湖库作为人们重要的水源地，其夏季供水水质发生恶化的事件经常被报道.因此，湖库夏季水质演变规律正在得到越来越多的关注^{[1, 2]}.热分层是影响湖库夏季水质的关键因素之一^{[3, 4]}.首先，分层期间水体温跃层内存在较大的垂向密度梯度，可以阻止变温层水体和恒温层水体之间气体以及溶解性物质的交换^[5].因此，热分层形成后湖库恒温层水体的溶解氧会因得不到补充而逐渐下降.特别是在富营养水库中，由于沉积物的耗氧速率较高，恒温层会迅速进入厌氧状态^{[6, 7]}.在厌氧状态下，沉积物会释放大量的还原性污染物，如氨氮、铁、锰及硫化物等^[2].由于温跃层的阻隔，这些还原性污染物在恒温层水体中发生富集，造成湖库局部水体水质污染^[8].此外，热分层还为藻类的大量繁殖提供了良好的水力条件^{[9, 10]}.当夏季湖库水体营养盐充足时，分层型湖库容易暴发水华，从而造成水质恶化^{[11, 12]}.

在全球变暖的大趋势下，气候变化对分层型湖库的水质演变的影响正得到越来越多的关注^{[13, 14]}.周洪华等^[15]研究了60 a (1951~2011年)博斯腾湖的水量和水质对气候变暖的响应；Wang等^[16]通过水动力学模型探讨了广东流溪河水库热力结构对气候和水文条件变化的响应；Zhang等^[17]通过61 a (1953~2013年)的监测数据分析了气候变暖对千岛湖溶解氧分层和热力结构的影响；Sahoo等^[18]通过一维数值模型(LCM)预测了未来气候变暖对Tahoe湖水质的影响；Kraemer等^[19]通过26个湖泊30 a (1970~2010年)的水温数据分析了气候变暖对不同类型湖库热分层的影响.目前，国内外研究主要集中在探讨气候变暖的长期变化对湖库水质和生态的直接影响.然而，气候变暖还会造成极端气候(如极端厄尔尼诺事件)发生的概率增加^[20].目前有关湖库夏季水质变化对极端厄尔尼诺事件的响应的研究较少.

厄尔尼诺现象是太平洋表层水温异常升高的一种自然现象，周期为2~7 a，可通过大气环流对全球气候产生较大的影响，是造成全球气候年际变化的主要因素^[21].我国因位于太平洋西海岸，东部地区气候受厄尔尼诺现象的影响较大^[22].在厄尔尼诺年，降雨条件会发生较大的变化，湖库营养盐外源负荷也随之改变.此外，降雨条件的变化还会引起湖库水位的大幅波动，从而影响湖库热分层结构^[23~25].本研究以枣庄周村水库为例，通过对比正常年(2012年)与厄尔尼诺年(2015年)夏季水质演变规律，着重探讨了极端厄尔尼诺事件对周村水库变温层水体营养盐以及恒温层水体还原性污染物的影响.本研究的结果对湖库的运行管理和水资源的可持续利用有一定的理论指导意义.

周村水库位于山东省枣庄市东北角，是一个集供水、灌溉、防洪、发电多种功能为一体的中型水库.周村水库防洪水位为128 m，水库总库容为8 404万m³.在水位128 m的条件下，库区表面积为6.5 km²，平均水深为13 m.周村水库属于季节性单循环水库，4~10月为分层期，11月~次年3月为混合期.周村水库属于温带半湿润大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥.丰水期为6~8月，枯水期为2~5月.水库流域面积为121 km²，水库有3条入库径流，分别为下拾河、徐洼河和西伽河.其中下拾河和徐洼河上游周边有居民和养殖场，水质遭受了一定程度的污染.

在2012年和2015年的5~8月分别对周村水库的主库区和入库径流进行取样分析.主库区取样间隔为一周一次，入库径流的取样间隔为两周一次.根据周村水库的地形特征，设置主库区和入库径流的取样点位置如图 1所示.主库区的采样水深为0.5、2.5、5.0、10、12.5 m和底层(不同水位条件水深不同).主库区水温(T)、溶解氧(DO)的垂向分布采用哈希HQ 30 d单路输入多参数数字化分析仪进行原位监测，垂向监测间隔为1 m，监测时间为10:00~12:00.入库径流浊度的检测采用WGZ-200浊度计.水样的分析在取完样24 h内完成，化学指标的检测参照文献[26]，检测指标包括总氮(TN)、硝态氮(NO₃^--N)、氨氮(NH₄⁺-N)、总磷(TP)、铁(Fe)、锰(Mn)及硫化物(S).其中总氮的分析方法为碱式过硫酸钾消解-紫外分光光度法，硝态氮的分析方法为紫外分光光度法，氨氮采用纳氏试剂光度法，总磷采用钼锑抗分光光度法，铁采用邻菲罗啉分光光度法，锰采用高碘酸钾氧化光度法，硫化物采用对氨基二甲基苯胺光度法.

图 1

Fig. 1

图 1 周村水库主库区和入库径流取样点位置示意 Fig. 1 Location of the sampling sites in Zhoucun Reservoir and inflow rivers

水力停留时间为水库出库量与水库库容的比值.水位、降雨量、入库和出库径流量的数据源于枣庄市遥测信息查询系统.温跃层为温度梯度大于1℃·m^-1的水层.本研究定义变温层厚度为温跃层上界面水深，温跃层厚度为温跃层上、下界面水深之差，恒温层厚度为库底水深与温跃层下界面水深之差，恒温层深度为温跃层下界面水深.本研究根据周村水库温跃层的位置，取0.5、2.5和5.0 m处水质指标的均值代表变温层的水质状况，取10 m、12.5 m及底层水质指标的均值代表恒温层的水质状况.

为评估入库径流对周村水库主库区水质的影响，入库径流化学指标的月均值计算公式如下：

式中，c为某指标的月均值(mg·L^-1)，q为入库河流的径流量(m³·month^-1)，c为监测值(mg·L^-1)，i代表取样数，j代表3条入库河流.

数据处理与分析采用Microsoft Office 2013，绘图采用Origin 2016.

由图 2可知，周村水库正常年7、8月的降雨量明显高于厄尔尼诺年的同期水平. 2012年周村水库7、8月降雨量分别为271 mm和200.5 mm，而2015年7、8月降雨量仅为59.5 mm和124.5 mm. 2012年7、8月入库径流量分别为1 930万m³和2 410万m³，而2015年7、8月仅为380万m³和490万m³. 2012年出库流量也远高于2015年同期，这主要是由于周村水库要控制水位不能超过洪水位线.周村水库5~8月水力停留时间为45.4~1 037.5 d.其中，2015年7、8月水力停留时间分别为212.9 d和175.6 d，明显高于2012年7、8月的45.4 d和149 d.

图 2

Fig. 2

图 2 2012年和2015年5~8月周村水库水文情况 Fig. 2 Hydrological conditions in Zhoucun Reservoir from May to August in 2012 and 2015

由图 3可知，周村水库5~8月均处于热分层状态.其中表层水温的变化范围为18~31℃，底层水温的变化范围为8~13℃.对比两年水温变化可知，正常年和厄尔尼诺年同期水温相近，表层水温均在5~8月呈逐渐升高趋势，并在8月达到最大值；而底层水温在5~8月也有升高的趋势，但是变化幅度远小于表层水温.

图 3

Fig. 3

图 3 2012年和2015年5~8月周村水库水温和溶解氧的时间变化和垂向变化 Fig. 3 Temporal and vertical variations of water temperature and dissolved oxygen in Zhoucun Reservoir from May to August in 2012 and 2015

溶解氧的垂向分布与水温的垂向分布相似，也呈分层状态. 5~8月，周村水库表层水体始终处于好氧状态，溶解氧的变化范围为6.8~14.4mg·L^-1.对比两年溶解氧变化可知，正常年和厄尔尼诺年5月初期恒温层水体均处于缺氧状态，而后恒温层水体溶解氧继续下降，至5月中旬恒温层水体完全进入厌氧状态.周村水库厌氧区范围在正常年7、8月变化不大，范围为108~118 m；而在厄尔尼诺年7、8月厌氧区范围随着水位的降低而缩小. 2015年8月底周村水库厌氧区范围仅为108~110.3 m.

周村水库温跃层位置的变化与水位的变化趋势一致(图 4). 2012年5、6月水位由124.79 m下降至124.26 m，7、8月由124.26 m上涨到127.14 m；而2015年5~8月水位持续下降，由121.65 m下降至119.46 m. 2012年5、6月随着水位的下降，温跃层上界面由120.8 m降至117.9 m，下界面由115.8 m降至112.9 m；7、8月水位上涨，跃层位置也随之上涨，至8月底，温跃层上、下界面的高程分别上升至121.0 m和116.0 m，恒温层厚度增加了3.1 m. 2015年5~8月周村水库水位持续下降，温跃层位置也随之下移，其中温跃层上界面由118.1 m降至113.9 m，下界面由113.1 m降至109.9 m，恒温层厚度减少了3.2 m.研究期间恒温层的厚度随着水位的升降而增减，恒温层的深度始终保持在9~10 m.变温层厚度的变化范围为3~6 m，其受光照、风力等因素的影响较大.

图 4

Fig. 4

图 4 2012年和2015年5~8月周村水库温跃层位置变化 Fig. 4 Temporal variations of thermocline position in Zhoucun Reservoir from May to August in 2012 and 2015

由图 5可知，在2012的5~7月周村水库变温层水体总氮浓度由2.94 mg·L^-1下降至1.00 mg·L^-1. 7、8月随着降雨量的增大，总氮浓度迅速上升，至8月底总氮浓度升至2.60 mg·L^-1. 2015年的5、6月总氮浓度也呈下降趋势，但7、8月总氮浓度并未像正常年一样上升，依然呈下降趋势.厄尔尼诺年5~8月总氮浓度的变化范围为0.30~1.03 mg·L^-1.

图 5

Fig. 5

图 5 2012年和2015年5~8月周村水库变温层营养盐变化 Fig. 5 Temporal variations of nutrients in the epilimnion of Zhoucun Reservoir from May to August in 2012 and 2015

周村水库变温层硝态氮与总氮的变化规律相似.正常年和厄尔尼诺年在5、6月硝态氮浓度均呈下降趋势，2012年硝态氮由2.47 mg·L^-1降至0.19 mg·L^-1，2015年由0.50 mg·L^-1降至0.1 mg·L^-1左右.但是2012年7月中旬，随着雨季的来临，硝态氮的浓度随之增加，到2012年8月底，硝态氮升至1.28 mg·L^-1.而2015年7、8月硝态氮浓度始终处于较低水平，在0.1 mg·L^-1左右.

周村水库正常年与厄尔尼诺年夏季变温层水体总磷的变化规律也不同. 2012年的5、6月总磷处于较低水平，浓度范围为0.023~0.051 mg·L^-1.在7、8月，总磷也呈上升趋势，与总氮和硝态氮类似. 2012年总磷最高达0.088 mg·L^-1.而在厄尔尼诺年，总磷浓度在5~8月变化不大，且始终处于较高水平，变化范围为0.054~0.087 mg·L^-1.

由图 6可知，周村水库恒温层内还原性污染物浓度在厄尔尼诺年的5、6月与正常年同期差别不大，但是其7、8月的浓度要高于正常年的同期水平.恒温层铁的浓度在正常年的夏季没有明显的升高，浓度变化范围为0.07~0.22 mg·L^-1，而在厄尔尼诺年最高升至0.38 mg·L^-1.恒温层锰浓度的明显升高均始于5月中旬，2012年和2015年5~6月锰浓度的差别不大，变化范围分别为0.085~0.471 mg·L^-1和0.021~0.556 mg·L^-1. 2012年7、8月锰的浓度增长速度明显低于2015年7、8月. 2012年锰最高浓度为0.752 mg·L^-1，而2015则高达1.365 mg·L^-1.恒温层氨氮的浓度在5月初均已经有较明显的上升趋势，在正常年的7月中旬至8月底，氨氮浓度变化不大，在1.90 mg·L^-1左右徘徊.而厄尔尼诺年8月氨氮浓度继续上升，浓度最高升至2.36 mg·L^-1.恒温层硫化物的浓度均在6月中旬开始明显升高，厄尔尼诺年硫化物浓度的增长速率明显高于正常年. 2012年硫化物的最高浓度为1.02 mg·L^-1，而2015年则高达1.67 mg·L^-1.由地表水环境质量标准(GB 3838-2002)可知，Ⅲ类水体铁、锰、硫化物和氨氮的浓度阈值分别为0.3、0.1、0.2和1.0 mg·L^-1.厄尔尼诺年周村水库夏季恒温层水体水质严重超标.

图 6

Fig. 6

图 6 2012年和2015年5~8月周村水库恒温层还原性污染物变化 Fig. 6 Temporal variations of reducing pollutants in the hypolimnion of Zhoucun Reservoir from May to August in 2012 and 2015

周村水库夏季入库径流物理化学指标如表 1所示.周村水库入库径流7、8月水温的变化范围为24.7~25.5℃，与周村水库变温层水体水温相近(图 3).此外，入库径流的浊度较低(＜4.0 NTU)，因此周村水库入库径流的密度与主库区变温层水体的密度相近，属于表层流^[27].周村水库入库径流7、8月总氮浓度和硝态氮浓度的变化范围分别为3.42~8.35 mg·L^-1和2.88~7.22 mg·L^-1，明显高于主库区变温层总氮和硝态氮的浓度，0.30~2.91 mg·L^-1和0.08~2.47 mg·L^-1；入库径流总磷的浓度范围为0.055~0.074 mg·L^-1.

表 1 (Table 1)

表 1 2012年和2015年周村水库7、8月入库径流物理化学指标 Table 1 Physical and chemical conditions in the inflow rivers in July and August in 2012 and 2015 年份 月份 水温 /℃ 溶解氧 /mg·L-1 浊度 /NTU 总氮 /mg·L-1 硝态氮 /mg·L-1 总磷 /mg·L-1 2012 7 24.7 8.28 3.9 8.35 7.22 0.074 8 25.3 7.96 3.3 6.46 5.89 0.065 2015 7 24.9 8.44 2.3 4.87 3.62 0.069 8 25.5 8.97 2.1 3.42 2.88 0.055

表 1 2012年和2015年周村水库7、8月入库径流物理化学指标 Table 1 Physical and chemical conditions in the inflow rivers in July and August in 2012 and 2015

自2014年开始，全球各地出现厄尔尼诺现象，并在2015年达到高潮，成为极端厄尔尼诺事件^{[28, 29]}.厄尔尼诺年我国北方通常会出现大旱天气，而南方则容易发生洪涝灾害^[22].周村水库位于淮河流域，在厄尔尼诺事件下容易出现高温干旱气候^[30].周村水库2015年夏季降雨量明显低于2012同期水平(图 2).已有研究表明，较大、较集中的降雨会形成较大的入库径流量^[31].因此，正常年(2012年)7、8月的入库径流量高于厄尔尼诺年(2015年)同期水平.在正常年的7、8月，周村水库水位随着降雨量的增加而升高.但在厄尔尼诺年的夏季，为满足对枣庄的供水需求，周村水库出库流量并不会随着入库流量的减少而大幅降低，这就造成水库出库流量和蒸发量之和大于入库流量，从而使得2015年5~8月水位持续降低.

极端厄尔尼诺事件对周村水库变温层水体营养盐浓度有较大的影响.周村水库5、6月出现了总氮和硝态氮持续降低的现象.张春华等^[32]研究表明，周村水库表层沉积物的反硝化作用是导致水体氮元素减少的重要因素.此外，较长的水力停留时间有利于水体中反硝化作用对硝态氮的去除^{[33, 34]}.周村水库水力停留时间较长，最小值高达45d，为库区水体反硝化作用提供了有利条件.硝态氮是周村水库氮元素的主要存在形式，硝态氮浓度的大幅降低会导致总氮浓度的降低.特别是在厄尔尼诺年的7、8月，周村水库水力停留时间明显高于正常年的同期水平，这使得厄尔尼诺年周村水库除氮作用更强.由表 1可知，周村水库入库径流属于表层流，且入库径流营养盐浓度较高.因此，在正常年的夏季，由于入库径流量的增加，外源营养盐负荷增加，导致周村水库变温层水体氮、磷等营养盐浓度同时增加.而在厄尔尼诺年的夏季，周村水库入库径流量较小，入库径流对周村水库营养盐水平影响较小，因此厄尔尼诺年夏季氮磷浓度均变化不大.而厄尔尼诺年5、6月周村水库总磷浓度高于正常年，可能是由于水库水位下降，水体的浓缩作用所致.这与Sánchez-Carrillo等^[35]在lvaro Obregón水库观察到的现象相似.

在厄尔尼诺年的5~8月，周村水库水位持续降低，导致恒温层的厚度随之降低.这主要是因为温跃层下界面水深不会随着湖库水位的变化而变化. Hudson等^[23]研究表明Diefenbaker湖夏季的混合深度在正常年和干旱年相近；Baldwin等^[24]研究表明Hume湖变温层厚度始终保持在6 m左右，当水位下降时，变温层厚度并没有发生变化，而恒温层厚度随水位下降而减少；Naselli-Flores等^[25]研究表明夏季水位的下降导致了温跃层高程的下移，而混合层厚度不变.这均与周村水库厄尔尼诺年(2015年)夏季温跃层的垂向迁移现象相似.

周村水库厄尔尼诺年7、8月恒温层污染物(如铁、锰、硫化物、氨氮)浓度均高于正常年同期水平.这可能是由于温跃层的垂向迁移造成的.厄尔尼诺年温跃层上、下界面水深随着水位的下降而下移，恒温层厚度也随之减少.而在正常年的7、8月，随着雨季的来临，周村水库水位上涨，温跃层上、下界面高程随之上移，恒温层的厚度也随之增加.恒温层厚度的增加表明恒温层水体容积增大，这对水库恒温层内的污染物浓度起到稀释作用，导致正常年7、8月恒温层污染物浓度的增长速率小于厄尔尼诺年同期水平.

(1)正常年周村水库夏季降雨量较大，水位上涨，恒温层容积增加；而厄尔尼诺年夏季水库水位持续降低恒温层容积减少.

(2)周村水库夏季入库径流属表层流，正常年外源营养盐的汇入使变温层氮磷浓度同时升高，其中总氮由1.00 mg·L^-1升高至2.60 mg·L^-1，硝态氮由0.19 mg·L^-1升高至1.28 mg·L^-1，总磷由0.023 mg·L^-1升高至0.088 mg·L^-1.极端厄尔尼诺事件导致周村水库夏季外源营养盐负荷减少，入库径流对变温层营养盐的影响变小.厄尔尼诺年夏季变温层总氮、硝态氮和总磷的浓度分别为0.30~1.03、0.1和0.054~0.087 mg·L^-1.

(3)周村水库夏季恒温层污染严重，正常年铁、锰、氨氮和硫化物的浓度分别为0.22、0.75、1.90和1.02 mg·L^-1，而厄尔尼诺年分别高达0.38、1.36、2.36和1.67 mg·L^-1，明显高于正常年同期水平.