白　楊　張運(yùn)林　周永強(qiáng),　施　坤　劉明亮　楊桂軍

(1. 江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院　無錫　214122; 2. 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實驗室　南京210008; 3. 中國科學(xué)院大學(xué)　北京　100049; 4. 杭州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院　杭州　310014)

湖泊熱力分層和熱力循環(huán)是制約湖泊各種理化過程(如溶解氧分布、底泥營養(yǎng)鹽釋放)、上下層水流混合和對流等動力現(xiàn)象的重要因素,是湖泊最重要的物理過程,同時對生物的新陳代謝和物質(zhì)分解具有重要的作用,也是影響湖泊生物生產(chǎn)量和生態(tài)系統(tǒng)演化的重要指標(biāo)(張運(yùn)林,2015)。對于深水湖泊,水體溫度的垂向分布和變化規(guī)律對水質(zhì)的影響更為顯著(袁琳娜等,2014)。湖泊熱力分層形成中層溫躍層,即水溫的急速變化區(qū)域,體現(xiàn)了從一個相對穩(wěn)定的深層區(qū)域(底層均溫層)到上層的混合區(qū)域(表層變溫層)的溫度急劇變化,溫躍層通常通過溫度垂直梯度觀測計算得到(Zhanget al,2014)。湖泊熱力分層形成的密度成層抑制了表層和底層水體的垂直交換,往往導(dǎo)致表層與底層形成鮮明對比: 表層水體營養(yǎng)貧乏但光線充足,而底層營養(yǎng)豐富、光線不足(Macintyreet al,1999)。湖泊熱力分層增強(qiáng)會加劇湖泊缺氧,促使浮游生物的增長、藍(lán)藻水華暴發(fā),并導(dǎo)致水體內(nèi)部營養(yǎng)負(fù)荷變化從而影響湖泊生產(chǎn)力(Kraemeret al,2015)。因此,研究湖泊熱力學(xué)分層,有助于加強(qiáng)對湖泊物理、化學(xué)以及生物生態(tài)過程的了解(劉明亮等,2014)。另外,氣候變化通過改變湖泊熱力過程進(jìn)而影響營養(yǎng)鹽循環(huán),促使有害藍(lán)藻水華的暴發(fā)(Wilhelmet al,2008; Leeet al,2012)。因此,深入了解湖泊熱力學(xué)過程、影響因素和形成機(jī)制,對湖泊水質(zhì)的適應(yīng)性管理的發(fā)展戰(zhàn)略也是至關(guān)重要的(Zhanget al,2014)。

目前,國內(nèi)外對于深水湖泊的水溫狀況、溫度分層、溫躍層特征量以及其影響因素的研究已經(jīng)十分廣泛(張運(yùn)林等,2004; 吳志旭等,2012; Bruesewitzet al,2015; Leónet al,2016),但多數(shù)研究主要集中在湖泊水體季節(jié)性溫度垂直分層特征方面,針對于湖泊溫度分層的空間分布及其驅(qū)動機(jī)制的研究并不多。事實上,處于同一氣候區(qū)域的湖泊,其水深、面積和透明度不一樣的,湖泊的熱力分層往往存在顯著差異(Feeet al,1996; Kraemeret al,2015)。而對于大型深水湖泊、水庫而言,由于水下地形千差萬別,加之不同水域水體物質(zhì)組成和透明度存在明顯差異,湖泊的熱力分層也往往呈現(xiàn)顯著的空間差異,但以往的研究很少關(guān)注熱力分層參數(shù)的空間分布差異。本文選擇大型深水水庫千島湖,對典型季節(jié)不同水域湖泊熱力分層參數(shù)及相應(yīng)控制因素的空間差異展開討論,試圖揭示千島湖典型季節(jié)湖泊熱力分層參數(shù)的空間分布及其驅(qū)動機(jī)制,為進(jìn)一步豐富深水湖泊熱力學(xué)理論及水質(zhì)監(jiān)管與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　觀測點(diǎn)概況

千島湖(又名新安江水庫),位于浙江省淳安縣,地處錢塘江與安徽省交界處。千島湖流域位于亞熱帶北緣、東南沿海季風(fēng)區(qū),氣候溫暖,雨量充沛,年平均氣溫為 16.90°C,從大壩到新安江入口(街口斷面)縱長 150km,岸線總長度 1406km,水面最寬處約50km,在水位達(dá)到正常蓄水水位108m時其水面面積為 580km2、庫容為178.4×108m3,平均水深31m(吳志旭等,2012)。作為錢塘江“生態(tài)源”的千島湖,是長三角區(qū)域的重要飲用水源地,近年來隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,加之資源的不合理利用,千島湖水體的污染負(fù)荷逐漸增加,局部水域已經(jīng)逐漸出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象,水環(huán)境質(zhì)量逐漸下降(董春穎等,2013)。作為深水水庫型湖泊,其水環(huán)境的變化與湖泊的熱力過程緊密相連。因此,為了更深入地了解千島湖的物理、化學(xué)以及生物生態(tài)過程,更好地保護(hù)與治理水體,研究千島湖溫度分層規(guī)律以及其空間差異顯得尤為重要。

1.2　采樣時間與采樣點(diǎn)位

為了研究千島湖水溫垂直分布和熱力分層的空間差異,在千島湖的街口、小金山、三潭島、大壩前、航頭島和矛頭尖6個區(qū)域共布設(shè)了60個涵蓋全湖的采樣點(diǎn)(圖 1)。2014年 7月與 2015年 5月分別對這60個采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣調(diào)查,采樣時均采用全球定位系統(tǒng)(GPS3000型導(dǎo)航儀)對采樣點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場空間定位,誤差小于 2m。野外采樣時,水質(zhì)垂直剖面測定采用多參數(shù)水質(zhì)儀(YSI6600V2,美國 YSI公司)。野外測定時,將YSI緩慢地垂直由水面放入水體中直至湖底,采用每隔2s(對應(yīng)于每隔0.1—0.2m深)自動記錄數(shù)據(jù)的方式,收集水體垂向理化指標(biāo),同時使用賽氏透明度盤測定每個采樣點(diǎn)水體的透明度,另外采樣時記錄采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度。

圖1　千島湖采樣點(diǎn)位分布圖Fig.1　The sampling sites in Qiandao Lake

1.3　熱力分層參數(shù)計算方法

在湖泊熱力學(xué)過程研究中,水溫的垂直分布、熱力分層、溫躍層的位置及其變化往往是研究重點(diǎn)。本研究中以溫躍層的深度、厚度和強(qiáng)度作為研究溫躍層的特征量。為了研究溫躍層的深度、厚度、和強(qiáng)度的分布和變化,溫躍層的最上層和最下層邊界必須準(zhǔn)確地確定(Zhanget al,2014)。為清晰闡述溫躍層特征量,我們以圖2給出的大壩附近站點(diǎn)水溫垂直分布為例加以說明。溫躍層深度是指溫躍層上界的深度,即溫度垂直分布曲線上,一般在溫躍層的上、下各有一個極大曲率點(diǎn),即最淺一個極大曲率點(diǎn)所在的深度。溫躍層厚度即上、下 2個極大曲率點(diǎn)的垂直距離(圖2)。溫躍層范圍內(nèi)上下界的平均值即為溫躍層強(qiáng)度。目前廣泛應(yīng)用的梯度準(zhǔn)則方法要求,溫躍層的垂直溫度梯度要大于一個定值,根據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范》,淺海水域(水深≤200m)中水溫梯度大于0.2°C/m的水層為溫躍層,深海水域(水深＞200m)中水溫梯度大于0.05°C/m的水層為溫躍層,另外,界定溫躍層深度時一般將水體表層 1m以內(nèi)排除在溫躍層之外(國家技術(shù)監(jiān)督局,1992; Joneset al,2011; 劉明亮等,2014 )。然而,在0.05°C/m與0.2°C/m之間,沒有客觀的方法來確定一個定值,根據(jù)以往千島湖溫度垂直剖面的研究經(jīng)驗(Zhanget al,2014),本文中將溫度梯度大于0.2°C/m的水層設(shè)定為溫躍層。

1.4　統(tǒng)計分析

本文中所有數(shù)據(jù)利用Origin 8.5軟件以及Excel進(jìn)行統(tǒng)計分析和制圖,獲得水溫垂直分布以及溫躍層深度與水溫、透明度和水深之間的關(guān)系。利用ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行克里金插值,繪制溫躍層深度、厚度以及強(qiáng)度的空間分布。

圖2　湖泊溫躍層示意圖Fig. 2　The thermocline position in the lake

2　結(jié)果與討論

2.1　水溫垂直分布

在千島湖采樣的 60個點(diǎn)位中,分別選取處于街口、航頭島、小金山、三潭島和大壩前及矛頭尖6個區(qū)域中典型的點(diǎn)位,觀察千島湖水溫的垂直分布。由于湖泊上下層水體間不同程度的增溫與冷卻,使水溫在垂直方向呈現(xiàn)一定的變化(Zhanget al,2014)。從圖3可以看出,2015年春季5月份,6個點(diǎn)位水溫的垂直分布均存在明顯的溫度分層現(xiàn)象,表層水溫(0—2m)一般在 22—26°C 之間,中層水溫(19—21m)一般在 12—14°C 之間,下層水溫(39—41m)一般在11°C左右,垂向溫差在 11—15°C之間。水溫從表層向下呈現(xiàn)躍變趨勢,在 20—30m之間為躍變的下層,30m以下部分水溫維持在10—11°C恒溫狀態(tài)。2014年夏季7月份,在空間上水體的溫度分層現(xiàn)象較春季5月份更為穩(wěn)定,表層水溫(0—2m)一般在 30—32°C之間,中層水溫(19—21m)一般在 20—22°C之間,底層水溫(39—41m)一般在 10°C 左右,垂向溫差在20—22°C。水溫呈現(xiàn)明顯的躍變趨勢,在30—40m之間為躍變的下層,40m以下部分水溫維持在 10°C左右的恒溫狀態(tài)。千島湖水溫的變化在夏季大于春季,垂直方向上水溫呈正溫分布,并且不同位點(diǎn)之間由于水深、透明度、入湖河流擾動、離岸距離等因素,其水溫的垂直分布也呈現(xiàn)一定的差異。

2.2　溫度分層的空間分布

圖3　千島湖6個點(diǎn)位水溫垂直分布Fig.3　Profiles of water temperature in six sites in Qiandao Lake

圖4　千島湖溫躍層深度、溫躍層厚度、溫躍層強(qiáng)度的空間分布Fig.4　Spatial distribution of thermocline depth,thermocline thickness,and thermocline strength in Qiandao Lake

在分析千島湖溫度垂直分布的空間變化的特征時,用 ArcGIS軟件繪制溫躍層深度、厚度以及強(qiáng)度分布的插值圖(圖4)。從圖4可以看出千島湖溫度垂直分層存在顯著的空間和季節(jié)差異。在矛頭尖和大壩前區(qū)域溫躍層的深度相對其他區(qū)域較深,而在街口和航頭島區(qū)域溫躍層深度較淺,三潭島和小金山區(qū)域溫躍層深度值介于中間。溫躍層深度從上游向下游隨水深增加呈現(xiàn)出遞增的趨勢,因為7月份是溫躍層成層較穩(wěn)定階段而5月份是溫躍層開始成層階段,所以這種由上游河口向下游敞水區(qū)遞增的空間變化趨勢在夏季7月份比春季5月份更為明顯。夏季7月份溫躍層深度在1—6m之間,春季5月份溫躍層深度在1—3m之間,溫躍層深度的最大值均出現(xiàn)在矛頭尖區(qū)域。溫躍層的厚度在矛頭尖和航頭島區(qū)域相對較小,在三潭島、小金山和大壩前區(qū)域溫躍層厚度較大,街口區(qū)域溫躍層厚度介于中間。夏季7月份,溫躍層厚度自上游向下游隨水深增加呈現(xiàn)遞增的趨勢,而在春季 5月份溫躍層厚度的空間變化并沒有明顯的規(guī)律可循。夏季7月份溫躍層的厚度在13—35m之間,春季5月份溫躍層厚度在4—26m之間。溫躍層的強(qiáng)度在成層較穩(wěn)定的 7月份自上游至下游呈現(xiàn)遞增的趨勢,而相對開始成層階段的5月份來說,這種增強(qiáng)的趨勢并不明顯。夏季 7月份,溫躍層強(qiáng)度在0.588—0.644°C/m 之間,春季 5月份溫躍層強(qiáng)度在0.470—0.974°C/m之間,顯然春季5月份溫躍層的強(qiáng)度數(shù)值跨度相較于夏季7月份更大,說明夏季5月份的湖泊熱力分層情況沒有夏季7月份穩(wěn)定。航頭島和矛頭尖區(qū)域為溫躍層強(qiáng)度高值區(qū),三潭島和街口區(qū)域為低值區(qū),大壩前和小金山區(qū)域溫躍層強(qiáng)度介于二者之間。兩次采樣的溫躍層強(qiáng)度自上游向下游呈現(xiàn)遞增趨勢,原因是上游更易受到水的擾動,溫躍層容易被破壞,下游卻不一樣,受上游來水影響小,溫躍層比較穩(wěn)定,分層明顯。由于我們采用插值法獲得溫躍層深度和厚度的空間分布,因此在每個位置都會有溫躍層的深度和厚度,現(xiàn)實情況是在一些岸邊淺水區(qū)并不一定存在明顯的熱力分層現(xiàn)象。

2.3　討論

針對湖泊熱力分層的主要影響因素的研究,已經(jīng)有一些工作開展(趙林林等,2011)。影響湖泊熱力分層的因素主要包括: 水溫(熱通量)、透明度以及湖泊的形態(tài)(水深、長度、寬度和面積等)。對于特定的湖泊,湖泊長度、寬度和面積變化不大,水深主要影響熱力分層的空間差異,而水溫和透明度則對湖泊熱力分層的季節(jié)變化和空間分布均有重要影響(孫順才等,1993; Hambrightet al,1994; Feeet al,1996; Zhanget al,2014)。

2.3.1水溫圖5中可以看出,在夏季7月份,表層水溫(0—2m)與溫躍層深度呈現(xiàn)顯著的負(fù)線性關(guān)系,線性回歸分析結(jié)果顯示,溫躍層深度與表層水溫(0—2m)的R2值為0.232,P＜0.01。相比,在春季 5月份,溫躍層深度與表層水溫(0—2m)沒有明顯的關(guān)系。由于夏季7月份是溫躍層的形成穩(wěn)定時期,春季5月份是溫躍層分層開始階段,由此表示表層水溫(0—2m)在分層穩(wěn)定時期對溫躍層深度有顯著的影響,而在分層開始階段表層水溫(0—2m)對溫躍層深度的影響相對有限。5月份表層水溫對溫躍層深度影響不顯著可能有以下兩方面原因: 一方面春季5月份太陽輻射弱于夏季7月份,氣溫也較低,造成表層和底層溫差較小,分層現(xiàn)象不是很明顯,溫躍層深度存在較大的波動和不確定性; 另一方面則是5月份處于春夏季更替期,氣溫和水溫日波動比較大,造成水溫空間差異比較大(圖 5),湖泊熱力分層來不及對水溫的快速變化作出響應(yīng),造成溫躍層深度與表層水溫相關(guān)性不顯著。這在以往基于水溫逐月定點(diǎn)觀測的研究中也得到驗證,如在千島湖小金山、三潭島和大壩前 3個站點(diǎn)2010年1月到2013年4月逐月觀測結(jié)果顯示,溫躍層深度與表層水溫在熱力分層穩(wěn)定和消退期(7—2月)存在顯著正相關(guān),而在熱力分層形成期(3—6月)相關(guān)性則不顯著(Zhanget al,2014)。

圖5　表層水溫(0—2m)與溫躍層深度線性擬合關(guān)系Fig.5　Regression between thermocline depth and surface temperature (0—2m)

2.3.2透明度透明度即水體透光的程度,太陽輻射穿入水體的深度越深,水體能夠接收到太陽輻射能的深度就越大,太陽輻射能的變化和在垂向上水體的增溫和冷卻的變化幅度不一,致使水體呈現(xiàn)不同分層現(xiàn)象,從而影響溫躍層的深度(孫順才等,1993; 趙林林等,2011; 劉明亮等,2014 )。圖6中可以看出,在溫躍層形成穩(wěn)定的夏季 7月份,透明度與溫躍層深度呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系,線性回歸分析結(jié)果顯示,溫躍層深度與水體透明度的R2值為0.328,P＜0.01。但是,在溫躍層分層開始的春季 5月份,透明度與溫躍層的深度之間不存在明顯的相關(guān)關(guān)系。

2.3.3水深由圖7可以看出,夏季7月份溫躍層深度與水深存在正相關(guān)關(guān)系,線性回歸分析結(jié)果顯示,溫躍層深度與水深的R2值為0.137,P＜0.01。而春季5月份,溫躍層深度與水深并不存在相關(guān)關(guān)系。由此表示水深在分層穩(wěn)定的時候(如夏季7月份)對溫躍層深度有顯著的影響,雖然在分層開始階段水深對溫躍層深度并沒有影響。

圖6　透明度與溫躍層深度線性擬合關(guān)系Fig.6　Regression between thermocline depth and transparency

圖7　水深與溫躍層深度擬合關(guān)系Fig.7　Regression between thermocline depth and water depth

2.3.4多元線性回歸模型湖泊熱力分層往往同時受表層水溫、透明度和水深的影響,為了綜合考慮其對溫躍層深度的影響,對7月份觀測數(shù)據(jù)以表層水溫、透明度和水深作為輸入?yún)?shù)進(jìn)行多元線性回歸,線性回歸決定系數(shù)相比單獨(dú)用表層水溫、透明度和水深作為輸入?yún)?shù)時有明顯的提高,R2值為 0.550,由此得到千島湖溫躍層深度的多元線性回歸模型:

式中,Zt、Ts、ZCD和Zd分別代表溫躍層深度、表層水溫、透明度和水深。n是選取的樣點(diǎn)數(shù),進(jìn)行多元線性回歸時只選取了 55個樣點(diǎn),其余 5個樣點(diǎn)均存在不同的參數(shù)缺測現(xiàn)象故不選用。根據(jù)多元線性回歸模型可以看出,透明度的系數(shù)最大,說明其對溫躍層深度影響的貢獻(xiàn)率最大,是主要影響因素。并且線性相關(guān)顯示,表層水溫前系數(shù)為負(fù)值,而透明度、水深前系數(shù)為正值,說明溫躍層深度隨水溫的增加而降低,隨透明度和水深的增加而增加。

考慮到7月份湖泊熱力分層比較穩(wěn)定,而溫躍層深度是反映湖泊熱力分層最直觀的熱力學(xué)參數(shù),因此重點(diǎn)討論 7月份溫躍層深度空間分布及其主導(dǎo)影響因素。圖8顯示7月份采樣期間水溫、透明度和水深的空間分布,從圖4和圖8可知,茅頭尖附近水域溫躍層深度較深主要是由高透明度引起的,此處水域透明度是其他水域的2倍左右,并且表層水溫也不高。大壩附近水域溫躍層深度較深則主要由于該水域水深較深所致,而街口、航頭島水域溫躍層深度較低主要是由于這些水域表層水溫高、透明度低和水深較淺所致(圖4、8)。而對于春季5月份,溫躍層深度與表層水溫、透明度和水深均不存在顯著相關(guān),除了前面闡釋的熱力分層不穩(wěn)定引起的溫躍層參數(shù)具有較大波動和不確定性,以及熱力分層對氣溫的快速變化響應(yīng)不及時外,5月份一般降水和流域來水比較多,壩前大壩放水量也比較大,在一定程度上會破壞和影響湖泊的熱力分層。未來我們將通過在典型湖區(qū)增加熱力分層觀測頻率(如開展高頻逐日水溫垂直剖面自動觀測)進(jìn)一步厘清春季溫躍層特征變化的關(guān)鍵因子和形成機(jī)制。

圖8　千島湖2014年7月份表層水溫(a)、透明度(b)和水深(c)空間分布Fig.8　Spatial distribution of surface water temperature (a),transparency (b),and water depth (c) in Qiandao Lake

目前,本文只分析了5月份(春季)和7月份(夏季)的分層情況以及水溫分層參數(shù)的空間分布。根據(jù)以往的研究結(jié)果,除了在冬季會出現(xiàn)上下層混合外,在秋季也還會有湖泊的熱力分層現(xiàn)象存在,因此未來還需要繼續(xù)補(bǔ)充其他季節(jié)和月份的觀測結(jié)果,以便更全面地反映不同季節(jié)和月份湖泊熱力分層情況以及分層參數(shù)的空間差異和潛在的影響因素。

3　結(jié)論

(1) 千島湖水體水溫垂向上呈正溫分布,水溫垂直分布在季節(jié)上存在明顯的差異,表層與中層水溫差異明顯,底層水溫差異次之。夏季7月份水溫垂向溫差在20—22°C,春季5月份溫差在11—15°C。

(2) 春、夏季千島湖全湖范圍內(nèi)均存在溫度分層現(xiàn)象,溫躍層深度、厚度和強(qiáng)度有顯著的空間差異,整體上由上游向下游隨水深增加呈遞增的趨勢,而這種空間差異在熱力分層穩(wěn)定期的夏季比分層形成期的春季更為明顯。

(3) 表層水溫、透明度和水深是影響溫躍層深度的主要因素。夏季湖泊熱力分層穩(wěn)定期溫躍層深度與表層水溫(0—2m)存在顯著負(fù)相關(guān),與透明度和水深存在顯著正相關(guān)。

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