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第一作者：张袁宁

通讯作者：孙博闻 副教授

通讯单位：天津大学

https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121694

亮点

• 开展大量情景模拟和敏感性分析确定了水库温氧演化的主要驱动因素。

• 总结了由热分层结构和水动力事件耦合控制的水库供氧模式。• 分析了基于梯级水库调度的库区缺氧缓解策略及其潜在弊端。

• 讨论了水库调度缓解缺氧的措施在气候变化背景下的适用性。

研究进展

水温分层是深水环境中的常见自然现象，它阻碍着表层水体向底层补给溶解氧，当底层水体耗氧和沉积物耗氧超过溶解氧补给时容易发生滞温层缺氧。滞温层缺氧将压缩鱼类生存空间、促使沉积物释放温室气体及有毒物质，威胁水生态环境安全。目前，人们主要通过减少水环境中的耗氧物质以缓解缺氧，基于这一需求侧视角，管理部门较好地控制了进入水环境的外源污染，但通常难以去除已经沉积在水环境底部的内源污染；以曝气为代表增氧措施也有着广泛的应用，它们的效果直接但通常影响范围有限，主要被考虑为应急措施。与湖泊等天然深水环境相比，人为修建的水库具有更强的出入流过程和人为受控特性，因此具有更复杂的溶解氧传输网络，并赋予了我们通过水库调度增强溶解氧供给以缓解缺氧的可能。因此，本研究尝试从供给侧角度出发，分析热分层型水库中的溶解氧供给模式，讨论增强溶解氧供给以缓解缺氧的水库调度策略及其在气候变化下的适用性。

本研究在引滦入津工程水源地大黑汀水库开展了原位观测并构建了数学模型（图1）。大黑汀水库与位于其上游的潘家口水库共同构成了滦河干流上的梯级调度水库，因其过去累积了大量内源污染负荷而面临着缺氧问题及水质恶化风险，使其向天津、唐山等地供水的水质安全受到严重威胁。本研究通过数学模型对原位观测结果进行了重构，引入分组基尼系数对全库的热分层强度和缺氧程度进行了追踪，并对不同氧源对水库不同水层的溶解氧供给速率进行了量化。此外，本研究还通过对模型边界条件进行全局敏感性分析和响应面分析确定了驱动水库温氧演化的主要环境因素。

图1 研究区域、方法及组织架构。本研究在大黑汀水库进行了原位定点观测及走航观测并构建了水动力水质模型，进而回答两个问题：热分层型水库的溶解氧供给模式是什么？如何通过水库调度增强溶解氧供给以缓解缺氧？

温氧结构演化的原位观测和模型重构结果（图2）表明，尽管水库的水温和溶解氧演化存在年间差异，但缺氧区的演化可理解为受水温分层约束的周期性变化和受外部条件控制的突发性变化。一方面，分析不同热分层阶段下入流携氧、大气复氧和光合作用对大黑汀水库各水层的供氧速率（图3）可知，水温分层改变了溶解氧的供给关系，使得滞温层水体与大气复氧和光合作用隔离，仅依靠入流供氧。因此当入流流量减少、供氧强度不能满足滞温层环境耗氧时，缺氧区将迅速形成。另一方面，分析温氧演化的协同关系及外部条件变化诱发的典型水动力事件（图4）可知，翻库能够通过削弱水温分层强度、改善溶解氧供给关系以缓解缺氧，异重流能够通过增大供氧强度以缓解缺氧，风暴和洪水兼具上述两种缺氧缓解机制。因此，热分层型水库的供氧模式由周期性热分层条件和突发性水动力事件耦合控制。

图2 大黑汀水库的水温的溶解氧演化规律。图（a-c）为原位定点观测的坝前区域演化结果，图（d）为数学模型重构的全库演化结果，相应的基尼系数越大，水温分层越强或水库缺氧越严重。

图3 不同热分层阶段入流携氧、大气复氧和光合作用对水库不同区域的溶解氧供给速率。相关结果由数学模型计算得到，图（a-c）按三大氧源的相对贡献计，图（d）按绝对数值计。

图4 影响水库溶解氧供给的水动力事件。图（a）为实测的滞温层温氧变化，图（b）为基于温氧相关性的水动力事件归因，图（c）为由数学模型重构的典型水动力事件的溶氧场和动力场特征。

对数学模型的边界条件开展时变敏感性分析（图5a-b）表明，不同热力阶段温氧结构的关键驱动因素存在差异。气温和风速的短期变化主要在混合期内影响温氧分布，出入流条件主要在分层期内影响温氧演化。入流水温的增减都易导致水温分层增强，入流流量能够通过增大供氧速率以缓解缺氧，出流流量和出流水温能够通过削弱水温分层、改善供氧关系以缓解缺氧。分析水库温氧演化对气象、入流和出流条件的响应面（图5c-d）可知，在以历史变化区间为参照的相同变化比例下，出流条件引起温氧结构的变化最大，入流条件次之，气象条件最小，出入流过程和与之相关的水库调度对热分层水库的缺氧演化具有重要意义。

图5 不同外部环境因素的历史同期变化对水库温氧演化的驱动能力。图（a-b）为敏感性分析结果，统计量KS越大，表明该因素的驱动能力越强，图（c-d）为响应面分析结果，灰色矩形框表示2016-2021年历史情景区间，框外区域表示基于历史情景的外推情景区间。

总体上看，水库的溶解氧演化由区域特征（湖库形态及气候条件）、耗氧特征（内源和外源负荷）和供氧特征（水文和水动力条件）共同决定，而供给侧视角能够启发工程师寻找缓解缺氧的新方法（图6）。水库调度能够调控泄流流量和泄流高程，其中流量受到水库综合运用的限制通常难以改变，但以泄水高程概化的泄流方式存在调整空间。梯级水库的下游水库以底孔泄流能够促使库区水体掺混，通过削弱水温分层以缓解缺氧；梯级水库的上游水库在大流量条件下以中孔泄流能够模仿洪水入库打破水温分层以缓解缺氧，在低流量条件下以底孔下泄低温水能够形成异重流定向补给滞温层以缓解缺氧。梯级水库间的底孔泄流对于缓解缺氧具有协同效应，单级水库在降温期的入流也可能形成异重流，因此可参照梯级水库进行调度。尽管全球变暖导致的气温升高和风速下降将加重水库缺氧，但水循环加剧和水量提升有望抵消这种缺氧加剧效应，水库调度应当被考虑为应对气候变化下库区环境恶化的重要手段。 

图6 热分层型水库的溶解氧供给模式及其驱动因素示意图。图中灰色、蓝色和绿色文本分别代表水环境要素、溶解氧供给过程和外部驱动因素。

本研究结合原位观测和数值模拟分析了水库的溶解氧供给模式并辨析了驱动温氧演化的关键因素，强调了被忽视的溶解氧供给视角对抑制水库缺氧的重要意义，相关结果能够为通过水库调度提升库区生态环境及面对气候变化挑战提供参考。