近年来随着我国对城市地下水开采的限制，水库/湖泊作为地表水的主要形式已成为许多城市主要的饮用水水源^[1]，“河流水库化”呈现逐年增长的趋势^[2]. 然而，水库的修建与使用在带来巨大经济利益的同时，也深刻地改变了天然河道的演替特性. 水库建成后，水动力减弱，水力停留时间延长，水体的垂向对流交换不佳，使水环境可能发生类似于天然湖泊的“湖沼学反应”^{[3, 4]}，水体季节性热分层就是水库建成后普遍出现的现象^{[5, 6]}. 稳定的热分层阻碍了上下水体的能量交换和物质迁移，对水库水体溶解氧、 营养盐和水生生物的分布产生重大影响^{[7, 8, 9]}. 气温的突降使热分层结构在短期内失稳，上下层水体在垂向上发生等温对流，分层时期蓄积于下层水体的营养盐和还原性物质被交换至上层水体，引发缺氧、 鱼类死亡等水质恶化事件^{[3, 10]}. 近年来，关于水库热分层水质响应的相关研究已成为热点问题. 刘树元等^[11]对台州长潭水库研究后发现：热分层效应引发的内源污染是水体铁锰超标的直接原因； 董春颖等^[12]和张垒等^[13]分别对同处亚热带的千岛湖和龙滩水库的研究认为：水体分层对水库水质的变化起重要作用； 刘流等^[14]研究表明：春季水温分层发育导致水体混合层深度突然减小是春季水华暴发的直接诱因； 夏品华等^[15]认为：贵州高原深水水库季节性水质恶化与水体分层结构失稳有关. 目前，关于我国北方温带水库季节性热分层问题的研究尚不多见，对于水库热分层结构形成的原因、 沉积物内源释放的机制以及浮游植物的垂向分布特性等方面的研究还缺乏系统的认识和研究. 本研究以我国北方温带中型水库——周村水库为例，对水库热分层形成、 稳定和消亡时期的水质指标和浮游植物进行了为期1 a的原位监测，以期为水库水质改善、 污染防治以及运行管理提供科学依据和理论指导.

周村水库位于山东省枣庄市市中区，水库流域面积121 km²，总库容8 404万m³，水面面积8.54 km²，主库区平均水深12m，整个库区水深差距小，全年水位波动不大. 水库建成于1960 年，主要的入库河流包括西伽河、 下十河和徐洼河，目前是枣庄市主要的城市供水水源地. 周村水库处于中纬度暖温带大陆性季风气候区，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥. 早年间水库大量的网箱养鱼，造成了严重的水体污染，水库富营养化问题严重.

本研究于2014 年7月-2015年6月在坝前断面最深(最大水深为15 m)点(34°56′ 38″N，117°41′14″E)实施原位监测,采样断面离水厂取水口较远，采样点受入库径流和取水口出流的影响较小，理化性质和生物特征较为稳定，且采样断面为水库最大水深处，能更为明显地反映水库垂向水质的变化规律，因此，采用主库区坝前最深处作为采样点，具有代表性和可靠性； 本研究在水库垂直剖面上的各水层(上、 中、 下层)都分别设置了2-3个采样深度，其中上层(0.5、 2.5、 5 m)，中层(7.5、 10 m)，下层(12.5、 15 m)，文中图表中各水层的数值都是对应水深采样点的平均值； 采样时间一般选在天气晴朗的上午10-12点(现场测定温度、 溶解氧)，采样频率为每月2-4次(热分层期水质变化较大，采样频率每周1次，混合期水质变化较小，采样频率为每半月1次),共37次采样.

水温(WT)、 溶解氧(DO)用HACH Hydrolab DS5 型多参数水质测定仪测定，深度间隔为1 m； 总氮(TN)、 总磷(TP)、 锰(Mn)等的测定参考文献^[16]； 浮游植物物种鉴定和计数等参考文献^[17].

采用Microsoft Excel 2003软件导出和处理数据； 采用ORIGIN 8.0软件作图； 采用SPSS 18.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA).

如图 1可见，调查期间周村水库上层水温波动较大，全年水温在3.5-28.0℃之间，平均为14.9℃； 中层水温在3.4-25.4℃之间，平均为12.5℃； 下层水温较为恒定，全年维持在3.4-15.2℃，平均为9.3℃，这与周村水库处于温带大陆性季风气候区、 全年气温变化较大有关. 垂向剖面水温季节性变化较大，初春(3月)，气温升高致使上层水体热通量不断增加，水温开始增长，而下层水温增长较为缓慢，但此时期上下温差仅为1.4℃； 4月，上下层温差为2.3℃，最大温度梯度为0.6℃ ·m^-1，出现在水深7-8 m处，热分层结构开始形成； 5月，上下层温差增至8.6℃，最大温度梯度为1.7℃ ·m^-1，温度梯度大于1℃ ·m^-1的水层定义为温跃层，在水深4-8 m形成较为明显的温跃层，此时“三层式”水温结构已经形成. 夏季，上层水体受持续高温天气影响，水温升高至全年最高值，但底层水体受气温影响较小，上层与底层温差达到全年最大值(19℃)，在水深6-9 m处出现了明显的温跃层. 秋末(10-11月)，气温开始下降，上层水温随之降低，上下层温差逐渐减少，温跃层厚度变薄，温度分层逐渐弱化，直至11月中旬，热分层失稳破坏，垂向温差消失，上下层水体混合均匀. 进入冬季，水温进一步下降，水体处于混合状态. 从调查期间的水温监测结果来看，周村水库水温垂向呈正温分布，即便在温度最低的冬季，也未出现逆分层现象，因此，周村水库热分层时期长(4-11月)，混合期短(12月-翌年3月)，呈典型的温带单循环混合模式. 采用水温分层类型判别方法a =年入库水量/总库容，周村水库年入库水量为5 727.1万m³，总库容为8 429.3万m³，a =0.68＜10，水温分布呈稳定分层型，这与实际调查结果相符合.

图 1

Fig. 1

图 1 周村水库水温及溶解氧垂向剖面变化 Fig. 1 Vertical profile of water temperature and dissolved oxygen in Zhoucun Reservoir

对周村水库气温与上层、 中层、 下层水温之间进行相关性分析，结果可知：上层水温(0-5 m)与气温存在显著线性正相关(R²=0.811) [图 2(a)]，这与国内外许多学者的研究结果一致^{[18, 19, 20]}. 中层水温(6-10 m) 与气温也存在显著线性正相关(R²=0.607) [图 2(b)]，但决定系数较上层有所降低. 热分层期气温对水库水温的影响主要作用于水深10 m以内的上、 中层水体，而对下层水温影响不大[图 2(c)]，上层水体接收到的太阳辐射热量因温跃层的阻碍而很难传递到下层水体，由图 1可见，热分层期下层水体温度在10.8-14.3℃，平均为12.1℃，因此水库热分层期下层水温较为恒定. 进入混合期，上下层水体混合均匀，传热通道疏通，下层水温与中上层水温一样受气温变化的显著影响.

图 2

Fig. 2

图 2 气温与表层、 中层和下层水温的线性关系 Fig. 2 Linear relationships between air temperature and water temperature of surface,middle and bottom layer

周村水库水体垂向溶解氧(DO)存在显著的季节性分层特性(图 1)，在稳定的热分层期(2014年7-10月，2015年5-6月)上、 下层水体DO分布差异明显(ANOVA，P＜0.01)，上层DO在4.12-12.18 mg ·L^-1之间,平均值为7.87 mg ·L^-1； 随着水深的增加，DO浓度逐渐降低，中层DO在0.03-6.77 mg ·L^-1之间,平均值为1.86 mg ·L^-1； 下层DO在0.03-1.83 mg ·L^-1之间,平均值为0.13 mg ·L^-1. 此时期DO具有上层高、 下层低的分布特性，与水温分层一样，DO 在温跃层附近也存在跃层，水体DO急剧下降，其中最大DO梯度为3.86 mg ·(L ·m)^-1，出现在2014年7月，温跃层以下DO基本恒定并处于缺氧甚至厌氧状态. 混合期，上下层水体DO差异性不大(ANOVA，P＞0.05)，DO在9.09-13.39 mg ·L^-1之间变化，均值为11.86 mg ·L^-1.

由图 3可见，周村水库热分层期TN浓度垂向差异较大，上层TN浓度在0.45-1.54 mg ·L^-1之间，平均值为0.77 mg ·L^-1； 中层TN浓度在0.54-1.60 mg ·L^-1之间，平均值为0.99 mg ·L^-1； 下层TN浓度在0.69-1.64 mg ·L^-1之间，平均值为1.18 mg ·L^-1. 混合期垂向TN浓度差异较小，平均值为1.31 mg ·L^-1. 季节性变化上，TN浓度最大值出现在1月份，总体而言混合期的TN浓度较分层期大. 热分层期上层TP浓度在0.04-0.08 mg ·L^-1之间，均值为0.06 mg ·L^-1； 中层TP浓度在0.05-0.16 mg ·L^-1之间，平均值为0.08 mg ·L^-1； 下层TP浓度在0.05-0.18 mg ·L^-1之间，平均值为0.11 mg ·L^-1. 季节性变化上有别于TN，TP浓度最大值出现在6月，混合期TP浓度明显小于分层期.

图 3

Fig. 3

图 3 周村水库总氮、 总磷时空分布特性 Fig. 3 Spatial and temporal distribution characteristics of total nitrogen and total phosphorus in Zhoucun Reservoir

周村水库热分层期，上下层水体TN、 TP浓度差异性较大，分层期下层水体的厌氧和酸性环境，促进了沉积物中氮、 磷的释放，致使下层水体氮、 磷浓度较高，而水体的分层又阻隔了下层高浓度的氮、 磷向上层水体扩散，因此上层氮、 磷浓度较低. 由图 3可见，随着秋末(10、 11月)气温的下降，热分层结构失稳破坏，温跃层消失，下层蓄积的高浓度营养盐在上下层对流过程中被带到中上层水体，此时表层TN、 TP浓度急剧上升，其中TN浓度为1.64 mg ·L^-1、 TP浓度0.11 mg ·L^-1(全年上层最大值).

周村水库锰、 硫化物浓度变化的垂向分布和季节性特性比较明显(图 4). 在热分层时期，上下层水体中的锰、 硫化物浓度存在显著差异(ANOVA，P＜0.05，P＜0.05)，上层锰浓度在0.03-0.25 mg ·L^-1之间，平均值为0.09 mg ·L^-1； 中层锰浓度在0.04-1.23 mg ·L^-1之间，平均值为0.37 mg ·L^-1； 下层锰浓度在0.05-1.24 mg ·L^-1之间，平均值为0.47 mg ·L^-1，其中最大值1.24 mg ·L^-1，超标约12倍^[21]，出现在2014年9月. 分层期上层硫化物浓度变化不大，均值为0.02 mg ·L^-1； 中层浓度在0.01-0.80 mg ·L^-1之间，平均值为0.24 mg ·L^-1，下层硫化物浓度在0.01-1.29 mg ·L^-1之间，平均值为0.48 mg ·L^-1. 混合期，锰、 硫化物浓度较低，且垂向差异性不大(ANOVA，P＞0.05).

图 4

Fig. 4

图 4 周村水库锰、 硫化物时空分布特性 Fig. 4 Spatial and temporal distribution characteristics of manganese and sulfide in Zhoucun Reservoir

由于不同水深所接受的光照强度和水体热力学状态的显著差异，浮游植物在垂直剖面上的异质性也较为明显(图 5). 热分层期，浮游植物密度垂向差异较大(ANOVA，P＜0.05)，上层浮游植物密度较大，浮游植物密度在9.31-32.23×10⁶ cells ·L^-1之间，平均值为16.35×10⁶ cells ·L^-1； 中层浮游植物密度在2.99-20.11×10⁶ cells ·L^-1之间，平均值为8.99×10⁶ cells ·L^-1； 下层浮游植物密度在1.97-12.22×10⁶ cells ·L^-1之间，平均值为7.56×10⁶ cells ·L^-1，全年浮游植物密度出现两个峰值，一个出现在4月末，另一个出现在8月初. 从浮游植物群落结构季节性演替上来看，夏季以耐高温且具备悬浮机制的蓝藻为主，而以梅尼小环藻、 针杆藻等代表的硅藻能适应低温、 弱光条件，成为了秋冬季的优势种群，绿藻为广布种群，其季节性变化不明显，全年所占比例在21.7％-51.3％之间.

图 5

Fig. 5

图 5 周村水库浮游植物密度时空分布特性 Fig. 5 Spatial and temporal distribution characteristics of Phytoplankton abundance in Zhoucun Reservoir

水中DO的含量主要受到复氧机制和耗氧机制的双重作用. 水体中的复氧途径一方面是表层水体与大气进行气体交换，大气中的氧溶入表层水体并通过分子扩散向下传播，根据Fick扩散定律，随着水深的增加，DO的浓度逐步降低，大气对水体的DO传递是水体中DO的主要来源； 另一方面浮游植物光合作用增氧以及富氧的入库径流也可在一定程度上提高水体的DO浓度. 水体中的耗氧主要是浮游植物、 微生物等水生生物的呼吸耗氧，亚铁、 硫化物等还原性离子的化学氧化耗氧，有机物降解耗氧以及底泥耗氧.

周村水库热分层期中下层水体厌氧环境的形成是水体复氧和耗氧失衡导致的，上层水体通过水-气界面的气体交换以及浮游植物的光合作用，为上层水体提供了DO，而温跃层的存在阻碍了上层水体DO的向下传递，下层水体DO得不到充分的补充，加之沉积物中有机质的矿化降解和有机体死亡下沉分解进一步加剧了下层水体氧的消耗，下层水体耗氧远远超过复氧，致使下层水体处于缺氧甚至厌氧状态，因此，热分层是周村水库DO垂向分层以及下层水体厌氧的主要原因，这与国内外许多学者的研究结果相似. 例如Lee等^[22]对韩国Yeongsan水库的研究表明，温度分层是底层水体缺氧的一个主要因素. 董春颖等^[12]对千岛湖的研究以及邱华北等^[23]对万峰湖的研究也表明DO的分层结构是由温度的热分层结构所引起的. 初秋(10月末至11月初)，由于气温的骤降，上层水温随之下降，水体密度增大而下沉，稳定的分层结构被打破，上下水层发生等温对流，此时热分层时期蓄积在下层的营养盐和还原性物质被交换至上层，不仅引起表层水体氮、 磷等浓度的升高，H₂S等厌氧产物的释放以及亚铁等还原性物质的氧化，还会导致水体变臭，DO下降，局部水域出现鱼类等水生生物的死亡. 近年来国内外因热分层消亡期分层结构失稳而引发的水质突发性污染事件时有报道，如土耳其Tahtali 水库冬季营养盐浓度的剧增^[24]，贵州百花湖水库的“黑潮”问题^[3]，贵州红枫湖秋初鱼类等水生生物的死亡等^[15]. 进入混合期，上下层水体混合均匀，下层水体复氧途径疏通，此外，冬季水温较低，生物耗氧减弱，水中氧气的溶解度增大，整个库区DO都维持在较高水平.

氮、 磷等营养盐是生命活动所需的基本营养元素，也是引起水体富营养化和水华重要因素，其在水体-沉积物-微生物多相界面发生着剧烈的生物地球化学作用，对库区的营养状态和水质都有重要影响.

沉积物是湖、 库中营养盐重要的蓄积库，并在一定条件下向上覆水体中释放. 沉积物中磷的释放受控于诸多因素，其中最主要是水体中的DO、 温度、 pH、 扰动和生物等. 研究表明：厌氧条件下，沉积物中的磷向水体释放且温度的升高、 微生物的作用有利于磷的释放^{[25, 26, 27]}，周村水库沉积物磷以铁结合态磷为主要赋存形态，热分层期库区下层水体的厌氧环境使磷酸铁中的Fe³⁺被还原为Fe²⁺，铁结合的磷溶解释放. 相关分析表明：周村水库热分层期下层TP浓度与DO浓度间存在显著负相关(y=-0.006 5x+0.115，R² =0.489 2). 水体混合后，下层水体缺氧环境得以改善，加之微生物在冬季低温环境影响下生物活性下降，沉积物磷的释放停止，有研究表明：在好氧条件下，沉积物非但没有向水体释放磷，反而从水体中吸收磷^[25]. 周村水库TP浓度在热分层消亡期突增，但是混合期TP浓度有所下降，这可能是由于枯水期外源性磷输入的减少，沉积物对磷释放的停止甚至“负释放”，虽然浮游植物在混合期丰度下降，但其对磷的吸收利用仍会对磷的下降产生影响.

沉积物中各种氮化合物可以相互转化，不同形态氮的释放和转化能力存在差异. 上覆水体DO水平是控制沉积物氮释放的关键因子，在厌氧条件下硝化作用强度减弱，沉积物中有机氮通过氨化作用形成的氨氮不能完全转化为硝氮，大量的氨氮释放到水体中. 而在好氧条件下，硝化作用强烈，大部分的氨氮转化为硝氮，使得沉积物向上覆水体释放氨氮的作用受到一定的抵消，从而造成水体硝氮浓度大幅升高，氨氮浓度显著下降. 周村水库热分层期，下层水体厌氧致使沉积物中氨氮的大量释放，下层水体氨氮平均浓度为1.04 mg ·L^-1，而上层水体因温跃层的阻碍，氨氮浓度较低，其均值为0.26 mg ·L^-1. 水体中因硝化作用受到抑制，硝氮浓度较低，尤其在夏季，硝氮浓度仅为0.10 mg ·L^-1，此时期水体TN主要由氨氮贡献. 水体混合后，硝氮浓度逐渐升高，均值为0.84 mg ·L^-1，而氨氮由于不断的转化和利用，浓度逐渐减小，其均值为0.20 mg ·L^-1，此时期水体TN主要由硝氮贡献.

20世纪80年代，Davison^[28]根据水温分层及相应的缺氧状况，提出了一个铁、 锰循环的氧化还原边界层转化模式，指出该边界层的季节性迁移控制了铁、 锰循环的季节性变化. 罗莎莎等^[29]认为除了考虑氧化还原层这个化学界面外，沉积物-水界面这个地质界面对铁、 锰循环的作用也不容忽视. 沉积物中的铁、 锰氧化物在有机质降解过程中被还原成溶解态的Mn²⁺、 Fe²⁺，这些溶解态的铁、 锰通过间隙水向上覆水体中扩散迁移，当水库下层水体好氧时，氧化还原边界在沉积物-水界面附近，Mn²⁺、 Fe²⁺在沉积物表面重新被氧化而形成颗粒态的铁、 锰氧化物； 当水库下层水体缺氧时，氧化还原边界向上覆水体迁移，铁、 锰也随之扩散至上覆水体. 泥水界面处的专性微生物(主要为硫酸盐还原菌SRB)在代谢过程以硫酸盐作为电子受体并产生高浓度的H₂S，而还原态的Fe²⁺在向上覆水体扩散时，Fe²⁺与S^2-反应形成铁的硫化物FeS并抑制了Fe²⁺向上覆水体释放.

周村水库热分层期，水库下层厌氧，氧化还原边界上移至上覆水体，沉积物中的锰、 硫元素大量释放至水体，而温跃层的稳定存在又阻碍了上下水层的物质交换，致使下层水体中的锰、 硫化物的浓度显著大于上层水体. 相对于锰，铁的氧化还原较为平缓，调查期间水体中铁的浓度较低，即便是释放最为严重的夏季，下层水体铁的浓度也并未超标，这与罗莎莎等^[29]和万曦等^[30]对阿哈湖的研究结果较为相似. 进入混合期后，周村水库上下水体均处于富氧状态，被重新氧化的难溶铁锰氧化物，在沉积物表面沉淀、 富集，水体中的铁锰含量较低(小于0.3 mg ·L^-1).

沉积物氮磷主要来源于水体中颗粒有机物的沉降积累，资料表明：1990-2008年期间，周村水库曾大面积投饵网箱养鱼，养殖过程中饵料、 肥料输入以及其较低的利用率导致水库沉积物中氮磷的积累较为明显，虽然近年来政府部门取缔了网箱养鱼，但是热分层引起的内源污染，致使水体仍处于富营养状态. 因此，在水源水库水质的修复和改善工作中，除了控制农业农村的面源污染，减少流域氮磷等营养盐的入库负荷等外源污染外，对于热分层引起的内源污染应引起足够重视，而破坏水体分层结构，增加水体底层水体溶解氧含量的扬水曝气技术被认为是预防热分层失稳引起的突发性水质污染事件的有效措施.

(1)周村水库水体呈典型温带单循环混合模式，在4-11月形成稳定的热分层. 气温是引起热分层结构年度变化的主要因素，其中上层水温受气温影响显著，而气温对底层水温的影响较小.

(2)周村水库热分层期，温跃层的稳定存在阻碍了垂向水体间氧的传递交换，致使底层水体处于厌氧状态. 厌氧环境下，沉积物中氮磷等营养盐以及锰、 硫化物等还原性物质大量释放并扩散至上覆水体.

(3)周村水库秋末分层结构失稳破坏，蓄积于下层的营养盐和还原性物质被交换至上层，引起上层水体氮、 磷等浓度的升高.

(4)不同水深所接受的光照强度和水体热力学状态的显著差异，浮游植物分布在垂直上的异质性也较为明显，热分层期，浮游植物丰度垂向差异较大.