环境科学  2018, Vol. 39 Issue (6): 2632-2640
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, ZHU Guang-wei1
, DA Wen-yi3 , YU Mao-lei3 , YANG Wen-bin2 , ZHU Meng-yuan1 , XU Hai1 , GUO Chao-xuan1 , YU Li1 , LI Heng-peng1 , LI Hui-yun1
随着城市地下水开采的限制, 水库已成为城市饮用水的主要水源地[1].水库的修建使得库区形成了较大的滞水区, 光照的直接辐射及水体的自净作用使水库形成了与河流完全不同的水域环境[2].水力停留时间延长、水动力减弱及水体的垂向对流交换受阻, 使水环境可能发生类似于天然湖泊的“湖沼学反应”[3, 4].水库建成后会出现季节性热分层的现象[5, 6], 稳定的热分层阻碍了水体上下层的物质迁移和能量交换, 对水体的营养盐、悬浮物、溶解氧及水生生物的分布产生了重大的影响[7~9].气温的骤降破坏了水体的分层现象, 使水体上下层发生等温对流, 分层时期积聚在底层的营养盐和悬浮物被交换至上层水体, 引发水体短暂的缺氧、营养盐升高[4, 10].水库这些阶段性或周期性的水质污染事件, 严重的影响了城市的供水安全[11].
近年来, 关于水库热分层水质效应的相关研究已经成为热点问题[12].张垒等[13]对龙滩水库的研究和董春颖等[14]对千岛湖的研究, 均认为水体热分层对水库水质的变化产生了重要的影响; 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; 张运林等[8]对天目湖沙河水库的研究, 认为水温的变化及温跃层的存在引起了水体溶解氧和营养盐的变化; 成晓奕等[16]对天目湖沙河水库的研究, 表明水体热分层导致水体的溶解氧分层从而可能通过影响藻类活动而对水环境造成影响; Elçi[17]对土耳其曼德拉斯的Tahtali水库的研究, 表明水体热分层导致了水体底层溶解氧含量大幅度降低从而引起了水质的恶化; Macintyre等[18]的研究表明热分层期间水体表层与底层形成了鲜明的差异, 表层水体营养贫乏但光线充足, 而底层营养丰富, 光线不足, 从而影响了水体环境及藻类的活动; Kraemer等[19]研究表明水体的热分层会加剧水体缺氧, 促使浮游生物的增大、蓝藻水华的暴发, 并导致水体内部营养负荷变化从而影响水体生产力.
然而, 目前关于水库热分层的研究, 主要考虑热分层的形成与消失及其对水质的影响, 对于极端天气对热分层的影响及热分层形成与消失过程对浮游植物群落结构的变化关注较少.本文选取中国东南丘陵地区大(Ⅱ)型水库天目湖沙河水库为研究对象, 基于2016年大坝区域的逐时温度分层数据及对相关环境因子的多年逐月连续监测, 试图分析热分层的季节性变化、水质对热分层的响应特性及高温和降雨对热分层的影响, 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.
1 材料与方法 1.1 沙河水库简介江苏省溧阳市天目湖沙河水库地处我国东南丘陵山区, 地理坐标为东经119°25′, 北纬31°18′, 水库集水面积152 km2, 水域面积12 km2, 最大蓄水量1.1亿m3, 湖底高程由南向北递减[20], 平均水深7 m, 最大水深为14 m[21].沙河水库属北亚热带季风气候区, 多年平均气温为15.8℃, 气候温暖多变, 冷暖空气交锋频繁; 受梅雨和台风雨共同影响, 年降雨量1 155.8 mm, 其中3~9月降雨量占全年降雨量的76%.沙河水库及其周边保护区是国家5A级景区, 旅游及特色农业开发强度大, 其中山区茶叶、果树等特色农业的面源污染强度较大.沙河水库也是当地特色品牌“砂锅鱼头”的发源地, 水库保持一定量的鲢鳙鱼养殖.此外, 沙河水库是溧阳市主要饮用水源地, 供给人口约70万人.水库的主要水质威胁是藻类的季节性异常增殖, 对水色、水质及水源供给产生较大威胁[22].
1.2 采样点布设样品的采集与测定方法见文献[23, 24].为分析热分层的形成与消失对水库水质的影响, 现需在水库最深的区域和水库最浅的区域分别设置采样点.水库最深的区域在北部大坝处, 最大水深为14 m, 本次观测的2016年3~11月水深维持在11 m左右, 前期监测显示夏季具有热分层现象[8]; 水库最浅的区域在南部平桥河和下宋河来水的汇合区, 水深1~2 m, 无热分层现象产生.在北部大坝处设置为TM1, 在南部交汇区域设置TM10, 其中TM10主要受上游河道来水的影响[25].采样点布设如图 1.
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图 1 天目湖沙河水库逐月监测点位示意 Fig. 1 Sampling sites for water quality analysis in Shahe Reservoir |
2016年在大坝区域(TM1)放置加拿大RBR仪器公司KNDTR-1060型号的水温仪进行3~11月的逐时温度测定, 水温仪共分为11节, 一节1 m, 对大坝区域进行垂向1~11 m水体温度的测定.此外, 在2009~2016年对TM1和TM10分别进行每月一次的监测, 采样时间在每月中旬进行.
水样采集使用5 L的采水器取表层0.5 m水样, 现场进行叶绿素a(CHL)、悬浮颗粒物(SS)的过滤, 过滤叶绿素的滤后水和原水进行冷藏后带回实验室进行营养盐指标分析.用采水器采集0.5 m深水样, 取1 L水样用鲁戈试剂固定, 用于浮游植物群落结构的鉴定.现场用美国黄石仪器公司YSI 6600V2型多参数水质分析仪测定水温(WT)、电导率(Cond)、溶解氧(DO)、浊度(Turb)等指标.
实验室测定水质指标, 滤后水体中的硝态氮(NO3--N)和氨氮(NH4+-N)含量用Skalar流动注射分析仪光度法测定; 总磷(TP, 原水)测定方法为碱性过硫酸钾消解-钼锑抗显色分光光度法测定; SS采用Whatman GF/F滤膜过滤, 105℃烘干重量法, 然后采用550℃马弗炉灼烧, 剩余灰分为无机颗粒物(ISS)重量.浮游植物群落结构的鉴定使用Olympus CH生物光学显微镜镜检, 鉴定到属, 首先获得细胞密度(cells·L-1), 在各属细胞密度的基础上, 根据体积-重量经验公式换算为生物量(mg·L-1), 具体方法见文献[26].
1.4 水文气象数据2009~2016年5月的日平均降雨量、日平均气温等气象数据通过中国气象网查询而来, 2009~2016年太阳辐射数据及2016年下半年的水文气象数据则由项目组设在沙河水库西南山顶的十思园自动气象站获取.
1.5 数据处理方法数据图表绘制及主要统计参数计算由Excel 2010、Origin 8.5和SPSS 16.0软件完成.
2 结果与分析 2.1 水温变化温跃层的定义为温度铅直梯度大于或等于0.20℃·m-1的水层[27], 混合层的定义为由于风或温度引起水体混合所形成的水上层[28].图 2为天目湖沙河水库2016年3~11月大坝区域水体垂向温度分层状况, 其中云图色差以1.0℃作为基本单位.水库水温季节性变化较大, 表层水温在10.8~33.1℃之间, 平均22.9℃; 底层水温相比表层水温变化较小, 稳定在11.4~25.6℃, 平均16.8℃, 垂向水温存在明显的季节变化.由图 2可知, 4月初水体表底温差较小, 约为2.5℃, 5月随着太阳辐射增强, 气温增高, 表层水体热通量不断增大, 表层水体水温迅速增加, 底层水体水温增加缓慢, 到5月底水体表底层温差约为8℃, 热分层稳定形成, 此时表层水温约为21℃.夏季, 受较强太阳辐射的持续影响, 水体表底层温差达到全年最大值, 约为14℃, 此时水体热分层最为稳定, 温跃层下潜, 强度变大, 厚度变窄.秋季, 太阳辐射减弱, 气温逐渐降低, 水体热分层开始减弱, 混合深度逐渐增大. 10月初水温约为19℃时, 水体垂向温差消失, 表底层水体完全混合.之后, 水体处于混合状态, 水温逐渐降低(图 2).
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图 2 TM1水体垂向水温变化 Fig. 2 Vertical distribution of water temperature in TM1 |
根据气温与太阳辐射的相关分析, 发现气温随着太阳辐射的增强而升高(P < 0.01), 相关系数达0.84, 表明太阳辐射的强弱决定气温的高低, 因此高温对热分层的影响主要是由太阳辐射控制的.图 3为沙河水库2016年8月7~30日(220~243 d)大坝区域水体的热分层状况及气温的逐日变化.其中8月7~26日平均气温30.1℃, 为高温期间, 表层水体日均温度均超过30℃, 水体温度分层较为明显, 温跃层强度较大.高温期间, 水下2 m至水体表层水温混为一层, 其混合层厚度在8月21日达到最大, 主要是8月7~20日持续性的高温及较大的风速共同作用引起的, 期间平均气温30.4℃, 平均风速3.1 m·s-1. 8月21~30日随气温的降低, 混合层水体厚度逐渐增大, 混合深度从2 m处下潜至5 m处; 而水下5~11 m处水温分层在8月7~30日期间较为稳定(图 3).
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图 3 水温垂向变化及气温逐日变化 Fig. 3 Vertical distribution of water temperature and daily variations of air temperature |
降雨当日太阳辐射有所减弱, 由于太阳辐射对热分层的影响是持续性的作用, 因此在降雨期间热分层主要受降雨带来的低温水及动力混合的影响.图 4为沙河水库2016年6月6日至7月26日(158~208 d)大坝区域水体的热分层状况.其中6月18日至7月22日降雨较多, 共降雨723.7 mm, 平均日降雨20.7 mm, 7月2日降雨量达149.4 mm.在6月16~25日, 表层水体温度均较高, 热分层较为明显, 温跃层厚度较大, 但在6月25日至7月13日, 水体表层温度逐渐降低, 水下5 m至表层的温度分层逐渐减弱, 这主要由于172~190 d期间降雨量较大引起的, 之后降雨量减少, 表层水体温度又明显升高, 水下5m至表层的温度分层也明显增强; 在此期间水下5~11 m热分层较为稳定(图 4).
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图 4 水温垂向变化及降雨量逐日变化 Fig. 4 Vertical distribution of water temperature and daily variations of rainfall |
图 5表明大坝区域水体底层溶解氧饱和度与水温表、底差呈极显著负相关关系(P < 0.01), 相关系数达0.70.说明水体未分层时, 表、底层水温一致, 水层混合机会大, 底层溶解氧饱和度较大; 随着气温的升高, 水体逐渐出现分层现象, 交换变差, 此时, 底层微生物等的耗氧作用不断消耗氧气, 水体底层溶解氧饱和度降低且长期维持.这说明了温度分层是底层水体长期极度缺氧的诱因[29, 30]. 10月初气温骤降, 热分层消失, 水体上下层垂向对流混合, 复氧途径疏通, 水体底层缺氧状况得到改善, 溶解氧饱和度迅速增加.
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图 5 水体底层溶解氧饱和度与水温表底差的关系 Fig. 5 Relationship between dissolved oxygen and the difference in water temperature between the surface and bottom |
表 1中DO4~5和DO9~10分别表示底层水体溶解氧饱和度5月较4月的降低量(以负值形式表示)及10月较9月的增加量.从中可知, 水体底层溶解氧饱和度在热分层形成与消失前后变化明显.水体底层溶解氧饱和度5月较4月明显降低, 多年平均降低41.4%, 这主要是5月水体热分层形成, 温跃层的存在阻碍了上层水体DO的向下传递[12]; 而水体底层溶解氧浓度10月较9月有明显的增加, 多年平均增加41.8%, 主要是10月水体热分层消失, 水体上下层混合.
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表 1 热分层形成与消亡前后水体底层DO饱和度变化/% Table 1 Variations of dissolved oxygen in the bottom of the water body prior to and post stratification/% |
根据表 2可知底层水体氮磷营养盐及悬浮物在热分层形成与消失前后均发生了变化.其中多年4~5月氨氮(NH4+-N4~5)在数值上均有所增加, 但不显著(P>0.05), 多年平均增加0.011 mg·L-1.这可能是因为水体5月形成稳定的热分层, 底层水体形成厌氧环境, 硝化反应得到抑制而释放出氨氮[31]; 9~10月总磷、氨氮及悬浮颗粒物含量均有所变化, 总磷和悬浮颗粒物10月较9月在数值上均有所增加, 但不显著(P>0.05), 多年平均增加分别为0.006 mg·L-1和2.76 mg·L-1, 这可能是因为水体9月热分层稳定, 热分层期间, 水体上下对流受阻, 10月水体热分层消失, 水体上下混合扰动, 导致底层沉积物中的磷营养盐及悬浮颗粒物向水体释放, 氨氮10月较9月多年来均有减少, 多年平均减少0.346 mg·L-1.
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表 2 热分层形成与消亡前后水体底层主要理化指标变化/mg·L-1 Table 2 Variations of water quality indicators in the bottom of the water body prior to and post stratification/mg·L-1 |
天目湖沙河水库浮游植物优势门为硅藻门、隐藻门和蓝藻门[25].浮游植物优势门及总生物量5月较4月呈现明显增加的现象, 图 6为TM1和TM10硅藻门、隐藻门、蓝藻门及浮游植物总生物量(BM)5月较4月的增加百分比情况. 2009~2016年TM1和TM10的硅藻门、蓝藻门、隐藻门及浮游植物总生物量5月较4月的总体增幅无显著性差异(P>0.05), 但浮游植物生物量5月较4月的增加百分比数值在TM1和TM10情况有所不同.其中硅藻门生物量在TM1的8 a平均增加百分比为78%, 在TM10的8 a平均增加百分比为41%, TM1的8 a平均增加百分比较TM10大; 蓝藻门生物量除在2011年TM1的增加百分比较TM10的增加百分比小, 其它各年TM1的增加百分比均明显大于TM10的增加百分比; 隐藻门生物量在TM1的8 a增加百分比为23%, 在TM10的增加百分比为80%, TM10的增加百分比明显较高; 总生物量在TM1的8 a增加百分比为75%, 在TM10的增加百分比为58%, TM1的增加百分比稍高于TM10.
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图 6 TM1和TM10浮游植物优势门生物量及总生物量5月较4月的增加百分比 Fig. 6 Variations of biomass from phytoplankton from April to May in TM1 and TM10 |
浮游植物优势门生物量及总生物量10月较9月明显减少.图 7为TM1和TM10浮游植物优势门生物量及总生物量10月较9月的减少百分比情况.
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图 7 TM1和TM10浮游植物优势门及总生物量在10月较9月的减少百分比 Fig. 7 Variations of biomass from phytoplankton from September to October in TM1 and TM10 |
2009~2016年TM1和TM10的硅藻门、蓝藻门、隐藻门及浮游植物总生物量(BM)的减少百分比虽然在统计上不显著(P>0.05), 但浮游植物生物量10月较9月的减少百分比数值在TM1和TM10情况有所不同.其中蓝藻门生物量在TM1的8 a减少百分比为76%, 在TM10的减少百分比为60%;硅藻门生物量在TM1的8 a减少百分比为34%, 在TM10的减少百分比为50%, 硅藻门生物量在TM1的减少百分比较小; 隐藻门生物量在TM1的8 a减少百分比为56%, 在TM10的减少百分比为20%, 隐藻门生物量在TM10的减少百分比较小; 总生物量在TM1的8 a减少百分比为53%, 在TM10的增加百分比为43%, 总生物量在TM1的减少百分比稍高于TM10.
3 讨论 3.1 热分层的控制因素由于太阳辐射对水温的影响是持续的作用, 因此选择采样日前15 d的太阳净辐射日总量的平均值与采样日测定的水体温度进行相应的分析.图 8为采样日测定的水温表、底差与采样日前15 d的太阳净辐射日总量平均值的关系, 水温表、底差与前15 d太阳净辐射日总量平均值呈极显著正相关关系(P < 0.01), 相关系数达0.69, 随着太阳辐射的增强, 水温表、底差逐渐增大, 热分层逐渐形成, 在水温表、底差达8℃以上时, 水体热分层稳定形成.高温期间(8月7~22日)平均气温为30.4℃, 水体日温度均超过30℃, 此时水体温度分层最明显, 温跃层强度最大, 而此时的温跃层略有下潜, 厚度变窄, 主要是由于长时间持续性的高温及较大的风速共同作用导致水体混合层厚度的加大而引起的.气温降低后, 水体温度分层逐渐减弱至消失, 然而气温的高低是由太阳辐射强弱决定的, 这说明高温对热分层的影响主要是太阳辐射控制的.在6月18日至7月22日期间降雨量较大, 水体表层温度逐渐降低, 水下5 m至表层的温度分层逐渐减弱, 但水下5~11 m温度分层基本未受影响, 说明降雨对水体的热分层影响仅在水下5 m至表层区间, 这主要是由于降雨带来的低温水及动力混合导致的, 从而也进一步说明了水体热分层的形成与消失主要由太阳辐射控制.
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图 8 水温表、底差与太阳辐射的关系 Fig. 8 Relationship between solar radiation and the difference of water temperature between the surface and bottom |
表层水体与大气进行气体交换和浮游植物的光合作用均会增加水体中的DO含量, 而水体中的浮游植物、微生物等水生生物的呼吸作用及有机物降解均会消耗水体中的DO, 导致水体DO含量降低.天目湖沙河水库5~9月热分层期间, 水体底层耗氧量大于增氧量, 导致水体底层厌氧环境形成.热分层期间, 上层水体DO变化不大, 主要是因为上层水体通过水-大气界面的气体交换和浮游植物的光合作用为上层水体提供了DO; 但是热分层期间, 温跃层的存在阻碍了上层DO向下传递, 底层水体DO得不到补充, 而且底层沉积物中有机质的矿化降解和水生生物等有机体死亡下沉进一步的氧化分解加剧底层水体DO的消耗, 底层水体耗氧量远超增氧量, 致使底层水体缺氧甚至厌氧, 因此热分层是天目湖沙河水库底层水体厌氧的主要原因.这与曾明正等[12]研究的周村水库底层水体厌氧的原因一致; 邱华北等[32]研究的万峰湖结果也表明DO的分层结构是由热分层引起的. 10月初气温降低, 水体热分层消失, 由于上下水体的掺混作用及底层生物耗氧减弱, 底层DO含量迅速增加.水体混合期间, 表、底层DO含量基本一致, 且均维持在较高水平.
氮、磷营养盐是生命活动所需的基本营养元素, 也是水体发生富营养化和水华的重要因素[12].氮磷营养盐在水体-沉积物-微生物界面发生着剧烈的生物地球化学反应, 对库区水体的水质起到重要的控制作用. 4~5月水体热分层逐步稳定, 底层水体形成厌氧环境, 由于底泥微生物活性增加、硝化反应得到抑制而释放出更多的NH4+-N, 故5月底层水体NH4+-N较4月明显增加.与9月相比, 10月水体TP和SS含量在水体底层区域均明显增加.由于10月为水库平水期, 降雨量较少, 入库流量小, 外来水对水体营养盐的影响不大, 因此TP含量增加可能是由于热分层期间底层水体处于严重缺氧甚至厌氧的环境引起的.有研究表明, 厌氧条件下, 沉积物中的磷向水体释放且微生物的作用也有助于磷的释放[33~35]; SS含量的增加主要是因为10月水体热分层消失, 上下层水体混合对流扰动了沉积物而释放SS.
TM1在5~9月形成稳定的热分层现象, TM10由于水深较浅, 一直处于混合状态.温度不同, 对藻类群落结构有一定的影响.硅藻属于相对喜凉的生物, 水位高、水量大的环境有利于硅藻的生长[22].热分层形成与消失前后, TM1与TM10在硅藻生物量变化比例上不同. 4~5月隐藻门生物量在TM10增加百分比较TM1大, 与TM10受上游河道来水悬浮物质和营养盐含量高的影响有关[25], 而高悬浮质浓度和丰富有机质的生境特点更有利于隐藻的生长[36], 热分层形成有助于水体悬浮颗粒物的沉降, 不利于隐藻生长.而蓝藻门生物量增加百分比TM1比TM10高, 是因为水体的热分层有利于蓝藻门的生长繁殖, 这与Kraemer等[19]的研究表明水体热力分层的增强会促使蓝藻水华暴发的结果一致.
9~10月蓝藻门生物量在TM1减少百分比较TM10大, 这也说明了稳定的热分层更加有利于蓝藻门的生长, 在热分层期间蓝藻门生长较好, 在热分层突然消失时, 蓝藻门生长受阻; 9~10月隐藻门生物量减少百分比在TM10相对较小, 这可能亦是由于TM10水体悬浮物质和营养盐含量均较高, 为隐藻的生长提供了物质基础; 9~10月硅藻门生物量在TM1减少百分比较小, 主要与硅藻的生长特性有关; 硅藻门、隐藻门及总生物量在9~10月减少百分比并未因热分层的消失产生明显变化, 而蓝藻门在热分层期间生长较好, 热分层的突然消失, 给蓝藻门的生长带来较大冲击.
4 结论(1) 天目湖沙河水库春季表层水温升至21℃时热分层逐步稳定, 在5~9月期间水体处于热分层状态; 秋季表层水温降至19℃时热分层消失, 呈亚热带单循环混合模式.高温增大了水体热分层的稳定性, 降雨降低了水体表层的温度、减弱了水下5 m至表层的温度分层, 但没有全部破坏温度分层.
(2) 沙河水库在热分层期间, 底层水体处于厌氧状态, 底层水体NH4+-N含量明显增加; 热分层消失后, 底层水体DO、TP及SS含量均增加; 稳定的热分层有利于蓝藻门的生长繁殖, 在水库环境保护中应当予以关注, 研发相应的应对措施.
致谢: 溧阳市天目湖水源地生态环境保护领导小组办公室在样品采集等方面提供了大力帮助, 中国科学院南京地理与湖泊研究所周永强助理研究员在数据统计方面给予指导, 查慧铭、胡耀躲硕士生在野外采样给予帮助, 张成英、郑泽霖、夏忠实验员协助了样品处理及水质分析, 在此一并表示感谢.| [1] | 黄廷林, 丛海兵, 柴蓓蓓. 饮用水水源水质污染控制[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2009. |
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表 1
(Table 1)
