官卓宇 王 慎 張思思 許 尤 馬 駿 劉德富

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院 河湖生態(tài)修復(fù)與藻類利用湖北省重點實驗室， 武漢 430068)

隨著水電大力開發(fā)及流域經(jīng)濟不斷地發(fā)展，水體流動滯緩，營養(yǎng)物質(zhì)進入水體，導(dǎo)致污染物負荷日益增加[1-4].瀾滄江修建水庫群后，大部分水體流速變緩，滯留時間變長，水體自凈能力減弱[5-6]，許多水庫區(qū)域出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境問題[7-8].然而大部分調(diào)查主要針對營養(yǎng)鹽和魚類生境，在溶解氧調(diào)研方面則相對不足.水庫長期蓄水導(dǎo)致水體滯留時間增加，并可能導(dǎo)致溶解氧的垂向分布與自然河流差異非常大[9]；有些水庫因為水體部分區(qū)域溶解氧的消耗無法得到補給和更新，導(dǎo)致溶解氧的缺失，產(chǎn)生溫躍層溶解氧極小值(metalimnetic oxygen minimum，MOM).溶解氧值是水污染評測的重要指標之一[10-11]，溶解氧的虧損則直接影響水體中生物群落的垂向分布[12-13]，對水體生態(tài)產(chǎn)生重要的影響.

瀾滄江中游部分水庫水較深，流動緩慢，水體滯留時間較長，溶解氧可能會存在部分區(qū)域消耗難以補給的情況.本文對瀾滄江中游水庫水體多參數(shù)分布特征進行了調(diào)查，從溶解氧的垂向分布趨勢和溶解氧虧損角度揭示瀾滄江水庫的水生態(tài)問題.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與樣點設(shè)置

瀾滄江是湄公河在中國地段的名稱，為中國西南地區(qū)最大河流，世界第六長河.起源于西藏唐古拉山，整個河流長度4900km，落差超過5km，流域面積覆蓋164600km2.整個河流在功果橋以上為上游段，從功果橋到景臨橋為中游段，景臨橋以下為下游段，最終流入南海.

本文樣點主要設(shè)置4 個監(jiān)測點，記錄為：XW、MW、DCS和NZD(實際意義為小灣水電站壩前、漫灣水電站壩前、大朝山水電站壩前和糯扎渡水電站壩前)，監(jiān)測時間為2017～2018的豐水期(6 月)、枯水期(1月).所有監(jiān)測點詳實地點如圖1所示，具體時間及采樣點特征見表1.

圖1 瀾滄江不同水庫的采樣區(qū)域

表1 采樣點特征

水體滯留時間計算公式如下[14]：

式中：Tr為水庫水體滯留時間；V為水庫庫容；Q為入庫流量.

1.2 現(xiàn)場監(jiān)測指標與方法

本文重點研究溶解氧，而YSI-EXO 測定溶解氧的精度需要進一步改進，于是先使用更精確的熒光法[16]測定表層水體溶解氧濃度，與YSI-EXO 所測表層水體溶解氧進行比對，再對YSI-EXO 測量的垂向數(shù)據(jù)進行適當(dāng)校核.

1.3 浮力頻率

浮力頻率：在穩(wěn)定的溫度層結(jié)中，流體質(zhì)點受到干擾后在垂直方向上運動，重力與浮力的共同作用總使其逐漸回到平衡位置，并由于慣性而產(chǎn)生振蕩，其振蕩的頻率稱為浮力頻率[17-18].在水體中常用于表征分層的劇烈程度，公式如下：

式中：g為重力加速度；ρ為水體密度，由文獻[2]中的公式計算而來，與溫度T和鹽度S相關(guān)；Z為深度(公式(1)參考Rolf等[17]的研究，公式(2)參考紀道斌等[18]的研究).

MOM 定義：MOM 為溫躍層溶解氧極小值，即在溫躍層中間區(qū)域溶解氧最小的區(qū)域，溶解氧垂向分布圖中異常變化類似”倒V”形狀區(qū)域的頂點，也是溶解氧隨深度變化率為0的點[19].

數(shù)據(jù)由YSI-EXO 中配套PC程序KOR 導(dǎo)出.采用ArcGIS繪制研究區(qū)域的監(jiān)測斷面.使用SPSS和Rstudio對環(huán)境因子進行分析，并進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和相關(guān)統(tǒng)計分析.多參數(shù)垂向分布圖用Excel表格和origin繪制.

2 結(jié)果與分析

2.1 水體pH、電導(dǎo)率和Chl-a垂向分布特征

水體pH、電導(dǎo)率和Chl-a垂向分布特征如圖2、圖3所示.6月XW、NZD 存在明顯分層，pH、電導(dǎo)率均在表層有明顯變化.XW 在0～11m 處pH 從8.61下降到7.69，電導(dǎo)率從297μs·cm-1上升到352 μs·cm-1；NZD 在0～9m 處pH 從8.54 下 降 到7.88，電導(dǎo)率從252μs·cm-1上升到330μs·cm-1.6月MW、DCS基本不存在分層，pH、電導(dǎo)率垂向變化較小.1月XW、NZD 溫躍層在水庫中層，此處pH、電導(dǎo)率變化明顯.XW 在42～50m 處pH 從7.82下降到7.55，在50～60m 處pH 從7.55上升到7.7，電導(dǎo)率在42～51m 處從323μs·cm-1上升到379μs·cm-1；NZD 在31～40m 處電導(dǎo)率從280μs·cm-1上升到331μs·cm-1.1月MW、DCS不存在明顯分層，pH、電導(dǎo)率垂向變化較小。

6月所有樣點在表層葉綠素a均明顯減小，XW在0～13m 葉綠素a從9.8μg·L-1下降到1.3μg·L-1；MW 在0～6m 葉綠素a從3.9μg·L-1下降到1.3μg·L-1；DCS在0～6m 葉綠素a從10.2μg·L-1下降到0.1μg·L-1；NZD 葉綠素a較小，15m以下葉綠素a大約為0μg·L-1.1月XW 的葉綠素a在42～51m 處從2.2μg·L-1下降到1.1μg·L-1；MW、DCS的葉綠素a呈垂向摻混狀態(tài)，大小分別為2.2～2.3μg·L-1、1.2～1.3μg·L-1.NZD 表層葉綠素a為0.8μg·L-1，30m 以下接近0μg·L-1.

圖2 2017-06樣點理化因子垂向分布特征

圖3 2018-01樣點理化因子垂向分布特征

2.2 不同水庫水溫垂向分布特征

不同水庫水溫垂向分布特征如圖2、圖3所示.6月XW 的溫躍層在0～75m，水溫從24.18℃降低到14.21℃，區(qū)間平均溫度梯度為0.132℃·m-1，其中0～19m 溫度梯度較大，達到0.394℃·m-1.MW 表層水溫為18.96℃，底層水溫為18.02℃，除在0～6m溫度降低，其他深度水溫波動較小.DCS 和MW 相似，水溫波動較小，表層水溫為20.44℃，底層水溫為18.69℃.NZD 的溫躍層在0～13m，水溫從25.96℃降低到18.56℃，區(qū)間平均溫度梯度為0.569℃·m-1。

由于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)用水均為一般工業(yè)用水，因此按《遼寧省區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展水資源配置規(guī)劃報告》中的一般工業(yè)中一般鄉(xiāng)鎮(zhèn)的用水增長率進行計算，2015年的用水增長率為3.4%，2020年的用水增長率為1.6%。2015年和2020年的工業(yè)用水量分別為 718.7 萬 m3、724.5 萬 m3。

1月XW 的溫躍層在42～92m，在42～55m 水溫從17.79℃降低到16.29℃，區(qū)間平均溫度梯度為0.115℃·m-1；在55～92m 水溫由16.29℃降低到15.18℃，區(qū)間平均溫度梯度為0.03℃·m-1，其他深度水溫波動較小.MW 水溫在16.86～17.13℃，全深度無大幅度變化.DCS和MW 相似，水溫在16.75～16.76℃，垂向無明顯差異.NZD 的溫躍層在26～50 m，水溫由20.54℃降低到18.93℃，區(qū)間平均溫度梯度為0.067℃·m-1.

2.3 不同水庫溶氧量垂向分布特征

不同水庫溶氧量垂向分布特征如圖2、圖3 所示.6月XW 溶解氧在0～9m 下降，9～20m 上升，呈“倒V”形狀，極小值為3mg·L-1；在20m 深度以下溶解氧波動較小.MW 在0～11 m 溶解氧從9.24mg·L-1下降到7.03mg·L-1，在11m 以下變化較小.DCS與MW 相似，在0～11m 溶解氧從9.05 mg·L-1下降到7.49mg·L-1，11m 以下變化較小.NZD 在0～19m 存在“倒V”溶解氧垂向分布，溶解氧在0～8m 下降，8～19m 上升，極小值為2.58 mg·L-1，在19～105m 溶解氧先穩(wěn)定然后呈現(xiàn)波動的下降趨勢.

1月XW 在0～42m 溶解氧從8.0mg·L-1下降到6.5mg·L-1；在42～62m 溶解氧大幅度下降后上升，呈“倒V”，極小值為4.3mg·L-1；在62m以下溶解氧先回升后下降.MW 溶解氧垂向差異較小，溶解氧在7.4～7.8mg·L-1.DCS與MW 相似，溶解氧垂向無明顯差異，溶解氧在7.5～7.9mg·L-1.NZD 從表層到底層持續(xù)波動下降，在42～60m有“倒V”變化趨勢，現(xiàn)象較XW 弱.

2.4 不同水庫浮力頻率垂向分布特征

不同水庫浮力頻率垂向分布特征如圖2、圖3所示.6月XW 浮力頻率N2在0～20m 整體變大，大部分在0.0001s-2以上，并且在9～10m 處達到最大值0.00364s-2，與MOM 點對應(yīng).MW 浮力頻率N2在0～3m 為0.0006s-2，其他深度趨近于0s-2.DCS同MW 相似，浮力頻率N2在0～3m 為0.0009s-2左右，其他深度均小于0.0002s-2.NZD 浮力頻率N2在4～13m 變大，大部分N2在0.0001s-2以上，在6～7m 處達到最大0.00324s-2，與MOM 點對應(yīng).1月XW 浮力頻率N2在42～92m 變大，大部分N2在0.0001s-2以上，并且在50m 處達到最大值0.00041s-2，與MOM 點對應(yīng).MW 浮力頻率N2在表層為0.00015s-2，其他深度趨近于0s-2.DCS同MW 相似，全深度趨近于0s-2.NZD 的浮力頻率N2在26～100m 整體變大，在47～48m 處達到最大0.0002s-2，在此區(qū)域有出現(xiàn)MOM 的趨勢，N2小于1月XW 的N2最大值.

3 討 論

3.1 瀾滄江不同中游水庫的水溫分層及其影響機制

根據(jù)滯留時間(庫容/入庫流量)、α判定值(年入庫總水量/總庫容)判定，水庫水體分層結(jié)構(gòu)分為河流型、過渡型、湖泊型[20-22].河流型水庫的水體完全混合，內(nèi)部受水體流速影響較大，垂向水溫分布圖為垂直向下的直線，表底溫差較小.過渡型水庫的水體處于半摻混狀態(tài)，底層水溫較表層水溫有明顯降低，垂向水溫分布圖為傾斜曲線.湖泊型水庫的水體呈現(xiàn)明顯分層狀態(tài)，水體生物群落垂向結(jié)構(gòu)差異巨大，呈現(xiàn)經(jīng)典的混合層-溫躍層-均溫層結(jié)構(gòu)，垂向水溫分布圖類似階梯曲線.

根據(jù)水文、地理特征，XW 所處地理位置海拔高，接受太陽輻射大，表層升溫較快，升溫水體因為密度較小持續(xù)在上部，在夏季水體表層易出現(xiàn)較明顯斜溫層.水深較大，均溫層常年無能量攝入，可能隨著時間推移XW 底層水溫長期不變或小幅度波動[23].綜上，XW 表底存在較大能量輸入差導(dǎo)致XW 水溫分層，同時庫容較大、水體滯留時間較長，從而導(dǎo)致表底層水體發(fā)生能量交換的可能性較小，水溫分層結(jié)構(gòu)則會長期存在[17].MW 和DCS庫容較小，水體滯留時間短，水深較淺，且流量較XW、NZD 沒有明顯差異，水體的營養(yǎng)物質(zhì)以及能量交換充分，垂向水溫幾乎沒有變化.NZD 的水體滯留時間與XW 均較長，且?guī)烊莞?，整體的水溫分層結(jié)構(gòu)相似于XW.但NZD 樣點水深較XW 淺，流量較大，表底輸入能量差小于XW，垂向交換相對頻繁，導(dǎo)致表底溫差遠小于XW.

根據(jù)滯留時間、α判定值理論，XW 水體滯留時間為142.66d(過渡性水庫)，α判定值為2.56(湖泊型水庫).NZD 水體滯留時間為158.58d(過渡性水庫)，α判定值為2.3(湖泊型水庫).MW 水體滯留時間為8.66d(河流型水庫)，α判定值為45.59(河流型水庫).DCS水體滯留時間為8.18d(河流型水庫)，α判定值為44.62(河流型水庫).XW、NZD 為湖泊型-過渡型水庫，MW、DCS為河流型水庫.在枯水期1月，XW 和NZD 與上文所述湖泊型水庫的經(jīng)典分層狀態(tài)一致，即混合層-溫躍層-均溫層；MW 和DCS與河流型水庫狀態(tài)一致，即全水體摻混.在豐水期6月，4個水庫與經(jīng)典判定理論有所出入，因為豐水期6月瀾滄江中游流域為夏季，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)日平均氣溫均在22～36℃的區(qū)間，與水體溫度12～26℃有較大差距，巨大的能量交換以及云南地區(qū)夏季較高的太陽輻射導(dǎo)致水體表層的混合層逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇剀S層.

3.2 瀾滄江不同中游水庫的溶解氧垂向分布及影響機制

4個樣點的不同時期出現(xiàn)多種溶解氧垂向分布的現(xiàn)象，主要影響因素是水溫分層.研究表明溶解氧的擴散通量與溫度梯度有關(guān)，溫度梯度越大，溶解氧越難以擴散[24].MW、DCS在6月和1月對比，6月表層存在一定的溫度梯度，導(dǎo)致溶解氧擴散受阻，表層臨近空氣，其較大的溶解氧難以與下層較小的溶解氧發(fā)生交換，導(dǎo)致0～10m 溶解氧存在下降；1月水溫未出現(xiàn)分層，溫度梯度趨近于0，溶解氧垂向交換不受阻，摻混頻繁，MW、DCS全深度溶解氧大小基本一致.

湖泊型水庫方面，6月、1月的XW、NZD 溶解氧垂向變化則呈現(xiàn)更為復(fù)雜的趨勢.6 月、1 月XW 均出現(xiàn)在某一深度溶解氧大幅降低后又大幅升高的變化趨勢，6月NZD 同樣出現(xiàn)此趨勢，1月NZD 溶解氧僅僅隨著深度降低而逐步降低，在42～60m 處有小幅降低后小幅升高的變化趨勢.

上述溶解氧的特殊現(xiàn)象即溫躍層溶解氧極小值(MOM)現(xiàn)象，將圖3中的MOM 現(xiàn)象與圖2的水溫垂向分布對比，所有MOM 現(xiàn)象都出現(xiàn)在溫度明顯下降的區(qū)域，水體溫度分層導(dǎo)致密度分層，量化分層特征的指標即浮力頻率：在穩(wěn)定溫度層結(jié)中，流體質(zhì)點受到干擾后在垂直方向上運動，重力與浮力的共同作用總使該質(zhì)點逐漸回到平衡位置，并由于慣性而產(chǎn)生振蕩，其振蕩的頻率即稱為浮力頻率[17].

對出現(xiàn)MOM 區(qū)域深度(“倒V”區(qū)域，見2.2)每米的溶解氧與浮力頻率N2進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表2，在瀾滄江中游所出現(xiàn)MOM 區(qū)域，溶解氧和浮力頻率N2呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)關(guān)系.

表2 瀾滄江中游水庫MOM 區(qū)域溶解氧與浮力頻率N2 的相關(guān)性

如圖4所示，紅色的浮力頻率垂向分布圖所出現(xiàn)的“倒V”形狀與藍色的溶解氧垂向分布圖所出現(xiàn)的“倒V”形狀反向?qū)?yīng).

圖4 出現(xiàn)MOM 區(qū)域中溶解氧與浮力頻率、pH 的關(guān)系

溶解氧被大量消耗的主要來源為水體富營養(yǎng)化爆發(fā)一個周期后藻類死亡大量分解、底層沉積物SOD 較高導(dǎo)致水體氧氣衰減、其他有機質(zhì)的分解和氧化作用、水體生物的呼吸作用[25].如圖2、圖3中的葉綠素a分布以及瀾滄江的歷史調(diào)查[7]資料，瀾滄江中游水庫葉綠素水平較低，很少出現(xiàn)水華爆發(fā)，且圖2中NZD 藻類少也產(chǎn)生MOM，因此排除大量藻類死亡導(dǎo)致MOM 產(chǎn)生的可能性；溶解氧極小值在圖2的XW 中出現(xiàn)在表層，遠小于底層的溶解氧值，且XW水體滯留時間較長，水深較大，表層、底層水體難以發(fā)生交換，因此排除底層SOD 導(dǎo)致表層MOM 產(chǎn)生的可能性.綜上，瀾滄江中游水庫MOM 的形成僅有可能為有機質(zhì)分解、氧化與水體生物呼吸作用導(dǎo)致，有機質(zhì)分解與呼吸作用的共同點在于其生物方程(同為C6H12O6+O2→CO2+H2O+能量)[25]，當(dāng)氧氣大量消耗時，其產(chǎn)生的二氧化碳部分溶于水會使pH 降低，如圖4的pH 分布，MOM 附近的pH 均有大幅度降低.綜合浮力頻率，浮力頻率越大，微生物、浮游動物以及其他沉降有機物質(zhì)受到擾動后，由于重力和浮力使其恢復(fù)到平衡位置的振蕩次數(shù)越多，振蕩總時間越長，即代表著耗氧生物、有機質(zhì)在大浮力頻率處所滯留的時間越長，消耗的氧氣越多.同時此區(qū)域較大的溫度梯度，導(dǎo)致其他區(qū)域的溶解氧難以對此進行“補給”，逐漸形成MOM 現(xiàn)象.俞焰、楊麗麗等的監(jiān)測也證實了這一結(jié)論[9，26]，在千島湖所發(fā)現(xiàn)MOM 區(qū)域的浮游動物密度遠大于水體其他區(qū)域的浮游動物密度，證明浮游動物在此滯留，大量消耗溶解氧.

水體長時間的缺氧會對水庫產(chǎn)生不可逆的影響[27]，MOM 層所代表的大浮力頻率區(qū)域，在水體中會產(chǎn)生明顯的阻隔，強烈的密度梯度，影響水體中的上下物質(zhì)交換[28]，以及生物群落和其他指標的垂向分布.如千島湖，浮游動物、浮游植物在MOM 層上下呈現(xiàn)較大差異[26].如瀾滄江圖2、3，電導(dǎo)率同樣在MOM 層上下呈現(xiàn)較大的差異性(pH 的降低，水體中的難溶性金屬碳酸鹽等與增加的H+反應(yīng)產(chǎn)生金屬離子，金屬離子的增加會導(dǎo)致電導(dǎo)率明顯增加[29]).Nix等[30]的觀測也發(fā)現(xiàn)一些有機物質(zhì)僅在特定的溫躍層密度層輸送平移，難以上下交換.

綜上所述，在瀾滄江中游水庫中，河流型水庫，如MW 和DCS，溶解氧垂向分布通常呈現(xiàn)表層降低-中層混合-底層混合或者全深度混合的狀態(tài).即使表層有分層，因水體滯留時間短，水體更新快，也難以產(chǎn)生MOM.湖泊型水庫，如XW 和NZD，溶解氧垂向分布異常復(fù)雜.在溫躍層中分層最劇烈區(qū)域，如果浮力頻率較小，則難以產(chǎn)生明顯的MOM 現(xiàn)象，類似1月NZD；如果浮力頻率較大，則容易產(chǎn)生MOM 現(xiàn)象，類 似6 月XW、1 月XW 和6 月NZD.而 產(chǎn) 生MOM 現(xiàn)象后，其象征的強分層對MOM 層上下的水體交換有一定阻隔作用；但最近許多研究表明，NC10細菌極依賴水體中的厭氧環(huán)境，可以還原硝酸根離子，在水體溶解氧極小處進行脫氮反應(yīng)[31]；同時Deutzmann等[32]也證明甲烷的氧化與反硝化作用密切相關(guān)，且基本在厭氧環(huán)境下才可進行，對水體進行脫氮；MOM 若長期存在，導(dǎo)致氧虧，形成的厭氧區(qū)域可能對于水體的“N 逃逸”有極大促進作用.故MOM 現(xiàn)象具體產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境影響有待于后續(xù)深入研究.

4 結(jié) 論

1)瀾滄江中游水庫，在冬季枯水期，XW 和NZD水溫呈現(xiàn)混合層-溫躍層-均溫層的經(jīng)典分層狀態(tài)；MW 和DCS水溫不分層，水體處于完全混合狀態(tài).在夏季豐水期，XW 和NZD 水溫呈現(xiàn)溫躍層-均溫層的狀態(tài)；MW 和DCS處于表層小幅度降溫、中層底層混合的狀態(tài).

2)瀾滄江中游水庫中各個水庫溶解氧垂向分布差異較大.MW 和DCS的水體溶解氧在垂向上基本不變，XW 和NZD 的水體溶解氧在垂向上有較大、較復(fù)雜的變化，部分劇烈分層區(qū)域出現(xiàn)MOM 現(xiàn)象.

3)對瀾滄江中游水庫中產(chǎn)生MOM 區(qū)域的“倒V”深度中每米的溶解氧和浮力頻率N2進行相關(guān)性分析，4組結(jié)果皆呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)關(guān)系，表示大幅增加的浮力頻率與MOM 現(xiàn)象的形成顯著相關(guān).