溶解氧对湖库热分层和富营养化的响应
——以枣庄周村水库为例

邱晓鹏,黄廷林,曾明正



溶解氧对湖库热分层和富营养化的响应
——以枣庄周村水库为例

邱晓鹏,黄廷林*,曾明正

(西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西 西安 710055)

为研究热分层和富营养化对湖库溶解氧变化特征的影响,于2014年1月~12月对周村水库水温、溶解氧、叶绿素以及初级生产力的季节变化及垂向分布进行了监测.结果表明:水温和溶解氧的分层期均为4~11月份;分层期叶绿素在20~50μg/L之间,初级生产力为2.16~2.23gO2/(m3·d),光补偿点在1~3m之间;恒温层在5月中旬进入厌氧状态;由于光补偿点位置较高,5~8月份氧跃层位置为1~6m,高于温跃层上界面;而氧跃层位置偏高造成溶解氧在垂向上的极值一般在表层,且变温层溶解氧浓度梯度较大;9~11月份温跃层的下移使得氧跃层和厌氧区界面同时下移,厌氧区界面与温跃层上界面的位置变化始终同步,而氧跃层受水体耗氧作用的影响在热分层结构相对稳定时会再次上移.热分层和水体富营养化均对溶解氧的浓度和分布有重要的影响.

温跃层；光补偿点；初级生产力；氧跃层

溶解氧在地表水体的生物化学循环中起着关键作用,是湖库水生态系统生化条件改变的敏感指标[1-2].当水体溶解氧浓度低于6.5mg/L时,鱼类的生理学过程会受到影响[3],水体进入厌氧状态时,水生生物死亡[4].沉积物会释放还原性污染物如氨氮、正磷酸盐、铁、锰、硫化物等[5-6],使水质恶化.研究湖库溶解氧的季节变化和垂向分布,对于维护良好的湖库生态环境、保证城市供水安全有重要的指导意义.

热分层是深水湖库所共有的湖沼学特性,分层期间湖库溶解氧的垂向分布也有明显的分层现象,热分层是影响溶解氧垂向分布的关键因素[7-8].此外,我国湖库正面临越来越严重的富营

养化问题[9],富营养水体中藻类对溶解氧的浓度和分布也有显著的影响[10].

目前,湖库溶解氧的时空变化已受到越来越多的关注.Zhang等[7,11]探讨了千岛湖水库热力结构对长期气候变化的响应以及溶解氧分层对热分层的响应,张军毅等[12]研究了富营养水体梅梁湖水域溶解氧的时空分布及与pH值的关系,曾春芬等[13]分析了天目湖溶解氧的水平和垂向分布特征,成晓奕等[14]采用三维水动力-水质模型模拟了天目湖水温和溶解氧的分层过程,段燕等[15]探讨了千岛湖溶解氧的动态变化特征及其影响因子.然而,以往的研究结合热分层结构变化和藻类代谢活动分析溶解氧动态和垂向分布特征的研究较少.此外,对湖库溶解氧的原位监测频率较低(多为1个月1次)[12-13],不利于揭示不同季节溶解氧的变化特征.本研究以我国枣庄周村水库为研究对象,通过高频率的水温、溶解氧的原位监测,结合水体叶绿素和初级生产力季节变化和垂向分布情况,探讨了水库热分层和富营养化对溶解氧分布的耦合作用,以期为富营养型深水湖库的管理提供理论指导.

1 材料与方法

1.1 周村水库概况

周村水库始建于1960年,位于山东省枣庄市东北角,是枣庄市重要的水源地之一.周村水库总库容8404万m3,防洪库容3304万m3,设计控制流域面积为121km2,水库面积6.5km2,平均水深13m,最大水深18m.周村水库属于温带大陆性季风气候,年平均气温13.9℃,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥.20世纪90年代,周村水库实行大规模的网箱养鱼,虽然在2008年7月已完成了库区内的网箱清理工作,但是周村水库沉积物污染仍然严重[16].2014~2015年枣庄市供水总公司对周村水库表层水体的监测结果表明,水库总氮的年平均浓度为1.63mg/L,总磷为0.056mg/L,水体处于富营养化状态.

1.2 采样与监测

本实验于2014年1~12月对周村水库主库区的水温、溶解氧、叶绿素a和初级生产力进行了监测.根据周村水库的地形特征,将监测点设置在坝前深水区(图1),可以反映周村水库主库区水质的变化特征.对不同水层的水温和溶解氧采用哈希HQ30d单路输入多参数数字化分析仪进行原位监测,垂向间隔为1m,监测频率每周1~2次.叶绿素a的监测水深为0.5,2.5,5,7.5,10,13,16m,每个水深取水样500mL保存于聚乙烯瓶中,水样运回实验室后立即用0.45mm的醋酸纤维膜进行过滤,并采用丙酮萃取分光光度法进行检测[17],叶绿素a的监测频率为每周1次.初级生产力的测定采用黑白瓶测氧法[17],每月中旬选取晴天进行,培养时间为24h,监测水深为1,2,3,4,5,7.5,10m (当某水层的溶解氧小于2mg/L时,不监测),每个水深设置2个对照.

1.3 数据处理与分析

本研究所指各水层初级生产力为培养24h后总初级生产力,即24h后的白瓶溶解氧浓度与初始溶解氧浓度之差.目前,国内外对温跃层和氧跃层仍没有统一的定义.因温度梯度大于1℃/m的水层对湖库中溶解性物质以及浮游生物的垂向分布影响显著[18-19],本研究定义温跃层为温度梯度大于1℃/m的水层.采用2个溶解氧垂向分布特征参数讨论水体溶解氧的垂向变化:定义氧跃层为溶解氧浓度梯度最大的水层;厌氧区为溶解氧浓度小于0.2mg/L的水层.温跃层深度和氧跃层深度分别为温跃层和氧跃层上界面处的水深.

数据统计和分析采用SPSS19.0.由于氧跃层和厌氧区深度在周年内不存在正态分布,其与环境因子的相关性分析采用Spearman秩相关系数.

2 结果与讨论

2.1 水温、溶解氧和叶绿素的季节变化

由图2a可知,周村水库存在明显的温度分层.2014年表层(0.5m水深处)水温和底层(16m水深处)水温的变化范围分别为℃和3.8~ 13.4℃,表层水温受气温影响较大,呈现夏季高冬季低的变化特征,底层水温变化缓慢,表底层温差在夏季最大,冬季最小.周村水库热分层期为4~ 11月份,混合期为1、2、3和12月份.

表层和底层溶解氧的变化范围分别为5.02~ 16.29mg/L和0.00~12.70mg/L(图2b).冬季水库完全混合,大气复氧充分,造成冬季水库溶解氧水平整体较高(11~13mg/L).3月份,水体仍处于混合状态,但是随着水温的升高,水中溶解氧的饱和度随之降低,所以水库整体溶解氧浓度降低.进入分层期,水库表层水温较高,表层水体受光合作用的影响,在晴天无大风时常达到超饱和状态.周村水库表层水体溶解氧最高为16.29mg/L,大于千岛湖的14.91mg/L[20]和泽雅水库的12mg/L[21],这表明周村水库表层水体藻类光合作用较强,水体富营养化相对严重.由于温跃层的存在阻碍了溶解氧的垂向传递,加之受水体耗氧和沉积物耗氧作用影响,造成恒温层在分层期一直处于缺氧状态或厌氧状态.分层期结束后,随着水库水体的完全混合,整个水体在11月中旬再次进入好氧状态,并随着气温的降低,溶解氧整体呈升高趋势.

表层叶绿素浓度为3.2~54.4μg/L,底层叶绿浓度为1.6~19.1μg/L (图2c).叶绿素呈现夏季高冬季低的季节变化规律,最大值和最小值分别出现在5月28日和3月23日.夏秋季叶绿素在垂向上也存在分层现象,叶绿素的极值一般出现在表层,这主要是由于周村水库光补偿点位置较高,光补偿点以下的藻类因呼吸作用强于光合作用,藻类生物量减少.分层期间表层水体叶绿素在20~50μg/L,高于湖库富营养化的衡量标准10μg/L[22],周村水库处于富营养状态.在混合期,即1~3月份和12月份,周村水库水温、溶解氧和叶绿素在垂向上无差异.

2.2 分层期水温、溶解氧和初级生产力的垂向分布

如图3所示,水库表层水体(1m处)初级生产力在夏季(6~8月份)较高,高达2.16~2.23gO2/ (m3·d),春秋季较低,为0.45~1.78gO2/(m3·d).周村水库初级生产力水平与富营养型水体三峡水库香溪河(水深1m处初级生产力为(2.19±1.88)gO2/ (m3·d))相近[23].

周村水库4月份光补偿点位置最深,为5~6m,初级生产力沿水深逐渐降低.周村水库属温带湖库,藻类季节演替模式符合典型的PEG模型[24],在春季,由于浮游动物的牧食作用而进入“清水期”,此时水体的叶绿素处于全年最低水平(图2c),所以水体光衰减系数较低,光补偿点位置也较低.5~10月份,周村水库光补偿点在1~3m之间,这主要是由于该时期藻类大量繁殖,水体光衰减系数较高,藻类光合作用随水深的增加迅速降低.

在热分层期,溶解氧浓度的极值均出现在表层(水深0.5m处),高于其他深水湖库溶解氧极值出现的位置[20,25],这主要是水库光补偿点位置较高所致.4、10和11月份水库溶解氧和水温的垂向分布特征相似,而5~8月份溶解氧在变温层的变化幅度明显高于水温.这主要是由于5~8月份周村水库光补偿点在1~3m之间,2m以下水体一般处于耗氧状态,如6月10日,2m水深处初级生产力为-1.71gO2/(m3·d).同时,由于夏季水库受风力影响较小,大气复氧作用不充分,2m以下水体溶解氧迅速降低.在4、10和11月份,水温和溶解氧在变温层的垂向差异性较小,这表明春秋季水库变温层的混合强度大于夏季.

2.3 溶解氧分层的季节变化及影响因素

周村水库主库区温跃层深度和氧跃层深度的季节变化明显,而温跃层下界面的位置则相对稳定(图4a).4月份周村水库温跃层形成,氧跃层的深度为4~7m,低于温跃层深度,这主要是由于4月份周村水库光补偿点在5~6m,5m以上溶解氧变化较小.5~8月份,温跃层深度会随着气温的波动上下浮动,而氧跃层受藻类光合作用的影响其深度的变化范围大于温跃层.特别是在风力较小,大气复氧作用较弱时,周村水库光补偿点较低,氧跃层深度只有1m(如6月25日,8月13日).9~11月份,气温降低,温跃层上界面逐渐下移,氧跃层深度也随之增加.值得注意的是,当温跃层上界面发生下移时,氧跃层深度随之增加;而当温跃层界面保持相对稳定时,氧跃层深度又减小.这主要是由于当温跃层上界面下移时,变温层水体混合强度较大,变温层的耗氧作用会被大气复氧抵消;而当温跃层界面相对稳定时,变温层水体也相对稳定,光补偿点以下的水体耗氧不能得到及时的补充,造成氧跃层上移.

如图4b所示,周村水库在5月中旬开始形成厌氧区,且厌氧区的起始深度与温跃层下界面相近,这表明周村水库分层形成1个半月后恒温层进入厌氧状态.厌氧区形成后,周村水库温跃层内的水体耗氧作用使得厌氧区界面逐渐上移.至6月份,水体厌氧区界面与温跃层上界面重合,且此后二者的变化基本同步,这表明水体热分层结构决定了周村水库厌氧区的范围.

表1 周村水库溶解氧分层与环境因子的相关性分析Table 1 Correlation analysis of oxygen stratification and environmental factors in Zhoucun Reservoir

注:*在置信度(双侧)为0.05的条件下显著相关;**在置信度(双侧)为0.01的条件下显著相关.

对溶解氧垂向分布特征参数与环境因子做Spearman相关性分析可知,氧跃层深度和缺氧区深度均与日平均气温和温跃层深度在<0.01的条件下显著相关,与叶绿素在<0.05的条件下显著相关.相关性分析表明,周村水库热分层和浮游植物均对水库溶解氧的分布影响显著.

2.4 讨论

热分层是影响DO垂向分布的关键因素[8].热分层期间,水体温跃层会阻碍变温层和恒温层的能量交换和物质迁移,温跃层的垂向迁移,会改变水库溶解氧的垂向分布形式.春季温跃层的形成促进了水体溶解氧分层;秋季周村水库温跃层的下移使得厌氧区范围随之减小.已有研究表明,秋季“翻库”现象还会将恒温层中的沉积物和还原性污染物带入到表层水体,从而增加水体浊度降低表层水的溶解氧浓度[26-27].但由于周村水库秋季降温相对缓慢,温跃层的并没有在短时间内快速下移,这使得翻库期间单位时间内被带入表层水体的污染物量较少,大气复氧可以及时补充被污染物消耗的氧,所以周村水库变温层水体并未因翻库出现缺氧现象.热分层期间恒温层中水体和沉积物消耗的氧不能得到补充,造成恒温层溶解氧持续降低,最后进入厌氧状态[28].在厌氧状态下,湖库沉积物又会向水体中释放大量还原性污染物,造成恒温层水体和温跃层水体中还原性污染物超标,化学需氧量增大[5],这进一步降低了温跃层溶解氧的浓度.而变温层水体在热分层期间始终可以获得充足的大气复氧和光合作用复氧,从而维持了较高的溶解氧浓度. 此外,热分层还会促进水体富营养化.热分层可使藻类获得更高的水温、稳定的水环境、充足的太阳辐射以及更多的营养盐(如氨氮、正磷酸盐)[29],促进表层水体藻类的增长,从而加剧富营养化对溶解氧的影响.

水体富营养化对深水湖库溶解氧浓度变化和垂向分布均有较大的影响.在浓度变化方面,富营养水体表层有较强的光合作用,使得表层水体溶解氧常常达到超饱和状态;此外,富营养水体会给湖库沉积物和底层水体带来更多的有机物从而导致需氧量的上升,恒温层水体迅速进入缺氧或厌氧状态[4,7].王晓东等[21]研究表明,与周村水库水深条件相近、处于轻度富营养化的泽雅水库,其恒温层在分层形成后5个月才进入厌氧状态.而周村水库恒温层形成厌氧状态仅用了1个半月,这表明水库富营养化促进了恒温层水体的氧的消耗.在垂向分布方面,由于叶绿素浓度与水体透明度呈显著负相关[30],富营养水体中光衰减系数的较大.这造成周村水库光补偿点位置较低,使得变温层水体也存在较强的水体耗氧作用.当大气复氧不充分时,变温层水体溶解氧浓度梯度迅速增加,氧跃层发生上移.因此,周村水库垂向溶解氧的极值一般在表层且变温层在个别时期也出现了厌氧区(如6月25日,9月28日).

3 结论

3.1 周村水库溶解氧分层与热分层均为4月份出现,11月份消失,溶解氧与水温在4、10、11月份的垂向分布形式相似,5~8月份氧跃层的位置普遍高于温跃层.

3.2 热分层结构对水库溶解氧的垂向分布起决定性作用,热分层和溶解氧分层生消时间一致,厌氧区界面与温跃层上界面的位置变化同步,温跃层的垂向迁移对氧跃层的位置也有很大影响.

3.3 周村水库处于富营养状态,藻类的过量繁殖造成热分层期表层水体溶解氧常常过饱和,恒温层溶解氧迅速减少,光补偿点在1~3m之间,水库变温层溶解氧浓度梯度较大,溶解氧在垂向上的极值出现在表层水体.

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* 责任作者, 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

邱晓鹏(1988-),男,山东烟台人,博士研究生,主要从事水源水微污染控制方面研究.

2015-10-16

国家科技支撑计划(2012BAC04B02)