溶解氧對湖庫熱分層和富營養化的響應
——以棗莊周村水庫為例

邱曉鵬,黃廷林,曾明正

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溶解氧對湖庫熱分層和富營養化的響應
——以棗莊周村水庫為例

邱曉鵬,黃廷林*,曾明正

(西安建筑科技大學環境與市政工程學院,陜西 西安 710055)

為研究熱分層和富營養化對湖庫溶解氧變化特征的影響,于2014年1月~12月對周村水庫水溫、溶解氧、葉綠素以及初級生產力的季節變化及垂向分布進行了監測.結果表明:水溫和溶解氧的分層期均為4~11月份;分層期葉綠素在20~50μg/L之間,初級生產力為2.16~2.23gO2/(m3·d),光補償點在1~3m之間;恒溫層在5月中旬進入厭氧狀態;由于光補償點位置較高,5~8月份氧躍層位置為1~6m,高于溫躍層上界面;而氧躍層位置偏高造成溶解氧在垂向上的極值一般在表層,且變溫層溶解氧濃度梯度較大;9~11月份溫躍層的下移使得氧躍層和厭氧區界面同時下移,厭氧區界面與溫躍層上界面的位置變化始終同步,而氧躍層受水體耗氧作用的影響在熱分層結構相對穩定時會再次上移.熱分層和水體富營養化均對溶解氧的濃度和分布有重要的影響.

溫躍層；光補償點；初級生產力；氧躍層

溶解氧在地表水體的生物化學循環中起著關鍵作用,是湖庫水生態系統生化條件改變的敏感指標[1-2].當水體溶解氧濃度低于6.5mg/L時,魚類的生理學過程會受到影響[3],水體進入厭氧狀態時,水生生物死亡[4].沉積物會釋放還原性污染物如氨氮、正磷酸鹽、鐵、錳、硫化物等[5-6],使水質惡化.研究湖庫溶解氧的季節變化和垂向分布,對于維護良好的湖庫生態環境、保證城市供水安全有重要的指導意義.

熱分層是深水湖庫所共有的湖沼學特性,分層期間湖庫溶解氧的垂向分布也有明顯的分層現象,熱分層是影響溶解氧垂向分布的關鍵因素[7-8].此外,我國湖庫正面臨越來越嚴重的富營

養化問題[9],富營養水體中藻類對溶解氧的濃度和分布也有顯著的影響[10].

目前,湖庫溶解氧的時空變化已受到越來越多的關注.Zhang等[7,11]探討了千島湖水庫熱力結構對長期氣候變化的響應以及溶解氧分層對熱分層的響應,張軍毅等[12]研究了富營養水體梅梁湖水域溶解氧的時空分布及與pH值的關系,曾春芬等[13]分析了天目湖溶解氧的水平和垂向分布特征,成曉奕等[14]采用三維水動力-水質模型模擬了天目湖水溫和溶解氧的分層過程,段燕等[15]探討了千島湖溶解氧的動態變化特征及其影響因子.然而,以往的研究結合熱分層結構變化和藻類代謝活動分析溶解氧動態和垂向分布特征的研究較少.此外,對湖庫溶解氧的原位監測頻率較低(多為1個月1次)[12-13],不利于揭示不同季節溶解氧的變化特征.本研究以我國棗莊周村水庫為研究對象,通過高頻率的水溫、溶解氧的原位監測,結合水體葉綠素和初級生產力季節變化和垂向分布情況,探討了水庫熱分層和富營養化對溶解氧分布的耦合作用,以期為富營養型深水湖庫的管理提供理論指導.

1 材料與方法

1.1 周村水庫概況

周村水庫始建于1960年,位于山東省棗莊市東北角,是棗莊市重要的水源地之一.周村水庫總庫容8404萬m3,防洪庫容3304萬m3,設計控制流域面積為121km2,水庫面積6.5km2,平均水深13m,最大水深18m.周村水庫屬于溫帶大陸性季風氣候,年平均氣溫13.9℃,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥.20世紀90年代,周村水庫實行大規模的網箱養魚,雖然在2008年7月已完成了庫區內的網箱清理工作,但是周村水庫沉積物污染仍然嚴重[16].2014~2015年棗莊市供水總公司對周村水庫表層水體的監測結果表明,水庫總氮的年平均濃度為1.63mg/L,總磷為0.056mg/L,水體處于富營養化狀態.

1.2 采樣與監測

本實驗于2014年1~12月對周村水庫主庫區的水溫、溶解氧、葉綠素a和初級生產力進行了監測.根據周村水庫的地形特征,將監測點設置在壩前深水區(圖1),可以反映周村水庫主庫區水質的變化特征.對不同水層的水溫和溶解氧采用哈希HQ30d單路輸入多參數數字化分析儀進行原位監測,垂向間隔為1m,監測頻率每周1~2次.葉綠素a的監測水深為0.5,2.5,5,7.5,10,13,16m,每個水深取水樣500mL保存于聚乙烯瓶中,水樣運回實驗室后立即用0.45mm的醋酸纖維膜進行過濾,并采用丙酮萃取分光光度法進行檢測[17],葉綠素a的監測頻率為每周1次.初級生產力的測定采用黑白瓶測氧法[17],每月中旬選取晴天進行,培養時間為24h,監測水深為1,2,3,4,5,7.5,10m (當某水層的溶解氧小于2mg/L時,不監測),每個水深設置2個對照.

1.3 數據處理與分析

本研究所指各水層初級生產力為培養24h后總初級生產力,即24h后的白瓶溶解氧濃度與初始溶解氧濃度之差.目前,國內外對溫躍層和氧躍層仍沒有統一的定義.因溫度梯度大于1℃/m的水層對湖庫中溶解性物質以及浮游生物的垂向分布影響顯著[18-19],本研究定義溫躍層為溫度梯度大于1℃/m的水層.采用2個溶解氧垂向分布特征參數討論水體溶解氧的垂向變化:定義氧躍層為溶解氧濃度梯度最大的水層;厭氧區為溶解氧濃度小于0.2mg/L的水層.溫躍層深度和氧躍層深度分別為溫躍層和氧躍層上界面處的水深.

數據統計和分析采用SPSS19.0.由于氧躍層和厭氧區深度在周年內不存在正態分布,其與環境因子的相關性分析采用Spearman秩相關系數.

2 結果與討論

2.1 水溫、溶解氧和葉綠素的季節變化

由圖2a可知,周村水庫存在明顯的溫度分層.2014年表層(0.5m水深處)水溫和底層(16m水深處)水溫的變化范圍分別為℃和3.8~ 13.4℃,表層水溫受氣溫影響較大,呈現夏季高冬季低的變化特征,底層水溫變化緩慢,表底層溫差在夏季最大,冬季最小.周村水庫熱分層期為4~ 11月份,混合期為1、2、3和12月份.

表層和底層溶解氧的變化范圍分別為5.02~ 16.29mg/L和0.00~12.70mg/L(圖2b).冬季水庫完全混合,大氣復氧充分,造成冬季水庫溶解氧水平整體較高(11~13mg/L).3月份,水體仍處于混合狀態,但是隨著水溫的升高,水中溶解氧的飽和度隨之降低,所以水庫整體溶解氧濃度降低.進入分層期,水庫表層水溫較高,表層水體受光合作用的影響,在晴天無大風時常達到超飽和狀態.周村水庫表層水體溶解氧最高為16.29mg/L,大于千島湖的14.91mg/L[20]和澤雅水庫的12mg/L[21],這表明周村水庫表層水體藻類光合作用較強,水體富營養化相對嚴重.由于溫躍層的存在阻礙了溶解氧的垂向傳遞,加之受水體耗氧和沉積物耗氧作用影響,造成恒溫層在分層期一直處于缺氧狀態或厭氧狀態.分層期結束后,隨著水庫水體的完全混合,整個水體在11月中旬再次進入好氧狀態,并隨著氣溫的降低,溶解氧整體呈升高趨勢.

表層葉綠素濃度為3.2~54.4μg/L,底層葉綠濃度為1.6~19.1μg/L (圖2c).葉綠素呈現夏季高冬季低的季節變化規律,最大值和最小值分別出現在5月28日和3月23日.夏秋季葉綠素在垂向上也存在分層現象,葉綠素的極值一般出現在表層,這主要是由于周村水庫光補償點位置較高,光補償點以下的藻類因呼吸作用強于光合作用,藻類生物量減少.分層期間表層水體葉綠素在20~50μg/L,高于湖庫富營養化的衡量標準10μg/L[22],周村水庫處于富營養狀態.在混合期,即1~3月份和12月份,周村水庫水溫、溶解氧和葉綠素在垂向上無差異.

2.2 分層期水溫、溶解氧和初級生產力的垂向分布

如圖3所示,水庫表層水體(1m處)初級生產力在夏季(6~8月份)較高,高達2.16~2.23gO2/ (m3·d),春秋季較低,為0.45~1.78gO2/(m3·d).周村水庫初級生產力水平與富營養型水體三峽水庫香溪河(水深1m處初級生產力為(2.19±1.88)gO2/ (m3·d))相近[23].

周村水庫4月份光補償點位置最深,為5~6m,初級生產力沿水深逐漸降低.周村水庫屬溫帶湖庫,藻類季節演替模式符合典型的PEG模型[24],在春季,由于浮游動物的牧食作用而進入“清水期”,此時水體的葉綠素處于全年最低水平(圖2c),所以水體光衰減系數較低,光補償點位置也較低.5~10月份,周村水庫光補償點在1~3m之間,這主要是由于該時期藻類大量繁殖,水體光衰減系數較高,藻類光合作用隨水深的增加迅速降低.

在熱分層期,溶解氧濃度的極值均出現在表層(水深0.5m處),高于其他深水湖庫溶解氧極值出現的位置[20,25],這主要是水庫光補償點位置較高所致.4、10和11月份水庫溶解氧和水溫的垂向分布特征相似,而5~8月份溶解氧在變溫層的變化幅度明顯高于水溫.這主要是由于5~8月份周村水庫光補償點在1~3m之間,2m以下水體一般處于耗氧狀態,如6月10日,2m水深處初級生產力為-1.71gO2/(m3·d).同時,由于夏季水庫受風力影響較小,大氣復氧作用不充分,2m以下水體溶解氧迅速降低.在4、10和11月份,水溫和溶解氧在變溫層的垂向差異性較小,這表明春秋季水庫變溫層的混合強度大于夏季.

2.3 溶解氧分層的季節變化及影響因素

周村水庫主庫區溫躍層深度和氧躍層深度的季節變化明顯,而溫躍層下界面的位置則相對穩定(圖4a).4月份周村水庫溫躍層形成,氧躍層的深度為4~7m,低于溫躍層深度,這主要是由于4月份周村水庫光補償點在5~6m,5m以上溶解氧變化較小.5~8月份,溫躍層深度會隨著氣溫的波動上下浮動,而氧躍層受藻類光合作用的影響其深度的變化范圍大于溫躍層.特別是在風力較小,大氣復氧作用較弱時,周村水庫光補償點較低,氧躍層深度只有1m(如6月25日,8月13日).9~11月份,氣溫降低,溫躍層上界面逐漸下移,氧躍層深度也隨之增加.值得注意的是,當溫躍層上界面發生下移時,氧躍層深度隨之增加;而當溫躍層界面保持相對穩定時,氧躍層深度又減小.這主要是由于當溫躍層上界面下移時,變溫層水體混合強度較大,變溫層的耗氧作用會被大氣復氧抵消;而當溫躍層界面相對穩定時,變溫層水體也相對穩定,光補償點以下的水體耗氧不能得到及時的補充,造成氧躍層上移.

如圖4b所示,周村水庫在5月中旬開始形成厭氧區,且厭氧區的起始深度與溫躍層下界面相近,這表明周村水庫分層形成1個半月后恒溫層進入厭氧狀態.厭氧區形成后,周村水庫溫躍層內的水體耗氧作用使得厭氧區界面逐漸上移.至6月份,水體厭氧區界面與溫躍層上界面重合,且此后二者的變化基本同步,這表明水體熱分層結構決定了周村水庫厭氧區的范圍.

表1 周村水庫溶解氧分層與環境因子的相關性分析Table 1 Correlation analysis of oxygen stratification and environmental factors in Zhoucun Reservoir

注:*在置信度(雙側)為0.05的條件下顯著相關;**在置信度(雙側)為0.01的條件下顯著相關.

對溶解氧垂向分布特征參數與環境因子做Spearman相關性分析可知,氧躍層深度和缺氧區深度均與日平均氣溫和溫躍層深度在<0.01的條件下顯著相關,與葉綠素在<0.05的條件下顯著相關.相關性分析表明,周村水庫熱分層和浮游植物均對水庫溶解氧的分布影響顯著.

2.4 討論

熱分層是影響DO垂向分布的關鍵因素[8].熱分層期間,水體溫躍層會阻礙變溫層和恒溫層的能量交換和物質遷移,溫躍層的垂向遷移,會改變水庫溶解氧的垂向分布形式.春季溫躍層的形成促進了水體溶解氧分層;秋季周村水庫溫躍層的下移使得厭氧區范圍隨之減小.已有研究表明,秋季“翻庫”現象還會將恒溫層中的沉積物和還原性污染物帶入到表層水體,從而增加水體濁度降低表層水的溶解氧濃度[26-27].但由于周村水庫秋季降溫相對緩慢,溫躍層的并沒有在短時間內快速下移,這使得翻庫期間單位時間內被帶入表層水體的污染物量較少,大氣復氧可以及時補充被污染物消耗的氧,所以周村水庫變溫層水體并未因翻庫出現缺氧現象.熱分層期間恒溫層中水體和沉積物消耗的氧不能得到補充,造成恒溫層溶解氧持續降低,最后進入厭氧狀態[28].在厭氧狀態下,湖庫沉積物又會向水體中釋放大量還原性污染物,造成恒溫層水體和溫躍層水體中還原性污染物超標,化學需氧量增大[5],這進一步降低了溫躍層溶解氧的濃度.而變溫層水體在熱分層期間始終可以獲得充足的大氣復氧和光合作用復氧,從而維持了較高的溶解氧濃度. 此外,熱分層還會促進水體富營養化.熱分層可使藻類獲得更高的水溫、穩定的水環境、充足的太陽輻射以及更多的營養鹽(如氨氮、正磷酸鹽)[29],促進表層水體藻類的增長,從而加劇富營養化對溶解氧的影響.

水體富營養化對深水湖庫溶解氧濃度變化和垂向分布均有較大的影響.在濃度變化方面,富營養水體表層有較強的光合作用,使得表層水體溶解氧常常達到超飽和狀態;此外,富營養水體會給湖庫沉積物和底層水體帶來更多的有機物從而導致需氧量的上升,恒溫層水體迅速進入缺氧或厭氧狀態[4,7].王曉東等[21]研究表明,與周村水庫水深條件相近、處于輕度富營養化的澤雅水庫,其恒溫層在分層形成后5個月才進入厭氧狀態.而周村水庫恒溫層形成厭氧狀態僅用了1個半月,這表明水庫富營養化促進了恒溫層水體的氧的消耗.在垂向分布方面,由于葉綠素濃度與水體透明度呈顯著負相關[30],富營養水體中光衰減系數的較大.這造成周村水庫光補償點位置較低,使得變溫層水體也存在較強的水體耗氧作用.當大氣復氧不充分時,變溫層水體溶解氧濃度梯度迅速增加,氧躍層發生上移.因此,周村水庫垂向溶解氧的極值一般在表層且變溫層在個別時期也出現了厭氧區(如6月25日,9月28日).

3 結論

3.1 周村水庫溶解氧分層與熱分層均為4月份出現,11月份消失,溶解氧與水溫在4、10、11月份的垂向分布形式相似,5~8月份氧躍層的位置普遍高于溫躍層.

3.2 熱分層結構對水庫溶解氧的垂向分布起決定性作用,熱分層和溶解氧分層生消時間一致,厭氧區界面與溫躍層上界面的位置變化同步,溫躍層的垂向遷移對氧躍層的位置也有很大影響.

3.3 周村水庫處于富營養狀態,藻類的過量繁殖造成熱分層期表層水體溶解氧常常過飽和,恒溫層溶解氧迅速減少,光補償點在1~3m之間,水庫變溫層溶解氧濃度梯度較大,溶解氧在垂向上的極值出現在表層水體.

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* 責任作者, 教授, huangtinglin@xauat.edu.cn

Responses of dissolved oxygen on thermal stratification and eutrophication in lakes and reservoirs—An example in Zhoucun Reservoir in Zaozhuang City

QIU Xiao-peng, HUANG Ting-lin*, ZENG Ming-zheng

(School of Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)., 2016,36(5)：1547~1553

To investigate the effects of thermal stratification and eutrophication on dissolved oxygen, seasonal variations and vertical distribution of water temperature, dissolved oxygen, chlorophyll a and primary production were monitored from January 2014 to December 2014 in the Zhoucun Reservoir. The results showed that water temperature and dissolved oxygen both experienced stratification from April to November. The chlorophyll a was 20~50μg/L, the primary productivity was 2.16~2.23g O2/(m×d) and the position of light compensation point was between 1m and 3m during stratification. The hypolimnion has been in anaerobic condition since mid-May. Because of the high position of light compensation point, the oxycline’s position was between 1m and 6m during stratification, higher than thermocline’s. The maximum value of dissolved oxygen was usually at the surface since the position of oxycline was high and the dissolved oxygen gradient was large in the empilimnion. The vertical migration of thermocline made oxycline and anaerobic zone interface both moved down between September and November. The anaerobic zone interface’ position was always the same as thermocline’s, while the oxycline would move up again when the thermal structure was relatively stable. The thermal stratification and eutrophication have significant effects on dissolved oxygen concentration and distribution.

thermocline；light compensation point；primary production；oxycline

X524,TV697.2

A

1000-6923(2016)05-1547-07

邱曉鵬(1988-),男,山東煙臺人,博士研究生,主要從事水源水微污染控制方面研究.

2015-10-16

國家科技支撐計劃(2012BAC04B02)