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水 利 学 报

２０２３年 ７月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ７期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０７ － ０７８５ － ０９

大型分层水库翻库特性及溶解氧响应研究

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杜彦良 １，２ ，刘小蔚 １，３ ，刘晓波 ，刘 畅 ，王世岩 ，赵仕霖 １
（１．中国水利水电科学研究院 水生态环境所，北京 １０００３８；
２．上海水环境模拟与水生态修复工程技术研究中心，上海 ２００２３３；
３．长春工程学院，吉林 长春 １３００００）

摘要：翻库对分层水库的水生态环境具有重要意义。通过在大型深水水库潘家口水库的原位监测结合垂向二维水
动力－ 水质－ 水生态模型对翻库特性及溶解氧（ＤＯ）响应进行研究，分别对 ２０１８和 ２０２０年的水环境过程进行模拟。
结果显示，水温分层导致了 ＤＯ垂向分层，表层 ＤＯ与气温相关性强，底层 ＤＯ在分层后持续下降至 ０，秋季翻转
是底层复氧的主要途径。２０１８年平均运行水位较 ２０２０年高 １４．２ｍ，表层温水层最大厚度 ２０１８年比 ２０２０年增加
了近 １０ｍ，水库翻库从库尾逐渐向坝前推进。在库尾到坝前的距离约 ３０ｋｍ的水域，２０１８年翻库的历经时间比
２０２０年缩短 ４０ｄ，坝前 ＤＯ的垂向均匀时间滞后于水温 ７～１０ｄ。水库水位较低时，翻库产生的表层水体 ＤＯ下降
幅度更大，降幅为 ３～４ｍｇ?Ｌ。分别对水库不同断面可用势能指数（ＡＰＥ）对分层稳定性的过程进行分析，水库在
不同年份和不同位置断面的翻库日期与夏季混合循环期的平均 ＡＰＥ指数大小具有较好的相关关系。研究为探求
大型深水分层水库水环境演变规律，科学合理进行调度提供理论基础。
关键词：分层湖库；水温及溶解氧翻转；翻转日期；可用势能指数；ＣＥ － ＱＵＡＬ － Ｗ２
文献标识码：Ａ
中图分类号：Ｘ５２４ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０９６８

１ 研究背景

垂向水温分层导致的密度分层现象普遍发生在各种大型湖库中，基于年内分层和混合，早在 １９５７
年就有学者提出双循环型、单循环型、局部循环型及混合型的湖库分类 ［１］ 。分层水体温跃层界面抑制
上下层水体的混合，产生了各种水质指标的分层，衍生生物地球化学分层 ［２］ 和微生物分层，形成复杂
的生源物质和微生物群落功能的垂向分异机制，同时涉及到氧化－ 还原热力学、界面平衡动力学、微生
物营养生理与代谢动力学等多方面因素的耦合作用。垂向稳定分层结构的变弱和打破被称为 “翻库”。
翻库期间一些水体表现为颗粒态浓度增加、透明度下降 ［３］ ，有时伴有难闻气味，水体上层水质变差 ［４ － ６］ ，
溶解氧降低，甚至造成鱼类与底栖动物数量下降 ［７ － ８］ 。湖库翻转也是表层和底层氮磷营养盐垂向再循环
的重要路径，尤其为春季藻类提供了早期生长的磷，当湖泊秋冬季翻转缺失后，湖区表层磷的急剧消耗，
使得浮游植物春季水华减弱甚至消逝 ［６］ 。翻库是内陆湖库底层水体复氧的主要途径，也是温室气体 ＣＯ、
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ＣＨ 、ＮＯ等的重要排放方式之一 ［９ － １０］ 。水体翻转是季节性种群控制的主要机制 ［１１］ ，随着气候变暖，导
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致一些深水湖库底层充分复氧频次减小，强度减弱，导致有毒藻类增加，对少泥质湖库，翻库相比富营
养水平对深层水体的溶解氧（ ＤＯ）及水生态影响更大 ［１２］ 。
关于湖库分层及终结的时间，通过高频水温监测可观测得到，不同文献有不同的水温判定阈值：
（ １）表层水温（Ｔ ）与底层水温的温差（Ｔ ）小于 ０．４℃，即 Ｔ － Ｔ ｂｏｔ ≤ ０．４℃（或垂向水温梯度 ≤
ｓｕｒ ｂｏｔ ｓｕｒ
０．０１℃?ｍ） ［１３］ ；（２） Ｔ － Ｔ ｂｏｔ ≤ １．０℃ ［１４］ 。当垂向数据不足时，表层水体外观变化，或表层水质、
ｓｕｒ

收稿日期：２０２２ － １１ － ２８
基金项目：国家自然科学基金项目（Ｕ２０４０２１１，５１８６１１３５３１４）；上海 水 环 境 模 拟 与 水 生 态 修 复 工 程 技 术 研 究 中 心 开 放 基 金 项 目
（ＷＥＳＥＲ － ２０２２０２）；中国水利水电科学研究院科技项目（ＷＥ１１０１４５Ｂ００３２０２１）；水利部重大科技项目（ＳＫＲ － ２０２２０３９）
作者简介：杜彦良（ １９７４ － ），博士，教授级高级工程师，主要从事环境水力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｄｕｙｌ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ
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