2024, Vol. 16 
2. 暨南大学，水生生物研究所，广东 广州 510632
2. Institute of Hydrobiology, Jinan University, Guangzhou, Guangdong 510632, China
水体产生热分层是湖沼学中基本的物理过程[1-2]。大型深水水库水体停留时间较长[3]，引起水体垂直温差大，容易产生与天然湖泊相似的水体分层现象[4-6]。热分层阻碍了上下层水体营养物质的交换，进而影响水体营养盐、溶解氧及光照在水体中的分布，引起水质的变化[7-9]。热分层使水体上下层产生温差，温差引起密度差异，从而在水体中自上而下形成变温层、温跃层和滞温层，水体温跃层的形成和消失，可以引起水体分层和混合，对湖库水质变化具有重要影响，可能引起突发性水环境质量恶化，影响水生态系统的功能和健康[10-12]。因此，研究分析水库热分层的过程和形成机制，明确其驱动因素，对深水水库富营养化预防及水质保护具有重大意义。
新丰江水库是全国第一个“中国优质饮用水资源开发基地”和东江水资源核心调节枢纽，也是东江饮用水源的“枢纽”，对粤港澳大湾区(简称“大湾区”)的社会经济发展起着至关重要的基础支撑作用[13]。根据历年河源市环境质量公报，新丰江水库水质常年保持在国家地表水Ⅰ类标准，其综合营养状态指数[TLI(∑)]评价处于贫营养状态[TLI(∑)≤26][14]。目前，关于我国南亚热带特大型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、营养盐的垂向分布特性等方面的研究还缺乏系统的认识和研究。新丰江水库作为典型南亚热带特大型水库，目前对于其水体营养盐的研究主要关注表层水质，尚未见对其温度季节性分层及垂向水质变化的报道。因此，本研究于2023年3月—2021年2月，首次对新丰江水库垂向水质进行了为期一年的调查，从溶解氧(DO)，pH值，总氮(TN)，总磷(TP)，高锰酸盐指数(IMn)，叶绿素a(Chl.a)指标探讨垂向水体分层结构及其演替特征，探讨其间的响应规律和存在的关联机制。本研究对于科学认识贫营养状态下营养盐垂向分布，丰富湖沼学研究内容，深化对人工水体热分层效应的认识具有重要意义。同时也可为水库的科学管理与保护提供数据支撑，切实保障供水安全，为大湾区建设和可持续发展提供有力支持。
1 研究方法 1.1 研究区域概况新丰江水库位于广东省河源市东源县(23°41′15″—24°7′45″ N，114°19′30″—114°45′40″ E)，始建于1958年，是全国第七大水库和华南第一大水库，流域面积5 813 km2，以丘陵和山地为主; 水域面积为370 km2，库容1.39×1010 m3，平均年入库水量为0.6×1010 m3，多年平均水深为28.7 m，水力滞留时间为2 a，库区属南亚热带季风气候，降雨期主要集中在4—9月，年均降雨量为1 974.7 mm，年平均气温为20.8 ℃[15]。
1.2 样品采集及分析在新丰江水库库区中心、左右两边共设置3个采样点位(K1—K3)，具体点位分布见图 1。于2020年3月—2021年2月，以每月1次的频次进行样品采集，采用卡盖式深水采样器(青岛聚创环保设备有限公司)分别在水深0.5，5~30 m每隔5 m分层采样，DO、水温(WT)和pH值采用YSI EXO2 multiparameter sonde型深水多参数水质分析仪(美国赛莱默公司)分层原位测定，TN、TP、IMn、Chl.a的实验室分析方法参照《国家地表水环境质量监测网监测任务作业指导书(试行)》[16]。
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图 1 新丰江水库采样点位分布示意 |
以Excel 2019、SPSS 22.0软件进行数据处理和统计学分析; 以Origin pro 8.0、ArcGIS 10.6软件绘制统计图。
2 结果与分析 2.1 水库水温的垂向变化特征新丰江水库水温垂向变化见图 2。由图 2可见，调查期间，新丰江水库水温为15.0~32.4 ℃，垂向温度梯度介于0~1 ℃/m。一般认为温度铅直梯度≥ 0.2 ℃/m，便出现了温跃层[17-18]。水库春季(3—4月)和冬季(11月—次年2月)水温垂向温度梯度最高为0.18 ℃/m，未出现温跃层。春、夏交接的5月，水深-5~-10 m处水层水温出现较明显变化，水温梯度为1 ℃/m，开始出现温跃层。此后，温跃层逐步下移加厚，6月在水深为0~-5，-5~-10，-10~-15 m处均出现温跃层，温度梯度分别为0.40，0.28，0.28 ℃/m; 7月温跃层进一步变化，水深在-5~-10和-10~-15 m处温度梯度上升，分别为0.68和0.38 ℃/m，0~-5 m处温度梯度略有下降，为0.34 ℃/m; 但在-25~-30 m水深处出现新的温跃层，温度梯度为0.20 ℃/m; 8月温跃层厚度变窄，在水深-5~-10和-10~-15 m处温度梯度有所下降，温度梯度分别为0.36和0.44 ℃/m; 水深-20~-25 m处温度梯度上升明显，温度梯度达0.84 ℃/m; 9月温跃层厚度进一步变窄，温度梯度在水深-15~-20 m和-20~-25 m处下降至0.54和0.42 ℃/m; 10月温跃层在水深-5~-10 m处，温度梯度进一步下降为0.2 ℃/m; 之后，随着气温的下降，温跃层逐步消失。因此新丰江水库分层时间较短，其中混合期为1—4月和11—12月，热分层期为5—10月。
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图 2 新丰江水库水温垂向变化 |
调查期间，除TN外，新丰江水库DO、pH值、TP和IMn等指标的平均值均满足国家《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002) Ⅰ类水质标准(表 1)。
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表 1 新丰江水库水化学参数 |
新丰江水库溶解氧垂向变化见图 3。由图 3可见，新丰江水库水体DO值为5.7~9.1 mg/L，垂向分布呈现为混合期DO值高于热分层期。水体热分层期间，DO值随温跃层深度变化而略有变化。5月在温跃层处(-5~-10 m)，DO梯度值最高，达0.152 mg/(L·m); 6月随着温跃层加厚和下移，DO梯度值在水深0~-5，-5~-10，-10~-15 m均出现较大变化，最高为0.094 mg/(L·m); 7月DO梯度值在水深-5~-10 m处，梯度值最高为0.226 mg/(L·m); 8月在水深-20~-25 m处，DO梯度值最高达0.122 mg/(L·m); 9月DO梯度值在水深0~-5 m处，最高为0.24 mg/(L·m); 10月DO梯度值变化相对较小，最高仅为0.068 mg/(L·m)。水体混合期，3月在水深0~-5，-5~-10 m处水体DO梯度值相对较高，分别为0.206，0.12 mg/(L·m)。热分层期，各水层DO值高于5.0 mg/L，温跃层DO值处于相对较高水平，未出现缺氧状态。
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图 3 新丰江水库DO垂向变化 |
新丰江水库pH值垂向变化见图 4。
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图 4 新丰江水库pH值垂向变化 |
由图 4可见，新丰江水库水体不同水层pH值为6.8~8.4。垂向分布呈现为热分层期略高于混合期。pH值各时期垂向变化幅度较小，仅热分层期间(5—8月)在水深-5~-10 m和-10~-15 m处存在一定梯度，最高值为0.1/m，整体呈弱碱性。但在夏季水深-5~-15 m处的pH值比其他水层高，秋季pH值高值区进一步加厚。
2.2.3 TN新丰江水库TN垂向变化见图 5。由图 5可见，新丰江水库水体TN垂向分布呈现为热分层期高于混合期，不同水层ρ(TN)为0.42~0.84 mg/L。水体热分层期间，6，8月在水深0~-5 m处，ρ(TN)梯度较高，分别为0.022，0.03 mg/(L·m); 7，8月在水深-5~-10 m处，ρ(TN)梯度较高，分别为0.04，0.058 mg/(L·m)。9月之后的各水层ρ(TN)变化不明显，浓度梯度较低。
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图 5 新丰江水库TN垂向变化 |
新丰江水库TP垂向变化见图 6。
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图 6 新丰江水库TP垂向变化 |
由图 6可见，新丰江水库的ρ(TP)为0.001~0.008 mg/L，平均值为0.005 mg/L，维持在较低水平，季节性分层并不明显。时间变化上，呈现先升后降再升的趋势，ρ(TP)在2020年9月最低，平均值为0.002 mg/L，2021年2月最高，平均值为0.006 mg/L。调查期间，各水层ρ(TP)梯度变化并不明显，最高仅为0.000 8 mg/(L·m)。
2.2.5 IMn新丰江水库IMn垂向变化见图 7。由图 7可见，新丰江水库水体的IMn垂向分布呈现为热分层期低于混合期。不同水层IMn值为1.0~2.9 mg/L，水体热分层期间，6月在水深-5~-10 m处，IMn梯度值为0.08 mg/(L·m); 7月在水深-15~-20 m处，IMn梯度值为0.08 mg/(L·m); 8月以后在水深0~ -5 m处IMn值明显上升，为0.36 mg/(L·m)。其他时间IMn垂向变化不明显。
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图 7 新丰江水库IMn垂向变化 |
新丰江水库水体Chl.a垂向变化见图 8。由图 8可见，ρ(Chl.a)垂向分布呈现热分层期高于混合期的特征，不同水层ρ(Chl.a)为0.5~2 μg/L。水体热分层期间，6，8月在水深0~-5 m处，ρ(Chl.a)梯度较高，分别为0.06，0.04 μg/(L·m); 9，10月分别在水深-5~-10 m和-10~-15 m处，ρ(Chl.a)梯度较高，均为0.04 μg/(L·m)。其他时间ρ(Chl.a)均未出现明显的梯度变化。水体混合期各水层ρ(Chl.a)均未出现明显的梯度变化。
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图 8 新丰江水库Chl.a垂向变化 |
水库温度分层特征及变化是其主要的湖沼学特征之一，受水体热力状况、透明度、光照及湖泊形态影响，大多数深水湖库都会出现水体温度分层现象[19-22]。新丰江水库由于气温的季节性变化及水库特征(水量大、更新慢)使其呈现出季节性分层。从季节上看，新丰江水库在1—4月和11—12月属于冬、春季混合期，水体分层完全消失，水库接近完全混合。5—10月属于水库水体温度分层期，表层与底层水体的温差逐渐增大，从5月开始出现温跃层后，温跃层逐渐变厚和下移(温跃层厚度最大为25 m)，至7月后，温跃层开始逐步减弱变薄(温跃层厚度最低为5 m)，在10月后消失。一般判断水库水温分层类型采用指标法[23-24]，计算公式如下：
| $ \alpha=\text { 年人库流量/总库容 } $ | (1) |
式中：α——多年平均入库流量(m3)与水库总库容(m3)的比值; 当α＜10时，为稳定分层型; 当α＞20时，为完全混合型[23]。
本研究中，新丰江水库总库容为139×108 m3，多年平均入库流量为65.6×108 m3，可以得到α=0.47，远远＜10。因此，新丰江水库垂向水温应该存在稳定的分层，与图 2中所示结果一致。但新丰江水库热分层时间短，分层期和混合期均为6个月，与千岛湖[24]、柘林水库等[25]亚热带水库存在一定差异。
3.2 水温分层的水环境响应特性水体温度梯度的存在有效地抑制了热量和物质的垂直传递[26]，因此温跃层影响水库的水质化学参数的垂直剖面变化。新丰江水库深度与水质参数相关性分析结果见表 2。
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表 2 新丰江水库深度与水质参数相关性分析① |
由表 2可见，新丰江水库水温与DO、TP呈现极显著负相关(P＜0.01)，而与pH值和TN呈现极显著正相关(P＜0.01)，与IMn和Chl.a相关性不显著，说明虽然由于温跃层的存在，抑制上下层水体的物质交换而影响了营养盐的相对位置，但是新丰江水库不同营养盐受温跃层影响不尽相同。
对于存在热分层特性的深水水体，热分层是影响DO垂向分布的关键因素[27]。一般情况下，水库水体温跃层可以阻止上层DO垂向传递，使不同水层形成明显的DO梯度，进而在温跃层底部形成厌氧环境[26, 28]。水库水体混合期，上下水体的混合复氧导致DO质量浓度较高，均可达到地表水Ⅰ类标准，与千岛湖[24]类似。然而，水库水体热分层期，虽然随着温跃层的出现，水体DO质量浓度随之下降，但从表层至底部DO质量浓度波动幅度相对较小，DO质量浓度梯度效应并不明显，DO质量浓度最低值也达到5.7 mg/L，峰值与谷值仅相差1.77 mg/L，并未因温跃层的存在而出现水库底部水体DO大幅下降的情况，本研究结果不同于周村水库、抚仙湖等深水水体[2, 29]，而与金盆水库相似[30]。水库热分层期处于夏、秋季，水库上层水体的水气氧交换条件较好，藻类光合作用也为上层水体提供了氧，因此DO的值相对较高。新丰江水库作为磷控制水体[31]，DO与TP呈现极显著正相关(P＜0.01)，说明底层水体为低营养盐、低浓度水平，从而降低了氧的消耗量。同时7—8月在水体深层出现再次温跃现象，可能是水库特殊的库底地形导致上游来水携带的氧对深层水体DO形成物理补偿作用，避免深层水体处于缺氧状态。虽然DO变化幅度较小，但温跃层的存在依然导致下层水体DO水平从Ⅰ类下降为Ⅱ—Ⅲ类，需要引起关注。
由于温跃层的存在，降低了底部浮游植物的光合作用效果，有机物分解速率增加导致了二氧化碳(CO2)含量增多，CO2溶于水形成碳酸根离子，从而使底部水体pH值低于表层[32-33]。而夏、秋季水体表层浮游植物繁殖旺盛，光合作用消耗水体中CO2，从而改变了水体酸碱体系，使表层水体pH值升高。同时，新丰江水库的水温与pH值呈现极显著正相关(P＜0.01)，也说明温跃层的存在导致水体下层pH值低于表层。这与万峰湖水库[34]的研究结果相似。
氮、磷营养盐作为浮游生物繁殖所需的基本营养元素，是引起水体富营养化和水华的重要因子[2]。氮、磷营养盐在水体、沉积物和微生物界面之间相互影响，影响库区水体的水质[35-36]。水体混合期，新丰江水库TN垂向浓度梯度较小，上下水体ρ(TN)均较低。热分层初期，受初期雨水的冲刷，外源污染物随地表径流进入水库，造成表层水体ρ(TN)较高，5月表层ρ(TN)达到0.6 mg/L。随着水温上升，表层浮游植物繁殖增强，氮源消耗强度加强，表层ρ(TN)有所下降，降低到0.42 mg/L。由于表层浮游植物代谢死亡后下沉，氮源再次释放，导致中层和底层水体的ρ(TN)随之增长，ρ(TN)随温跃层的加厚逐渐下移，形成上低下高现象，与抚仙湖分布特征相似[29]。水库ρ(TP)整体维持在较低水平(稳定保持为地表水Ⅰ类标准)，分层现象并不明显，说明热分层对TP影响较小。水体中的有机和无机还原性污染物常用IMn来反映[37]。新丰江水库IMn整体处于相对较低水平(保持在地表水Ⅰ—Ⅱ类标准)，垂向分布并不规律，说明热分层对IMn影响较小，仅6—8月的表层水体存在一定梯度，IMn与水温、水深相关性并不显著，说明水库IMn主要来源于水库外源输入的有机物质及浮游植物死亡后的遗体，在重力沉降作用影响下缓慢下沉和扩散，引起秋冬季水体IMn相对较高。
水体ρ(Chl.a)与浮游植物的分布密切相关[33]，分层水体中的营养盐状况是藻类增殖的主要因素[24]。由于新丰江水库长期保持为贫营养状态，营养盐浓度水平较低，而藻类增殖受磷浓度控制，导致新丰江水库水体藻密度水平较低[31]，进而使水库ρ(Chl.a)整体处于低水平，最高质量浓度仅为2.0 μg/L。水体混合期，上、下水体ρ(Chl.a)差异不大。而夏、秋季热分层期，表层由于水温高、光照充足，营养盐输入量增加，为藻类繁殖提供条件，使表层水体ρ(Chl.a)相对较高; 同时Chl.a与IMn呈现极显著正相关(P＜0.01)，也说明营养盐浓度上升是ρ(Chl.a)升高的重要因素。水库底层水体受温跃层影响，浮游植物光合作用活性较弱，限制了浮游植物的垂向分布，ρ(Chl.a)得不到补充，并稳定在相对较低水平，这说明深水湖库水体温跃层出现后，物质的垂直迁移受到温跃层的阻碍作用，导致了ρ(Chl.a)的分层，这与丹江口水库研究结果相似[38]。
4 结论(1) 新丰江水库水体分层特征表现为夏、秋季稳定分层，冬、春季混合，属暖单次混合型水库。全年水温分层时间短，混合期(1—4月和11—12月)和分层期(5—10月)期间，其水质理化因子、浮游植物群落特征及其光合作用生理过程具有自身特征，明显有别于其他水库。
(2) 水库水体分层结构对DO、pH值、TN、IMn和Chl.a的垂直剖面变化有一定的影响。特别是夏、秋季出现的水温分层现象，有效地限制了上、下水体的垂直交换，引起了一定的水环境分层，对水库水环境演化过程起着重要影响，为水库水环境科学管理，预防水华发生提供了依据。
(3) 水库水体温跃层的存在使下层水体DO值从Ⅰ类降为Ⅱ—Ⅲ类，为贫营养水库，说明其可能面临潜在的生态风险，不利于水生态环境系统的稳定，需要引起关注。
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