水库是通过筑坝形成的介于天然河流和湖泊的半人工半自然水体^[1]，大型深水水库水动力减弱，水体滞留时间延长^[2]，容易产生类似天然湖泊的水体分层现象^[3,4]，垂直断面内水温、 溶解氧、 pH、 电导率、 叶绿素a浓度、 氮磷浓度等环境因子呈现分层变化特征^[5,6]，其中以对水温分层为主体的热分层效应研究较多，分层结构能限制水体上下混合，从而减少污染物的扩散^[7]，分层结构的改变导致水体混合，易引起突发性水质恶化事件，同时分层结构变化影响浮游植物生长，从而诱发水华^{[8, 9]}. 水体温度、 溶解氧、 pH影响水生生物的生存空间，对水产养殖意义重大. 底层溶解氧、 pH降低促进底泥中氮磷、 硫化氢等污染物质的释放^[10]. 分层结构的发生和变化通过影响水生生物、 水化学过程和地球化学循环从而影响水库的水环境性质^[11]. 水库的低温下泄水会对下游河道鱼类生长及农作物灌溉产生不利影响，目前分层取水措施较为适用^[12]. 因此水库分层效应与水质管理、 供水、 灌溉、 水产养殖等相关产业息息相关.

龙滩水库是典型的亚热带大型深水水库，为年调节型，水体滞留时间长，泥沙淤积程度高，库区水体营养盐含量相对较高，目前尚无对龙滩水库富营养状况的系统研究，但上游万峰湖水库(天生桥一级水电站)呈中营养状态，且总氮污染负荷较高^[13]. 此前对龙滩水库水环境研究涉及到浮游动物、 浮游植物和鱼类等方面^{[14, 15, 16, 17]}，尚无对其水体分层特征及富营养化状况的研究报告. 通过对龙滩水库的调查研究，揭示其季节性水体分层特征及富营养化状况，以期为深水水库的分层特征和水质管理提供科学依据.

龙滩水库是一座兼具发电、 防洪、 养殖、 灌溉、 航运等多功能的大型水利枢纽工程，水库位于云贵高原东南部，广西和贵州省的交界处珠江水系干流红水河上，坝址位于广西天峨县境内，下距天峨县城15 km. 龙滩水库为干流型水库，地处喀斯特山区，呈现深水特征，2006年下闸蓄水，流域面积98500 km²，回水长度为120 km，蓄水位为375 m，库容273亿 m³，平均宽1.7 km，最大水深为173.5 m，平均水深为92.7 m，装机容量为540万 kW，其装机容量和库容在国内仅次于长江三峡水库.

由于龙滩水库库区狭长，河流区、 过渡区及湖泊区之间划分不明显，因此自上而下选取4个采样断面(图 1)：小马厂(X，N25°05′06.70″，E106°34′11.70″)； 红水河镇(H，N25°09′50.65″，E106°38′31.66″)； 双江口(S，N25°15′08.78″，E106°55′34.61″)； 大坝(D，N25°03′16.85″，E107°01′49.67″). 样品及数据采集分别于2012年11月(枯水期)，2013年4月(平水期)和7月(丰水期)进行.

图 1

Fig. 1

图 1 龙滩水库采样点位置示意Fig. 1 Topographical map and sampling site in Longtan Reservoir

垂直断面内从表层0.5 m、 5 m，10 m以下每隔10~20 m分层采样，现场测定：用美国YSI公司的6600V2水质参数仪测定水温(water temperature， t)、 溶解氧(dissolved oxygen，DO)、 pH、 浊度(turbidity，T_n)、 电导率(electric conductivity，EC)，用塞氏盘测透明度(secchi disk depth，SD). 叶绿素a(chlorophyll a，Chl-a)采用改良的反复冻融、 丙酮浸提测定^[18]. 总氮(total nitrogen，TN)采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，总磷(total phosphorus，TP)采用钼酸铵分光光度法，高锰酸盐指数(permanganate index)采用高锰酸钾酸性滴定法测定.

富营养化评价方法采用综合营养指数法(trophic level index，TLI)，TLI=W_j·TLI(j)^[19]，营养状态指数法(trophic state index,TSIc)^[20]，评价指标包括总氮、 总磷、 叶绿素a和高锰酸盐指数等. 利用SPSS 19.0进行系统聚类分析，使用Origin 9.0绘制垂直断面内环境因子变化趋势图.

水库温度分层结构及季节变化状况是其主要的湖沼学特征之一，影响其生物群落结构和水生生态系统生产力. 枯水期垂直断面内水体混合度较高，表层到60 m水温相对稳定，为混合层，在21.4~22.7℃之间，60 m水深出现平面型温跃层，60~80 m为温跃层，由21℃降低至16℃左右，温度梯度为0.27℃ ·m^-1，湖下层为80~100 m，该层内温度变幅较小，呈永滞层特征. 平水期呈现整体分层现象，表层和底层温差增大，各采样点分层特征不同，其中大坝采样点10~30 m、 红水河镇5~20 m为温跃层，温度梯度分别为0.15℃ ·m^-1和0.27℃ ·m^-1； 小马厂、 双江口无明显温跃层，温度梯度分别为0.09℃ ·m^-1和0.14℃ ·m^-1. 丰水期水温较高，表层水温在28.0~30.9℃之间，垂直断面内呈现双温跃层特征，5 m以内混合度较高，温差在1℃以内，5~20 m为温跃层，温度梯度为0.15℃ ·m^-1，20~40 m水层水温相对稳定，温差约为0.6℃，40~60 m为温跃层，温度梯度为0.18℃ ·m^-1，60 m以后温度维持在24℃左右(图 2).

图 2

Fig. 2

图 2 水温时空特征Fig. 2 Spatial and temporal distribution characteristics of water temperature

水体溶解氧含量与大气中氧气在水体中的溶解度、 植物光合作用放氧和生物呼吸作用耗氧相关，其能较好地反映水生生态系统新陈代谢情况. 研究期间，枯水期湖上层溶解氧浓度差值在1 mg ·L^-1以内，溶解氧浓度温跃层发生跃变，差值在3.28~6.96 mg ·L^-1之间，底层降至0.24 mg ·L^-1； 溶解氧浓度在平水期和丰水期随水深增加而降低，与叶绿素a浓度及温度变化趋势相一致(图 3)，尤其丰水期表层至20 m水层，最能体现浮游植物对溶解氧浓度贡献作用.

图 3

Fig. 3

图 3 溶解氧时空特征Fig. 3 Spatial and temporal distribution characteristics of dissolved oxygen

电导率体现水体溶解质含量，枯水期电导率分层与热分层相一致，表层电导率在367~379 μS ·cm^-1之间，表层到60 m水层内差值在1 μS ·cm^-1之内，电导率从平面型温跃层开始明显升高，出现盐跃层，永滞层电导率趋于稳定(图 4). 平水期表层电导率在349~359 μS ·cm^-1之间，随深度增加电导率升高，其中表层到20 m变化幅度较为明显. 丰水期受降水补给影响，表层电导率较低，在275~311 μS ·cm^-1之间，表层到20 m电导率随深度增加而升高，20~40 m除双江口外各采样点电导率均小幅降低，40 m以后电导率小幅升高.

图 4

Fig. 4

图 4 电导率时空特征Fig. 4 Spatial and temporal distribution characteristics of conductivity

pH是水质评价的重要指标，表示水体酸碱度. 龙滩水库地处云贵高原喀斯特地区，水体中丰富的HCO^-₃水解产生OH^-使水体pH呈微碱性. 枯水期水体pH在7.79~8.06之间，表层到底层无明显差异，未体现分层特征. 平水期表层pH在8.02~8.33之间，pH随水深的增加而降低，底层最低为7.55. 丰水期表层pH在8.04~8.23之间，20 m和40 m出现两个变化拐点，表层到20 m呈降低趋势，20~40 m小幅升高，40 m后随水深增加逐渐降低(图 5).

图 5

Fig. 5

图 5 pH值时空特征Fig. 5 Spatial and temporal distribution characteristics of pH

浊度反映水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度. 枯水期表层到80 m浊度均在0.5 FTU以内，只有红水河镇采样点底层80~100 m浊度随深度增加而升高. 平水期和丰水期浊度时空变化特征相似，表层到30 m随深度增加而降低，30~90 m随深度的增加而升高，丰水期浊度高于枯水期和平水期，其中平水期和丰水期表层浊度范围分别在1.1~1.7 FTU和1.3~3.6 FTU(图 6).

图 6

Fig. 6

图 6 浊度时空特征Fig. 6 Spatial and temporal distribution characteristics of turbidity

叶绿素a浓度反映浮游植物的生产力水平，也是水体富营养化评价的重要指标. 枯水期叶绿素a浓度较低，在1.1~2.4 mg ·m^-3之间，叶绿素a的营养状态指数TSIc(Chl-a)最高为35.0，呈中营养状态. 平水期表层到20 m水层叶绿素a浓度相对较高，在2.2~5.1 mg ·m^-3之间，TSIc(Chl-a)最高为44.0，呈中营养状态，20 m之后叶绿素a浓度随水深增加逐渐降低，底层90 m最低降至0.7 mg ·m^-3. 丰水期表层叶绿素a浓度最高达到10.4 mg ·m^-3，TSIc(Chl-a)为52.2，呈轻度富营养化状态，20 m水深依旧为变化拐点，相比平水期上下水层间浓度差异增大，红水河镇采样点叶绿素a浓度最高(图 7).

图 7

Fig. 7

图 7 叶绿素a时空特征Fig. 7 Spatial and temporal distribution characteristics of chlorophyll a

透明度是水体富营养化评价的重要指标，反映浮游植物密度及悬浮颗粒的对光透射程度的影响. 枯水期透明度最高，在7.3~9.0 m之间，以大坝采样点透明度最高，双江口采样点最低. 平水期透明度在2.0~2.9 m之间，以大坝和小马厂采样点较高，双江口采样点最低. 丰水期透明度在1.1~2.8 m之间，以大坝采样点最高，小马厂和红水河镇采样点最低(图 8).

图 8

Fig. 8

图 8 透明度时空特征Fig. 8 Spatial and temporal distribution characteristics of secchi disk depth

磷是引起水体富营养化的主要营养元素之一，磷的富营养化效应及循环机制是研究者普遍关心的问题. 龙滩水库水体总磷浓度在0.04 mg ·L^-1以内，TSIc(TP)最高为37.2，呈中营养状态. 枯水期除小马厂采样点外，总磷浓度随深度变化无明显差异； 平水期各采样点总磷浓度随深度的增加略有升高，丰水期大坝采样点总磷浓度较为稳定，其它采样点浓度波动变化(图 9). 一般沉积物间隙水中磷浓度较高，从而进入上覆水，使底层磷浓度升高，而龙滩水库湖下层总磷浓度未出现较大浓度的跃升，同时采集的底泥柱长度在30 cm以内，因此，短时间内形成的沉积物未对底层总磷浓度产生较大影响. 此外，龙滩水库水体氮磷比(摩尔比)为107 ∶1，远高于Redfiled氮磷比，呈明显的磷限制特征.

图 9

Fig. 9

图 9 总磷时空特征Fig. 9 Spatial and temporal distribution characteristics of total phosphorus

氮是引起水体富营养化的主要营养元素之一. 枯水期和平水期总氮浓度在垂直断面内无明显变化，其中枯水期总氮浓度在2.48~2.95 mg ·L^-1之间，相应TSIc(TN)在69.3~72.5之间，呈富营养-重度富营养状态. 平水期在1.89~2.21 mg ·L^-1之间，TSIc(TN)在64.2~67.1之间，呈富营养状态. 丰水期总氮浓度在1.53~3.43 mg ·L^-1之间，TSIc(TN)在60.3~70.3之间，也呈富营养-重度富营养状态，其中表层总氮浓度较低，在1.53~2.28 mg ·L^-1之间，湖上层总氮浓度随深度的增加而升高，20 m水层为变化拐点，之后随水深的增加而降低(图 10).

图 10

Fig. 10

图 10 总氮时空特征Fig. 10 Spatial and temporal distribution characteristics of total nitrogen

高锰酸盐指数是水体富营养化评价的主要指标之一，反映水体中还原性物质和有机物的含量水平. 龙滩水库高锰酸盐指数在4.4 mg ·L^-1以内，TSIc(高锰酸盐指数)最高为35.2，呈贫-中营养状态，其中枯水期高锰酸盐指数在1.0~1.8 mg ·L^-1之间，平水期在0.7~2.3 mg ·L^-1之间，丰水期在1.0~3.1 mg ·L^-1之间，高锰酸盐指数随水深变化特征不明显，未出现显著的分层特征(图 11). 受网箱养鱼的影响，丰水期红水河镇采样点湖上层高锰酸盐指数较高并且随着水深的增加而降低.

图 11

Fig. 11

图 11 高锰酸盐指数时空特征Fig. 11 Spatial and temporal distribution characteristics of permanganate index

综合营养指数法(TLI)是水体富营养化评价较为简便和适用的方法，龙滩水库枯水期TLI在26.7~37.7之间，平水期在26.8~39.6之间，丰水期在23.5~45.9之间(图 12)，3个水期富营养化状况均呈贫营养到中营养状态. 枯水期综合营养指数低于平水期和丰水期，枯水期和平水期综合营养指数随水深增加无明显变化，丰水期表层到30 m，综合营养指数随深度的增加而降低，30 m以后，随深度的增加而小幅升高. 红水河镇采样点在各时期综合营养指数均较高，大坝采样点相对较低.

图 12

Fig. 12

图 12 综合营养指数时空特征Fig. 12 Spatial and temporal distribution characteristics of TLI

对龙滩水库不同水期和水层按水温、 电导率、 pH、 溶解氧、 叶绿素a浓度、 总磷、 总氮、 高锰酸盐指数、 透明度等环境因子运用“欧式Euclidean 距离”进行系统聚类分析(图 13). 根据聚类分析结果，枯水期可分为3层：上层为0.5~60 m，中层为60~80 m，下层为80~100 m. 上层对应湖上层，水体混合程度较高； 中层对应湖中层，也就是温跃层，该层水温、 电导率、 溶解氧呈现明显梯度变化； 底层对应湖下层，水体再次混合，各环境因子趋于稳定. 平水期可分为4层：表层0.5~5 m水温、 叶绿素a浓度、 透明度变化显著； 次表层5~20 m，水温、 叶绿素a、 pH等出现较弱的变化拐点； 中层20~50 m各环境因子变化幅度变缓，水体趋于混合； 底层50~90 m各环境因子趋于稳定，混合度升高. 丰水期也分为4层，分层结构与平水期类似：表层0.5~5 m以叶绿素a浓度、 电导率、 pH、 溶解氧变化较为显著； 次表层5~20 m，为水温、 pH、 电导率变化拐点，中层20~40 m各环境因子无明显变化，水体混合度较高； 下层40~80 m各环境因子趋于稳定. 从3个水期分层特征来看，枯-水期分层结构单一，平水期和丰水期分层较复杂； 湖上层和湖中层3个水期内既有混合状态也有分层状态，而湖下层80 m以后水层相对独立于中层和上层，形成较为稳定的永滞层.

图 13

Fig. 13

图 13 欧式Euclidean距离聚类分析树状图Fig. 13 Euclidean distance clustering analysis tree

深水水库分层现象的发生、 变化直接控制水库的水环境性质^[11]，通过对龙滩水库环境因子的季节性分层研究表明，水库在各水期均出现分层现象，呈不完全混合型湖泊特征； 运用水温分层类型的判别方法a =入库年径流量/总库容^[21]，龙滩水库a =517亿 m³/273亿 m³=1.89，a＜10，水温分布呈稳定分层型，该结果与实际调查及聚类分析结论相符合.

龙滩水库水体分层特征表现为枯水期湖上层(混合层)各环境因子呈均匀分布，水层混合程度较高. 相对于相邻的丰水期，枯水期表层水温降低，受风力扰动及密度流的作用，水体趋于混合，一般在秋季形成逆转(水体翻转)，呈现等温状态^[22]，而龙滩水库温度和电导率在平面型温跃层深度出现跃变，较大的温度梯度和密度梯度抵抗混合作用的扰动力从而形成温跃层(盐跃层)，湖下层(永滞层)，各项环境因子变化趋缓，呈现相对独立且稳定的混合状态. 枯水期温跃层限制垂向水层间氧的交换，使永滞层呈厌氧、 缺氧环境^[23]，从而引起磷、 硫化氢等污染物的释放，温跃层对质量和热传输都是障碍，从而使污染物限制在永滞层内，减少内源污染物的扩散. 平水期气温回升，表层水温升高，湖上层混合状态逐渐被分层状态取代，受太阳辐射强度的影响水温随深度增加而逐渐降低，表层到30 m水温梯度最大，随着深度的增加，水温及其它环境因子变幅减小. 相比枯水期而言，平水期湖上层和湖中层分割不明显，而湖下层与枯水期特征类似，都趋向于永滞层特征. 一般平水期大坝泄水以迎接汛期，同时承接上游水库泄水，换水周期加快，而龙滩水库受回水距离长达120 km的影响，换水主要以层流为主，未对水库垂直分层结构产生较大破坏. 丰水期双温跃层特征与上游万峰湖水库夏季热分层特征相同^[13,24]，湖上层温跃层主要受气温、 太阳辐射及风力扰动影响，湖中层热传导及扰动作用减弱并再次出现温跃层，湖下层保持和其它水期一致的稳定特征.

水温是水库的重要环境因子，决定水体物理、 化学性质，进而影响其它水质指标和水质过程^[25]. 从各环境因子变化规律来看，垂直断面内水温与溶解氧变化趋势保持高度一致，与电导率变化趋势相对应，湖上层范围内水温与叶绿素a浓度、 pH变化趋势相近，在富营养化水平较低的情况下，富营养化状态未表现出与分层结构直接的相关关系，而是通过以温度为主导的分层结构影响叶绿素a、 总磷、 总氮等环境因子从而影响富营养化的分层，体现了水温分层在环境因子分层中的主导地位.

龙滩水库丰水期富营养化水平最高，枯水期最低，富营养化水平的时间差异主要受叶绿素a浓度、 透明度等因素的影响； 垂直断面内富营养化水平的空间差异主要受叶绿素a浓度、 高锰酸盐指数等因素的影响； 水平空间上，红水河镇采样点受网箱养殖、 航运码头等人为活动影响，富营养化水平高于其它采样点，经过水库河流区和过渡区悬浮物的沉降和浮游植物对营养盐的吸收^[1]，大坝采样点富营养化水平低于上游采样点.

一般新建水库在前几年里会出现营养水平上涌的现象，随后营养水平下降并呈现较长时间相对稳定的生物群落和生产力^[26]，研究期间水库富营养化水平呈贫营养到中营养状态，水质状况总体较为乐观. 一般湖库内源污染对水质影响较大^[27]，底层水体氮、 磷等营养盐浓度较高^[28]，受建库时间短，沉积物积累较少的影响，水库底层总磷、 总氮浓度未出现升高现象，季节性的水体对流不会引起总氮、 总磷浓度的骤变，而且温跃层稳定的分层结构将内源污染物限制在永滞层以内，从而抑制水质恶化. 然而受上游富营养化水平较高的万峰湖水库的影响，可以预见未来龙滩水库富营养化水平会逐年加重.

(1)龙滩水库分层结构呈不完全混合型湖泊特征，垂直水温分布属稳定分层型，枯水期、 平水期、 丰水期均出现水温分层现象，其中枯水期单温跃层，平水期和丰水期双温跃层，80 m至底层为永滞层.

(2)叶绿素a浓度、 电导率、 pH、 溶解氧等环境因子的分层特征均与水温分层相对应，体现深水热分层效应的主导性.

(3)龙滩水库富营养化水平呈贫营养到中营养状态，但总氮污染负荷较高，呈磷限制型.