澜沧江不同中游水库分层对溶解氧垂向分布的影响研究

2020-06-02官卓宇张思思刘德富

三峡大学学报(自然科学版) 2020年3期

官卓宇王慎张思思许尤马骏刘德富

(湖北工业大学土木建筑与环境学院河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室，武汉 430068)

随着水电大力开发及流域经济不断地发展，水体流动滞缓，营养物质进入水体，导致污染物负荷日益增加[1-4].澜沧江修建水库群后，大部分水体流速变缓，滞留时间变长，水体自净能力减弱[5-6]，许多水库区域出现生态环境问题[7-8].然而大部分调查主要针对营养盐和鱼类生境，在溶解氧调研方面则相对不足.水库长期蓄水导致水体滞留时间增加，并可能导致溶解氧的垂向分布与自然河流差异非常大[9]；有些水库因为水体部分区域溶解氧的消耗无法得到补给和更新，导致溶解氧的缺失，产生温跃层溶解氧极小值(metalimnetic oxygen minimum，MOM).溶解氧值是水污染评测的重要指标之一[10-11]，溶解氧的亏损则直接影响水体中生物群落的垂向分布[12-13]，对水体生态产生重要的影响.

澜沧江中游部分水库水较深，流动缓慢，水体滞留时间较长，溶解氧可能会存在部分区域消耗难以补给的情况.本文对澜沧江中游水库水体多参数分布特征进行了调查，从溶解氧的垂向分布趋势和溶解氧亏损角度揭示澜沧江水库的水生态问题.

1 材料与方法

1.1 研究区域与样点设置

澜沧江是湄公河在中国地段的名称，为中国西南地区最大河流，世界第六长河.起源于西藏唐古拉山，整个河流长度4900km，落差超过5km，流域面积覆盖164600km2.整个河流在功果桥以上为上游段，从功果桥到景临桥为中游段，景临桥以下为下游段，最终流入南海.

本文样点主要设置4 个监测点，记录为：XW、MW、DCS和NZD(实际意义为小湾水电站坝前、漫湾水电站坝前、大朝山水电站坝前和糯扎渡水电站坝前)，监测时间为2017～2018的丰水期(6 月)、枯水期(1月).所有监测点详实地点如图1所示，具体时间及采样点特征见表1.

图1 澜沧江不同水库的采样区域

表1 采样点特征

水体滞留时间计算公式如下[14]：

式中：Tr为水库水体滞留时间；V为水库库容；Q为入库流量.

1.2 现场监测指标与方法

本文重点研究溶解氧，而YSI-EXO 测定溶解氧的精度需要进一步改进，于是先使用更精确的荧光法[16]测定表层水体溶解氧浓度，与YSI-EXO 所测表层水体溶解氧进行比对，再对YSI-EXO 测量的垂向数据进行适当校核.

1.3 浮力频率

浮力频率：在稳定的温度层结中，流体质点受到干扰后在垂直方向上运动，重力与浮力的共同作用总使其逐渐回到平衡位置，并由于惯性而产生振荡，其振荡的频率称为浮力频率[17-18].在水体中常用于表征分层的剧烈程度，公式如下：

式中：g为重力加速度；ρ为水体密度，由文献[2]中的公式计算而来，与温度T和盐度S相关；Z为深度(公式(1)参考Rolf等[17]的研究，公式(2)参考纪道斌等[18]的研究).

MOM 定义：MOM 为温跃层溶解氧极小值，即在温跃层中间区域溶解氧最小的区域，溶解氧垂向分布图中异常变化类似”倒V”形状区域的顶点，也是溶解氧随深度变化率为0的点[19].

数据由YSI-EXO 中配套PC程序KOR 导出.采用ArcGIS绘制研究区域的监测断面.使用SPSS和Rstudio对环境因子进行分析，并进行数据统计和相关统计分析.多参数垂向分布图用Excel表格和origin绘制.

2 结果与分析

2.1 水体pH、电导率和Chl-a垂向分布特征

水体pH、电导率和Chl-a垂向分布特征如图2、图3所示.6月XW、NZD 存在明显分层，pH、电导率均在表层有明显变化.XW 在0～11m 处pH 从8.61下降到7.69，电导率从297μs·cm-1上升到352 μs·cm-1；NZD 在0～9m 处pH 从8.54 下降到7.88，电导率从252μs·cm-1上升到330μs·cm-1.6月MW、DCS基本不存在分层，pH、电导率垂向变化较小.1月XW、NZD 温跃层在水库中层，此处pH、电导率变化明显.XW 在42～50m 处pH 从7.82下降到7.55，在50～60m 处pH 从7.55上升到7.7，电导率在42～51m 处从323μs·cm-1上升到379μs·cm-1；NZD 在31～40m 处电导率从280μs·cm-1上升到331μs·cm-1.1月MW、DCS不存在明显分层，pH、电导率垂向变化较小。

6月所有样点在表层叶绿素a均明显减小，XW在0～13m 叶绿素a从9.8μg·L-1下降到1.3μg·L-1；MW 在0～6m 叶绿素a从3.9μg·L-1下降到1.3μg·L-1；DCS在0～6m 叶绿素a从10.2μg·L-1下降到0.1μg·L-1；NZD 叶绿素a较小，15m以下叶绿素a大约为0μg·L-1.1月XW 的叶绿素a在42～51m 处从2.2μg·L-1下降到1.1μg·L-1；MW、DCS的叶绿素a呈垂向掺混状态，大小分别为2.2～2.3μg·L-1、1.2～1.3μg·L-1.NZD 表层叶绿素a为0.8μg·L-1，30m 以下接近0μg·L-1.

图2 2017-06样点理化因子垂向分布特征

图3 2018-01样点理化因子垂向分布特征

2.2 不同水库水温垂向分布特征

不同水库水温垂向分布特征如图2、图3所示.6月XW 的温跃层在0～75m，水温从24.18℃降低到14.21℃，区间平均温度梯度为0.132℃·m-1，其中0～19m 温度梯度较大，达到0.394℃·m-1.MW 表层水温为18.96℃，底层水温为18.02℃，除在0～6m温度降低，其他深度水温波动较小.DCS 和MW 相似，水温波动较小，表层水温为20.44℃，底层水温为18.69℃.NZD 的温跃层在0～13m，水温从25.96℃降低到18.56℃，区间平均温度梯度为0.569℃·m-1。

由于各乡镇工业用水均为一般工业用水，因此按《辽宁省区域经济可持续发展水资源配置规划报告》中的一般工业中一般乡镇的用水增长率进行计算，2015年的用水增长率为3.4%，2020年的用水增长率为1.6%。2015年和2020年的工业用水量分别为 718.7 万 m3、724.5 万 m3。

1月XW 的温跃层在42～92m，在42～55m 水温从17.79℃降低到16.29℃，区间平均温度梯度为0.115℃·m-1；在55～92m 水温由16.29℃降低到15.18℃，区间平均温度梯度为0.03℃·m-1，其他深度水温波动较小.MW 水温在16.86～17.13℃，全深度无大幅度变化.DCS和MW 相似，水温在16.75～16.76℃，垂向无明显差异.NZD 的温跃层在26～50 m，水温由20.54℃降低到18.93℃，区间平均温度梯度为0.067℃·m-1.

2.3 不同水库溶氧量垂向分布特征

不同水库溶氧量垂向分布特征如图2、图3 所示.6月XW 溶解氧在0～9m 下降，9～20m 上升，呈“倒V”形状，极小值为3mg·L-1；在20m 深度以下溶解氧波动较小.MW 在0～11 m 溶解氧从9.24mg·L-1下降到7.03mg·L-1，在11m 以下变化较小.DCS与MW 相似，在0～11m 溶解氧从9.05 mg·L-1下降到7.49mg·L-1，11m 以下变化较小.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，极小值为2.58 mg·L-1，在19～105m 溶解氧先稳定然后呈现波动的下降趋势.

1月XW 在0～42m 溶解氧从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”，极小值为4.3mg·L-1；在62m以下溶解氧先回升后下降.MW 溶解氧垂向差异较小，溶解氧在7.4～7.8mg·L-1.DCS与MW 相似，溶解氧垂向无明显差异，溶解氧在7.5～7.9mg·L-1.NZD 从表层到底层持续波动下降，在42～60m有“倒V”变化趋势，现象较XW 弱.

2.4 不同水库浮力频率垂向分布特征

不同水库浮力频率垂向分布特征如图2、图3所示.6月XW 浮力频率N2在0～20m 整体变大，大部分在0.0001s-2以上，并且在9～10m 处达到最大值0.00364s-2，与MOM 点对应.MW 浮力频率N2在0～3m 为0.0006s-2，其他深度趋近于0s-2.DCS同MW 相似，浮力频率N2在0～3m 为0.0009s-2左右，其他深度均小于0.0002s-2.NZD 浮力频率N2在4～13m 变大，大部分N2在0.0001s-2以上，在6～7m 处达到最大0.00324s-2，与MOM 点对应.1月XW 浮力频率N2在42～92m 变大，大部分N2在0.0001s-2以上，并且在50m 处达到最大值0.00041s-2，与MOM 点对应.MW 浮力频率N2在表层为0.00015s-2，其他深度趋近于0s-2.DCS同MW 相似，全深度趋近于0s-2.NZD 的浮力频率N2在26～100m 整体变大，在47～48m 处达到最大0.0002s-2，在此区域有出现MOM 的趋势，N2小于1月XW 的N2最大值.

3 讨论

3.1 澜沧江不同中游水库的水温分层及其影响机制

根据滞留时间(库容/入库流量)、α判定值(年入库总水量/总库容)判定，水库水体分层结构分为河流型、过渡型、湖泊型[20-22].河流型水库的水体完全混合，内部受水体流速影响较大，垂向水温分布图为垂直向下的直线，表底温差较小.过渡型水库的水体处于半掺混状态，底层水温较表层水温有明显降低，垂向水温分布图为倾斜曲线.湖泊型水库的水体呈现明显分层状态，水体生物群落垂向结构差异巨大，呈现经典的混合层-温跃层-均温层结构，垂向水温分布图类似阶梯曲线.

根据水文、地理特征，XW 所处地理位置海拔高，接受太阳辐射大，表层升温较快，升温水体因为密度较小持续在上部，在夏季水体表层易出现较明显斜温层.水深较大，均温层常年无能量摄入，可能随着时间推移XW 底层水温长期不变或小幅度波动[23].综上，XW 表底存在较大能量输入差导致XW 水温分层，同时库容较大、水体滞留时间较长，从而导致表底层水体发生能量交换的可能性较小，水温分层结构则会长期存在[17].MW 和DCS库容较小，水体滞留时间短，水深较浅，且流量较XW、NZD 没有明显差异，水体的营养物质以及能量交换充分，垂向水温几乎没有变化.NZD 的水体滞留时间与XW 均较长，且库容更大，整体的水温分层结构相似于XW.但NZD 样点水深较XW 浅，流量较大，表底输入能量差小于XW，垂向交换相对频繁，导致表底温差远小于XW.

根据滞留时间、α判定值理论，XW 水体滞留时间为142.66d(过渡性水库)，α判定值为2.56(湖泊型水库).NZD 水体滞留时间为158.58d(过渡性水库)，α判定值为2.3(湖泊型水库).MW 水体滞留时间为8.66d(河流型水库)，α判定值为45.59(河流型水库).DCS水体滞留时间为8.18d(河流型水库)，α判定值为44.62(河流型水库).XW、NZD 为湖泊型-过渡型水库，MW、DCS为河流型水库.在枯水期1月，XW 和NZD 与上文所述湖泊型水库的经典分层状态一致，即混合层-温跃层-均温层；MW 和DCS与河流型水库状态一致，即全水体掺混.在丰水期6月，4个水库与经典判定理论有所出入，因为丰水期6月澜沧江中游流域为夏季，根据气象数据日平均气温均在22～36℃的区间，与水体温度12～26℃有较大差距，巨大的能量交换以及云南地区夏季较高的太阳辐射导致水体表层的混合层逐渐转变为温跃层.

3.2 澜沧江不同中游水库的溶解氧垂向分布及影响机制

4个样点的不同时期出现多种溶解氧垂向分布的现象，主要影响因素是水温分层.研究表明溶解氧的扩散通量与温度梯度有关，温度梯度越大，溶解氧越难以扩散[24].MW、DCS在6月和1月对比，6月表层存在一定的温度梯度，导致溶解氧扩散受阻，表层临近空气，其较大的溶解氧难以与下层较小的溶解氧发生交换，导致0～10m 溶解氧存在下降；1月水温未出现分层，温度梯度趋近于0，溶解氧垂向交换不受阻，掺混频繁，MW、DCS全深度溶解氧大小基本一致.

湖泊型水库方面，6月、1月的XW、NZD 溶解氧垂向变化则呈现更为复杂的趋势.6 月、1 月XW 均出现在某一深度溶解氧大幅降低后又大幅升高的变化趋势，6月NZD 同样出现此趋势，1月NZD 溶解氧仅仅随着深度降低而逐步降低，在42～60m 处有小幅降低后小幅升高的变化趋势.

上述溶解氧的特殊现象即温跃层溶解氧极小值(MOM)现象，将图3中的MOM 现象与图2的水温垂向分布对比，所有MOM 现象都出现在温度明显下降的区域，水体温度分层导致密度分层，量化分层特征的指标即浮力频率：在稳定温度层结中，流体质点受到干扰后在垂直方向上运动，重力与浮力的共同作用总使该质点逐渐回到平衡位置，并由于惯性而产生振荡，其振荡的频率即称为浮力频率[17].

对出现MOM 区域深度(“倒V”区域，见2.2)每米的溶解氧与浮力频率N2进行相关性分析，结果见表2，在澜沧江中游所出现MOM 区域，溶解氧和浮力频率N2呈现显著的负相关关系.

表2 澜沧江中游水库MOM 区域溶解氧与浮力频率N2 的相关性

如图4所示，红色的浮力频率垂向分布图所出现的“倒V”形状与蓝色的溶解氧垂向分布图所出现的“倒V”形状反向对应.

图4 出现MOM 区域中溶解氧与浮力频率、pH 的关系

溶解氧被大量消耗的主要来源为水体富营养化爆发一个周期后藻类死亡大量分解、底层沉积物SOD 较高导致水体氧气衰减、其他有机质的分解和氧化作用、水体生物的呼吸作用[25].如图2、图3中的叶绿素a分布以及澜沧江的历史调查[7]资料，澜沧江中游水库叶绿素水平较低，很少出现水华爆发，且图2中NZD 藻类少也产生MOM，因此排除大量藻类死亡导致MOM 产生的可能性；溶解氧极小值在图2的XW 中出现在表层，远小于底层的溶解氧值，且XW水体滞留时间较长，水深较大，表层、底层水体难以发生交换，因此排除底层SOD 导致表层MOM 产生的可能性.综上，澜沧江中游水库MOM 的形成仅有可能为有机质分解、氧化与水体生物呼吸作用导致，有机质分解与呼吸作用的共同点在于其生物方程(同为C6H12O6+O2→CO2+H2O+能量)[25]，当氧气大量消耗时，其产生的二氧化碳部分溶于水会使pH 降低，如图4的pH 分布，MOM 附近的pH 均有大幅度降低.综合浮力频率，浮力频率越大，微生物、浮游动物以及其他沉降有机物质受到扰动后，由于重力和浮力使其恢复到平衡位置的振荡次数越多，振荡总时间越长，即代表着耗氧生物、有机质在大浮力频率处所滞留的时间越长，消耗的氧气越多.同时此区域较大的温度梯度，导致其他区域的溶解氧难以对此进行“补给”，逐渐形成MOM 现象.俞焰、杨丽丽等的监测也证实了这一结论[9，26]，在千岛湖所发现MOM 区域的浮游动物密度远大于水体其他区域的浮游动物密度，证明浮游动物在此滞留，大量消耗溶解氧.

水体长时间的缺氧会对水库产生不可逆的影响[27]，MOM 层所代表的大浮力频率区域，在水体中会产生明显的阻隔，强烈的密度梯度，影响水体中的上下物质交换[28]，以及生物群落和其他指标的垂向分布.如千岛湖，浮游动物、浮游植物在MOM 层上下呈现较大差异[26].如澜沧江图2、3，电导率同样在MOM 层上下呈现较大的差异性(pH 的降低，水体中的难溶性金属碳酸盐等与增加的H+反应产生金属离子，金属离子的增加会导致电导率明显增加[29]).Nix等[30]的观测也发现一些有机物质仅在特定的温跃层密度层输送平移，难以上下交换.

综上所述，在澜沧江中游水库中，河流型水库，如MW 和DCS，溶解氧垂向分布通常呈现表层降低-中层混合-底层混合或者全深度混合的状态.即使表层有分层，因水体滞留时间短，水体更新快，也难以产生MOM.湖泊型水库，如XW 和NZD，溶解氧垂向分布异常复杂.在温跃层中分层最剧烈区域，如果浮力频率较小，则难以产生明显的MOM 现象，类似1月NZD；如果浮力频率较大，则容易产生MOM 现象，类似6 月XW、1 月XW 和6 月NZD.而产生MOM 现象后，其象征的强分层对MOM 层上下的水体交换有一定阻隔作用；但最近许多研究表明，NC10细菌极依赖水体中的厌氧环境，可以还原硝酸根离子，在水体溶解氧极小处进行脱氮反应[31]；同时Deutzmann等[32]也证明甲烷的氧化与反硝化作用密切相关，且基本在厌氧环境下才可进行，对水体进行脱氮；MOM 若长期存在，导致氧亏，形成的厌氧区域可能对于水体的“N 逃逸”有极大促进作用.故MOM 现象具体产生的生态环境影响有待于后续深入研究.