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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710055)

湖泊、水庫(kù)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(kù)在夏秋季存在明顯的熱力分層，一般可分為3個(gè)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(qiáng)烈的梯度[4]. 水體的垂向分層對(duì)光照、溶解氧(DO)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和微生物有著重要影響[5-7]，同時(shí)也會(huì)改變浮游植物和浮游動(dòng)物的垂直分布和遷移以及浮游動(dòng)物和魚(yú)類等高等生物的攝食行為[6,8-10].

隨著水體富營(yíng)養(yǎng)化加劇和全球氣候變暖，許多湖庫(kù)夏秋季發(fā)生明顯的藻類水華[11-12]. 深水湖庫(kù)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(yíng)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(kù)，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(kù)在夏秋季均會(huì)同時(shí)存在熱分層和藻類暴發(fā)的問(wèn)題，這可能誘發(fā)湖庫(kù)出現(xiàn)另一個(gè)新問(wèn)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(gè)因素：(1)低DO濃度水體的流入；(2)水體中原位生化過(guò)程，包括有機(jī)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(dòng)力；(3)溫躍層邊壁沉積物消耗DO. 1998年Effler等[17]提出水庫(kù)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(jī)質(zhì)降解耗氧；(2)較高濃度非遷移浮游動(dòng)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(guò)程，使得部分區(qū)域DO呈最小值狀態(tài)[18-19]，甚至達(dá)到缺氧[20-21]、厭氧水平[22-25]

熱分層時(shí)期MOM在不同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)水平的湖庫(kù)中均有發(fā)現(xiàn)[17-18]，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)其形成機(jī)制有所報(bào)道，但尚無(wú)綜述性的文獻(xiàn)參考，且對(duì)于MOM所導(dǎo)致的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、水質(zhì)問(wèn)題以及最終的控制方法論述較少. 本文旨在通過(guò)總結(jié)現(xiàn)有研究，綜合早期的假設(shè)、現(xiàn)場(chǎng)觀察和系統(tǒng)分析，總結(jié)MOM的形成原因、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)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(jìn)展，對(duì)該科學(xué)問(wèn)題的研究進(jìn)行展望.

1 國(guó)內(nèi)外有關(guān)MOM的報(bào)道

截至到目前，在全球10個(gè)國(guó)家、51個(gè)湖泊/水庫(kù)報(bào)道過(guò)溫躍層溶解氧最小值的現(xiàn)象，詳細(xì)信息見(jiàn)表1. 追溯到1937年，Wiebe[26]在美國(guó)田納西州的深水水庫(kù)Norris水庫(kù)發(fā)現(xiàn)報(bào)道了MOM，在夏季熱分層時(shí)期，DO在9.14～15.24 m處急劇減少，并在1941年的北卡羅來(lái)納州Hiwassee水庫(kù)和肯塔基州Herrington水庫(kù)也發(fā)現(xiàn)了類似的DO分布[27]. 1957年，Shapiro等[16]在美國(guó)華盛頓湖再次報(bào)道了溫躍層DO濃度較低的現(xiàn)象，持續(xù)6個(gè)月，DO 在15 m處最小為2.0 mg/L，緊接著Kim等[28]對(duì)該湖的進(jìn)一步研究確認(rèn)了MOM的存在. 1937-2000年，在美國(guó)15個(gè)州的25個(gè)湖泊、水庫(kù)中報(bào)道了MOM；21世紀(jì)初，又相繼在明尼蘇達(dá)州Holland湖[29]、弗吉尼亞州Spring Hollow水庫(kù)[30]與Falling Creek水庫(kù)[23]、北卡羅來(lái)納州Norman湖和Badin湖[31]發(fā)現(xiàn)了MOM. 根據(jù)文獻(xiàn)記載，其他國(guó)家關(guān)于此現(xiàn)象的報(bào)道比美國(guó)少，且集中在20世紀(jì)末和21世紀(jì)初. 其中德國(guó)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(kù)[18]報(bào)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(shí)了MOM的存在；荷蘭、韓國(guó)、加拿大、墨西哥、新西蘭和瑞士從1981年開(kāi)始也相繼發(fā)現(xiàn)了MOM；中國(guó)于2015年在千島湖[20,37]、2017年在李家河水庫(kù)[15]和2020年在潘家口水庫(kù)[38]、糯扎渡水庫(kù)[39]、小灣水庫(kù)[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(wèn)題.

圖2 2017年西安市李家河水庫(kù) 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(dá)到最低，甚至達(dá)到厭氧狀態(tài)；MOM 開(kāi)始時(shí)間一般為5月，延續(xù)至9-10月，不同地域、不同類型湖庫(kù)有所不同. 對(duì)于深水水庫(kù)，MOM一般位于10～30 m深的水層，DO濃度最低可達(dá)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(guó)李家河水庫(kù)的溫躍層在7月和8月達(dá)到厭氧狀態(tài)(圖2)[15]；德國(guó)Ammer湖[24]在9月形成一個(gè)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(yíng)養(yǎng)狀態(tài)水平的水庫(kù)形成MOM的特征亦有所不同，如：德國(guó)富營(yíng)養(yǎng)湖泊Arendsee湖[22]和美國(guó)富營(yíng)養(yǎng)湖泊 Falling Creek 湖[23]會(huì)在夏末形成嚴(yán)格厭氧的MOM區(qū)域，而德國(guó)貧營(yíng)養(yǎng)的Rappbode水庫(kù)[18]和中國(guó)中營(yíng)養(yǎng)水平的千島湖[20]則會(huì)形成DO最小值約為4.0 mg/L 的MOM區(qū)域.

隨著越來(lái)越多有關(guān)湖庫(kù)MOM的報(bào)道，關(guān)于MOM的成因分析、導(dǎo)致的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和水質(zhì)問(wèn)題以及控制方法也成為很多學(xué)者的研究對(duì)象. 不同地域、不同類型湖庫(kù)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(fēng)險(xiǎn)和水質(zhì)響應(yīng)，并對(duì)未來(lái)研究進(jìn)行展望.

2 MOM的研究方法

熱分層期湖庫(kù)MOM可在不同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)水平的湖庫(kù)中存在. Jones等[69]對(duì)密蘇里州湖庫(kù)的研究表明，大多中營(yíng)養(yǎng)或富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的湖庫(kù)會(huì)出現(xiàn)MOM；同樣的現(xiàn)象在貧營(yíng)養(yǎng)水體亦有發(fā)現(xiàn)，如我國(guó)的千島湖[20]及德國(guó)的Rappbode水庫(kù)[18]. 針對(duì)國(guó)內(nèi)外湖庫(kù)中出現(xiàn)的MOM，許多學(xué)者在案例研究中均有相關(guān)報(bào)道.

大部分學(xué)者通過(guò)對(duì)湖庫(kù)水體中DO、溫度、葉綠素濃度以及藻類等的季節(jié)監(jiān)測(cè)來(lái)掌握MOM的變化動(dòng)態(tài). 除了對(duì)實(shí)際水體的季節(jié)監(jiān)測(cè)，水質(zhì)模型的引入能夠更加直觀、清晰地解析MOM的形成過(guò)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(dòng)力學(xué)、氧氣、養(yǎng)分和浮游植物的群落動(dòng)態(tài))并模擬Rappbode水庫(kù)中MOM形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程. 通過(guò)與實(shí)際水體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，逐步完善水質(zhì)模型的真實(shí)可靠性，為湖庫(kù)動(dòng)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(jì)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(yùn)林等[20]又將千島湖溫躍層中氧的演化過(guò)程歸結(jié)為以下幾個(gè)原因：(1)通過(guò)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(jī)質(zhì)的微生物代謝分解、化學(xué)氧化和其他還原性無(wú)機(jī)物質(zhì)消耗DO；(5)底棲沉積物對(duì)氧的消耗. 黃廷林等[15]于2017年在西安市水源水庫(kù)——李家河水庫(kù)發(fā)現(xiàn)并報(bào)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(duì)應(yīng)側(cè)壁高耗氧水體的引入；(4)分層對(duì)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(dāng)，亦會(huì)人為誘發(fā)MOM.

綜上，將現(xiàn)有關(guān)于MOM成因的研究主要?dú)w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(jī)質(zhì)(藻源有機(jī)質(zhì)、高濁水引入自然有機(jī)質(zhì)、邊壁有機(jī)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(gè)基本而重要的物理過(guò)程. 張運(yùn)林等[21]發(fā)現(xiàn)水庫(kù)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(kù)水體分層會(huì)導(dǎo)致有機(jī)體在溫躍層沉速降低且堆積，消耗大量DO而又無(wú)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(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間[24]、溫躍層中強(qiáng)烈的溫度和密度梯度[4]對(duì)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(jìn)了MOM的形成.

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

藻類水華是夏季富營(yíng)養(yǎng)化水源地水庫(kù)的普遍現(xiàn)象，藻類或水中顆粒有機(jī)質(zhì)會(huì)從表面開(kāi)始沉降，由于溫躍層的高密度水體，有機(jī)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(jìn)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(dòng)物會(huì)進(jìn)行呼吸作用來(lái)滿足自身的生存需要，也會(huì)消耗部分溫躍層DO[29].

劉雪晴等[76]報(bào)道，在西安李家河水庫(kù)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(jī)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(guò)多通道葉綠素a熒光儀在不同激發(fā)波長(zhǎng)下定量估計(jì)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(dāng)，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(guó)Rappbode水庫(kù)溫躍層中浮絲藻(Planktothrixrubescens)水華為形成MOM做出了重要的貢獻(xiàn). 張運(yùn)林等[20]對(duì)千島湖的垂向監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在MOM所在區(qū)域，可溶性有機(jī)物濃度也較高. Ernst等[78]和Hofmann等[79]在對(duì)德國(guó)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(kù)上層過(guò)程，特別是藻類動(dòng)態(tài)過(guò)程是形成MOM的主要過(guò)程.

圖3 湖庫(kù)夏秋季熱分層及有機(jī)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(kù)邊壁沉積物與水流的橫向夾帶聯(lián)合影響 水庫(kù)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(yíng)養(yǎng)且富含有機(jī)質(zhì)的水通過(guò)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(jī)質(zhì)消耗DO[17,24]，具體概念模型見(jiàn)圖4.

圖4 湖庫(kù)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(kù)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(huì)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(kù)時(shí)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(qiáng)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(duì)于坡度相當(dāng)陡峭的峽谷狀[15]、高山深水水庫(kù)[25,40]，泥沙表面積與水量之比相對(duì)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(duì)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(dòng)，經(jīng)過(guò)水流的橫向夾帶，刺激水庫(kù)中心溫躍層的氧耗，促進(jìn)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(dòng)，使得淺灣底部缺氧水體夾帶溶解有機(jī)質(zhì)和懸浮固體有機(jī)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(jìn)MOM的形成[29]. Nix[56]的研究表明，美國(guó)DeGray水庫(kù)溫躍層的高耗氧量可歸因于大量帶有易降解有機(jī)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(gè)過(guò)程控制：溫躍層中DO的消耗和氧穿過(guò)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(dòng)物呼吸、有機(jī)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(jiàn)本文前述)，但DO的垂直遷移也是一個(gè)不可忽略的因素.

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

而Kreling等[22]在Arendsee水庫(kù)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(jí)，并通過(guò)向MOM輸送溶解氧來(lái)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(lái)自表層和底部滯溫層. 因此，DO的垂直輸送對(duì)溫躍層氧動(dòng)態(tài)方面起著不可或缺的作用，且在根據(jù)DO濃度的時(shí)間變化來(lái)估算DO消耗率時(shí)，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(guò)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(bǔ)給[76]，進(jìn)而加劇該現(xiàn)象.

3.1.5 其他原因 隨著全球氣候變暖，湖庫(kù)表層水溫升高增加了熱分層的強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間，夏季中位風(fēng)速降低與降水減少，削弱水體內(nèi)部擾動(dòng)，阻礙了深層水體復(fù)氧[81]. 由于湖庫(kù)富營(yíng)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(wú)法滿足DO的消耗需求[30,78]，溫躍層耗氧加劇.

圖5 Falling Creek水庫(kù)監(jiān)測(cè)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(kù)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(dāng)，也會(huì)促進(jìn)和加劇MOM的產(chǎn)生[71-72]. HOx多應(yīng)用于淺水湖庫(kù)，運(yùn)行期間，滯溫層實(shí)現(xiàn)有效的供氧. 如果HOx系統(tǒng)未能將整個(gè)滯溫層充氧，會(huì)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(huì)在溫躍層消耗DO，微生物呼吸、有機(jī)質(zhì)的降解都會(huì)加速M(fèi)OM的出現(xiàn)[82]，對(duì)于淺水湖泊，MOM 60%的氧耗起源于邊壁沉積物以及底棲過(guò)程. 在HOx系統(tǒng)停止運(yùn)行期間，沉積物會(huì)在3天后形成一個(gè)缺氧環(huán)境，如圖5所示. 由于沒(méi)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(huì)加劇MOM[60]. EM系統(tǒng)的運(yùn)行會(huì)擾亂上層水體，從而使得部分上層的富營(yíng)養(yǎng)水體進(jìn)入溫躍層，增加溫躍層的氧耗，促進(jìn)形成MOM[83].

4 MOM導(dǎo)致的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)水生環(huán)境的影響

DO可控制湖泊沉積物中磷的釋放與無(wú)機(jī)氮的去除效率[84-85]. 缺氧會(huì)改變魚(yú)類的生理過(guò)程、空間分布和捕食者相互作用[86-88]，增加水庫(kù)中有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷[89]，對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生不利影響[85,90-92]. 因此，研究MOM對(duì)溫躍層生態(tài)及水質(zhì)構(gòu)成的風(fēng)險(xiǎn)，具有重要意義.

4.1 MOM導(dǎo)致的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

DO濃度降低對(duì)水生生物(如浮游植物、魚(yú)類)的影響，已在世界許多湖泊和水庫(kù)中報(bào)道. 溫度和溶解氧的聯(lián)合作用會(huì)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(dòng)物日夜垂直遷移模式[29,93-94]，影響魚(yú)類在水庫(kù)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(yú)類額外的能量消耗、攝食和生長(zhǎng)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(duì)水生動(dòng)物捕食的影響 溫躍層中的高密度水體會(huì)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(yú)在溫躍層中的停留時(shí)間，而濁度的變化影響了對(duì)獵物的檢測(cè)，該層MOM與濁度水體的結(jié)合為部分生物提供了庇護(hù)，有利于防止諸如幽蚊屬(Chaoborus)等生物被魚(yú)類捕食[61]；魚(yú)類可以有效地探測(cè)和避免低氧環(huán)境[94]，夏季Hiidenvesi水庫(kù)溫躍層較低DO濃度，使得低氧耐受性較差的胡瓜魚(yú)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(dòng)物(如水蚤Cladoceran)比魚(yú)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(yú)類捕食的庇護(hù)所. 不過(guò)，部分胡瓜魚(yú)(OsmerusmordaxMitchill)為了生存需要，會(huì)冒險(xiǎn)進(jìn)入MOM所在水層來(lái)捕獲幽蚊幼蟲(chóng)或水蚤，這與Arend[90]觀察到的黃鱸魚(yú)(PercaflavescensMitchill)會(huì)突襲缺氧的滯溫層來(lái)捕獲高質(zhì)量的獵物情況類似. 這種情況會(huì)使以水蚤為食物的幽蚊屬浮游動(dòng)物和胡瓜魚(yú)共同存在于同一水層，MOM為脊椎動(dòng)物和無(wú)脊椎動(dòng)物捕食者的共存提供了空間，從而導(dǎo)致枝角類浮游動(dòng)物生物量的減少.

4.1.2 對(duì)水生動(dòng)物遷移的影響 Coutant[93]發(fā)現(xiàn)鱸魚(yú)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(dāng)棲息環(huán)境受限或不適用時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致條紋鱸魚(yú)生長(zhǎng)緩慢甚至死亡. Thompson等[95]的研究又表明，缺氧會(huì)迫使條紋鱸魚(yú)(Moronesaxatilis)進(jìn)入較溫暖的水域，遷移到溫躍層頂部，有時(shí)會(huì)在幾周內(nèi)占據(jù)相對(duì)較高溫度的水域(27～30℃)來(lái)存活幾個(gè)月的時(shí)間. 而Rice等[31]的研究發(fā)現(xiàn)，較小的條紋鱸魚(yú)更偏向于溫度，因此會(huì)占據(jù)較溫暖的表層,而大型條紋鱸魚(yú)會(huì)選擇其他水域. 美國(guó)北卡羅納州Norman湖與Badin湖由于MOM的形成，會(huì)在溫躍層底部形成一個(gè)好氧區(qū)，條紋鱸魚(yú)喜好的灰西鯡(Alosapseudoharengus)和紅鯡魚(yú)(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(huì)迫使較大的條紋鱸魚(yú)進(jìn)入此水域. 然而，如果溫躍層缺氧的程度或厚度對(duì)魚(yú)類移動(dòng)產(chǎn)生了足夠的障礙，條紋鱸魚(yú)可能會(huì)被困在這個(gè)隔離區(qū)域，甚至DO濃度在這個(gè)區(qū)域下降到臨界水平以下會(huì)導(dǎo)致條紋鱸魚(yú)在夏季死亡.

4.1.3 對(duì)水生動(dòng)物的危害 MOM形成的缺氧甚至厭氧條件使得美國(guó)阿肯色州-密蘇里州Bull Shoals水庫(kù)的虹鱒魚(yú)死亡以及Norman湖和Badin湖條紋鱸魚(yú)死亡[96]. 美國(guó)另一水庫(kù)，北卡羅來(lái)納州J. Strom Thurmond水庫(kù)的紅鯡魚(yú)會(huì)集中在被嚴(yán)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(yú)靠近大壩底部壓縮的有氧區(qū)域，該區(qū)域魚(yú)類密度增加，造成紅鯡魚(yú)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(wú)法在夏季生存. 此外，缺氧導(dǎo)致部分魚(yú)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(yú)(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(dòng)物棲息地區(qū)域減少、攝食環(huán)境改變. 最終水體中水生動(dòng)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(duì)水生環(huán)境的影響

MOM除了影響水庫(kù)中的生物活動(dòng)外，還會(huì)對(duì)水體溫室氣體產(chǎn)生影響[81]. McClure等[23]研究的Falling Creek水庫(kù)MOM會(huì)在水體中產(chǎn)生一個(gè)氧化還原梯度，從而顯著改變溫室氣體分布，見(jiàn)圖7. Falling Creek水庫(kù)中由于MOM的存在以及HOx系統(tǒng)的運(yùn)行[82]，被充氧的滯溫層會(huì)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富的上游沉積物由于缺氧會(huì)產(chǎn)生較高的CH4生成速率，富含CH4的水體在風(fēng)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(shí)，Goudsmit等[97]的研究表明，當(dāng)溫躍層達(dá)到缺氧甚至厭氧狀態(tài)時(shí)，CH4無(wú)法氧化，積聚在溫躍層. 沉積物中CH4的橫向運(yùn)移是MOM中CH4積累的主要來(lái)源，好氧變溫層和厭氧溫躍層產(chǎn)生的CH4貢獻(xiàn)一小部分[98-99]. 此外，MOM會(huì)改變CH4和CO2排放峰值的時(shí)間. 由于暴雨或其他擾動(dòng)引起的深處水體混合會(huì)夾帶低氧的溫躍層水來(lái)到水庫(kù)表層，伴隨著水體中溫室氣體的移動(dòng)，從而導(dǎo)致CH4和CO2在混合期前擴(kuò)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(duì)MOM導(dǎo)致的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)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(wú)光、壓力、微生物作用下，藻細(xì)胞、藻類有機(jī)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(guó)內(nèi)，針對(duì)MOM原位控制多采用揚(yáng)水曝氣技術(shù)(water-lifting aerators，WLAs)[100]，最新一代示意圖見(jiàn)圖8. WLAs兼具滯溫層充氧及全層混合，自然混合過(guò)程的提前與混合作用時(shí)效的延長(zhǎng)，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(guó)多個(gè)省份水源地水庫(kù)得到應(yīng)用[15,100,102]. 2018年，黃廷林課題組研究指出，WLAs通過(guò)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(guó)內(nèi)許多水質(zhì)原位控制技術(shù)(如揚(yáng)水造流技術(shù))對(duì)藻類原位控制取得了顯著效果[103]，由于關(guān)于湖庫(kù)MOM的研究較少，對(duì)MOM的改善效果尚無(wú)具體報(bào)道.

圖8 揚(yáng)水曝氣系統(tǒng)：(a)揚(yáng)水曝氣系統(tǒng)示意圖；(b)李家河水庫(kù)揚(yáng)水曝氣器布置圖；(c)揚(yáng)水曝氣器結(jié)構(gòu)圖 (1-空氣壓縮機(jī)；2-氣柜； 3-空氣過(guò)濾器；4-流量計(jì)；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(guó)外常用的水庫(kù)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(duì)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(yùn)用到全球30多個(gè)水庫(kù). EM技術(shù)主要通過(guò)擾亂水體上部分的分層作用達(dá)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(yùn)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(duì)MOM改善效果不明顯[105-106]. HOx的間歇運(yùn)行反而會(huì)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(bǔ)給，改善MOM. 官卓宇[109]對(duì)小灣水庫(kù)的MOM進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，當(dāng)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(dòng)導(dǎo)致溶解氧得到交換時(shí)[110]，MOM逐漸消失. 因此當(dāng)水庫(kù)出現(xiàn)明顯的MOM時(shí)，可針對(duì)水庫(kù)溫躍層以上區(qū)域進(jìn)行分層取水，使水庫(kù)溫躍層溫度梯度降低，促進(jìn)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(kù)上層水體的熱分層，有關(guān)對(duì)MOM控制及作用機(jī)理的研究鮮見(jiàn)，特別是混合充氧技術(shù)對(duì)MOM的控制效果和運(yùn)行啟動(dòng)條件還需要進(jìn)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(guó)外在MOM形成原因、機(jī)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(bào)道，但不同水庫(kù)的形態(tài)特征差異很大，關(guān)于我國(guó)飲用水水源地水庫(kù)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(kù)藻華的多重作用[81]，使得湖庫(kù)在溫躍層因藻類衰亡耗氧出現(xiàn)厭氧現(xiàn)象的機(jī)率增加. 由于我國(guó)地域幅員遼闊,地形復(fù)雜，且不同湖庫(kù)水深、庫(kù)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(guó)的湖庫(kù)情況更加復(fù)雜.

基于現(xiàn)有的研究成果，認(rèn)為還有以下幾方面需要進(jìn)一步研究：

1)針對(duì)國(guó)內(nèi)不同地區(qū)、不同類型水源地水庫(kù)的MOM進(jìn)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(jī)碳以及溶解性有機(jī)氮等水質(zhì)參數(shù)的變化，特別是在厭氧、無(wú)光、壓力條件下藻類、藻類有機(jī)物的轉(zhuǎn)化規(guī)律；

3)探明高效控制水源地水庫(kù)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(kù)暫無(wú)高效的原位控制措施，可開(kāi)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(lái)優(yōu)化消除MOM誘發(fā)的水質(zhì)問(wèn)題等方向研究.

5)進(jìn)一步探究湖庫(kù)底部滯溫層缺氧和MOM在其生成機(jī)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(yíng)養(yǎng)水平的湖庫(kù)中均會(huì)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(jī)質(zhì)降解和生物呼吸作用加速溶解氧消耗以及湖庫(kù)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(dāng)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(dòng)物(如魚(yú)類、幽蚊屬、枝角類浮游動(dòng)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(zhǎng)速率. 此外，還會(huì)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(guó)外水庫(kù)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(wú)法徹底改善MOM，甚至可能誘發(fā)MOM的形成. 國(guó)內(nèi)多采用揚(yáng)水曝氣技術(shù)(WLAs)，同時(shí)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(kù)溫度梯度降低，促進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)和控制機(jī)理已有較多研究，但還需進(jìn)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.