勻，未有明顯的熱分層出現(xiàn)，且混合層深度與最大采樣深度相當。

（2）金沙江下游梯級水庫垂向溶解氧濃度普遍處于富氧狀態(tài)，水體中未有明顯缺氧狀態(tài)出現(xiàn)。尤其在夏季，受浮游植物光合作用影響，水庫表層水體中的溶氧濃度普遍高于理論飽和值。此外，受上游入流和溫度分層影響，氧躍層深度也主要集中在表層水體中。

（3）水庫中冬季真光層深度要明顯高于夏季，主要受水體透明度影響，并與表層懸浮物濃度和浮游植物生物量密切相關。而水體中的葉綠素a濃度則主要與水溫、總氮和光照條件有關，并能通過Z_eu/Z_mix的比值反映庫區(qū)是否有水華發(fā)生，但受水位波動和水量交換的影響，金沙江下游梯級水庫中Z_eu/Z_mix的臨界值可能要大于1。

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（編輯：劉 媛）

Study on vertical physicochemical characteristics of water of cascade reservoirs

in lower reaches of Jinsha River in summer and winter

GUAN Yiwei，LI Yinbo，CHEN Luxin，XIAO Yan，LI Zhe，LU Lunhui

（Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology，Chinese Academy of Sciences，Chongqing 400714，China）

Abstract： Damming and reservoir impoundment significantly alter riverine hydrological conditions，leading to reduced flow velocity and elevated water levels in upstream areas，subsequently influencing material cycling patterns in reservoir zones.However，the vertical variations in physicochemical characteristics of water bodies under cascade reservoir operation in the lower Jinsha River remain poorly understood.This study investigated these variations through stratified sampling of vertical water bodies at the front of three reservoirs （Wudongde，Xiluodu，and Xiangjiaba） during winter （January） and summer （July） 2022.We analyzed the distribution patterns of water temperature and dissolved oxygen concentrations along vertical gradients，and explored the driving mechanism of seasonal differences in vertical light，thermal，and oxygen characteristics.The results revealed two key findings：① Vertical light，thermal，and oxygen characteristics exhibited distinct seasonal patterns，primarily controlled by reservoir inflow and outflow rates.The waters didn′t show obvious vertical temperature gradients in summer，and stable thermocline formations weren′t formed in all three reservoirs.The water was mixed evenly in the vertical direction，and the depth of mixing lay was almost equivalent to the whole water depth.In winter，the water exhibited stable thermal stratification predominantly observed in surface waters （0～10 m），influenced by water level fluctuations and reservoir flow exchange.The thermal stratification stability index （RWCS/H） was substantially higher in summer compared to winter.Surface waters during summer showed dissolved oxygen concentrations exceeding theoretical saturation levels，accompanied by oxycline formation，reflecting the combined influence of water temperature and phytoplankton activity.② The concentration of chlorophyll-a was found to be significantly positively correlated with water temperature，dissolved oxygen，pH，conductivity，total nitrogen，and light conditions （water transparency and euphotic depth） in the summer，but only with water transparency in the winter，according to correlation analyses.According to these correlations，the right water temperature along with enough light and nutrients significantly boosted phytoplankton development，which raised saturated dissolved oxygen concentrations and increased oxycline thickness.As a result，summertime had substantially higher dissolved oxygen concentrations and thicker oxygen layers than wintertime.The euphotic depth in winter was significantly greater than that in summer.Through correlation analysis，it was found that the euphotic depth was mainly affected by the transparency of the surface water and was closely related to the sediment content and storm runoff in the upstream water.These findings can provide valuable insights for implementing adaptive reservoir ecological operation strategies.

Key words： water physicochemical characteristics；stratification characteristics；thermal stratification stability index；euphotic zone depth；scheduling operation；cascade reservoirs；lower reaches of Jinsha River