基于水質現場監測參數的于橋水庫水體分層特征初步研究

周緒申，計亞麗，孔凡青，王乙震，張 俊，郭麗峰，高越鵬

（1.海河流域水環境監測中心，天津300170；2.天津市碧波環境資源開發有限公司，天津300170）

基于水質現場監測參數的于橋水庫水體分層特征初步研究

周緒申1，計亞麗1，孔凡青1，王乙震1，張 俊1，郭麗峰1，高越鵬2

（1.海河流域水環境監測中心，天津300170；2.天津市碧波環境資源開發有限公司，天津300170）

于橋水庫是跨流域供水的水庫，研究各項水體現場監測參數隨水深變化規律，結果表明：于橋水庫表層（0～4 m）是水體交換活動頻繁的區域，水下（4～10 m）為于橋水庫的溫躍層，水下（＞10 m）為下層水體。在溫躍層，水溫、pH值、電導率、溶解氧等指標發生了劇烈的變化，氧化還原電位受水體深度影響較明顯，葉綠素a受水體深度影響也較明顯。

于橋水庫；水體分層；水質；現場監測

1 引言

陽光是地球最大的能量來源，吸收陽光的多寡決定了地球溫度梯度的高低差異，超過一半的太陽能是通過湖泊上層水域吸收的，溫度剖面隨著水深增加而呈指數下降，風力的擾動、水體對流、密度流會使湖泊吸收的太陽能在整個水體中混合均勻，而上下層的溫差會有效阻止水體混合[1]。對于有一定水深的湖泊，水溫對水域的可溶性氣體溶解度、鹽類溶解度和穩定性、pH值的變化都有影響，還直接制約著水域中浮游生物、細菌等生長活動，與魚類的生長發育、繁殖、越冬等密切相關，水溫的變化規律也是估算水域生長潛力的重要依據[2]。湖泊和水庫的水溫分層現象亦會影響水中營養物質的分布規律、浮游生物生長變化及魚類的分布。水體分層決定了湖泊內水化學（如氧化—還原）變化、物質地球化學循環、水生生物作用的時空分布等重要湖沼學過程，中等深度（＞10 m）的溫帶湖泊形成顯著的水體熱分層[3]。水深的變化是影響沉水植物生長和繁殖最重要的生態因子之一[4]。因此，對于有一定水深的湖泊，水體的分層可能對湖泊內幾乎所有水環境演化過程起著控制或影響作用。

于橋水庫是天津市的重要飲用水源地，也是引灤入津工程重要的調節水庫和中轉站。筆者通過于橋水庫水體分層特征初步研究，為水庫水體物理分層提供基礎參考資料，也為于橋水庫水生生物生長規律變化、水質采樣及評價、底質營養鹽的沉積及釋放提供相應的基本參考數據。

2 研究區概況

于橋水庫位于燕山山脈南麓、天津市薊縣城東，是國家重點大型水庫之一，始建于1959年，于1960年7月完成第一期工程，是以防洪、城市供水為主，兼顧灌溉、發電等綜合利用的大型水利工程。水庫總庫容15.59億m3，正常蓄水位21.16 m（大沽高程，下同），汛限水位19.87 m，死水位15 m。該水利樞紐控制流域面積2 060 km2，占整個州河流域面積的96%，州河由沙河、淋河、黎河3大支流匯合而成，各支流上游溝澗甚多，支流分散成輻射狀匯集于州河盆地，水庫庫區即位于該盆地，最大回水東西長約30 km，南北寬8 km，最大淹沒面積250 km2（正常蓄水位時淹沒面積86.8 km2）。州河流域境內雨量充沛，多年平均年降雨量750 mm，多年平均徑流量5.06億m3。

于橋水庫既是天津重要飲用水源地，也是引灤入津工程重要的中轉站，承擔著潘家口—大黑汀水庫的輸水任務，是引灤入津工程的控制性調蓄樞紐，對天津市供水有著至關重要的作用。近年來，由于工業廢水、生活污水引起的于橋水庫富營養化問題日益嚴重，促使菹草泛濫，成為于橋水庫水生態演變及季節變化的主導因素。每年春夏之際為菹草生長繁殖期，5—6月菹草開始衰敗和死亡，7—8月為于橋水庫藻類高發期，經常出現“水華”現象，其優勢類群為藍藻，主要優勢種為銅綠微囊藻[5]。

3 研究方法

采樣時間為2014年7月22日11時，樣點選址為于橋水庫下游放水洞以上500 m附近，分別對水面至底層進行現場測定及采樣，現場參數測定垂直分布為每隔0.5 m布設1個樣點，共25個樣點。

水溫（T）、pH值、溶解氧（DO）、電導率（Cond）、葉綠素a（Chla）、氧化還原電位（ORP）等借助YSI 6610多參數水質分析儀進行現場測定。采用Excel對數據進行圖表分析。

4 研究結果

4.1 水溫

由于風的作用，上層水不斷進行混合，致使水溫在表層（0～4 m）的變化不大，隨著水深的增加，氣溫的瞬時變化對水體溫度的影響逐漸減小甚至消失；同時，由于受水體中顆粒物及水草等的影響，隨著水深的增加，水體獲得的太陽輻射逐漸減少，水溫逐漸下降，在水下深度4～10 m的范圍內，水的溫度變化超過了10℃。但是，隨著水深的再增加，水溫變化逐漸減小并趨于平穩，如圖1所示。由此可見，于橋水庫的溫躍層在水深為4～10 m的水層。

圖1 不同深度水溫變化

溫躍層是指由于風的作用，上層水發生混合和溫度變化，下層水始終保持穩定的狀態，上下層之間便會產生溫度急變的躍層[6]。溫躍層對水庫的生態系統和水環境等有著非常重要的影響。于橋水庫由于有溫躍層的存在，上下層水體中的電導率、pH值、葉綠素a、溶解氧、細胞密度等水質指標都有較大的差別。

4.2 電導率

電導率是水質分析中的一項重要指標，水體中電導率的大小主要取決于溶解在水體中的離子種類、濃度和水溫等因素。一定程度上，電導率的變化能反映出水體中氮、磷等營養鹽水平的變化，從而間接地反映出水體富營養化的發生程度[7]。

于橋水庫的電導率變化如圖2所示，電導率在表層（0～4 m）變化不大，在溫躍層逐漸增大，在下層變化趨于平穩。原因在于夏季于橋水庫的浮游植物、藻類等生長旺盛，消耗了表層（0～4 m）水體中大量的氨氮、硝酸鹽、磷酸鹽、碳酸根離子、鈉離子、鈣離子、鎂離子等導電的營養鹽離子而又不能及時得到補充。

圖2 不同深度電導率變化

4.3 pH值

夏季于橋水庫表層（0～4 m）的藻類和水生植物開始大量快速生長，它們的快速生長消耗了水體中大量的氨氮、硝酸鹽、磷酸鹽、碳酸根離子、鈉離子、鈣離子、鎂離子等營養鹽離子，吸收了大量的CO2，使水體加速水解反應，部分金屬離子沉淀，因此使于橋水庫表層（0～4 m）的pH值明顯偏高。于橋水庫的pH值變化，如圖3所示。

圖3 不同深度pH值變化

4.4 氧化還原電位

氧化還原電位是水質中的一個重要指標，它不能獨立反映水質的好壞，但卻能綜合水溫、溶解氧、pH值等水質指標來反映水生態環境。氧化還原電位越高，氧化性越強；電位越低，還原性越強。氧化還原電位為正表示水體顯示一定的氧化性，電位為負說明水體顯示出還原性。

于橋水庫的氧化還原電位變化如圖4所示，在水庫表層（0～4 m）和溫躍層（4～10 m）總體變化不大，顯示為還原性。

圖4 不同深度氧化還原電位變化

4.5 葉綠素a

于橋水庫的葉綠素a變化如圖5所示，葉綠素a在1～2 m處達到最高值后，隨著深度的增加逐漸下降，但有些波動變化。通過葉綠素a數值可以看出，在淺層湖庫，不同深度都有藻類的分布，密度在表層較高[5，8]。周真明等[9]研究表明，于橋水庫中銅綠微囊藻大部分集中懸浮在2～3倍透明度水深區。

圖5 不同深度葉綠素a變化

4.6 溶解氧

水中溶解氧的含量是評價水體水質和水體自凈能力的重要指標，對水生生物的生存、水體的自凈功能等具有重要的作用[10]。水中溶解氧含量與諸多因素有關，氣象參數、水溫、水深及水中溶質（如其他氣體、有機物或無機物）的變化都會引起其較大改變。在自然情況下，空氣中的含氧量變動不大，故水溫是主要影響因素，水溫越低，水中的溶解氧含量越高。同時，水中溶解氧與水深的關系也密不可分，隨著水深的增加，水體獲得的太陽輻射逐漸減少，溶解氧的含量也逐漸降低。

于橋水庫的溶解氧變化如圖6所示，溶解氧在表層（0～4 m）總體變化不大，但在水下（4～6 m）急劇下降，在水下（6～10 m）隨著深度的增加緩慢下降并逐漸趨于零。

圖6 不同深度溶解氧變化

5 結論與建議

（1）于橋水庫表層（0～4 m）是水體交換活動頻繁的區域，水下（4～10 m）為于橋水庫的溫躍層，水下（＞10 m）為下層水體。

（2）在溫躍層，水溫、pH值、電導率、溶解氧等指標發生了劇烈的變化，氧化還原電位受水體深度影響較明顯，葉綠素a受水體深度影響也較明顯。光照、水溫對藻類上浮下沉、在不同水層中分布的影響較明顯，各參數隨水深變化狀況見表1。

表1 各指標隨水深的變化情況

（3）于橋水庫表、底層水體水質差異明顯，建議在水質監測過程中要采集不同水層的樣品，并要著重關注溫躍層對水庫水環境的影響，以便能夠綜合考慮各項水質指標對于橋水庫的城市供水、農業管理、漁業管理的影響，盡可能把可能的危害降至最小，充分發揮于橋水庫的各項優勢。

（4）研究結果僅依據一次現場監測分析，而未考慮水體分層的季節變化、日變化、氣候及天氣、水庫不同區域等條件，也未對實驗室水質化驗結果、水生生物垂直分布等進行水體分層分析，建議在下一步的研究中對上述因素和結果進行探討和分析。

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TV697.2+1；X832

A

1004-7328（2015）02-0019-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2015.02.009

2015-01-16

國家國際科技合作專項資助（2013DFA71340），國家水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07203-002），水利部“948”項目（201412），水利部科技推廣項目（TG1408）

周緒申（1982－），男，碩士，工程師，主要從事水質分析工作。