分层湖库溶解氧时空特性研究进展

杜彦良，彭文启，刘 畅

（中国水利水电科学研究院，水环境研究所 北京 100038）

湖库水体溶解氧（DO）是维系水生态安全的重要要素之一，同时DO 几乎参与所有的水化学反应及水生物等相互作用过程，成为河湖水质管理的顶级评价指标。湖库中受水体的热力分层影响，溶解氧的呈现不同的分布。随着全球气候的变化，淡水水体营养水平升高的趋势下，大量的湖库中存在和海洋中类似的缺氧区［1］，并有加剧趋势。湖库底部低溶解氧导致底泥有毒物质释放［2］，直接威胁了鱼类、底栖生物等的生存和繁殖［3］，且改变食物链结构［4］，危害水生态系统的稳定和安全。National Ocean Service（USA）把DO＜2 mg/L 或DO 饱和度低于30%的区域定义为海洋中的缺氧区（hypoxic）［5］，Ecological Society of America 定义缺氧为DO＜2～3 mg/L［6］。淡水湖库缺氧区的形成与发展和地理气象、水动力条件、营养状态等众多因素相关，为改善湖库的生态环境，实施可持续发展的湖库管理，分层湖库中的DO 时空变化成为近年来研究的热点。

1 分层湖库的溶解氧垂向形态及发展

湖库分层水体由上至下为湖面温水层（epilimnion）、变温层（metalimnion）和下层滞温层（hypolimnion）。湖库分层形态与所在地理位置相关，不同纬度上年均辐射量、年内辐射量变化，及地球自传科氏力三个基本要素作用下，位于南北纬度0°～20°的湖泊分层的稳定性最低，南北纬度25°～40° 稳定性大幅提高［7］。此外，湖泊的形态参数对分层也有影响，如表层面积与平均深度之比R（surface area to mean depth ratio），也反映了蓄热能力，用以预测湖泊分层发生日期［8］。我国有水库宽深比判别水库水温是否分层。同时考虑湖库的水文情势的径流—库容法（α-β法）也常用于判别分层。水库下泄水量的不同深度的取水方式也影响水库热储量［9］。此外水色对分层也有影响［10］。DO 的垂向分布在很大程度上依赖湖库的热分层格局［11-12］，湖库分层后，稳定的热分层一定程度上阻碍了上层温水与下层较冷水体的交换，在温跃层上下形成热/冷、氧化/还原的对立环境，环境差异对湖库水化学、物质循环过程以及水生生物生命活动产生较大的影响，变温层的密度的差促进了水化学指标与生物体的垂向分布的差异的形成，变温层高密度梯度区成为较为特殊的栖息环境，水中颗粒及浮游生物体存在于代表其密度水平的垂向高度上，许多浮游生物通常将自身定位在强密度梯度中的温跃层中，以获得水柱上下两层之间的优点［13］。Cantin［4］研究发现对应温跃层深度的变化，浮游动植物群落在垂向上也表现出结构变化。综上，水体的密度分层是DO 浓度垂向形态的初始驱动。由于全球气温升高，湖库分层时间延长和分层稳定性增强［14-15］，DO 的垂向结构也相应发生变化。

在《湖沼学》［16］中总结了分层湖库中的DO 垂向分布形态两种模式。第一种模式多见于高纬度透明度高的贫营养型湖泊，DO 的季节性变化小，湖下层在整个分层期都呈现DO 饱和的状态，下层滞水层因水温低DO 浓度比上层更高，如图1中的①艾特湖。第二个模式多见于富营养湖泊和腐殖质湖泊，这类湖泊由上层向下层输入较多的有机物，使得的滞温层DO 沿水深浓度降低，底层远低于湖上层的DO 浓度，有时甚至为0，见图1。图1中不仅呈现滞温层的DO 减小模式，也呈现了变温层3 种不同形态：（1）变温层DO 极大值，如④；（2）变温层DO 极小值（MOM），如②③；（3）变温层DO 由大及小的单向变化，如⑤。除了图1中形态，水体分层结构不同DO 还可能有其他变化，如Merseburg-os 矿湖中变温层DO 增大，滞温层DO 浓度较高且垂向均匀，最底部的矿化层DO 几乎为0［13］。本文仅讨论淡水分层湖库的DO 变化。

湖泊DO 变化过程受以下要素控制：（1）通过水汽界面的气体交换；（2）考虑分层结构的垂向和水平混合；（3）光合作用导致在水中DO 浓度增加；（4）水生生物呼吸，有机物的细菌氧化、化学氧化并通过其他还原无机物消耗DO；（5）沉积物及底栖生物耗氧［13］。非永久分层的湖库年内DO 时空变化过程大致分几个阶段，春季DO 浓度垂向较为均匀，春末夏初季水体开始温度及分层，表层水体受（1）（2）（3）（4）作用，DO 较高，变温层受水体受（2）（3）（4）的作用，形态各异，滞温层受（2）（4）（5）作用，以耗氧为主兼有水平扩散，表层、变温层和滞温层DO 浓度逐渐产生差异。进入秋冬季节分层现象逐渐减弱，随着垂向温度梯度变小，DO 较高的表层水体下沉逐渐增强，水温的垂向差异逐渐变小，甚至逆转，称为“翻库”，翻湖（库）时间可通过经验公式进行预测［62］。冬春季随着水体的垂向掺混加强，自上而下地对湖库充氧，先是表层及变温层DO 均匀掺混，而后向湖库底部发展，垂向DO分布逐渐均匀，在年内完成一个变化周期。这个循环过程在Rhodes［17］、Kreling［18］、马越［19］、董春颖［20］及Zhang［21］中不同季节的实测DO 的垂向分布中展示，受纬度气象、形态、营养状态等多因子影响，可以看出DO 开始分层及结束的时间存在差异。

在不同纬度上，从水动力角度对分层水库进行划分，有6 种垂向循环类型的湖泊［22］，有不同垂向环流特性。Lewis［23］认为纬度带不仅影响水温结构同样影响着营养盐及浮游生物，在低纬度导致了较高的营养再生率，加速了营养循环、影响着营养和浮游等的时空分布，进而影响DO 分布。在我国高纬度的北方双循环湖库通常有较高的DO 垂向循环能力，低纬度的南方湖库DO 垂向交换能力较弱，表现为，冬春季节北方湖库DO 浓度垂向达到均匀的时间较早，而南方湖库的时间较迟。

2 变温层溶解氧变化

湖库水体密度分层过程驱动DO 的分层及垂向变化。通常认为变温层溶氧极大值是由于水体透明度足够高，变温层藻类的光合作用产生了DO 极大值［26-28］。Jones［24］对水库DO 极大值现象分析得到极大值与平均塞氏盘深度呈强相关（r=0.74）。Wilinson［29］通过测定藻类光合作用生产的氧气，指出单光合作用的并不是变温层最大值形成的原因。Dubay［26］认为高浓度DO 水流的输入也可能使得湖库变温层发生DO 极大现象。

变温层溶氧极小现象在不同营养状态水平的湖库中均广泛存在。Jones［24］对密苏里州235 个湖库的监测显示大部分DO 剖面为变温层极小值，这些水库大多都是中营养或富营养状态［25］。在我国南方贫营养状态的千岛湖［21］及德国北部贫营养状态的Rappbode 水库［34］在夏秋季均发生变温层极小现象。Rhodes 等［17］通过1977—2010年超过30年德国康斯坦斯湖垂向TP 浓度与DO 变化，湖中TP 平均浓度由0.08 mg/L 逐渐下降至0.01 mg/L 水平，在营养水平高的时段，变温层极小值现象不太显著，而到中营养和贫营养时段，湖区变温层的DO 极小值却更为显著，即极小值变小。Rhodes 解释为气候变暖作用的结果。

分层水体的变温层DO 极小（metalimnetic oxygen minima，MOM）现象早在海洋中发现，海洋学家认为是表层温水层产生大量有机物质（藻类），藻类有机物衰亡后在垂向沉降过程中被微生物分解，该过程的耗氧产生了MOM，也被称为“生物泵”作用［30］。与海洋相比，湖库水环境受外界的扰动大，如支流的物质、能量汇入、面源、沉积物释放等多要素作用，系统变化更为复杂，随着监测技术的提升，人们认识到绝大多数内陆分层湖库存在变温层极小现象，DO 极小达到缺氧水平，将成为湖库生态安全的隐患。除了借鉴海洋中“生物泵”作用，湖泊学家还提出其他不同的假设，Shapiro［31］将早期的假设与现场观察和分析联系起来，提出变温层DO 极小有三种可能的原因：（1）水平运输的中水柱上的悬浮有机物对氧气的吸收，（2）流过水体的低氧密度水流，和（3）从生物分解或呼吸中原位消耗氧气。Baker 等［32］对Mead 湖DO 研究中考虑了Shapiro 给出的可能原因，认为变温层DO 极小是因为湖泊的生产力高，变温层中浮游生物的呼吸作用导致DO 大量消耗。Zhang［21］在千岛湖的垂向监测结果显示，变温层处DO 极小区域，有色可溶性有机物（CDOM）浓度也较高。Boehre［13］对Arendsee 垂向监测剖面表明，变温层DO 极小区域，C 的浓度略高，解释为在变温层的高密度梯度捕获了悬浮有机颗粒，产生了MOM 现象。Wentzky等［33］认为水库中的藻类是呼吸作用的耗氧超过光合作用的产氧导致MOM。

变温层密度梯度较高的区域，导致垂向上与其他水域的紊动强度存在差异，DO 等水质变量的垂向混合也不同。密度分层水体的垂向紊动混合系数研究通常基于实验室测量和经验公式计算［35-37］，Weck 等［38］采用涡度相关技术（eddy correlation technique，EC）对德国两个湖泊的变温层的DO 和浮力通量进行现场测量，EC 测得的数值为紊动变量的时间平均值，从EC 导出的反映DO 的Prandtl 数的紊动扩散率比用参数预测的数值大一个数量级。Kreling 等［18］对德国Arendsee 湖变温层极小DO 研究中提出，基于局部区域的DO 消耗解释MOM 现象显然不够。在估算了DO 在垂向上的输运作用后，得到MOM 的发展不单单由当地增大的DO 消耗率造成的，而是DO 垂向梯度扩散和局部消耗的共同作用的结果。颗粒有机碳的向下通量促进了MOM 的发展，同时变温层DO 极小可能会增加浮游生物的呼吸作用，加速增光层的营养物循环，从而可能进一步刺激初级生产，DO 形成与光合作用和呼吸作用存在相互反馈的机制。Bolke 对Flaming Gorge 水库研究中［39］，对浮游植物和悬浮物的进行分析后，确定它们不是MOM 发生的主要原因。在夏末季节，入库河流经过库尾的沉积区域DO 降低，且水温低于库区水面，入流水体某个深度水平通过水库，密度流的输运导致了变温层溶氧极小。美国Copco 水库的研究报告［40］显示，一些时间段在变温层深度上水平输入了低DO 水体，另些时间段，水平输入的密度流可对滞温层区域的DO 进行补充。Williams［41］通过模型模拟，水库在变温层附近深度的取水会加剧MOM 的发展。Gerling［42］对Falling Creek 水库不同下泄流量的水质监测表明，大流量下泄时的MOM现象更为显著。

分层水库的温度梯度是变温层溶氧极小值形成的基本条件，除了影响水温分层的气象及地理因素，变温层中浮游动植物的呼吸作用、有机物浓度、水动力特性及水库调度方式等共同影响溶氧极小值的大小。

3 滞温层溶解氧变化

分层湖库底层低DO 是较普遍的现象，美国北部的Erie 湖夏季湖底缺氧甚至可追溯千年［43］。表层水体的光合作用产生氧气和有机物，部分有机物沉降到湖库底层，有机颗粒在下沉过程中被分解，并消耗底层水体DO 含量，水体的热分层限制了表层对滞温层DO 的补充，滞温层DO 的消耗超过了其在水中的积累，会导致滞温层缺氧。滞温层的DO 指示了滞温层厚度、温度及生产力［44］。湖库沉积物内源N、P 营养盐是滞温层缺氧的重要因素之一［41］。1960年代和1970年代欧美很多分层湖库受富营养化、缺氧等环境问题所困扰，人们意识到必须加强水库的水质管理。生物有效磷（BAP）被认为是初级生产力的驱动力，措施上主要侧重于减少磷负荷。1970年代中期和1980年代初期，许多湖泊的磷浓度都有所下降，创造了许多成功的案例，但湖库中缺氧现象并未达到预期的改善效果［45］。

为研究湖滞温层DO 变化，1920年代人们就关注到湖下层单位体积水体的氧气消耗速率，称为体积湖下层氧消耗速率（volumetric hypolimnetic oxygen depletion rate，VHOD），这是指示非腐殖质湖泊表层水中营养盐负荷和初级生产力的有效指标。水生态系统中常常通过测定VHOD 来预测水体是否会以及何时可能发生缺氧或厌氧。Hutchinson［16］提出面积湖下层氧消耗速率（areal hypolimnetic oxygen depletion rate，AHOD），对湖泊的初级生产力有很好的指示作用。Matthews［46］通过1978—2002年Onondaga 湖的垂向间隔1 m 的DO 数据，建立表层和底层的二层模型，计算得到滞温层DO 垂向输入占系统的15%～37%，AHOD 的减小与表层初级生产力和沉降到分解层的有机碳的减少相关。Matzinger［47］研究滞温层的DO，提出区域滞温层矿化耗氧速率（areal hypolimnetic mineralization rate，AHM），单位同AHOD，计算得到80% 以上的AHM 是有机物（包括沉积物表面）降解以及10年之内沉积物层还原物质的释放。在较厚的滞温层（12 m）的湖泊，老沉积层对于AHM 的贡献低。AHM 和滞温层厚度正相关，滞温层耗氧量主要是由湖泊当前的生产力控制，人工复氧、混合、沉积物疏浚等技术性湖泊管理措施不能有效地降低沉积物还原物质的流量。Johns［48］认为尽管水库有外来有机物输入，但底部耗氧，滞温层内耗氧对滞温层DO 影响较大，甚至超过其他来源的变量。Kreling［49］认为沉积是导致滞温层耗氧的主因。这些发现与来自世界各地的生产性湖泊的经验模一致［50-51］。

湖库滞温层DO 的变化，与水动力学及调度方式相关，不同温度的水体流入，携带外部DO 进入不同的深度。Weber［52］通过模型研究得到，为改善水库低温水下泄，表层取水的方式也会进一步降低水库滞温层的DO 水平。水库入流水量及下泄流量变化导致的水动力学变化也会对DO 及水温垂向分布产生影响［41］。

全球气候变化增加了湖库热力分层的稳定性，稳定分层结构导致有限垂直氧气交换和滞温层持续的氧气消耗，进而导致底层缺氧的恶化，而通常通过湖库的冬季水温翻转（翻库）对底层DO 的补充，在越来越温和的冬天，DO 补充效率降低，湖库下层可能因垂向DO 交换不足，而被耗尽［12，53］。Rhodes 等［17］康斯坦斯湖经历了去营养过程，随着时间的推移，在50 ～100 m 深度的滞温层的DO 浓度变化不大。

滞温层DO 浓度的变化主要受控于沉积物耗氧水平，同时水库的调度方式和湖库分层的稳定性也会影响湖库底部的滞温层DO 浓度。

4 湖库缺氧研究

为保障鱼类群落健康，水体中DO 需要维持在一定浓度范围内。对于缺氧耐受能力中等的鱼类，表层水DO 必须在2～5 mg/L 的水平或以上，而对于冷水种群以及不受CO2和污染物胁迫、需氧量较大的温水性种群来说DO 必须在5～9 mg/L 的水平或以上［54］。Nuernberg［55］列出美国和加拿大的水库水质管理中，根据不同季节或水域的DO 标准，大致范围为4.0～10.5 mg/L。20世纪人们发现在夏秋季节很多分层水库某些区域出现不同程度的缺氧现象，减小了鱼类可利用栖息地，提出相应的热-氧空间的损耗概念。分层湖库变温层及滞温层均会存在缺氧的现象，水体分层制约浮游动物日夜垂直迁移模式［57］，变温层缺氧将部分鱼类群落压缩到违背它们热偏好的滞温层，底部缺氧危害底栖生物及食物链结构，在极端情况下库区缺氧导致鱼类死亡率上升［58-61］。变温层缺氧对温室气体垂向分布也产生影响，导致了CH4在变温层和CO2在滞温层的积累［61］。面向水库的水质及生态管理实践中，人们同时关注水体开始缺氧的时间和持续时长。

Jones 等［19］对1989—2007年期间每年5月至8月密苏里州的235 个水库水温（个数n=7193）和溶解氧（n=6516）的垂直剖面分析，得到水体开始缺氧时刻通常是水域面积的函数，平均而言，一个10 000 hm2的水库比10 hm2的晚4 周左右变成缺氧。营养状态变量（TP，Chl 和Secchi）也表现出与缺氧的弱相关性（r＜0.4，p＜0.05），同时表明营养程度升高加速了缺氧的发生。Reckhow［63］在对55 个分层湖库的研究后，提出基于湖泊形态、水文、和营养负荷的缺氧概率（Panox）：

式中：z 为平均水深；qs为年均流量；Lext为年均外部的磷输入，该公式考虑了水深、流量和负荷量，可能会低估一些原始的贫营养水库的缺氧。Nurnberg［51］根据提出安大略湖附近的56 个湖泊研究中提出了缺氧因子（AF），定义为：

式中A0为湖泊表面积。Nurnberg［55］提出考虑TP 输入的AF 计算公式：

式中：A 为水库面积（km2）；TP 为总磷浓度（ug/L）。括号中数值为正负标准差。

5 湖库DO 数值模拟

水体中DO 是反映水质变化的基础变量，1925年的Streeter 和Phelps 建立的第一个S-P 水质模型即计算河流中的DO 和BOD 浓度变化。随着计算技术的发展，水质的模型耦合水动力等模型向多维、多参数方向发展，众多知名且成熟的水质模型，如Delft3D、EFDC、MIKE、CE-QUAL-W2 等，都可计算湖库水质及DO 的时空变化［64］。

分层湖库的DO 时空变化的一些机理问题仍在探讨中，为更精确模拟分层水体各层DO 的变化，学者通常根据最新的研究成果，或引入新参数，或对模型进行二次开发，来对DO 进行模拟。Matthews［40］建立表层和底层的二层模型计算滞温层DO 浓度变化，Müller［45］模型中引入AHM 参数，计算模拟了不同湖泊的滞温层DO 的时空变化。Weber［51］采用GLM 模型对水库的DO 进行模拟。上述研究均为垂向一维模型。在对水库的水质及DO 变化的模型研究中，垂向二维的CE-QUAL-W2 模型对狭长 形水库有较好运用［65-66］，前文提及Powell 湖DO 模拟［41］、美国Copco 水库DO 模拟［39］等。三维模EFDC 模型也有广泛的应用［64，67］。Chen［68］采用三维模型耦合水射流模型和线性气泡羽流模型，模拟一个浅水富营养化水库中滞温层复氧对水温及DO 结构的作用。驱动及影响湖库的DO 分布变化的因素众多，很难从个别因子进行湖库水质演化分析，模型手段是研究水环境系统不可缺少的工具，多模型耦合模型研发也是研究的重点。

6 结语

在全球气候变化、水体富营养化等背景下，分层湖库的缺氧现象变得越来越普遍，且受到广泛关注。受气候、地理、富营养化、有机污染、水文及负荷的输入过程等环境压力的作用，湖库分层后DO 在温水表层、变温层和滞温层中浓度形态发生变化。大气复氧、光合作用等的导致了温水表DO 浓度较大，而变温层DO 与浮游生物呼吸和光合作用、水平和表层等外部物质输入、有机物沉积过程分解、透明度等相关，DO 垂向形态各异，其中变温层DO 极小值广泛存在形成机理较为复杂。滞温层缺氧与沉积物、初级生产力、外部输入等相关，分层后通常表现为耗氧过程。影响分层湖库DO 时空分布的因素众多，个别因子或经验公式分析，难以对湖库DO 现象做出全面精确的描述，基于机理及过程的数值模型是DO 研究中必不可少的工具。我国地域幅员辽阔，变温层和滞水层缺氧现象在大部分分层水库中普遍存在，但很多水库中深层DO 的监测数据资料并不完备和充分，DO 及其水生态系统的影响程度研究也有限，在湖库生态恢复和水环境管理中缺乏相关的技术支撑和参考依据。针对分层湖库的缺氧问题，为水质和生态环境的改善提出可行性措施，提高水库科学管理水平，运用原位监测、经验参数、公式分析和数值模型等手段，揭示湖库溶解氧的演变机理，是迫切需要开展的研究课题。