分層湖庫溶解氧時(shí)空特性研究進(jìn)展

杜彥良，彭文啟，劉 暢

（中國水利水電科學(xué)研究院，水環(huán)境研究所 北京 100038）

湖庫水體溶解氧（DO）是維系水生態(tài)安全的重要要素之一，同時(shí)DO 幾乎參與所有的水化學(xué)反應(yīng)及水生物等相互作用過程，成為河湖水質(zhì)管理的頂級評價(jià)指標(biāo)。湖庫中受水體的熱力分層影響，溶解氧的呈現(xiàn)不同的分布。隨著全球氣候的變化，淡水水體營養(yǎng)水平升高的趨勢下，大量的湖庫中存在和海洋中類似的缺氧區(qū)［1］，并有加劇趨勢。湖庫底部低溶解氧導(dǎo)致底泥有毒物質(zhì)釋放［2］，直接威脅了魚類、底棲生物等的生存和繁殖［3］，且改變食物鏈結(jié)構(gòu)［4］，危害水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。National Ocean Service（USA）把DO＜2 mg/L 或DO 飽和度低于30%的區(qū)域定義為海洋中的缺氧區(qū)（hypoxic）［5］，Ecological Society of America 定義缺氧為DO＜2～3 mg/L［6］。淡水湖庫缺氧區(qū)的形成與發(fā)展和地理氣象、水動力條件、營養(yǎng)狀態(tài)等眾多因素相關(guān)，為改善湖庫的生態(tài)環(huán)境，實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的湖庫管理，分層湖庫中的DO 時(shí)空變化成為近年來研究的熱點(diǎn)。

1 分層湖庫的溶解氧垂向形態(tài)及發(fā)展

湖庫分層水體由上至下為湖面溫水層（epilimnion）、變溫層（metalimnion）和下層滯溫層（hypolimnion）。湖庫分層形態(tài)與所在地理位置相關(guān)，不同緯度上年均輻射量、年內(nèi)輻射量變化，及地球自傳科氏力三個(gè)基本要素作用下，位于南北緯度0°～20°的湖泊分層的穩(wěn)定性最低，南北緯度25°～40° 穩(wěn)定性大幅提高［7］。此外，湖泊的形態(tài)參數(shù)對分層也有影響，如表層面積與平均深度之比R（surface area to mean depth ratio），也反映了蓄熱能力，用以預(yù)測湖泊分層發(fā)生日期［8］。我國有水庫寬深比判別水庫水溫是否分層。同時(shí)考慮湖庫的水文情勢的徑流—庫容法（α-β法）也常用于判別分層。水庫下泄水量的不同深度的取水方式也影響水庫熱儲量［9］。此外水色對分層也有影響［10］。DO 的垂向分布在很大程度上依賴湖庫的熱分層格局［11-12］，湖庫分層后，穩(wěn)定的熱分層一定程度上阻礙了上層溫水與下層較冷水體的交換，在溫躍層上下形成熱/冷、氧化/還原的對立環(huán)境，環(huán)境差異對湖庫水化學(xué)、物質(zhì)循環(huán)過程以及水生生物生命活動產(chǎn)生較大的影響，變溫層的密度的差促進(jìn)了水化學(xué)指標(biāo)與生物體的垂向分布的差異的形成，變溫層高密度梯度區(qū)成為較為特殊的棲息環(huán)境，水中顆粒及浮游生物體存在于代表其密度水平的垂向高度上，許多浮游生物通常將自身定位在強(qiáng)密度梯度中的溫躍層中，以獲得水柱上下兩層之間的優(yōu)點(diǎn)［13］。Cantin［4］研究發(fā)現(xiàn)對應(yīng)溫躍層深度的變化，浮游動植物群落在垂向上也表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)變化。綜上，水體的密度分層是DO 濃度垂向形態(tài)的初始驅(qū)動。由于全球氣溫升高，湖庫分層時(shí)間延長和分層穩(wěn)定性增強(qiáng)［14-15］，DO 的垂向結(jié)構(gòu)也相應(yīng)發(fā)生變化。

在《湖沼學(xué)》［16］中總結(jié)了分層湖庫中的DO 垂向分布形態(tài)兩種模式。第一種模式多見于高緯度透明度高的貧營養(yǎng)型湖泊，DO 的季節(jié)性變化小，湖下層在整個(gè)分層期都呈現(xiàn)DO 飽和的狀態(tài)，下層滯水層因水溫低DO 濃度比上層更高，如圖1中的①艾特湖。第二個(gè)模式多見于富營養(yǎng)湖泊和腐殖質(zhì)湖泊，這類湖泊由上層向下層輸入較多的有機(jī)物，使得的滯溫層DO 沿水深濃度降低，底層遠(yuǎn)低于湖上層的DO 濃度，有時(shí)甚至為0，見圖1。圖1中不僅呈現(xiàn)滯溫層的DO 減小模式，也呈現(xiàn)了變溫層3 種不同形態(tài)：（1）變溫層DO 極大值，如④；（2）變溫層DO 極小值（MOM），如②③；（3）變溫層DO 由大及小的單向變化，如⑤。除了圖1中形態(tài)，水體分層結(jié)構(gòu)不同DO 還可能有其他變化，如Merseburg-os 礦湖中變溫層DO 增大，滯溫層DO 濃度較高且垂向均勻，最底部的礦化層DO 幾乎為0［13］。本文僅討論淡水分層湖庫的DO 變化。

湖泊DO 變化過程受以下要素控制：（1）通過水汽界面的氣體交換；（2）考慮分層結(jié)構(gòu)的垂向和水平混合；（3）光合作用導(dǎo)致在水中DO 濃度增加；（4）水生生物呼吸，有機(jī)物的細(xì)菌氧化、化學(xué)氧化并通過其他還原無機(jī)物消耗DO；（5）沉積物及底棲生物耗氧［13］。非永久分層的湖庫年內(nèi)DO 時(shí)空變化過程大致分幾個(gè)階段，春季DO 濃度垂向較為均勻，春末夏初季水體開始溫度及分層，表層水體受（1）（2）（3）（4）作用，DO 較高，變溫層受水體受（2）（3）（4）的作用，形態(tài)各異，滯溫層受（2）（4）（5）作用，以耗氧為主兼有水平擴(kuò)散，表層、變溫層和滯溫層DO 濃度逐漸產(chǎn)生差異。進(jìn)入秋冬季節(jié)分層現(xiàn)象逐漸減弱，隨著垂向溫度梯度變小，DO 較高的表層水體下沉逐漸增強(qiáng)，水溫的垂向差異逐漸變小，甚至逆轉(zhuǎn)，稱為“翻庫”，翻湖（庫）時(shí)間可通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行預(yù)測［62］。冬春季隨著水體的垂向摻混加強(qiáng)，自上而下地對湖庫充氧，先是表層及變溫層DO 均勻摻混，而后向湖庫底部發(fā)展，垂向DO分布逐漸均勻，在年內(nèi)完成一個(gè)變化周期。這個(gè)循環(huán)過程在Rhodes［17］、Kreling［18］、馬越［19］、董春穎［20］及Zhang［21］中不同季節(jié)的實(shí)測DO 的垂向分布中展示，受緯度氣象、形態(tài)、營養(yǎng)狀態(tài)等多因子影響，可以看出DO 開始分層及結(jié)束的時(shí)間存在差異。

在不同緯度上，從水動力角度對分層水庫進(jìn)行劃分，有6 種垂向循環(huán)類型的湖泊［22］，有不同垂向環(huán)流特性。Lewis［23］認(rèn)為緯度帶不僅影響水溫結(jié)構(gòu)同樣影響著營養(yǎng)鹽及浮游生物，在低緯度導(dǎo)致了較高的營養(yǎng)再生率，加速了營養(yǎng)循環(huán)、影響著營養(yǎng)和浮游等的時(shí)空分布，進(jìn)而影響DO 分布。在我國高緯度的北方雙循環(huán)湖庫通常有較高的DO 垂向循環(huán)能力，低緯度的南方湖庫DO 垂向交換能力較弱，表現(xiàn)為，冬春季節(jié)北方湖庫DO 濃度垂向達(dá)到均勻的時(shí)間較早，而南方湖庫的時(shí)間較遲。

2 變溫層溶解氧變化

湖庫水體密度分層過程驅(qū)動DO 的分層及垂向變化。通常認(rèn)為變溫層溶氧極大值是由于水體透明度足夠高，變溫層藻類的光合作用產(chǎn)生了DO 極大值［26-28］。Jones［24］對水庫DO 極大值現(xiàn)象分析得到極大值與平均塞氏盤深度呈強(qiáng)相關(guān)（r=0.74）。Wilinson［29］通過測定藻類光合作用生產(chǎn)的氧氣，指出單光合作用的并不是變溫層最大值形成的原因。Dubay［26］認(rèn)為高濃度DO 水流的輸入也可能使得湖庫變溫層發(fā)生DO 極大現(xiàn)象。

變溫層溶氧極小現(xiàn)象在不同營養(yǎng)狀態(tài)水平的湖庫中均廣泛存在。Jones［24］對密蘇里州235 個(gè)湖庫的監(jiān)測顯示大部分DO 剖面為變溫層極小值，這些水庫大多都是中營養(yǎng)或富營養(yǎng)狀態(tài)［25］。在我國南方貧營養(yǎng)狀態(tài)的千島湖［21］及德國北部貧營養(yǎng)狀態(tài)的Rappbode 水庫［34］在夏秋季均發(fā)生變溫層極小現(xiàn)象。Rhodes 等［17］通過1977—2010年超過30年德國康斯坦斯湖垂向TP 濃度與DO 變化，湖中TP 平均濃度由0.08 mg/L 逐漸下降至0.01 mg/L 水平，在營養(yǎng)水平高的時(shí)段，變溫層極小值現(xiàn)象不太顯著，而到中營養(yǎng)和貧營養(yǎng)時(shí)段，湖區(qū)變溫層的DO 極小值卻更為顯著，即極小值變小。Rhodes 解釋為氣候變暖作用的結(jié)果。

分層水體的變溫層DO 極小（metalimnetic oxygen minima，MOM）現(xiàn)象早在海洋中發(fā)現(xiàn)，海洋學(xué)家認(rèn)為是表層溫水層產(chǎn)生大量有機(jī)物質(zhì)（藻類），藻類有機(jī)物衰亡后在垂向沉降過程中被微生物分解，該過程的耗氧產(chǎn)生了MOM，也被稱為“生物泵”作用［30］。與海洋相比，湖庫水環(huán)境受外界的擾動大，如支流的物質(zhì)、能量匯入、面源、沉積物釋放等多要素作用，系統(tǒng)變化更為復(fù)雜，隨著監(jiān)測技術(shù)的提升，人們認(rèn)識到絕大多數(shù)內(nèi)陸分層湖庫存在變溫層極小現(xiàn)象，DO 極小達(dá)到缺氧水平，將成為湖庫生態(tài)安全的隱患。除了借鑒海洋中“生物泵”作用，湖泊學(xué)家還提出其他不同的假設(shè)，Shapiro［31］將早期的假設(shè)與現(xiàn)場觀察和分析聯(lián)系起來，提出變溫層DO 極小有三種可能的原因：（1）水平運(yùn)輸?shù)闹兴系膽腋∮袡C(jī)物對氧氣的吸收，（2）流過水體的低氧密度水流，和（3）從生物分解或呼吸中原位消耗氧氣。Baker 等［32］對Mead 湖DO 研究中考慮了Shapiro 給出的可能原因，認(rèn)為變溫層DO 極小是因?yàn)楹吹纳a(chǎn)力高，變溫層中浮游生物的呼吸作用導(dǎo)致DO 大量消耗。Zhang［21］在千島湖的垂向監(jiān)測結(jié)果顯示，變溫層處DO 極小區(qū)域，有色可溶性有機(jī)物（CDOM）濃度也較高。Boehre［13］對Arendsee 垂向監(jiān)測剖面表明，變溫層DO 極小區(qū)域，C 的濃度略高，解釋為在變溫層的高密度梯度捕獲了懸浮有機(jī)顆粒，產(chǎn)生了MOM 現(xiàn)象。Wentzky等［33］認(rèn)為水庫中的藻類是呼吸作用的耗氧超過光合作用的產(chǎn)氧導(dǎo)致MOM。

變溫層密度梯度較高的區(qū)域，導(dǎo)致垂向上與其他水域的紊動強(qiáng)度存在差異，DO 等水質(zhì)變量的垂向混合也不同。密度分層水體的垂向紊動混合系數(shù)研究通?；趯?shí)驗(yàn)室測量和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算［35-37］，Weck 等［38］采用渦度相關(guān)技術(shù)（eddy correlation technique，EC）對德國兩個(gè)湖泊的變溫層的DO 和浮力通量進(jìn)行現(xiàn)場測量，EC 測得的數(shù)值為紊動變量的時(shí)間平均值，從EC 導(dǎo)出的反映DO 的Prandtl 數(shù)的紊動擴(kuò)散率比用參數(shù)預(yù)測的數(shù)值大一個(gè)數(shù)量級。Kreling 等［18］對德國Arendsee 湖變溫層極小DO 研究中提出，基于局部區(qū)域的DO 消耗解釋MOM 現(xiàn)象顯然不夠。在估算了DO 在垂向上的輸運(yùn)作用后，得到MOM 的發(fā)展不單單由當(dāng)?shù)卦龃蟮腄O 消耗率造成的，而是DO 垂向梯度擴(kuò)散和局部消耗的共同作用的結(jié)果。顆粒有機(jī)碳的向下通量促進(jìn)了MOM 的發(fā)展，同時(shí)變溫層DO 極小可能會增加浮游生物的呼吸作用，加速增光層的營養(yǎng)物循環(huán)，從而可能進(jìn)一步刺激初級生產(chǎn)，DO 形成與光合作用和呼吸作用存在相互反饋的機(jī)制。Bolke 對Flaming Gorge 水庫研究中［39］，對浮游植物和懸浮物的進(jìn)行分析后，確定它們不是MOM 發(fā)生的主要原因。在夏末季節(jié)，入庫河流經(jīng)過庫尾的沉積區(qū)域DO 降低，且水溫低于庫區(qū)水面，入流水體某個(gè)深度水平通過水庫，密度流的輸運(yùn)導(dǎo)致了變溫層溶氧極小。美國Copco 水庫的研究報(bào)告［40］顯示，一些時(shí)間段在變溫層深度上水平輸入了低DO 水體，另些時(shí)間段，水平輸入的密度流可對滯溫層區(qū)域的DO 進(jìn)行補(bǔ)充。Williams［41］通過模型模擬，水庫在變溫層附近深度的取水會加劇MOM 的發(fā)展。Gerling［42］對Falling Creek 水庫不同下泄流量的水質(zhì)監(jiān)測表明，大流量下泄時(shí)的MOM現(xiàn)象更為顯著。

分層水庫的溫度梯度是變溫層溶氧極小值形成的基本條件，除了影響水溫分層的氣象及地理因素，變溫層中浮游動植物的呼吸作用、有機(jī)物濃度、水動力特性及水庫調(diào)度方式等共同影響溶氧極小值的大小。

3 滯溫層溶解氧變化

分層湖庫底層低DO 是較普遍的現(xiàn)象，美國北部的Erie 湖夏季湖底缺氧甚至可追溯千年［43］。表層水體的光合作用產(chǎn)生氧氣和有機(jī)物，部分有機(jī)物沉降到湖庫底層，有機(jī)顆粒在下沉過程中被分解，并消耗底層水體DO 含量，水體的熱分層限制了表層對滯溫層DO 的補(bǔ)充，滯溫層DO 的消耗超過了其在水中的積累，會導(dǎo)致滯溫層缺氧。滯溫層的DO 指示了滯溫層厚度、溫度及生產(chǎn)力［44］。湖庫沉積物內(nèi)源N、P 營養(yǎng)鹽是滯溫層缺氧的重要因素之一［41］。1960年代和1970年代歐美很多分層湖庫受富營養(yǎng)化、缺氧等環(huán)境問題所困擾，人們意識到必須加強(qiáng)水庫的水質(zhì)管理。生物有效磷（BAP）被認(rèn)為是初級生產(chǎn)力的驅(qū)動力，措施上主要側(cè)重于減少磷負(fù)荷。1970年代中期和1980年代初期，許多湖泊的磷濃度都有所下降，創(chuàng)造了許多成功的案例，但湖庫中缺氧現(xiàn)象并未達(dá)到預(yù)期的改善效果［45］。

為研究湖滯溫層DO 變化，1920年代人們就關(guān)注到湖下層單位體積水體的氧氣消耗速率，稱為體積湖下層氧消耗速率（volumetric hypolimnetic oxygen depletion rate，VHOD），這是指示非腐殖質(zhì)湖泊表層水中營養(yǎng)鹽負(fù)荷和初級生產(chǎn)力的有效指標(biāo)。水生態(tài)系統(tǒng)中常常通過測定VHOD 來預(yù)測水體是否會以及何時(shí)可能發(fā)生缺氧或厭氧。Hutchinson［16］提出面積湖下層氧消耗速率（areal hypolimnetic oxygen depletion rate，AHOD），對湖泊的初級生產(chǎn)力有很好的指示作用。Matthews［46］通過1978—2002年Onondaga 湖的垂向間隔1 m 的DO 數(shù)據(jù)，建立表層和底層的二層模型，計(jì)算得到滯溫層DO 垂向輸入占系統(tǒng)的15%～37%，AHOD 的減小與表層初級生產(chǎn)力和沉降到分解層的有機(jī)碳的減少相關(guān)。Matzinger［47］研究滯溫層的DO，提出區(qū)域滯溫層礦化耗氧速率（areal hypolimnetic mineralization rate，AHM），單位同AHOD，計(jì)算得到80% 以上的AHM 是有機(jī)物（包括沉積物表面）降解以及10年之內(nèi)沉積物層還原物質(zhì)的釋放。在較厚的滯溫層（12 m）的湖泊，老沉積層對于AHM 的貢獻(xiàn)低。AHM 和滯溫層厚度正相關(guān)，滯溫層耗氧量主要是由湖泊當(dāng)前的生產(chǎn)力控制，人工復(fù)氧、混合、沉積物疏浚等技術(shù)性湖泊管理措施不能有效地降低沉積物還原物質(zhì)的流量。Johns［48］認(rèn)為盡管水庫有外來有機(jī)物輸入，但底部耗氧，滯溫層內(nèi)耗氧對滯溫層DO 影響較大，甚至超過其他來源的變量。Kreling［49］認(rèn)為沉積是導(dǎo)致滯溫層耗氧的主因。這些發(fā)現(xiàn)與來自世界各地的生產(chǎn)性湖泊的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｒ恢拢?0-51］。

湖庫滯溫層DO 的變化，與水動力學(xué)及調(diào)度方式相關(guān)，不同溫度的水體流入，攜帶外部DO 進(jìn)入不同的深度。Weber［52］通過模型研究得到，為改善水庫低溫水下泄，表層取水的方式也會進(jìn)一步降低水庫滯溫層的DO 水平。水庫入流水量及下泄流量變化導(dǎo)致的水動力學(xué)變化也會對DO 及水溫垂向分布產(chǎn)生影響［41］。

全球氣候變化增加了湖庫熱力分層的穩(wěn)定性，穩(wěn)定分層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致有限垂直氧氣交換和滯溫層持續(xù)的氧氣消耗，進(jìn)而導(dǎo)致底層缺氧的惡化，而通常通過湖庫的冬季水溫翻轉(zhuǎn)（翻庫）對底層DO 的補(bǔ)充，在越來越溫和的冬天，DO 補(bǔ)充效率降低，湖庫下層可能因垂向DO 交換不足，而被耗盡［12，53］。Rhodes 等［17］康斯坦斯湖經(jīng)歷了去營養(yǎng)過程，隨著時(shí)間的推移，在50 ～100 m 深度的滯溫層的DO 濃度變化不大。

滯溫層DO 濃度的變化主要受控于沉積物耗氧水平，同時(shí)水庫的調(diào)度方式和湖庫分層的穩(wěn)定性也會影響湖庫底部的滯溫層DO 濃度。

4 湖庫缺氧研究

為保障魚類群落健康，水體中DO 需要維持在一定濃度范圍內(nèi)。對于缺氧耐受能力中等的魚類，表層水DO 必須在2～5 mg/L 的水平或以上，而對于冷水種群以及不受CO2和污染物脅迫、需氧量較大的溫水性種群來說DO 必須在5～9 mg/L 的水平或以上［54］。Nuernberg［55］列出美國和加拿大的水庫水質(zhì)管理中，根據(jù)不同季節(jié)或水域的DO 標(biāo)準(zhǔn)，大致范圍為4.0～10.5 mg/L。20世紀(jì)人們發(fā)現(xiàn)在夏秋季節(jié)很多分層水庫某些區(qū)域出現(xiàn)不同程度的缺氧現(xiàn)象，減小了魚類可利用棲息地，提出相應(yīng)的熱-氧空間的損耗概念。分層湖庫變溫層及滯溫層均會存在缺氧的現(xiàn)象，水體分層制約浮游動物日夜垂直遷移模式［57］，變溫層缺氧將部分魚類群落壓縮到違背它們熱偏好的滯溫層，底部缺氧危害底棲生物及食物鏈結(jié)構(gòu)，在極端情況下庫區(qū)缺氧導(dǎo)致魚類死亡率上升［58-61］。變溫層缺氧對溫室氣體垂向分布也產(chǎn)生影響，導(dǎo)致了CH4在變溫層和CO2在滯溫層的積累［61］。面向水庫的水質(zhì)及生態(tài)管理實(shí)踐中，人們同時(shí)關(guān)注水體開始缺氧的時(shí)間和持續(xù)時(shí)長。

Jones 等［19］對1989—2007年期間每年5月至8月密蘇里州的235 個(gè)水庫水溫（個(gè)數(shù)n=7193）和溶解氧（n=6516）的垂直剖面分析，得到水體開始缺氧時(shí)刻通常是水域面積的函數(shù)，平均而言，一個(gè)10 000 hm2的水庫比10 hm2的晚4 周左右變成缺氧。營養(yǎng)狀態(tài)變量（TP，Chl 和Secchi）也表現(xiàn)出與缺氧的弱相關(guān)性（r＜0.4，p＜0.05），同時(shí)表明營養(yǎng)程度升高加速了缺氧的發(fā)生。Reckhow［63］在對55 個(gè)分層湖庫的研究后，提出基于湖泊形態(tài)、水文、和營養(yǎng)負(fù)荷的缺氧概率（Panox）：

式中：z 為平均水深；qs為年均流量；Lext為年均外部的磷輸入，該公式考慮了水深、流量和負(fù)荷量，可能會低估一些原始的貧營養(yǎng)水庫的缺氧。Nurnberg［51］根據(jù)提出安大略湖附近的56 個(gè)湖泊研究中提出了缺氧因子（AF），定義為：

式中A0為湖泊表面積。Nurnberg［55］提出考慮TP 輸入的AF 計(jì)算公式：

式中：A 為水庫面積（km2）；TP 為總磷濃度（ug/L）。括號中數(shù)值為正負(fù)標(biāo)準(zhǔn)差。

5 湖庫DO 數(shù)值模擬

水體中DO 是反映水質(zhì)變化的基礎(chǔ)變量，1925年的Streeter 和Phelps 建立的第一個(gè)S-P 水質(zhì)模型即計(jì)算河流中的DO 和BOD 濃度變化。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，水質(zhì)的模型耦合水動力等模型向多維、多參數(shù)方向發(fā)展，眾多知名且成熟的水質(zhì)模型，如Delft3D、EFDC、MIKE、CE-QUAL-W2 等，都可計(jì)算湖庫水質(zhì)及DO 的時(shí)空變化［64］。

分層湖庫的DO 時(shí)空變化的一些機(jī)理問題仍在探討中，為更精確模擬分層水體各層DO 的變化，學(xué)者通常根據(jù)最新的研究成果，或引入新參數(shù)，或?qū)δＰ瓦M(jìn)行二次開發(fā)，來對DO 進(jìn)行模擬。Matthews［40］建立表層和底層的二層模型計(jì)算滯溫層DO 濃度變化，Müller［45］模型中引入AHM 參數(shù)，計(jì)算模擬了不同湖泊的滯溫層DO 的時(shí)空變化。Weber［51］采用GLM 模型對水庫的DO 進(jìn)行模擬。上述研究均為垂向一維模型。在對水庫的水質(zhì)及DO 變化的模型研究中，垂向二維的CE-QUAL-W2 模型對狹長 形水庫有較好運(yùn)用［65-66］，前文提及Powell 湖DO 模擬［41］、美國Copco 水庫DO 模擬［39］等。三維模EFDC 模型也有廣泛的應(yīng)用［64，67］。Chen［68］采用三維模型耦合水射流模型和線性氣泡羽流模型，模擬一個(gè)淺水富營養(yǎng)化水庫中滯溫層復(fù)氧對水溫及DO 結(jié)構(gòu)的作用。驅(qū)動及影響湖庫的DO 分布變化的因素眾多，很難從個(gè)別因子進(jìn)行湖庫水質(zhì)演化分析，模型手段是研究水環(huán)境系統(tǒng)不可缺少的工具，多模型耦合模型研發(fā)也是研究的重點(diǎn)。

6 結(jié)語

在全球氣候變化、水體富營養(yǎng)化等背景下，分層湖庫的缺氧現(xiàn)象變得越來越普遍，且受到廣泛關(guān)注。受氣候、地理、富營養(yǎng)化、有機(jī)污染、水文及負(fù)荷的輸入過程等環(huán)境壓力的作用，湖庫分層后DO 在溫水表層、變溫層和滯溫層中濃度形態(tài)發(fā)生變化。大氣復(fù)氧、光合作用等的導(dǎo)致了溫水表DO 濃度較大，而變溫層DO 與浮游生物呼吸和光合作用、水平和表層等外部物質(zhì)輸入、有機(jī)物沉積過程分解、透明度等相關(guān)，DO 垂向形態(tài)各異，其中變溫層DO 極小值廣泛存在形成機(jī)理較為復(fù)雜。滯溫層缺氧與沉積物、初級生產(chǎn)力、外部輸入等相關(guān)，分層后通常表現(xiàn)為耗氧過程。影響分層湖庫DO 時(shí)空分布的因素眾多，個(gè)別因子或經(jīng)驗(yàn)公式分析，難以對湖庫DO 現(xiàn)象做出全面精確的描述，基于機(jī)理及過程的數(shù)值模型是DO 研究中必不可少的工具。我國地域幅員遼闊，變溫層和滯水層缺氧現(xiàn)象在大部分分層水庫中普遍存在，但很多水庫中深層DO 的監(jiān)測數(shù)據(jù)資料并不完備和充分，DO 及其水生態(tài)系統(tǒng)的影響程度研究也有限，在湖庫生態(tài)恢復(fù)和水環(huán)境管理中缺乏相關(guān)的技術(shù)支撐和參考依據(jù)。針對分層湖庫的缺氧問題，為水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境的改善提出可行性措施，提高水庫科學(xué)管理水平，運(yùn)用原位監(jiān)測、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)、公式分析和數(shù)值模型等手段，揭示湖庫溶解氧的演變機(jī)理，是迫切需要開展的研究課題。