稳定分层水库水质的季节性变化特征及扬水曝气水质改善

为了解深水型水库水体的热分层结构、水质特征及扬水曝气系统对水质的改善情况,对水温、溶解氧、pH、叶绿素a、营养盐、溶解性有机碳浓度等水质指标进行为期一年的监测,探讨各项指标的季节性变化规律.结果表明,黑河水库水体呈单循环混合模式,在3-10月形成自然热分层,水体的热分层导致相应水库水质明显分层.黑河水库为偏碱性水体,叶绿素a、总磷、总氮、铵态氮和溶解性有机碳浓度平均值分别为2.21 μg/L、0.022 mg/L、1.32 mg/L、0.20 mg/L和2.93 mg/L,表明黑河水库处于中-富营养状态.热分层期底部水体溶解氧浓度在0～7.9 mg/L之间,平均值为2.9 mg/L,氮磷质量比在41～100之间,表明黑河水库是一个底部季节性缺氧、高营养盐型水库.在水库自然热分层末期,应用扬水曝气技术,不仅改善了底部水体的厌氧/缺氧环境,抑制了厌氧/缺氧条件下内源污染物的释放和藻类的增殖,而且还使得水库水体提前混合,实现了强制混合与水体自然混合过程的有机衔接,延长了水质持续改善的作用时效,有效地改善了水环境,保障了安全供水.     

稳定分层水库水质的季节性变化特征及扬水曝气水质改善

为了解深水型水库水体的热分层结构、水质特征及扬水曝气系统对水质的改善情况,对水温、溶解氧、p H、叶绿素a、营养盐、溶解性有机碳浓度等水质指标进行为期一年的监测,探讨各项指标的季节性变化规律.结果表明,黑河水库水体呈单循环混合模式,在3-10月形成自然热分层,水体的热分层导致相应水库水质明显分层.黑河水库为偏碱性水体,叶绿素a、总磷、总氮、铵态氮和溶解性有机碳浓度平均值分别为2.21μg/L、0.022 mg/L、1.32 mg/L、0.20 mg/L和2.93 mg/L,表明黑河水库处于中-富营养状态.热分层期底部水体溶解氧浓度在0~7.9 mg/L之间,平均值为2.9 mg/L,氮磷质量比在41~100之间,表明黑河水库是一个底部季节性缺氧、高营养盐型水库.在水库自然热分层末期,应用扬水曝气技术,不仅改善了底部水体的厌氧/缺氧环境,抑制了厌氧/缺氧条件下内源污染物的释放和藻类的增殖,而且还使得水库水体提前混合,实现了强制混合与水体自然混合过程的有机衔接,延长了水质持续改善的作用时效,有效地改善了水环境,保障了安全供水.     

南方水库热分层消亡时期水体混合特征及其驱动机制

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2019年11月—2020年2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)刻画水库热分层消亡全过程中水温T、溶解氧DO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K_z)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0.16～380.36 m²/d,均值为30.46 m²/d,表层K_z变化的主要控制因子为气温变化,且较T及DO而言,表层K_z对气温的变化更加敏感(R_Kz=-0.44,R_T=0.25,R     

西南峡谷型水库的季节性分层与水质的突发性恶化

选择西南云贵高原乌江流域的百花湖水库进行了气象、水温度和水化学(DO、FeⅡ和MnⅡ)的连续监测(13个月).结果表明,由于气候等原因,百花湖水库的水体在夏季形成分层,但是没有典型分层湖泊的温跃层变化,这种水体温度结构可以在4-10月保持稳定;这种"不显著的"温度分层结构,有效限制了上下水团的混合,形成显著的水体溶解氧分层,氧化/还原界面可达到水深8m左右.20世纪90年代初以来,贵州多座水库频繁出现的季节性水质恶化现象,与水库水体混合期(多为夏末初秋),水体分层结构失稳有关.上下层水体的垂直交替,使下层水体中的还原性物质带入上层湖水,造成表层水体缺氧和表观浑浊,鱼类窒息死亡.在百花湖水库的研究表明,西南地区深水水库,可以在夏季出现一定的水体温度分层结构,并导致显著的水体水化学(如溶解氧)分层,进而影响水库水环境质量.     

天目湖沙河水库溶解氧分层的季节变化及其对水环境影响的模拟

溶解氧(DO)是水体能否维持生态平衡的重要指标,是湖泊初级生产力与水动力条件的综合反映.研究DO及其分层的季节变化对认识湖库的富营养化过程有重要意义.本研究以天目湖沙河水库为例,运用西澳大学开发的三维水动力水质模型——ELCOM-CAEDYM对天目湖的水温、DO和总磷(TP)进行了为期1年的数值模拟.结果表明,模型较好地模拟出了水体温度和DO分层过程以及TP的时空分布,3个指标在水体表层、中层和底层的模拟值与实测值拟合良好,均方根误差分别在1.8℃、1.8 mg/L和0.003 mg/L以内,Nash-Sutcliffe有效性系数均在0.7以上,相对误差均低于10%.沙河水库不同季节的DO垂向分层与温跃层协同变化:冬季垂向混合;春季(4月)温跃层开始发育,底部出现氧不足;夏季(7月)温跃层位于4~10 m之间,同时底部低氧区(DO<2 mg/L)面积达35%;秋季(9月末)低氧区随着温跃层的消失而消失;冬季再次垂向混合.全湖DO和TP的时空分布表明,南半库区磷的来源主要是外源输入,而北半库区磷的来源主要是由水体底部低氧导致的磷内源释放.DO季节分层还有可能通过影响藻类活动而对水环境造成影响.     

南方水库热分层消亡期混合层深度及缺氧区时空变化特征——以南宁市天雹水库为例

湖库热分层消亡引起的突发性水质恶化现象引起了广泛的关注,我国南方水库大多是暖单次混合型湖泊,每年混合一次,导致水库水质周期性下降,但目前对南方水库热分层消亡过程的高频监测研究较少。为探究我国南方水库热分层消亡期水体混合过程的时空变化规律及驱动因素,以广西南宁天雹水库为例,于冬季热分层消亡期(2019年11月—2020年2月)对水库多点位水体理化指标开展原位监测,并利用自建气象站获取气象水文数据。结果表明:(1)水库热分层消亡期间,过渡区水深较浅可在短期内达到完全混合状态且缺氧区同步消失;而湖泊区混合过程整体滞后于过渡区,混合层深度由6.85 m增加至13.65 m,缺氧区逐渐减小,缺氧指数(AI)由0.40减小至0.07,直至水体完全混合后缺氧区消失;水库过渡区较湖泊区提前约40 d达到完全混合状态。(2)气象因子是引起热分层结构变化的主要因素,气温(T)、辐射(R)与混合层深度(MLD)呈现显著负相关(R_T=0.927、R_R=0.925,P<0.01),风速(WS)与MLD呈现显著正相关(R_WS=0.728,P&...     

大型深水水库溶解氧层化结构演化机制

深水水库溶解氧(DO)的演化成因目前尚不完全清楚,研究其演变机制对制定水库水质保护和管理策略十分重要.本文以我国京津冀地区重要的大型深水水源水库潘家口水库为例,系统分析了水库水温和DO浓度的时空分布特征、演化成因,以及水库的水质响应情况.结果表明:4月中旬-11月底该水库存在显著的季节性热分层,水库热分层为DO层化结构的形成提供了垂向分异性物理环境;与热分层类似,DO层化表现为3层结构,本文从上至下将其分别定义为混合层、氧跃层和氧亏层.垂向各层不同生化过程的作用为DO浓度空间差异性演变提供了驱动力,其中混合层受浮游藻类过量生长的影响,DO往往处于过饱和状态;氧跃层受大量生物的呼吸及有机物分解等耗氧的影响,DO浓度急剧下降,7-8月一般处于缺氧状态(DO2 mg/L);氧亏层受重污染沉积物耗氧的影响,DO浓度持续下降,热分层末期水库底部可能出现缺氧.热分层末期DO浓度降低的同时,沉积物中会发生Mn的还原、Mn-P解吸释放等现象,但沉积物中含量较高的Fe没有发生还原以及Fe-P的解吸释放现象.潘家口水库目前正在逼近缺氧、内源污染大量释放的临界点,其水环境治理应予以高度重视.     

水源水库季节性分层及悬浮物行为对铁锰迁移的影响——以辽宁省碧流河水库为例

铁和锰是氧化还原敏感的元素,水源水库热分层引起的底层水体缺氧造成了沉积物中铁和锰的释放,对城市供水造成了极大的影响.以往鲜有悬浮物行为对铁和锰在水库水-沉积物界面迁移影响的研究,于2014年2月-2015年2月对碧流河水库深水区的水、悬浮物以及沉积物铁和锰的垂向分布特征进行综合调查分析,并进一步分析铁和锰的季节性变化规律及悬浮物行为对其的影响.Spearman相关分析结果表明铁浓度与总悬浮固体、总氮和总磷的相关性较大;锰浓度与总悬浮固体、溶解氧、pH和总氮的相关性较大.进一步讨论分析表明碧流河水库的热分层、底层缺氧以及沉积物再悬浮是影响铁和锰浓度的重要因素,水库铁和锰的季节变化规律存在差异.分层期溶解态的锰在底层累积,平均浓度达到0.18 mg/L,而沉积物中溶解态的铁释放很少.混合期水库的中上层锰浓度升高,达到了0.07 mg/L.沉积物的再悬浮是水库底层水体中铁的主要来源,底层颗粒态铁的平均浓度约为0.3 mg/L.絮凝的颗粒物以及其吸附的锰在水库长期悬浮,难以沉积到水库底部,使得悬浮物中Mn的含量显著高于表层沉积物,约为沉积物的7倍.建议应在碧流河水库采用分层取水、水库曝气以及联合供水等措施,以减少铁和锰的浓度升高对供水产生的影响,保障大连市城市供水安全.     

-座富营养化水库—福建山仔水库夏季热分层期间浮游植物垂向分布

对福建省水温分层型富营养化山仔水库夏季大坝断面垂向水体的物理化学参数进行了监测分析,并应用荧光分析法结合显微镜细胞计数法,对垂向分层水体和沉积物中的浮游植物生物量、群落组成及丰度进行了分析.结果表明,水库的水温分层能够引起水化学指标的分层.夏季大坝断面水体中的浮游植物以蓝藻门微囊藻属占绝对优势,垂向分布表现为表层的浮游植物细胞数量高于底层,温跃层以下细胞数急剧减少,水温分层可能决定着浮游植物的垂向分布,底泥中的浮游植物将为水体的水华提供"种源".     

基于贝叶斯方法的贵州高原百花水库水体营养盐变化及评价(2014—2018年)

为了确定百花水库营养盐变化特征,选取百花水库5个监测点2014年1月-2018年7月共28个月份的水质实测数据,分析溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总磷和总氮的年际变化特征.采用基于熵权法赋权的贝叶斯理论对5个监测点的水质综合状况进行评价,并结合水库的实际状况,从生态修复、工业污染源、沉积物中营养盐、水库季节性热分层及农业与生活污染源5个方面对其水质变化的影响因素进行分析.结果表明:2014-2018年水体环境波动较大;除总氮外,各污染指标浓度均有不同程度的下降;综合水质后验概率表明百花水库水质有逐渐变差的趋势;总氮和总磷治理应成为百花水库污染治理的主要方面;生态修复工程的开展和工业污染源的削减是百花水库水质转好的主要影响因素,农业与生活污染源的增加是百花水库水质转差的主要影响因素.     

Effects of rainfall on thermal stratification and dissolved oxygen in a deep drinking water reservoir

Thermal stratification is crucial for water quality and ecological processes in deep lakes and reservoirs and can be substantially affected by meteorological and hydrological processes in the catchment. However, how thermal stratification responds to rainfalls of different intensities and changing hydrological processes has not been documented very well. Here, high frequency water column profiles at three stations in a large subtropical deep reservoir (Lake Qiandaohu, China) in 2017 were used to elucidate the impacts of rainfall on lake physical process and chemical environment. The impact of rainfalls on the thermal stratification and dissolved oxygen in riverine zone was more impressive than that in transitional and lacustrine zones. The effect on thermal stratification by rainfall was largely affected by the magnitude of rainfall. Moderate and heavy rainfall events could reduce the thermal stability of water column, deepen the mixing layer depth, and shape the thermocline, resulting from decrease of surface water temperature and increased inflows. While rainstorms could totally break up thermoclines in the riverine zone by high volume inflow flushing. In addition, we found that the hypoxia and anoxia initial depths increased during rainfall events in this reservoir, which were well related to the changes of mixing layer depths. This research highlights that quantifying the effects of rainfalls on thermal stratification and dissolved oxygen will be beneficial for optimizing reservoir management.     

我国南方桉树(Eucalyptus)人工林区水库突发性泛黑形成机理初探

桉树(Eucalyptus)在我国南方大规模种植,最快两三年成材,经济价值高,但近来却被认为是"抽水机"、"绿色沙漠",甚至传言"有毒".特别是近年来桉树人工林区水库出现的"泛黑"现象——水体呈现黑褐色并伴有涩味,给种植地附近居民造成了很大的恐慌.并且其黑水形成机理、物质来源及触发条件等尚不清楚.基于此,本文选取我国南方桉树人工林区典型水库,开展了水体"泛黑"现象成因研究:于2015年8月2016年4月对广西南宁市那降水库、天雹水库、百合水库分别进行了4次水体垂直分层采样,测定其理化指标,并结合当地水库管理站提供的水文数据进行综合分析.结果表明,桉树人工林区水库泛黑与特定季节及特殊气候条件有关,水体温度分层结构失稳是黑水物质运移的主要动力因素;夏季水库水温分层结构稳定,限制了底层致黑物质向上迁移,溶解氧等水质指标分层明显,秋冬季节分层消失,水体发生垂直交换,给底层致黑物质提供了上翻的作用力,导致"泛黑"现象发生.硫化物、单宁酸、铁、锰等物质季节性及空间分异特征与水温季节性分层特性密切相关.桉树林区水库水体铁和锰浓度最高可达2.93和3.46 mg/L,桉树茎、叶在水体中浸出大量单宁酸,在硫化物、单宁酸、铁、锰同时存在的条件下,发生铁、锰与硫化物,硫化物与单宁酸,铁、锰与单宁酸等一系列反应,生成黑色络合物,导致水库泛黑.研究结果可为保障桉树人工林区饮用水源地安全提供指导,并为桉树人工林区水库黑水深入研究奠定基础,引领更多学者进行深入研究.     

基于FVCOM的太湖梅梁湾夏季水温、溶解氧模拟及其影响机制初探

水体中的溶解氧是表征水生生态系统健康与否的重要参数之一.本研究基于太湖2008年8月16 20日的风速、风向、短波辐射等气象场资料以及实测的相关水质参量,利用FVCOM(即非结构化网格有限体积近海海洋模型)模式对太湖梅梁湾三维水温以及水体中溶解氧进行模拟,模拟结果与实测值基本吻合,水温的验证回归方程为y=1.02x,R²为0.690;溶解氧的R²为0.760.同时对溶解氧浓度的时空分布,梅梁湾溶解氧的"源"和"汇"及其贡献进行了分析.结果表明:太阳辐射、风速是影响水温日成层现象的重要因子;受水温和光照的影响,夏季梅梁湾的溶解氧存在垂直差异,呈现出"双峰双谷"的日变化特征;浮游植物光合作用制氧是水中溶解氧的最重要来源,水下光衰减直接控制着初级生产力的垂直分布;浮游植物呼吸及死亡是溶解氧的最大消耗者,余下依次为底泥耗氧、碳化需氧、细菌呼吸耗氧和硝化作用耗氧.     

大型水库分层期和混合期溶存温室气体空间变化及排放通量

水库作为温室气体的重要来源,对区域气候变化有不可忽略的影响。然而,目前对水库溶存温室气体的空间异质性及垂向特征的认知仍然欠缺。为了揭示水库分层期和混合期溶存温室气体空间特征及排放通量,也为厘清水库温室气体产生和排放的关键过程提供重要支撑。研究选择东北地区大型水库——汤河水库为对象,于2021年7—9月和10月(分别代表水库分层期和混合期)对水库不同位置(坝前、库中和库尾)开展溶存温室气体垂向分层监测。研究结果显示,水库CH₄排放通量变化范围为0.018～0.174 mmol/(m²·d),是大气CH₄的源,空间分布为库尾>库中>坝前;CO₂通量为-4.91～58.77 mmol/(m²·d),除分层期东支库尾,其余点位均表现为大气CO₂的源,空间分布为坝前>库中>库尾。时间上,分层期CH₄排放通量(0.071±0.044 mmol/(m²·d))高于混合期((0.027±0.008) mm...     

Simulation of eutrophication and associated occurrence of hypoxic and anoxic condition in a coastal bay in Japan

A probabilistic method of calculating the occurrence of oxygen-depleted water within a combined hydrothermal and water quality model was presented in this paper to investigate the environmental impact of eutrophication on the living resources. The method was applied to an eutrophicated shallow coastal bay in western Japan, where the occurrence of red tides at the water surface and the onset of bottom hypoxic waters are observed every summer. Both meteorology and freshwater inflow contribute to the development of stratification of the bay, thus limiting the dissolved oxygen supply to bottom waters. The resulting hydrodynamics enhances the development of oxygen-depleted bottom waters by transporting organic matter produced by algal blooms to the inner bay, where it decomposes and exerts high SOD. During August, about 60% of the inner bay is hypoxic for prolonged durations and as a result most of the benthic biota and fish die. The method used here is a very useful and informative way to evaluate the spatial and temporal damage and severity caused by hypoxia on living resources. Moreover, the model results agreed very well with the observed hydrodynamics, thermal structure and water quality data of the stratified bay. The model can be used for other lakes and bays where knowledge of temperature and density stratification is important for assessing water quality.