分层湖库温跃层溶解氧极小生消机理及影响因子模拟研究

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深水湖库在夏季会发生热分层现象,进而产生密度、温度及各水质指标的垂向分层;许多分层湖库在夏秋季节发生温跃层DO极小(MOM)现象,严重时会影响水库水生态环境。本文综合实测数据分析、遥感解译、数学模型等多种手段,对MOM生消机理进行研究。研究选择北方潘家口水库作为研究区域,通过对水库资料的收集分析,同时对水库进行多年原位监测;了解水库的水温、水质及DO的分层特性。采用CE-QUALW2立面二维水动力-水质模型构建潘家口水库水生态模型,基于对2018、2020年水库水动力耦合下的水质、水生态过程的精确再现,研究水库温跃层DO极小现象在年内产生、消亡的机理及关键作用要素。系统分析水库分层期水动力、水质的年内时空分布特征,确定MOM现象形成的驱动条件;采用多情景模拟方法探究底部沉积物、浮游藻类、溶解态/颗粒态有机物(DOM/POM)以及溶解/悬浮态固体(TDS/ISS)对温跃层DO消耗的贡献,定量确定潘家口水库分层期MOM现象形成的关键因子。主要结论如下:(1)潘家口水库为双循环水库,冬季和夏季均表现出的垂向温度分层特征,夏季最为显著。热分层结构从春季5月份开始逐渐形成;7~8月份稳定性达到最大并趋于稳定,温跃层厚度随之增加;9月份以后稳定性随时间推移不断减弱;11~12月热分层结构消失。水库水质及DO分层也存在同样的季节性规律,区别在于相较水温变化存在一定滞后性。在对比2018年与2020年水库APE指数的时空分布后发现水库水深与其呈正相关关系,于是认为水库层结稳定性与水深直接相关,分层期水库水深越大,层结越稳定。(2)分层期水库温跃层水平流速占主导地位,通过水库遥感影像以及模型计算结果分析,受沉积作用的影响,大量耗氧物质在库尾沉降,同时在库尾区域营养盐浓度相对较高,藻类生长聚集,形成显著高浓度区域。SOD和藻类死亡沉降,导致库尾底部耗氧增加,形成底部低氧区;受温跃层水平流动的驱动,低DO逐渐进入库区,形成温跃层水平空间的缺氧层。通过模型分析,水动力过程、底泥耗氧过程均是MOM形成的必要条件。分层湖库形成MOM现象的主要驱动是热分层期间的温跃层流场过程与库尾有机物沉积耗氧过程。(3)采用多情景分析法,对比了沉积物、藻类、有机物质和悬浮固体等4类因素对DO的影响,分析整理了形成MOM的主要因素。通过对模拟结果比较分析可知,水库SOD在MOM现象形成中占比最大,约占温跃层总耗氧的68%;藻类的净氧气变化占温跃层总耗氧的7%;DOM、POM分解耗氧在温跃层中耗氧中占37.5%;TDS与ISS本身不耗氧,但是可以通过影响水体结构改变DO垂向分布。
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