小型水体在水体总数量中占了很大比例,并且具有不同的生物地球化学特征和重要的生态效应。对小水库热对流主导的分层与混合过程的认识是正确认识湖泊水库在全球生物地球化学循环中作用的重要基础,并且可以有效规避水体分层与混合引起的负面效应,为水库的建设、运营、管理提供理论依据。为了探讨小水库热分层与混合特征,本文主要对青岛浮山前水库季节性(2015年至2017年)与日尺度(2017年5月17日至18日24 h)垂向水温剖面、沉积物温度季节性垂向剖面(2016年至2017年)、以及相关气象参数进行野外监测,并基于AQUASIM软件建立了垂向一维湍流水温模型。监测以及模拟结果表明:(1)水库热分层具有明显的季节变化特征。分层过程可分为四个时期:混合期、形成期、稳定期、消亡期。通过对比不同年份水体季节性分层与混合时间发现每个时期的混合时间节点并不固定;并且通过其热分层特征(季节性分层时间较早、分层初期水体分层-混合反复过程、秋季混合时间显著差异等)识别出风对水体的扰动作用较小,气温变化是影响热对流占优水体的分层与混合时间节点的关键因素之一。因此在水库的运营、管理中应加强气温的监测。(2)日温度剖面监测显示,混合层(mixed layer)具有明显的日变化特征。与大型水体不同(三个阶段),小水体的混合层变化主要分为两个阶段:白天,表层水体直接吸收太阳辐射促使分层“自上而下”形成,并且水体呈现稳定分层,混合深度只有几厘米甚至0厘米。傍晚表层水体开始混合,次日6点混合深度增加为2.17m。热通量日变化分析表明白天太阳短波辐射主导了水体净热通量的变化;夜间长波辐射和潜热是水体净热通量的主要组成部分。(3)沉积物和上覆水温度剖面测量以及热通量计算表明:沉积物-水界面热交换(通量大小以及传递方向)具有明显的季节变化以及日动力学变化特征,热通量远高于地热(0.1 W/m~2)。另外由于水深不同,热交换也存在空间差异。因此在进行浅水分层湖库的水温研究时,应重视沉积物-水界面热交换通量方向与大小的动态变化,尤其要关注水深对界面交换通量的大小与方向转换时间(季节与日尺度)的影响,并且水库同时存在热量输入与热量输出的区域,热量衡算时应予以关注。(4)风剪切力校正后一维湍流水温模拟结果较好。混合层日变化湍流动能平衡分析表明:水体混合的机制包括风的剪切(湍流动能产生速率为10~-1111 m~2/s~3)和热对流(10~-77 m~2/s~3);但是热对流的混合深度与混合层实际的混合深度相差不大以及湍流耗散与表层浮力通量的比值为0.45,二者共同证明了热对流主导了水体的混合过程。沉积物-水界面热交换对水温的影响模拟结果显示沉积物向上覆水释放热量,不仅会引起底层水温的显著升高,还有可能引起底层水体的对流混合。瑞利数(Ra)的计算表明,当水体湍流动能较小时,尽管底层水体的瑞利数超过了其起动阈值(1500~1700),仍没有发生热对流混合过程。猜测热对流混合和水体的湍流动能有关,现阶段采用的瑞利数数值对静水环境可能不适用。