摘要
为研究丹江口水库热分层对溶解氧垂向分布的影响，于2023年对丹江口水库13个断面逐月垂向水温及溶解氧浓度进行监测，基于溶解氧需求侧分析了丹江口水库水体热分层期溶解氧垂向分布的影响因素以及水库缺氧区形成的原因。结果表明：2023年5—10月，丹江口水库存在显著的热分层现象，水库热分层主要出现在水体表层5.00~10.00 m处，汉江库区部分断面在水体中层存在第二个温跃层；热分层是溶解氧层化结构形成的主要原因，表层水体的溶解氧分层随着水体热分层的发展普遍在7月开始出现，水体中层的温跃层在热分层初期的5月就形成了溶解氧分层，溶解氧分层出现的位置及变化趋势与热分层高度相似，在热分层末期溶解氧层化结构随着热分层的消退而消失；缺氧区出现在丹江库区外围以及汉江库区中下段，由于热分层存在时间较长且分层稳定，水体下层溶解氧补充长期受限，加上水体自身耗氧作用，底层水体在8—10月陆续开始形成缺氧区，进入11月水库垂向混合完成，缺氧区完全消失。研究揭示了水库热分层作用对丹江口水库溶解氧垂向分布的驱动作用，对深入理解丹江口水库水质演变及生态演替过程具有重要作用。
Abstract
In order to explore the effect of thermal stratification on the vertical distribution of dissolved oxygen in Danjiangkou Reservoir, this paper selected the measured monthly vertical water temperature and dissolved oxygen concentration in 13 sections of the Danjiangkou Reservoir in 2023. Influencing factors of the vertical distribution of dissolved oxygen during thermal stratification and the reasons for the formation of anoxic zones were analyzed based on the dissolved oxygen demand side. Results showed that there was significant thermal stratification in Danjiangkou Reservoir from May to October. Thermal stratification in the reservoir mainly occurred at 5.00-10.00 m of surface water. Some sections in Hanjiang Reservoir area had a second thermocline in the middle layer of the water. Thermal stratification was the main reason for the formation of the dissolved oxygen stratification structure. The dissolved oxygen stratification of the surface water generally began to appear in July with the development of the thermal stratification. The thermocline in the middle layer of the water formed dissolved oxygen stratification in May. The location and changing trend of dissolved oxygen stratification were highly similar to thermal stratification. At the end of thermal stratification, the dissolved oxygen stratification structure receded with thermal stratification. Anoxic zones appeared in the periphery of Danjiang Reservoir and in the middle and lower reaches of Hanjiang Reservoir. Due to the long-term existence of thermal stratification and the stable stratification, the dissolved oxygen supplementation in the lower layers of the water had been limited for a long time, plus the oxygen consumption of the water, the bottom water began to form anoxic zones from August to October. In November, the vertical mixing was completed and the anoxic zone disappeared. This study revealed that the thermal stratification of the reservoir strongly drives the vertical distribution of dissolved oxygen in Danjiangkou Reservoir, which is important for a deep understanding of the water quality evolution and ecological succession process of Danjiangkou Reservoir.
水体热分层广泛存在于水库、湖泊中，热分层的形成受水体深度、水体流动性、所在区域气候条件等因素的共同影响[1]，特别是对于大型深水水库，其水深及库容更大，在夏季更容易形成热分层且热分层现象更加明显[2-3]。热分层期间水体垂向由上至下可分为混合层、温跃层及滞温层[4-5]，表层水体在热对流和风力扰动的作用下混合均匀，水面附近的水体混合较为均匀，水温较高且趋于一致，该层水体称为“混合层”；在水库水体底部，水温总体低于表层且无明显垂向差异，称之为“滞温层”；在混合层与滞温层之间存在着水温变化明显、有较大温度梯度的水体，称之为“温跃层”。
深水水库的水体热分层使垂向各层水体水动力差异显著，对水体中各种物质的空间分布产生显著影响，而溶解氧作为湖库水生态系统健康程度的重要评价指标[6]，其垂向分布受热分层影响极为显著，垂向也会出现与水体热分层相似的层化结构，从水体表层至底层分别为混合层、氧跃层及滞氧层[7]。当热分层对溶解氧层化结构影响显著时，水体中就可能会出现缺氧区，一般将水体中溶解氧浓度＜2.00 mg/L定义为缺氧状态[8]，缺氧区会导致水生动物及浮游植物因缺氧而死亡，从而对水生态环境产生危害[9]。
溶解氧通过影响微生物的呼吸与代谢过程来调控营养物质循环和能量传递，从而影响水质、生物多样性、食物网结构与生态平衡，因此在水生态系统中起着至关重要的作用。目前国内外对湖库水体热分层期溶解氧垂向分布规律已有相关研究，高锐等[10]研究了潘家口水库热分层对溶解氧垂向分布的影响，余晓等[11]分析了大型深水水库溶解氧层化结构的演化机制，Noori等[12]研究了水库热分层对溶解氧和营养盐的影响，Rhodes等[13]研究了德国康斯坦茨湖年内溶解氧及缺氧区的周期变化规律过程。现有研究主要集中在热分层期湖库溶解氧垂向分布规律或缺氧区的演化特征等方面，对于湖库溶解氧垂向分布规律的研究大多只集中在热分层时期，缺少对于溶解氧全年时空分布特征的分析，特别是对于能质体系、水动力条件复杂的多功能大型深水水库，对溶解氧垂向分布特征与缺氧区成因分析的综合研究较少。
丹江口水库作为南水北调中线工程的水源地，是国内重要的多功能大型深水水库，兼具防洪发电与引调水功能，丹江口库区水质状况直接关系到广大受水区人民的饮水安全。目前对丹江口水库水环境和水生态的研究主要集中在污染源、营养盐以及水生动植物等方面[14-16]，关于水库热分层、溶解氧垂向分布特征及缺氧区成因分析的相关研究较少。研究水库热分层有助于预测水库水体的垂向水文和水质变化，解析水库中溶解氧的时空分布特征，及时发现缺氧区域，为维护水库水生态系统健康提供重要依据。基于此，本文以丹江口水库为研究对象，开展大型深水水库溶解氧的垂向分布特征以及缺氧区成因方面的研究，以期深化对丹江口水库水生态环境特征的认识，为丹江口水库水生态环境保护和管理提供科学指导。
1 材料与方法
1.1 区域概况
丹江口水库是位于汉江中上游的大型水利枢纽工程，兼具防洪、供水等综合利用效益，水域横跨鄂、豫两省，分布于湖北省丹江口市以及河南省南阳市淅川县境内。丹江口水库由湖北境内的汉江库区和河南境内的丹江库区两大部分组成，汉江库区周边属山地丘陵地带，水库水面狭长，呈河道型水库特征，丹江库区周边地势较低，呈湖泊型水库特征。
丹江口水库控制流域面积约9.52万km2，约占汉江全流域面积的60%，流域内多年平均气温为12.00~16.00℃，多年平均降水量为800~1200 mm，降水年内分配不均，全年70%以上降水出现在汛期[17]。丹江口水库坝高176.60 m，设计蓄水位170.00 m，最大水深80.00 m，总库容290.50亿m3，作为南水北调中线工程水源地，为工程沿线的北京、天津、河南、河北4个省市的20多座大中城市提供生活和生产用水。
1.2 研究方法
本文依据丹江口水库站网建设现状以及各断面监测属性并结合水库运行实际情况，分别选取丹江库区和汉江库区的控制断面、库湾断面、出库断面以及省交界断面共13个库区内监测断面，于2023年开展垂向数据监测，监测指标包括：水深、水温、溶解氧、pH、电导率、氧化还原电位、总溶解固体。丹江库区监测点位（D1~D7）与汉江库区监测点位（H1~H6）的分布如图1所示，监测点位对应的断面名称与各断面的监测时段见附表Ⅰ。
图1丹江口水库监测点位分布
Fig.1Location of monitoring sites in Danjiangkou Reservoir
根据水温与溶解氧浓度的实测值，分别计算出各断面每月的垂向水温梯度及溶解氧浓度梯度，并采用垂向梯度法划分出温跃层及氧跃层。梯度值划分通常根据地区的不同，范围为0.05~1.00[18-23]，根据丹江口水库各断面的实测数据情况，本文分别选取温度梯度大于0.50℃/m的水层和溶解氧浓度梯度大于0.20 mg/（L·m）的水层作为水体的温跃层和氧跃层。
同时计算垂向各层水体的浮力频率，以此来反映各断面水体热分层稳定性的强弱及变化趋势。在稳定的温度层结中，流体质点受到扰动后在垂直方向移动，重力和浮力的共同作用使其回到平衡位置，并由于惯性而产生振荡，其振荡的频率即称为浮力频率，浮力频率常用于表征流体垂直位移的稳定性[24]，计算公式如下：
(1)
(2)
式中，T为水温，℃。当N2＜0.50×10-4 s-2时，水体处于混合状态；当0.50×10-4 s-2≤N2≤5.00×10-4 s-2时，水体处于弱分层状态；当N2＞5.00×10-4 s-2时，水体处于稳定分层状态。
2 结果
2.1 水温的年内垂向时空分布特征
丹江库区与汉江库区2023年水温垂向时空分布变化如图2所示。按断面水深以及距坝前距离的顺序对各断面进行排列，对两个库区各断面分别绘图，反映水温从库尾到坝前的空间分布，各季节分别选取1、5、8、10月的典型月监测数据，由于D2断面缺少10月监测数据，使用9月作为秋季典型月。由图2可见，丹江口水库水温的垂向分布具有明显的季节性特征，年内变化规律明显，表现为以年为尺度的混合——热分层的循环模式。
图2丹江口水库2023年水温的垂向分布
Fig.2Vertical distribution of water temperature in Danjiangkou Reservoir in 2023
在冬季（12—2月），丹江库区断面与汉江库区断面的水温垂向分布特征相似，水体垂向均为完全混合型，水体垂向混杂完成，水温分别为（11.35±1.13）和（11.50±1.04）℃，表、底层温差分别为（0.54±0.84）和（0.36±0.35）℃，库中水体无热分层现象。
进入春季（3—5月），随着气温升高，水体表面温度逐渐上升，表、底层温差逐渐增大，最终在5月开始出现热分层现象。丹江库区各断面水温垂向分层特征极为相似，10.00 m以上水温维持在15.00~20.00℃之间，10.00 m以下水温普遍在10.00~15.00℃之间，表、底层温差达到（9.12±2.09）℃。汉江库区的分层现象略有不同，H1、H2、H3断面分层现象较弱，垂向水温均在15.00~20.00℃之间，水体表、底层温差平均为（4.35±2.07）℃，而H4、H5断面水深较大，分层现象更加明显，分层情况与丹江库区相似，表、底层温差平均为（11.26±0.12）℃。
进入夏季（6—8月），水体垂向热分层进一步增强，水体垂向密度差异增大，丹江库区和汉江库区的表层混合层水温在8月均达到30.00℃以上，表、底层温差达到年内最大值。对于离丹江库区中心区较远的D1、D2、D3、D4等丹江库区断面以及汉江库区的H1、H2断面，表、底层温差相近，分别为（11.69±0.98）和（8.08±1.29）℃。而对于靠近丹江库区中心区的D5、D6、D7断面以及汉江库区的H4、H5、H6断面，表、底层温差普遍较大，分别为（18.56±1.18）和（19.97±0.09）℃，由于断面水深较大，在水体中层还存在着比表层水体更大的温度梯度。从整体上看，在热分层最强的夏季，丹江库区表层混合层水体的温度梯度要大于汉江库区，丹江库区水温从5.00~10.00 m处开始由表层的30.00℃下降到20.00℃以下，而汉江库区水温普遍在20.00~30.00 m才下降到20.00℃以下。
进入秋季（9—11月），9月水体垂向热分层现象开始减弱，水库热分层开始进入消退期，水体分层界面下移，水体表层混合层厚度增加，到10月热分层末期，各断面水温平均为（22.25±4.30）℃，表、底层温差显著降低，除D1、D2、D6断面在水体中下层仍然存在一定温度梯度外，丹江库区各断面水体垂向热分层基本消失，丹江库区各断面表、底层温差为（5.80±6.33）℃。而H3、H4、H5等汉江库区断面在水体下层仍然存在一定的温度梯度，汉江库区各断面表、底层温差为（6.42±5.38）℃。秋季后水库热分层完全消失，水体又进入混合期。
2.2 溶解氧的年内垂向时空分布特征
丹江库区与汉江库区2023年溶解氧的垂向时空分布变化如图3所示，与水体热分层变化特征相似，溶解氧浓度的年内变化也具有季节性分层的特征。
图3丹江口水库2023年溶解氧浓度的垂向分布
Fig.3Vertical distribution of dissolved oxygen in Danjiangkou Reservoir in 2023
在冬季（12—2月），水中溶解氧垂向混合均匀，大气复氧充分，丹江库区除D1断面外，各断面均存在溶解氧过饱和区域，起始位置均在距水面1.00 m处，深度范围为3.63~17.00 m，D4、D5断面过饱和区域的厚度最大，均为16.00 m，平均饱和度为103.53%±1.74%，平均溶解氧浓度为（11.09±0.18）mg/L。汉江库区H1断面溶解氧过饱和区域出现在1.00~16.00 m，厚度最大，平均饱和度为105.38%±2.89%，平均溶解氧浓度为（11.86±0.31）mg/L。丹江库区断面与汉江库区断面溶解氧的垂向分布无明显差异，在冬季溶解氧平均浓度分别为（10.60±0.55）和（9.88±0.95）mg/L，表、底层水体溶解氧浓度差分别为（0.85±0.63）和（0.97±1.57）mg/L，水体垂向无缺氧区产生。
进入春季（3—5月），水库中垂向溶解氧处于由混合状态向分层状态过度的阶段，丹江库区的D1断面在表层2.00~3.00 m处存在溶解氧过饱和区域，平均饱和度为101.00%±0.60%，3.00~7.00 m开始出现较为明显的溶解氧分层，平均溶解氧浓度梯度为0.55 mg/（L·m）。汉江库区的H3断面在0~26.00 m处存在溶解氧过饱和区域，平均饱和度为111.49%±5.90%，平均溶解氧浓度为（10.22±0.40）mg/L，在20.00~23.00 m及26.00~29.00 m的水层中存在溶解氧分层，溶解氧浓度梯度均为0.22 mg/（L·m）。H4断面在6.00~9.00 m和13.00~15.00 m的水层中的溶解氧浓度梯度均为0.22 mg/（L·m），开始出现溶解氧分层。丹江库区和汉江库区的其余断面均无明显分层产生，表、底层水体溶解氧浓度差分别为（0.46±0.37）和（0.97±1.23）mg/L，水体垂向无缺氧区产生。
进入夏季（6—8月），随着水体垂向热分层的发展，水体垂向溶解氧分层逐渐形成，并趋于稳定，8月丹江库区和汉江库区各断面在2.00~6.82 m的深度范围内均形成了溶解氧分层，溶解氧过饱和区域均出现在水体表层，丹江库区过饱和区的深度范围为0.00~6.47 m，过饱和区的平均溶解氧浓度为（7.68±0.17）mg/L，平均饱和度为103.78%±2.55%，汉江库区过饱和区的深度范围为0~3.00 m，过饱和区的平均溶解氧浓度为（8.09±0.36）mg/L，平均饱和度为109.10%±4.70%。由此可见，在8月汉江库区过饱和区域的溶解氧浓度相较丹江库区更高，且具有更高的过饱和度，随着水深增加，溶解氧浓度开始降低，溶解氧过饱和现象随着水深的增加消失，表、底层水体溶解氧浓度差增大。在丹江库区外围水深较浅的D1、D3断面，底层水体开始出现较为明显的溶解氧浓度小于2.00 mg/L的缺氧区，缺氧区厚度分别为3.24和6.00 m，表、底层水体溶解氧浓度差分别为6.21和5.78 mg/L，丹江库区其他断面底部无缺氧区形成，表、底层水体溶解氧浓度差较小，平均为（2.62±0.76）mg/L。汉江库区各断面垂向溶解氧浓度差异整体较丹江库区大，平均为（3.48±2.19）mg/L，底层水体未形成明显的缺氧区，但水体下层溶解氧梯度增大，汉江库区断面底层水体有形成缺氧区的趋势。
进入秋季（9—11月），整体上溶解氧分层开始逐渐减弱，10月只有D6与H1断面仍存在溶解氧过饱和区域，D6断面过饱和区的深度范围为5.33~16.00 m，过饱和区的平均溶解氧浓度为（7.74±0.12）mg/L，平均饱和度为101.90%±1.01%，H1断面过饱和区的深度范围为16.00~38.00 m，过饱和区的平均溶解氧浓度为（9.02±0.03）mg/L，平均饱和度为101.09%±0.35%。丹江库区只有D1断面仍然存在缺氧区，深度为1.00 m，汉江库区的H3、H4以及H5断面的底部也形成了缺氧区，表、底层水体溶解氧浓度差平均为（6.33±0.90）mg/L，H3、H4断面的缺氧区厚度分别为7.00和4.00 m，H5断面的缺氧区厚度较大，为18.00 m。
3 讨论
3.1 热分层期水温层化结构特征分析
依据各断面水温与溶解氧的年内时空分布特征，分别选取丹江库区及汉江库区水体中存在缺氧区的典型断面，按照温度梯度和溶解氧浓度梯度的划分标准，得到各典型断面在水库热分层期5—10月的温跃层及氧跃层上下边界，同时计算各典型断面在热分层期温跃层的平均浮力频率，来反映热分层的稳定状态，结果见图4。由于各断面6月均无监测数据，因此图中均缺少6月的相关数据，同时10月的D3断面及8月的H3断面无分层现象，因此图中缺少对应的浮力频率及跃层边界数据。各断面在热分层期的水温垂向分布曲线见图5。
图4热分层期丹江口水库典型断面水温、溶解氧分层结构与浮力频率 （6月无监测数据，D3断面10月与H3断面8月无热分层现象）
Fig.4Stratification structure of water temperature, dissolved oxygen and buoyancy frequencies in typical sections of Danjiangkou Reservoir during thermal stratification period (There is no monitoring data in June, and there is no thermal stratification phenomenon in the D3 section in October and the H3 section in August)
整体上看，丹江口水库热分层期间水体的分层状态非常稳定，具有较大的温度梯度，导致水体出现较大的密度梯度，使得垂向各层水体的水动力条件具有显著差异，在热分层期抑制了水体的垂向混合[27]。各断面在热分层期温跃层浮力频率均在5.00×10-4 s-2以上，均处于稳定分层状态。水库热分层稳定性呈现出先增强后减弱的特征，在5月热分层开始后，温跃层稳定性逐渐增强，在7—8月达到年内最稳定状态，8月后温跃层稳定性开始减弱，但仍处于稳定分层状态。
图5热分层期丹江口水库典型断面水温垂向分布曲线
Fig.5Vertical distribution curves of water temperature in typical sections of Danjiangkou Reservoir during thermal stratification period
丹江库区与汉江库区典型断面的温跃层变化趋势相似，温跃层首先出现在水体表层5.00 m以上，丹江库区在热分层稳定的7、8月，温跃层所处位置相近，进入9月后温跃层开始随着热分层的发展整体呈现出下移的趋势。丹江库区两个典型断面D1及D3的水深较浅，垂向只存在一个温跃层，汉江库区典型断面的水深较大，在水体的中层存在着另一个温度梯度较为明显的分层，由图5可见，H3断面在热分层期间仅在8月水体垂向未出现温跃层，这可能是由于H3断面受夏季汛期上游大流量输入的影响，表、底层水体垂向掺混剧烈，温度梯度消失。
在进入热分层期后，气温逐渐升高，光照强度增加，在风力扰动及太阳辐射作用下，水温逐渐上升，表层混合层水体受光照、气温以及风力扰动的影响较为明显，因此各断面水体的温跃层上边界在5—8月具有一定的起伏，而温跃层下边界受表层水体扰动影响较小，在热分层稳定期相对位置较为稳定。进入热分层末期，气温开始下降，表层混合层水温降低并逐渐下沉，水体垂向密度差异减小，水体垂向对流混合加剧，使得温跃层上、下边界下移，表层混合层厚度持续增加[28]，表层混合层厚度在热分层初期小于5.00 m，热分层末期达到10.00~20.00 m。由于热分层末期温跃层下边界开始下移，下层滞温层厚度随着热分层的发展持续减小，各断面的滞温层厚度从热分层稳定期到热分层末期减少5.00~15.00 m。
同时，温跃层具有较大的温度梯度，使得水体垂向能量传递受阻，并且抑制了水体表层风浪对滞温层的扰动。滞温层水温变化主要是由于水体的对流扰动。在热分层末期由于热分层稳定性减弱，水体垂向混合使得滞温层水温比热分层初期略有增加，同时由于表层混合层水温的降低，热分层末期水体垂向表、底层温差相较于热分层稳定期显著降低。
3.2 热分层期溶解氧层化结构特征分析
从热分层稳定期水温与溶解氧的相关性（附表Ⅱ）可以看出，热分层期各断面水温与溶解氧在P＜0.01的条件下均显著相关，说明水体热分层为溶解氧层化结构的形成创造了重要条件。各断面热分层期溶解氧垂向分布曲线见图6。
图6热分层期丹江口水库典型断面溶解氧的垂向分布曲线
Fig.6Vertical distribution curve of dissolved oxygen in typical section of Danjiangkou Reservoir during thermal stratification period
由图4可见，溶解氧分层的变化特征与水体热分层的变化特征相似，水体普遍在7月开始形成溶解氧分层，没有随着热分层的出现而立刻形成溶解氧分层，这主要是由于在热分层初期，虽然各断面已形成稳定的温跃层，平均浮力频率为（13.32±4.76）×10-4 s-2，但水体中溶解氧的消耗以及温跃层对物质垂向交换的影响需要一定时间，因此溶解氧梯度的形成具有一定的滞后性，加上热分层初期各断面表层混合层平均深度为（1.50±0.45）m，水深较浅，水体容易接受大气复氧作用，可以对表层混合层因热分层减少的溶解氧进行及时补充[29]，因此在热分层初期表层混合层水体没有形成明显的溶解氧分层。进入7月后，水体温跃层的浮力频率逐渐增大，最大平均浮力频率达到（32.04±3.47）×10-4 s-2，溶解氧浓度梯度逐渐增大形成氧跃层，氧跃层与温跃层所处位置相近，氧跃层上边界与温跃层上边界平均相差（1.72±0.38）m，下边界平均相差（2.94±1.99）m，且氧跃层具有与温跃层相似的变化趋势，热分层末期氧跃层随着温跃层同时下移，溶解氧分层普遍在9月后随着热分层的消退而消失。
对于水体中层存在着第二个热分层的汉江库区典型断面H3、H4及H5，水体中层的溶解氧分层在5月就随着热分层的出现而形成，这主要是由于与表层混合层水体相比，热分层处难以接受大气复氧作用，因此在热分层初期中层水体的温跃层附近就形成了溶解氧分层，并且H3和H4断面中层温跃层温度梯度较大，也导致了溶解氧分层的形成并一直持续到热分层结束。另一方面，有相关研究表明[30]，汉江库区水体中的叶绿素a浓度要显著高于丹江库区，汉江库区水体的叶绿素a平均浓度为（8.68±6.04）μg/L，丹江库区水体的叶绿素a平均浓度为（1.52±1.03）μg/L，汉江库区水体的叶绿素a浓度在空间上呈西高东低沿程逐渐降低的趋势，因此汉江库区的H3和H4断面相较于H5断面具有更高的叶绿素a浓度，表明H3和H4断面具有更高的初级生产力，从而导致水体中有更多的有机物在沉降过程中耗氧，在水体垂向产生溶解氧浓度梯度。
而对于H5断面，其水体中层温跃层的温度梯度与H3和H4断面相比较小，水体分层稳定性较弱，营养状态以及叶绿素a浓度也有显著下降，因此水体下层有机物的补给减少，需氧量下降，这使得H5断面水体中层的温跃层附近没有形成明显的氧跃层，水体滞氧层溶解氧浓度随着深度的增加缓慢降低。
3.3 热分层期水库缺氧区特征及成因分析
3.3.1 丹江库区
丹江库区的D1、D3以及汉江库区的H3、H4、H5典型断面底部在热分层的不同时期均出现了不同程度的溶解氧浓度小于2.00 mg/L的缺氧区，而对于底部缺氧区的形成原因及形成时间并不完全相同，各断面年内水温与溶解氧的垂向分布见图7与图8。
图7丹江库区典型断面2023年水温与溶解氧的垂向分布
Fig.7Vertical distribution of water temperature and dissolved oxygen in typical sections of Danjiang Reservoir in 2023
丹江库区D1和D3断面的缺氧区均在8月形成，其形成原因一方面是由于8月是水体热分层最稳定的时期，水体垂向较大的温度梯度极大地限制了上层水体对底层水体的氧气补充[31]，同时形成了溶解氧梯度较大的氧跃层，使得底层水体溶解氧浓度迅速降低，进入缺氧状态。另外已有研究指出，热分层水体底部的体积耗氧率随滞温层厚度减小而增加，当滞温层厚度较小时，其底部的体积耗氧率较高[32-33]，这是由于滞温层厚度较小时，滞温层与底部沉积物的接触面积相对于滞温层体积占比更大，水体底部沉积物中的还原性物质消耗溶解氧的比例变大，底部的体积耗氧率增加。并且水深较浅的断面表、底层温差相较于水深较大的断面更小，底部滞温层的温度则相对较高，而较高的滞温层温度使得呼吸作用增强，底部耗氧率也随之增加[34-35]。
8月D1和D3断面水深分别为21.03和24.00 m，而D1和D3断面相应的滞温层厚度分别为6.47和14.00 m，滞温层平均水温分别为（18.80±0.22）和（16.85±0.07）℃，溶解氧浓度均小于2.00 mg/L。对于H6断面，其水深为70.00 m，滞温层厚度为33.00 m，在热分层稳定期8月，其底部滞温层平均水温为（10.88±0.50）℃，表、底层水体温差为20.00℃，断面底层70.00 m处的溶解氧浓度仍维持在较高水平（5.27 mg/L），由此可见，较高的滞温层水温以及较小的滞温层厚度，都使得滞温层更容易形成缺氧区。同时段的D2和D4断面水深分别为25.00和28.50 m，与D1、D3断面水深相近，且D2和D4断面滞温层厚度分别为18.75和19.00 m，但D2和D4断面并未形成缺氧区，且滞氧层平均溶解氧浓度分别为（4.74±0.32）与（4.25±0.24）mg/L，这是由于D1和D3断面的滞温层水体的底部沉积物中存在还原性物质，缺氧区均出现在水体底部，且缺氧区的平均氧化还原电位分别为-61.30与-146.19 mV，当氧化还原电位为负时则表示水体呈现出还原性，底部沉积物中还原性无机物的氧化会消耗水体中的溶解氧，使水中含氧量减少，氧化还原电位值降低，而D2、D4断面的氧化还原电位值均为正，分别为90.40、110.67 mV，水体呈现出氧化性。因此D1与D3断面底部缺氧区的形成是在滞温层厚度、温度和底部沉积物中的还原性物质耗氧的共同作用下形成的。
图8汉江库区典型断面2023年水温与溶解氧的垂向分布
Fig.8Vertical distribution of water temperature and dissolved oxygen in typical sections of Hanjiang Reservoir in 2023
D1断面8月形成缺氧区，随着热分层的持续发展，9月缺氧区厚度达到最大，到10月热分层消退后缺氧区才基本消失，而D3断面在8月形成缺氧区后，进入9月缺氧区就已消失，这主要是由于D1断面处于库湾位置，水体流动性较差，D3断面混合层在热分层末期垂向混合较D1更加充分，混合层溶解氧平均浓度更高，并且D1断面有着比D3断面更大的溶解氧浓度梯度的氧跃层，在9月时D1断面氧跃层溶解氧浓度梯度为0.74 mg/（L·m），D3断面为0.40 mg/（L·m），使得D3断面底部的溶解氧浓度在9月升至2.00 mg/L以上，缺氧区消失，而D1断面底部缺氧区的存在时间则随着水体热分层继续增加，直至热分层消退水体垂向混合完全，底部缺氧区才消失。
3.3.2 汉江库区
汉江库区H3与H4断面的缺氧区在9月形成，H5断面的缺氧区在10月才形成，从整体上看汉江库区典型断面缺氧区的形成时间较丹江库区典型断面要晚1~2个月，这是因为丹江库区典型断面水深较浅，底层水体更容易受到水体热分层的影响，在热分层稳定期8月就形成了缺氧区，而汉江库区典型断面水深均较大，普遍在50.00 m以上，这使得底部的缺氧区通常需要热分层继续发展一段时间才开始形成[36]。而H5断面较H3和H4断面缺氧区形成更晚，一个原因是H5断面具有更大的垂向深度，底部缺氧区的形成所需时间进一步增加[37]，另外H3、H4断面9月氧跃层的溶解氧浓度梯度分别为0.63和0.36 mg/（L·m），氧跃层厚度分别为7.00和14.54 m，H5断面9月氧跃层的溶解氧浓度梯度为0.27 mg/（L·m），氧跃层厚度为9.12 m，H3断面的溶解氧浓度梯度远大于H5断面，H4断面的溶解氧浓度梯度也较H5断面更大，同时还具有厚度更大的氧跃层。这都使得H3、H4断面垂向的溶解氧浓度下降更快，会比H5断面在底部更早形成缺氧区。
汉江库区典型断面水体垂向深度较大，且水体中层均存在具有显著梯度的第二个温跃层，并且从热分层初期5月一直持续到热分层末期10月。在热分层稳定期8月，D1、D3断面温跃层的平均温度梯度分别为1.41和1.43℃/m，H3、H4、H5断面上层温跃层的平均温度梯度分别为2.24、1.39、1.58℃/m，温度梯度普遍较大，第二个温跃层的平均温度梯度分别为1.40、1.04、0.86℃/m。底层水体在漫长的热分层期内，受双层热分层对水体垂向混合的限制，长时间无法接受氧气补充，再加上底部沉积物的持续耗氧[38]，使得底层溶解氧浓度持续降低，在多种因素的共同作用下，水体底层最后进入缺氧状态。在热分层末期，即使水体混合层厚度逐渐增大，上层水体已经开始混合，而中层温跃层也随热分层下移，水体下部的温度梯度仍然存在，水体垂向混合仍然不完全，使得滞氧层内溶解氧的补充在热分层末期依然受限[7]，因此汉江库区典型断面在进入11月后，随着水体热分层完全消失，垂向混合完成，底部的缺氧现象才完全消失。
4 结论
1）丹江口水库存在显著的季节性热分层现象，热分层期为年内的5—10月，热分层期间水体表、底层温差逐渐增大，温跃层的垂向温度梯度及分层的稳定性在8月达到最大。丹江库区在热分层期水温垂向分布为单跃层结构，热分层主要出现在水体表层5.00~10.00 m，汉江库区中下段除水体上层存在热分层，在水体中层存在第二个温跃层，水温垂向分布为双跃层结构。热分层的形成有效抑制了水体垂向热量传递与物质交换，是水体溶解氧层化结构形成的主要因素。
2）丹江口水库水体垂向溶解氧分布特征具有明显的季节性变化规律，水体的溶解氧分层在7月随着水体热分层的逐渐稳定而开始形成，汉江库区断面5月就在水体中层形成了溶解氧分层，氧跃层的边界与温跃层边界所处垂向深度相近，具有与温跃层相似的变化趋势。
3）溶解氧层化结构的出现及发展使得丹江库区和汉江库区部分断面的底层水体出现缺氧区。丹江库区的缺氧区出现在远离库中心区的水深较浅的断面，且形成时间均在8月，缺氧区形成的原因主要是滞温层厚度较小，水体底部温度偏高，导致水体底部耗氧加剧，进一步发展为缺氧区。汉江库区的缺氧区出现在汉江库区中下段，形成时间为9—10月，缺氧区形成的主要原因是水体水深较大，在水体中层存在着第二个温跃层，其形成时间早，存在时间长，长时间限制了溶解氧对底层水体的补充，使得底层出现缺氧区。
5 附录
附表Ⅰ、Ⅱ见电子版（DOI：10.18307/2025.0327）。
