周緒申，計(jì)亞麗，孔凡青，王乙震，張 俊，郭麗峰，高越鵬

（1.海河流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，天津300170；2.天津市碧波環(huán)境資源開(kāi)發(fā)有限公司，天津300170）

基于水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)參數(shù)的于橋水庫(kù)水體分層特征初步研究

周緒申1，計(jì)亞麗1，孔凡青1，王乙震1，張 俊1，郭麗峰1，高越鵬2

（1.海河流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，天津300170；2.天津市碧波環(huán)境資源開(kāi)發(fā)有限公司，天津300170）

于橋水庫(kù)是跨流域供水的水庫(kù)，研究各項(xiàng)水體現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)參數(shù)隨水深變化規(guī)律，結(jié)果表明：于橋水庫(kù)表層（0～4 m）是水體交換活動(dòng)頻繁的區(qū)域，水下（4～10 m）為于橋水庫(kù)的溫躍層，水下（＞10 m）為下層水體。在溫躍層，水溫、pH值、電導(dǎo)率、溶解氧等指標(biāo)發(fā)生了劇烈的變化，氧化還原電位受水體深度影響較明顯，葉綠素a受水體深度影響也較明顯。

于橋水庫(kù)；水體分層；水質(zhì)；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

1 引言

陽(yáng)光是地球最大的能量來(lái)源，吸收陽(yáng)光的多寡決定了地球溫度梯度的高低差異，超過(guò)一半的太陽(yáng)能是通過(guò)湖泊上層水域吸收的，溫度剖面隨著水深增加而呈指數(shù)下降，風(fēng)力的擾動(dòng)、水體對(duì)流、密度流會(huì)使湖泊吸收的太陽(yáng)能在整個(gè)水體中混合均勻，而上下層的溫差會(huì)有效阻止水體混合[1]。對(duì)于有一定水深的湖泊，水溫對(duì)水域的可溶性氣體溶解度、鹽類溶解度和穩(wěn)定性、pH值的變化都有影響，還直接制約著水域中浮游生物、細(xì)菌等生長(zhǎng)活動(dòng)，與魚(yú)類的生長(zhǎng)發(fā)育、繁殖、越冬等密切相關(guān)，水溫的變化規(guī)律也是估算水域生長(zhǎng)潛力的重要依據(jù)[2]。湖泊和水庫(kù)的水溫分層現(xiàn)象亦會(huì)影響水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分布規(guī)律、浮游生物生長(zhǎng)變化及魚(yú)類的分布。水體分層決定了湖泊內(nèi)水化學(xué)（如氧化—還原）變化、物質(zhì)地球化學(xué)循環(huán)、水生生物作用的時(shí)空分布等重要湖沼學(xué)過(guò)程，中等深度（＞10 m）的溫帶湖泊形成顯著的水體熱分層[3]。水深的變化是影響沉水植物生長(zhǎng)和繁殖最重要的生態(tài)因子之一[4]。因此，對(duì)于有一定水深的湖泊，水體的分層可能對(duì)湖泊內(nèi)幾乎所有水環(huán)境演化過(guò)程起著控制或影響作用。

于橋水庫(kù)是天津市的重要飲用水源地，也是引灤入津工程重要的調(diào)節(jié)水庫(kù)和中轉(zhuǎn)站。筆者通過(guò)于橋水庫(kù)水體分層特征初步研究，為水庫(kù)水體物理分層提供基礎(chǔ)參考資料，也為于橋水庫(kù)水生生物生長(zhǎng)規(guī)律變化、水質(zhì)采樣及評(píng)價(jià)、底質(zhì)營(yíng)養(yǎng)鹽的沉積及釋放提供相應(yīng)的基本參考數(shù)據(jù)。

2 研究區(qū)概況

于橋水庫(kù)位于燕山山脈南麓、天津市薊縣城東，是國(guó)家重點(diǎn)大型水庫(kù)之一，始建于1959年，于1960年7月完成第一期工程，是以防洪、城市供水為主，兼顧灌溉、發(fā)電等綜合利用的大型水利工程。水庫(kù)總庫(kù)容15.59億m3，正常蓄水位21.16 m（大沽高程，下同），汛限水位19.87 m，死水位15 m。該水利樞紐控制流域面積2 060 km2，占整個(gè)州河流域面積的96%，州河由沙河、淋河、黎河3大支流匯合而成，各支流上游溝澗甚多，支流分散成輻射狀匯集于州河盆地，水庫(kù)庫(kù)區(qū)即位于該盆地，最大回水東西長(zhǎng)約30 km，南北寬8 km，最大淹沒(méi)面積250 km2（正常蓄水位時(shí)淹沒(méi)面積86.8 km2）。州河流域境內(nèi)雨量充沛，多年平均年降雨量750 mm，多年平均徑流量5.06億m3。

于橋水庫(kù)既是天津重要飲用水源地，也是引灤入津工程重要的中轉(zhuǎn)站，承擔(dān)著潘家口—大黑汀水庫(kù)的輸水任務(wù)，是引灤入津工程的控制性調(diào)蓄樞紐，對(duì)天津市供水有著至關(guān)重要的作用。近年來(lái)，由于工業(yè)廢水、生活污水引起的于橋水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益嚴(yán)重，促使菹草泛濫，成為于橋水庫(kù)水生態(tài)演變及季節(jié)變化的主導(dǎo)因素。每年春夏之際為菹草生長(zhǎng)繁殖期，5—6月菹草開(kāi)始衰敗和死亡，7—8月為于橋水庫(kù)藻類高發(fā)期，經(jīng)常出現(xiàn)“水華”現(xiàn)象，其優(yōu)勢(shì)類群為藍(lán)藻，主要優(yōu)勢(shì)種為銅綠微囊藻[5]。

3 研究方法

采樣時(shí)間為2014年7月22日11時(shí)，樣點(diǎn)選址為于橋水庫(kù)下游放水洞以上500 m附近，分別對(duì)水面至底層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定及采樣，現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)測(cè)定垂直分布為每隔0.5 m布設(shè)1個(gè)樣點(diǎn)，共25個(gè)樣點(diǎn)。

水溫（T）、pH值、溶解氧（DO）、電導(dǎo)率（Cond）、葉綠素a（Chla）、氧化還原電位（ORP）等借助YSI 6610多參數(shù)水質(zhì)分析儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。采用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表分析。

4 研究結(jié)果

4.1 水溫

由于風(fēng)的作用，上層水不斷進(jìn)行混合，致使水溫在表層（0～4 m）的變化不大，隨著水深的增加，氣溫的瞬時(shí)變化對(duì)水體溫度的影響逐漸減小甚至消失；同時(shí)，由于受水體中顆粒物及水草等的影響，隨著水深的增加，水體獲得的太陽(yáng)輻射逐漸減少，水溫逐漸下降，在水下深度4～10 m的范圍內(nèi)，水的溫度變化超過(guò)了10℃。但是，隨著水深的再增加，水溫變化逐漸減小并趨于平穩(wěn)，如圖1所示。由此可見(jiàn)，于橋水庫(kù)的溫躍層在水深為4～10 m的水層。

圖1 不同深度水溫變化

溫躍層是指由于風(fēng)的作用，上層水發(fā)生混合和溫度變化，下層水始終保持穩(wěn)定的狀態(tài)，上下層之間便會(huì)產(chǎn)生溫度急變的躍層[6]。溫躍層對(duì)水庫(kù)的生態(tài)系統(tǒng)和水環(huán)境等有著非常重要的影響。于橋水庫(kù)由于有溫躍層的存在，上下層水體中的電導(dǎo)率、pH值、葉綠素a、溶解氧、細(xì)胞密度等水質(zhì)指標(biāo)都有較大的差別。

4.2 電導(dǎo)率

電導(dǎo)率是水質(zhì)分析中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，水體中電導(dǎo)率的大小主要取決于溶解在水體中的離子種類、濃度和水溫等因素。一定程度上，電導(dǎo)率的變化能反映出水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽水平的變化，從而間接地反映出水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生程度[7]。

于橋水庫(kù)的電導(dǎo)率變化如圖2所示，電導(dǎo)率在表層（0～4 m）變化不大，在溫躍層逐漸增大，在下層變化趨于平穩(wěn)。原因在于夏季于橋水庫(kù)的浮游植物、藻類等生長(zhǎng)旺盛，消耗了表層（0～4 m）水體中大量的氨氮、硝酸鹽、磷酸鹽、碳酸根離子、鈉離子、鈣離子、鎂離子等導(dǎo)電的營(yíng)養(yǎng)鹽離子而又不能及時(shí)得到補(bǔ)充。

圖2 不同深度電導(dǎo)率變化

4.3 pH值

夏季于橋水庫(kù)表層（0～4 m）的藻類和水生植物開(kāi)始大量快速生長(zhǎng)，它們的快速生長(zhǎng)消耗了水體中大量的氨氮、硝酸鹽、磷酸鹽、碳酸根離子、鈉離子、鈣離子、鎂離子等營(yíng)養(yǎng)鹽離子，吸收了大量的CO2，使水體加速水解反應(yīng)，部分金屬離子沉淀，因此使于橋水庫(kù)表層（0～4 m）的pH值明顯偏高。于橋水庫(kù)的pH值變化，如圖3所示。

圖3 不同深度pH值變化

4.4 氧化還原電位

氧化還原電位是水質(zhì)中的一個(gè)重要指標(biāo)，它不能獨(dú)立反映水質(zhì)的好壞，但卻能綜合水溫、溶解氧、pH值等水質(zhì)指標(biāo)來(lái)反映水生態(tài)環(huán)境。氧化還原電位越高，氧化性越強(qiáng)；電位越低，還原性越強(qiáng)。氧化還原電位為正表示水體顯示一定的氧化性，電位為負(fù)說(shuō)明水體顯示出還原性。

于橋水庫(kù)的氧化還原電位變化如圖4所示，在水庫(kù)表層（0～4 m）和溫躍層（4～10 m）總體變化不大，顯示為還原性。

圖4 不同深度氧化還原電位變化

4.5 葉綠素a

于橋水庫(kù)的葉綠素a變化如圖5所示，葉綠素a在1～2 m處達(dá)到最高值后，隨著深度的增加逐漸下降，但有些波動(dòng)變化。通過(guò)葉綠素a數(shù)值可以看出，在淺層湖庫(kù)，不同深度都有藻類的分布，密度在表層較高[5，8]。周真明等[9]研究表明，于橋水庫(kù)中銅綠微囊藻大部分集中懸浮在2～3倍透明度水深區(qū)。

圖5 不同深度葉綠素a變化

4.6 溶解氧

水中溶解氧的含量是評(píng)價(jià)水體水質(zhì)和水體自凈能力的重要指標(biāo)，對(duì)水生生物的生存、水體的自凈功能等具有重要的作用[10]。水中溶解氧含量與諸多因素有關(guān)，氣象參數(shù)、水溫、水深及水中溶質(zhì)（如其他氣體、有機(jī)物或無(wú)機(jī)物）的變化都會(huì)引起其較大改變。在自然情況下，空氣中的含氧量變動(dòng)不大，故水溫是主要影響因素，水溫越低，水中的溶解氧含量越高。同時(shí)，水中溶解氧與水深的關(guān)系也密不可分，隨著水深的增加，水體獲得的太陽(yáng)輻射逐漸減少，溶解氧的含量也逐漸降低。

于橋水庫(kù)的溶解氧變化如圖6所示，溶解氧在表層（0～4 m）總體變化不大，但在水下（4～6 m）急劇下降，在水下（6～10 m）隨著深度的增加緩慢下降并逐漸趨于零。

圖6 不同深度溶解氧變化

5 結(jié)論與建議

（1）于橋水庫(kù)表層（0～4 m）是水體交換活動(dòng)頻繁的區(qū)域，水下（4～10 m）為于橋水庫(kù)的溫躍層，水下（＞10 m）為下層水體。

（2）在溫躍層，水溫、pH值、電導(dǎo)率、溶解氧等指標(biāo)發(fā)生了劇烈的變化，氧化還原電位受水體深度影響較明顯，葉綠素a受水體深度影響也較明顯。光照、水溫對(duì)藻類上浮下沉、在不同水層中分布的影響較明顯，各參數(shù)隨水深變化狀況見(jiàn)表1。

表1 各指標(biāo)隨水深的變化情況

（3）于橋水庫(kù)表、底層水體水質(zhì)差異明顯，建議在水質(zhì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中要采集不同水層的樣品，并要著重關(guān)注溫躍層對(duì)水庫(kù)水環(huán)境的影響，以便能夠綜合考慮各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)對(duì)于橋水庫(kù)的城市供水、農(nóng)業(yè)管理、漁業(yè)管理的影響，盡可能把可能的危害降至最小，充分發(fā)揮于橋水庫(kù)的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。

（4）研究結(jié)果僅依據(jù)一次現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析，而未考慮水體分層的季節(jié)變化、日變化、氣候及天氣、水庫(kù)不同區(qū)域等條件，也未對(duì)實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果、水生生物垂直分布等進(jìn)行水體分層分析，建議在下一步的研究中對(duì)上述因素和結(jié)果進(jìn)行探討和分析。

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TV697.2+1；X832

A

1004-7328（2015）02-0019-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2015.02.009

2015-01-16

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)資助（2013DFA71340），國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2012ZX07203-002），水利部“948”項(xiàng)目（201412），水利部科技推廣項(xiàng)目（TG1408）

周緒申（1982－），男，碩士，工程師，主要從事水質(zhì)分析工作。