南方水库热分层消亡时期水体混合特征及其驱动机制.pdf
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1、 (湖泊科学),():南方水库热分层消亡时期水体混合特征及其驱动机制王 璨,李一平,李聂贵,郭晋川,朱 雅,吴卫熊,魏 尧,陈 宇,(:河海大学环境学院,南京)(:河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,南京)(:水利部南京水利水文自动化研究所,南京)(:广西壮族自治区水利科学研究院,南宁)摘 要:稳定分层的深水水库常在冬季发生“翻库”现象,继而导致水库的整体水质下降,影响饮用水安全问题。为探究南方水库热分层消亡时期水体混合特征,在冬季 年 月 年 月对南宁市天雹水库水体理化指标开展长序列原位监测,并结合水体垂直扩散系数,分时期(热分层期、减弱期、完全混合期、形成期)刻画水库热分层
2、消亡全过程中水温、溶解氧 的剖面变化特征,探讨了气象因子(气温、太阳辐射、风速等)与水动力因子(水体垂直扩散系数)对水体理化指标的影响。结果显示:桉树人工林区水库热分层消亡期温度分层与溶解氧分层变化不同步,溶解氧分层的破坏较水温分层的破坏出现滞后,其结构失稳是气温及太阳辐射共同作用的结果;期间水体垂直扩散系数变化范围 ,均值为 ,表层 变化的主要控制因子为气温变化,且较 及 而言,表层 对气温的变化更加敏感(,),底层 的变化与水体混合程度变化一致,能够更准确地表征水体垂向混合情况;水体垂向、分布具有时间异质性,热分层期及半混合时期 与 及 均呈现显著的正相关(、,),而在水体完全混合后,与
3、呈现负相关(,),与 不存在相关关系(,)。热分层消亡为水质恶化提供了环境条件,因此在水库监控管理中,应当着重关注冬季气象因子的变化,并加以防范。关键词:热分层;水温;溶解氧;垂直扩散系数 ,(:,)(:,)(:,)(:,):,收稿;收修改稿。国家自然科学基金项目()、广西科技计划项目(桂科)和中央高校建设世界一流大学(学科)和特色发展引导专项资金联合资助。通信作者;:。(湖泊科学),(),()()(,),(,)(),(,),(,),(,)(,),:;水库作为城镇生活的重要水源,其水质直接影响饮用水安全问题。而深水水库在夏秋季存在明显的热力分层,一般可分为 个水层:变温层、温跃层和滞温层,其形
4、成主要受水体深度、水体流动性以及气候条件等因素的影响。稳定的热分层可以阻碍上下层水体的物质交换,在温跃层上下形成“氧化还原”的对立环境,其对溶解氧、营养物质和微生物有着重要影响,同时也会改变浮游植物和浮游动物的垂直分布和迁移,。而由于秋冬季水库“翻库”,多座水库出现水质恶化现象,如土耳其 水库冬季营养盐浓度的剧增,贵州百花湖水库的“黑潮”问题,贵州红枫湖鱼类等水生生物的死亡现象,南宁天雹水库黑水现象,山东周村水库“翻库”初期锰和总磷的突增现象等,严重影响地表水水源地水质安全。为确保城镇供水安全,故选择水源地水库天雹水库展开热分层消亡特征的深入研究。为了直观表达水体分层状态,国际上常用特定系数来
5、定义热分层,从而根据系数的大小确定湖库的热分层状态。包括水库潜在势能指数(,)、施密特稳定性指数()、水体相对热稳定性指数(,)、垂直扩散系数()。这些指数均可用于描述水体分层情况,但 指数、指数以及 指数更多用于描述湖库热分层稳定性的强弱而非混合特征。如 指数被用于西安黑河水库的研究,并表明热稳定系数 值表现出与气温类似的季节性变化。在新安江水库的研究中则使用 来描述热分层特性,研究表明 系数与温跃层强度及温跃层厚度均呈现显著的正相关关系。在关于大黑汀水库的研究中,刘畅等使用 来表征水库缺氧区热分层时期的分层强度和稳定性。目前已有关于湖库分层时期垂直扩散系数的研究,然而水体混合状态下水柱中的
6、垂直扩散系数与分层期间相比可能有显著差异,只有少数针对水库季节性分层消亡期的热分层结构变化及混合特性变化规律展开研究,不能详细地反映水库热分层消亡过程水体理化指标的变化规律。为了更直观、准确表达水库热分层消亡期的水体理化指标变化情况及水体混合程度,本文选用水体垂直扩散系数()并结合水温 及溶解氧 作为水体热分层消亡期混合程度的评价指标。基于此,本研究将利用南宁市天雹水库逐日高频连续剖面观测数据精细刻画热分层消亡过程中气象因子、水体垂直扩散系数及水体理化指标的变化规律,并分析气象因子对热分层结构和水体垂向扩散的影响。在此基础上,探究冬季水库水体水质突发性恶化的原因,以期为南方地区水库水质改善和保
7、护治理提供数据支撑和理论依据。王 璨等:南方水库热分层消亡时期水体混合特征及其驱动机制 材料与方法 研究区域概况天雹水库(,)位于广西壮族自治区南宁市高新区。该水库建成于 年,主要功能有城市供水、灌溉及防洪,是南宁市城市供水水源地,水库总面积 万,集雨面积 ,海拔 ,总库容 万。天雹水库处于亚热带季风气候区,夏季高温多雨,冬季图 天雹水库采样点 温暖干燥,年均气温,入库径流主要受降雨影响,年均降雨量 。天雹水库属单次混合型热分层水库,一般在 月形成热分层结构,月次年 月发生垂向水体混合。近年来,天雹水库多在冬季气温骤降后水体出现突发性水质恶化现象,为探究天雹水库消亡期前后水体变化特征,本实验于
8、 年 月 年 月进行水体逐日监测,且天雹水库在 月已出现突发性水质恶化现象。野外观测高频逐日的剖面观测数据来自天雹水库在中心处布设的固定浮标(,),该位置水深约 ,距离取水口较远,受入库出库径流影响较小,检测水样在冬季有明显水质恶化现象,具体位置见图。浮标上挂有 多参数水质分析仪(美国,)对垂向水温(,)和溶解氧浓度(,)浓度进行在线测定,每 监测一次,从水面开始,至沉积物 水界面处停止,每隔 监测一次。选取每日中午特定时间点的监测数据进行分析。区域气温、太阳辐射、风速、降雨等气象数据来自在天雹水库管理所自建的气象站()和天雹水库管理部门。气象站每小时记录一组气象数据,本研究选取每日平均监测值
9、进行研究。沉积物由 柱状采泥器采集,用于监测沉积物含水率及沉积物温度。数据处理垂直扩散系数 计算公式如下:()(()),()()式中,为垂直扩散系数();为水温();为水深();为时间();()为不同深度处的净短波辐射();为水和沉积物之间的热交换率();,为水的比热,取 ();为水体密度()。不同深度处的净短波辐射、水和沉积物之间的热交换率计算公式如下:()()(),()()()()()()()式中,为水面反射率,经验参数,取;为消光系数,取();,为气水界面处的短波辐射();为沉积物含水率();为泥水界面温度();沉积物温度()。用于数据汇总和处理,包括平均值、相关分析以及回归分析。用于计
10、算水体,用于图表的绘制。结果与讨论 热分层消亡时期气象因子变化气象因子对热分层生消起着重要的作用。总体上,天雹水库气温、太阳辐射在观测时段内呈现出先波 (湖泊科学),()动降低后急剧升高的趋势(图),风速在 之间波动(图)。从 月 日 月 日气温及太阳辐射波动降低,分别下降 及 ,降幅为、,最低气温为 (月 日),最低辐射为 (月 日)。自 月开始,气温及太阳辐射呈现回升趋势,最高分别可达、。平均风速则在 内波动。此阶段降雨量少,仅有 天存在降雨,且仅 月 日降雨量高于 。图 热分层消亡期气象因子变化 水温和溶解氧浓度垂向变化水温是湖库重要的理化指标,温度分层是底层水体缺氧的主要原因,温跃层的
11、存在阻止了上下层水体中溶解氧的传递。研究表明:垂向温度梯度 的水体即为温跃层,依据此定义溶解氧梯度 ()的水体为氧跃层。水面下 作为表层水体,沉积物上 作为底层水体。天雹水库 年 月 年 月深水区逐日水温垂向分布呈现明显的变化过程(图),具体可分为 个阶段:热分层期、减弱期、完全混合期、形成期。热分层期为 月底至 月底,水柱垂向温差明显,最高达。月 日水柱垂向温差消失,说明底层水体开始出现混合的现象,但由于气象等因素,水体并未完全混合,直至 月 日水柱呈现完全混合状态,水库分层消退,这段时期被定义为减弱期。完全混合期为 月 日 月 日,水体处于完全混合的状态。月 日之后,表层水温逐渐上升,表底
12、层温差再次出现,将其定义为形成期。是反映水体新陈代谢状况的重要指标。水库热分层会引起一系列影响,尤其是对水中的,热分层持续时间越长会使得氧跃层越稳定。这是因为水库热分层使得垂向各层水体的水动力差异显著,为 的垂向分层提供了分异性物理环境,同时在各水层内不同的生化过程作用下,垂向各层 呈现不同的演变特征。的研究发现氧跃层深度和温跃层深度存在很强的正相关关系(,)。然而,天雹水库 对热变化具有潜在的敏感性,因此其变化更加复杂,氧跃层的破坏过程与温跃层破坏过程不一致。在热分层时期,库区表、底层温差及溶解氧浓度差大,分别为 及 ,库区仍存在水温和溶解氧分层现象,处存在明显的温跃层与氧跃层,底层 约 。
13、随着气温逐步降低,温王 璨等:南方水库热分层消亡时期水体混合特征及其驱动机制图 年 月 年 月水温垂向分布剖面图 图 天雹水库水体垂向 和 分布特征 跃层及氧跃层深度呈现下降趋势,月 日,温跃层及氧跃层下移至 。随着气温和太阳辐射的降低,表层水体吸收的热量逐渐减少,温跃层深度下移至,温跃层强度较弱(),此时 与 的变化出现不一致,处仍存在明显的氧跃层,底部 仍处于缺氧状态(约 )。直至完全混合时期,分层结构被完全破坏,表底层温差仅,水体垂向对流使得底层水体缺氧状况得到改善,还原性物质释放减少,耗氧作用下降,底层 由 上升至 ,同时垂向 差异消失。随着气温及太阳辐射的回升,表层 开始逐渐增加,加
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