李 紅，高增文，秦志新，李 靜，程 晨

(青島大學環(huán)境科學與工程學院，山東青島 266071)

湖泊水庫等地表水作為重要的陸-氣下墊面類型之一，其熱量收支和溫度變化對其自身水環(huán)境(水動力和水質(zhì)狀況)以及區(qū)域天氣和氣候變化具有重要影響。有研究表明水體的酸化[1-2]、富營養(yǎng)化[3-4]以及黑臭[5]等都與其熱量特征有關(guān)。此外，Tsay等[6]指出，在氣候變化模擬中，還可以通過湖泊底部的熱量狀況評估湖泊對溫室氣體釋放的貢獻。

水體熱量變化主要與太陽短波輻射[7]、出入流[8]、降雨[9]、水-氣界面熱交換(蒸發(fā)、水面長波輻射、熱傳導等)[10]以及沉積物與水之間熱量交換[9，11]等過程相關(guān)。在這些過程中，沉積物-水熱量交換對水體熱量的影響很容易被水-氣界面的熱量交換以及水體的垂向混合所掩蓋。在一些深水水溫數(shù)值模擬中，盡管沒有考慮沉積物-水的熱量交換，水溫整體分布的模擬效果依舊很好。因此，在水溫研究中往往忽略沉積物-水界面的熱交換通量而采取絕熱處理[12-13]或者簡化為地熱輸入(由沉積物向水傳遞熱量，大小為0．1 W/m2)。但是對于淺水水體而言，水體底層溫度對天氣以及氣候變化的響應強烈，從而沉積物-水熱量交換變化也較為強烈，因此其熱量交換是水體熱量收支的重要組成部分[14]。

目前，關(guān)于沉積物溫度剖面實測數(shù)據(jù)較少。任曉倩等[15]建立了一種新的湖-氣熱傳輸模型，模型中增加了底部沉積物與水體之間的熱量交換模塊，但由于缺乏實際沉積物溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，該模塊沒有得到驗證。另外統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，小水體在水體總數(shù)量中占有很大比例[16-17]，生態(tài)效應也很突出，比如在全球碳循環(huán)研究中考慮小水體的影響后，內(nèi)陸水體對碳循環(huán)的作用更加突出[18-19]。并且小水體與大水體相比具有不同的物理和生物地球化學特征[20-21]，比如小水體的表層混合往往是熱對流驅(qū)動。本文選取水域面積小且水深較淺的水庫(青島浮山前水庫)作為研究對象，通過沉積物和上覆水溫度剖面測量，計算不同時刻沉積物-水界面熱交換通量，并分析熱交換通量的時空變化特征，探討其對庫水溫度的可能影響，以期為水溫數(shù)值模擬和水質(zhì)管理提供參考。

1 研究區(qū)域概況及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

浮山前水庫是一個分層小水庫，位于山東省青島市浮山南向山坡上(36°04′N，120°25′E)。 該水庫沒有明顯的出流和入流，水位的變化主要由蒸發(fā)和降雨引起。在野外監(jiān)測時期(2016年1月至2017年7月)水體水位沒有明顯的變化，水深分布如圖1所示，最大水深為6．1 m，平均水深為3．8 m，水體表面積約為1400m2。由于水庫的吹程較小，風的擾動效應較弱，春夏季水體會形成穩(wěn)定分層。庫水底層溫度隨深度變化對氣溫的響應程度不同，因此為了探討水深對沉積物-水熱量交換的變化，選取水庫中心和壩前兩個監(jiān)測點(圖1)。庫水溫度用水質(zhì)儀YSI 6920測量，沉積物溫度用雙金屬數(shù)顯溫度計(WST/DTm491)測量，后期會對試驗數(shù)據(jù)進行校正(1℃)。透明度用透明度盤測量，水中光照強度用照度計ZDZ-10W-2D測量。

1.2 沉積物-水界面熱交換通量計算

1．2．1 沉積物和上覆水的主要物理性質(zhì)

圖1 浮山前水庫地形圖以及監(jiān)測點位置

沉積物和上覆水的主要物理性質(zhì)見表1，其中表層沉積物的孔隙度和密度根據(jù)環(huán)刀法和烘干法測定[22]。對于熱擴散率和體積熱容很難由現(xiàn)場或者實驗室直接測定，通常取經(jīng)驗值，其值與沉積物的孔隙度以及有機物含量相關(guān)。熱擴散率的取值范圍是1．16 ×10-7～ 1．27 ×10-6m2/s，體積熱容的取值范圍是1．4 ×106～ 3．8 ×106J/(m3·K)[23-24]。 本文根據(jù)文獻[20]提出的參考值，沉積物的熱擴散率與體積熱容分別取值為 5．6×10-7m2/s和 3．2×106J/(m3·K)，則導熱系數(shù)為 1．8 W/(m·K)。

表1 沉積物和上覆水的主要物理性質(zhì)

1．2．2 計算方法

沉積物-水界面的熱交換通量很難直接測量，可以通過沉積物溫度剖面分布間接計算。界面處熱量交換方式主要有兩種：熱傳導和熱對流。在計算中忽略地下水與地表水的對流交換，僅考慮熱傳導;假設沉積物具有均質(zhì)性，并且由熱傳導引起的熱量交換只在垂向發(fā)生，即：

式中：Ts為沉積物溫度，℃;a為沉積物的熱擴散率，m2/s。

熱量交換通量根據(jù)傅里葉定律進行計算，即：

2 結(jié)果與討論

2.1 水庫水體分層特征

2．1．1 季節(jié)性特征

而且隨著社會的發(fā)展,護理模式的轉(zhuǎn)變以及護理服務的拓展、內(nèi)涵的加深,臨床對護理要求越來越高(3)。這樣促使我們護理人員學習和培訓尤為重要,當代護士的壓力大,工作任務繁重,對照組中傳統(tǒng)護理集中培訓方式,占用了大量的休息時間,普遍積極性不高,學習熱情低,很難達不到學習的目的及效果,而且當班護士無法參加,每次授課均有缺課。而實驗組人性化的培訓方式,是基于騰訊公司于2011年1月21日推出的一款通過網(wǎng)絡快速發(fā)送語音短信、視頻、圖片和文字,支持多人群的手機聊天軟件(4)。較之對照組,是一種更體現(xiàn)了互動及時、方便快捷,信息交流量大,更貼近現(xiàn)實后學習模式,且當班護士可下班后通過回顧記錄來學習。

浮山前水庫水體分層具有明顯的季節(jié)性特征，庫水溫度年變化較大，最低溫度為3．3℃，最高溫度為30．1℃。2016年8月10日水體處于典型的分層期，從圖2(a)可以看出，壩前表層水體溫度比底層水體高12．3℃，溫差較大;而水庫中心盡管也出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，但是由于水深較淺，水體整體溫差較小，且其底層水溫要比壩前底層水溫高8．7℃(圖2(b))。2016年10月15日水庫水體已經(jīng)完全混合，混合后壩前和水庫中心庫水整體溫度相近，約為19．2℃，較混合之前壩前庫底水溫高，而較混合之前水庫中心庫底水溫低。由此可以推測水庫中心的混合時間應早于壩前混合時間。水體完全混合后穩(wěn)定性差，對氣溫變化的響應更強烈，水體溫度隨氣溫降低而迅速降低。2016年11月12日水體溫度為11．1℃，2017年1月15日溫度降低為3．3℃。 次年春季氣溫開始回升，水體溫度也隨之升高，開始出現(xiàn)分層現(xiàn)象，2017年3月29日至6月23日水體包括庫水底層溫度快速升高，并且表層升溫幅度顯著大于底層，引起分層強度不斷增加，這個階段水庫中心的底層水溫也高于壩前。

圖2 壩前和水庫中心水溫與沉積物溫度變化

2．1．2 日變化特征

圖3為壩前水溫日變化剖面圖，可以看出，壩前表層水體溫度以及混合層深度具有明顯的日變化特征。白天(2017年5月17日9：00—15：00)強烈的太陽輻射使表層水體溫度迅速升高，由20．5℃升高至24．5℃，水體幾乎完全分層;晚上氣溫降低，水體表層溫度下降，產(chǎn)生熱對流，17日20：00水體已經(jīng)開始混合，此時混合深度為30 cm;夜間氣溫持續(xù)降低，熱對流作用更加明顯，水體混合深度增加，18日6：00 混合深度為1．60 m。

圖3 壩前水溫日變化

2.2 水庫沉積物-水熱量交換特征`

2．2．1 壩前

2016年8月10日水體處在分層且溫度升高時期，此時水溫高于沉積物溫度，熱量由水傳向沉積物。2016年10月15日水體已經(jīng)完全混合，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，庫底水溫由2016年8月10日的18．1℃變?yōu)?9．2℃，升高了 1．1℃，而沉積物-水界面之下5 cm處的溫度受其他因素影響較小，沒有明顯升高(圖2(a))，因此沉積物-水界面的溫度梯度變大，由水傳向沉積物的熱通量由15．4 W/m2增大到 23．8 W/m2(表2)。水體發(fā)生整體混合后，對氣溫變化的響應更為強烈，氣溫快速下降導致庫水整體溫度也迅速下降。2016年11月12日沉積物溫度高于水溫，熱交換方向發(fā)生改變，由沉積物向庫水傳熱，通量大小為6 W/m2。水溫繼續(xù)下降，2017年1月15日沉積物向水傳遞的熱通量增加為10．4 W/m2。接下來由于氣溫回升，2017年3月29日沉積物-水界面熱通量為0，表明熱量交換的方向?qū)僖淮无D(zhuǎn)換為由水向沉積物傳熱。隨著時間推移水溫高于泥溫，并且溫度梯度不斷增加，2017年4月23日和2017年6月23日由水向沉積物傳熱，熱通量分別為6 W/m2和12 W/m2。

表2 壩前和水庫中心沉積物-水界面熱通量變化

2．2．2 水庫中心

與壩前沉積物-水界面熱交換通量隨時間的變化相比，整體上水庫中心的熱通量具有類似的季節(jié)性變化。春夏季水體升溫以及秋季降溫混合時期，水溫高于泥溫，由水向沉積物傳熱;冬季沉積物溫度高于水溫，熱量交換方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，由沉積物向水傳熱(表2)。但是由于水庫中心水深較淺，其熱通量變化與壩前相比存在顯著差異：①2016年8月10日水庫中心由水傳向沉積物的熱通量大小為106．6 W/m2，其值遠大于壩前的熱通量(15．4 W/m2)。這是因為同壩前相比，水庫中心水深較淺水體底層溫度比壩前高8．7℃，而沉積物溫度相差不大，從而引起沉積物-水溫度梯度增加，熱通量值也顯著增大。②2016年10月15日水庫中心熱量從庫水向沉積物傳遞，通量數(shù)值小于壩前，并且表層沉積物溫度與8月份相比有所降低，這表明在該時間段內(nèi)沉積物曾向庫水釋放熱量。這是由于水庫中心水深較淺，混合后水溫對氣溫變化響應強烈引起的，沉積物-水界面熱交換的方向可能經(jīng)歷了多次轉(zhuǎn)換過程。③2017年3月29日水庫中心熱通量為-4W/m2，此時水溫已經(jīng)高于表層沉積物溫度，而壩前熱通量為0，表明春季水庫中心由沉積物向水傳熱轉(zhuǎn)變?yōu)橛伤虺练e物傳熱的時間早于壩前的轉(zhuǎn)換時間。這是因為水庫中心水深較淺，底層水體溫度升高的幅度大于壩前底層水體，熱交換方向轉(zhuǎn)變時間也相應提前。④2017年6月23日表層沉積物向水庫底層水體傳熱，熱通量為14．5 W/m2。按照沉積物-水熱量交換的季節(jié)性變化推算2017年6月23日應該由水向沉積物傳熱。熱量交換方向改變主要是因為2017年6月23日水體的透明度較高(3．63 m)，此時太陽輻射在水中的衰減系數(shù)較小(圖4)，界面處沉積物可以直接接受太陽輻射引起溫度明顯升高(圖2(b))，同時向庫水底層水體及深層沉積物傳熱。

圖4 2017年6月23日水庫中心水中光照強度剖面

大型淺水湖泊受風的擾動強烈且頻繁[26-27]，水體不容易形成長期熱分層，一般為晝夜或為期1～2 d的短期分層[28-29]。水-氣界面熱量交換以及水體的垂向混合過程對其水體溫度結(jié)構(gòu)的影響遠超過沉積物-水界面熱交換的影響。但是小型淺水水體表面積較小，減弱了風對水體的擾動深度，從而能形成穩(wěn)定的熱分層[30]，因此在淺水分層水體水溫研究中，應重視沉積物-水之間的熱量交換過程。無論是在季節(jié)尺度還是日尺度，水溫高于沉積物溫度時，水體向沉積物傳熱能避免熱量在水體底部的積累，有利于水體穩(wěn)定性的增加[6];沉積物溫度高于水溫時，沉積物向水體傳熱，能避免因水-氣界面熱量交換、出入流等因素引起的水體溫度“過低”。Fang等[11]的監(jiān)測結(jié)果顯示淺湖在結(jié)冰后水溫會升高1～2℃。因此沉積物作為水體熱量重要的源/匯能緩沖水溫波動，對水體熱量平衡有非常重要的影響[31-32]。

沉積物-水界面的熱量交換也會對小型淺水水體的物理、化學與生物過程產(chǎn)生重要影響。浮山前水庫深水區(qū)形成穩(wěn)定分層的季節(jié)性熱結(jié)構(gòu)與大型深水湖庫的熱結(jié)構(gòu)相似(三層結(jié)構(gòu))，表層與底層水的溫度梯度小，而中間斜溫層溫度梯度大，但是二者底邊界層(不是指湖底靜水層，而是指沉積物之上一定深度范圍)混合的機制不一樣。很多學者探討了大型湖庫底邊界層混合的主要擾動來源，通常認為主要來自內(nèi)假潮[33-34]。而小型湖庫內(nèi)假潮效應不明顯，沉積物向上覆水釋熱(100W/m2量級)是底邊界層混合的可能擾動源[34]。在較長時間尺度上，底邊界層的混合過程對湖庫整體的垂向交換產(chǎn)生重要影響[35-37]。另外，混合底邊界層將對沉積物與湖庫水之間的溶質(zhì)(例如溶解氧、溶解無機磷[38])交換產(chǎn)生影響，從而對湖庫的化學與生物過程產(chǎn)生影響(包括沉積物中的早期成巖作用)。

由于水深不同，水庫不同區(qū)域在春季熱量交換方向轉(zhuǎn)變的時間不同，春季淺水區(qū)庫水向沉積物傳熱的轉(zhuǎn)變時間早于深水區(qū);夏季當水體透明度較高時，水深較淺區(qū)域的沉積物可以直接接受太陽輻射，引起沉積物-水界面處溫度高于水庫底層水溫與深層沉積物溫度，促使表層沉積物同時向底層水體和深層沉積物傳熱。這表明水深對界面熱交換有重要影響，并且水庫同時存在沉積物向庫水傳熱與庫水向沉積物傳熱的區(qū)域，在水庫熱量衡算時應予以關(guān)注。

綜上所述，在水溫研究中忽略沉積物-水之間的熱量交換或者簡化為地熱的做法對于淺水分層水體是不合適的，應將沉積物-水熱量交換作為影響水體熱量的重要過程考慮，并同時考慮其熱交換方向和大小的動態(tài)變化，尤其要關(guān)注水深對界面熱交換通量的大小與方向轉(zhuǎn)換(季節(jié)與日尺度)的影響。

3 結(jié) 論

a.分層小水庫沉積物-水界面熱交換通量的方向和大小具有明顯的季節(jié)和日尺度變化特征。春夏水體升溫時期和秋季降溫混合前期由水體向沉積物傳熱，冬季由沉積物向水體傳熱，并且熱通量值遠大于地熱通量。分層小水庫淺水區(qū)底層溫度對氣溫日變化的強烈響應促使沉積物-水熱量交換具有明顯的日變化特征。因此，在淺水水溫研究中應該考慮熱交換方向和大小的季節(jié)和日尺度動態(tài)變化。

b.水深對沉積物-水界面季節(jié)與日尺度熱交換有重要影響。春季水庫淺水區(qū)熱交換方向轉(zhuǎn)變時間早于深水區(qū);夏季淺水區(qū)沉積物可以直接接受太陽輻射，引起沉積物-水熱交換方向與深水區(qū)不同。水庫將同時存在熱量輸入與熱量輸出的區(qū)域，在庫水熱量衡算時應予以關(guān)注。

c.本文計算沉積物-水界面熱交換通量，只考慮了垂向熱傳導，沒有考慮地表水與地下水交換的影響，在具體湖庫熱量衡算時應根據(jù)地表水與地下水交換強弱決定是否考慮對流對熱量傳輸?shù)挠绊憽?/p>