分层小水库沉积物-水界面热交换时空变化特征

李 红，高增文，秦志新，李 静，程 晨

(青岛大学环境科学与工程学院，山东青岛 266071)

湖泊水库等地表水作为重要的陆-气下垫面类型之一，其热量收支和温度变化对其自身水环境(水动力和水质状况)以及区域天气和气候变化具有重要影响。有研究表明水体的酸化[1-2]、富营养化[3-4]以及黑臭[5]等都与其热量特征有关。此外，Tsay等[6]指出，在气候变化模拟中，还可以通过湖泊底部的热量状况评估湖泊对温室气体释放的贡献。

水体热量变化主要与太阳短波辐射[7]、出入流[8]、降雨[9]、水-气界面热交换(蒸发、水面长波辐射、热传导等)[10]以及沉积物与水之间热量交换[9，11]等过程相关。在这些过程中，沉积物-水热量交换对水体热量的影响很容易被水-气界面的热量交换以及水体的垂向混合所掩盖。在一些深水水温数值模拟中，尽管没有考虑沉积物-水的热量交换，水温整体分布的模拟效果依旧很好。因此，在水温研究中往往忽略沉积物-水界面的热交换通量而采取绝热处理[12-13]或者简化为地热输入(由沉积物向水传递热量，大小为0．1 W/m2)。但是对于浅水水体而言，水体底层温度对天气以及气候变化的响应强烈，从而沉积物-水热量交换变化也较为强烈，因此其热量交换是水体热量收支的重要组成部分[14]。

目前，关于沉积物温度剖面实测数据较少。任晓倩等[15]建立了一种新的湖-气热传输模型，模型中增加了底部沉积物与水体之间的热量交换模块，但由于缺乏实际沉积物温度监测数据，该模块没有得到验证。另外统计数据显示，小水体在水体总数量中占有很大比例[16-17]，生态效应也很突出，比如在全球碳循环研究中考虑小水体的影响后，内陆水体对碳循环的作用更加突出[18-19]。并且小水体与大水体相比具有不同的物理和生物地球化学特征[20-21]，比如小水体的表层混合往往是热对流驱动。本文选取水域面积小且水深较浅的水库(青岛浮山前水库)作为研究对象，通过沉积物和上覆水温度剖面测量，计算不同时刻沉积物-水界面热交换通量，并分析热交换通量的时空变化特征，探讨其对库水温度的可能影响，以期为水温数值模拟和水质管理提供参考。

1 研究区域概况及研究方法

1.1 研究区域概况

浮山前水库是一个分层小水库，位于山东省青岛市浮山南向山坡上(36°04′N，120°25′E)。 该水库没有明显的出流和入流，水位的变化主要由蒸发和降雨引起。在野外监测时期(2016年1月至2017年7月)水体水位没有明显的变化，水深分布如图1所示，最大水深为6．1 m，平均水深为3．8 m，水体表面积约为1400m2。由于水库的吹程较小，风的扰动效应较弱，春夏季水体会形成稳定分层。库水底层温度随深度变化对气温的响应程度不同，因此为了探讨水深对沉积物-水热量交换的变化，选取水库中心和坝前两个监测点(图1)。库水温度用水质仪YSI 6920测量，沉积物温度用双金属数显温度计(WST/DTm491)测量，后期会对试验数据进行校正(1℃)。透明度用透明度盘测量，水中光照强度用照度计ZDZ-10W-2D测量。

1.2 沉积物-水界面热交换通量计算

1．2．1 沉积物和上覆水的主要物理性质

图1 浮山前水库地形图以及监测点位置

沉积物和上覆水的主要物理性质见表1，其中表层沉积物的孔隙度和密度根据环刀法和烘干法测定[22]。对于热扩散率和体积热容很难由现场或者实验室直接测定，通常取经验值，其值与沉积物的孔隙度以及有机物含量相关。热扩散率的取值范围是1．16 ×10-7～ 1．27 ×10-6m2/s，体积热容的取值范围是1．4 ×106～ 3．8 ×106J/(m3·K)[23-24]。 本文根据文献[20]提出的参考值，沉积物的热扩散率与体积热容分别取值为 5．6×10-7m2/s和 3．2×106J/(m3·K)，则导热系数为 1．8 W/(m·K)。

表1 沉积物和上覆水的主要物理性质

1．2．2 计算方法

沉积物-水界面的热交换通量很难直接测量，可以通过沉积物温度剖面分布间接计算。界面处热量交换方式主要有两种：热传导和热对流。在计算中忽略地下水与地表水的对流交换，仅考虑热传导;假设沉积物具有均质性，并且由热传导引起的热量交换只在垂向发生，即：

式中：Ts为沉积物温度，℃;a为沉积物的热扩散率，m2/s。

热量交换通量根据傅里叶定律进行计算，即：

2 结果与讨论

2.1 水库水体分层特征

2．1．1 季节性特征

而且随着社会的发展,护理模式的转变以及护理服务的拓展、内涵的加深,临床对护理要求越来越高(3)。这样促使我们护理人员学习和培训尤为重要,当代护士的压力大,工作任务繁重,对照组中传统护理集中培训方式,占用了大量的休息时间,普遍积极性不高,学习热情低,很难达不到学习的目的及效果,而且当班护士无法参加,每次授课均有缺课。而实验组人性化的培训方式,是基于腾讯公司于2011年1月21日推出的一款通过网络快速发送语音短信、视频、图片和文字,支持多人群的手机聊天软件(4)。较之对照组,是一种更体现了互动及时、方便快捷,信息交流量大,更贴近现实后学习模式,且当班护士可下班后通过回顾记录来学习。

浮山前水库水体分层具有明显的季节性特征，库水温度年变化较大，最低温度为3．3℃，最高温度为30．1℃。2016年8月10日水体处于典型的分层期，从图2(a)可以看出，坝前表层水体温度比底层水体高12．3℃，温差较大;而水库中心尽管也出现了分层现象，但是由于水深较浅，水体整体温差较小，且其底层水温要比坝前底层水温高8．7℃(图2(b))。2016年10月15日水库水体已经完全混合，混合后坝前和水库中心库水整体温度相近，约为19．2℃，较混合之前坝前库底水温高，而较混合之前水库中心库底水温低。由此可以推测水库中心的混合时间应早于坝前混合时间。水体完全混合后稳定性差，对气温变化的响应更强烈，水体温度随气温降低而迅速降低。2016年11月12日水体温度为11．1℃，2017年1月15日温度降低为3．3℃。 次年春季气温开始回升，水体温度也随之升高，开始出现分层现象，2017年3月29日至6月23日水体包括库水底层温度快速升高，并且表层升温幅度显著大于底层，引起分层强度不断增加，这个阶段水库中心的底层水温也高于坝前。

图2 坝前和水库中心水温与沉积物温度变化

2．1．2 日变化特征

图3为坝前水温日变化剖面图，可以看出，坝前表层水体温度以及混合层深度具有明显的日变化特征。白天(2017年5月17日9：00—15：00)强烈的太阳辐射使表层水体温度迅速升高，由20．5℃升高至24．5℃，水体几乎完全分层;晚上气温降低，水体表层温度下降，产生热对流，17日20：00水体已经开始混合，此时混合深度为30 cm;夜间气温持续降低，热对流作用更加明显，水体混合深度增加，18日6：00 混合深度为1．60 m。

图3 坝前水温日变化

2.2 水库沉积物-水热量交换特征`

2．2．1 坝前

2016年8月10日水体处在分层且温度升高时期，此时水温高于沉积物温度，热量由水传向沉积物。2016年10月15日水体已经完全混合，监测数据显示，库底水温由2016年8月10日的18．1℃变为19．2℃，升高了 1．1℃，而沉积物-水界面之下5 cm处的温度受其他因素影响较小，没有明显升高(图2(a))，因此沉积物-水界面的温度梯度变大，由水传向沉积物的热通量由15．4 W/m2增大到 23．8 W/m2(表2)。水体发生整体混合后，对气温变化的响应更为强烈，气温快速下降导致库水整体温度也迅速下降。2016年11月12日沉积物温度高于水温，热交换方向发生改变，由沉积物向库水传热，通量大小为6 W/m2。水温继续下降，2017年1月15日沉积物向水传递的热通量增加为10．4 W/m2。接下来由于气温回升，2017年3月29日沉积物-水界面热通量为0，表明热量交换的方向将会再一次转换为由水向沉积物传热。随着时间推移水温高于泥温，并且温度梯度不断增加，2017年4月23日和2017年6月23日由水向沉积物传热，热通量分别为6 W/m2和12 W/m2。

表2 坝前和水库中心沉积物-水界面热通量变化

2．2．2 水库中心

与坝前沉积物-水界面热交换通量随时间的变化相比，整体上水库中心的热通量具有类似的季节性变化。春夏季水体升温以及秋季降温混合时期，水温高于泥温，由水向沉积物传热;冬季沉积物温度高于水温，热量交换方向发生转变，由沉积物向水传热(表2)。但是由于水库中心水深较浅，其热通量变化与坝前相比存在显著差异：①2016年8月10日水库中心由水传向沉积物的热通量大小为106．6 W/m2，其值远大于坝前的热通量(15．4 W/m2)。这是因为同坝前相比，水库中心水深较浅水体底层温度比坝前高8．7℃，而沉积物温度相差不大，从而引起沉积物-水温度梯度增加，热通量值也显著增大。②2016年10月15日水库中心热量从库水向沉积物传递，通量数值小于坝前，并且表层沉积物温度与8月份相比有所降低，这表明在该时间段内沉积物曾向库水释放热量。这是由于水库中心水深较浅，混合后水温对气温变化响应强烈引起的，沉积物-水界面热交换的方向可能经历了多次转换过程。③2017年3月29日水库中心热通量为-4W/m2，此时水温已经高于表层沉积物温度，而坝前热通量为0，表明春季水库中心由沉积物向水传热转变为由水向沉积物传热的时间早于坝前的转换时间。这是因为水库中心水深较浅，底层水体温度升高的幅度大于坝前底层水体，热交换方向转变时间也相应提前。④2017年6月23日表层沉积物向水库底层水体传热，热通量为14．5 W/m2。按照沉积物-水热量交换的季节性变化推算2017年6月23日应该由水向沉积物传热。热量交换方向改变主要是因为2017年6月23日水体的透明度较高(3．63 m)，此时太阳辐射在水中的衰减系数较小(图4)，界面处沉积物可以直接接受太阳辐射引起温度明显升高(图2(b))，同时向库水底层水体及深层沉积物传热。

图4 2017年6月23日水库中心水中光照强度剖面

大型浅水湖泊受风的扰动强烈且频繁[26-27]，水体不容易形成长期热分层，一般为昼夜或为期1～2 d的短期分层[28-29]。水-气界面热量交换以及水体的垂向混合过程对其水体温度结构的影响远超过沉积物-水界面热交换的影响。但是小型浅水水体表面积较小，减弱了风对水体的扰动深度，从而能形成稳定的热分层[30]，因此在浅水分层水体水温研究中，应重视沉积物-水之间的热量交换过程。无论是在季节尺度还是日尺度，水温高于沉积物温度时，水体向沉积物传热能避免热量在水体底部的积累，有利于水体稳定性的增加[6];沉积物温度高于水温时，沉积物向水体传热，能避免因水-气界面热量交换、出入流等因素引起的水体温度“过低”。Fang等[11]的监测结果显示浅湖在结冰后水温会升高1～2℃。因此沉积物作为水体热量重要的源/汇能缓冲水温波动，对水体热量平衡有非常重要的影响[31-32]。

沉积物-水界面的热量交换也会对小型浅水水体的物理、化学与生物过程产生重要影响。浮山前水库深水区形成稳定分层的季节性热结构与大型深水湖库的热结构相似(三层结构)，表层与底层水的温度梯度小，而中间斜温层温度梯度大，但是二者底边界层(不是指湖底静水层，而是指沉积物之上一定深度范围)混合的机制不一样。很多学者探讨了大型湖库底边界层混合的主要扰动来源，通常认为主要来自内假潮[33-34]。而小型湖库内假潮效应不明显，沉积物向上覆水释热(100W/m2量级)是底边界层混合的可能扰动源[34]。在较长时间尺度上，底边界层的混合过程对湖库整体的垂向交换产生重要影响[35-37]。另外，混合底边界层将对沉积物与湖库水之间的溶质(例如溶解氧、溶解无机磷[38])交换产生影响，从而对湖库的化学与生物过程产生影响(包括沉积物中的早期成岩作用)。

由于水深不同，水库不同区域在春季热量交换方向转变的时间不同，春季浅水区库水向沉积物传热的转变时间早于深水区;夏季当水体透明度较高时，水深较浅区域的沉积物可以直接接受太阳辐射，引起沉积物-水界面处温度高于水库底层水温与深层沉积物温度，促使表层沉积物同时向底层水体和深层沉积物传热。这表明水深对界面热交换有重要影响，并且水库同时存在沉积物向库水传热与库水向沉积物传热的区域，在水库热量衡算时应予以关注。

综上所述，在水温研究中忽略沉积物-水之间的热量交换或者简化为地热的做法对于浅水分层水体是不合适的，应将沉积物-水热量交换作为影响水体热量的重要过程考虑，并同时考虑其热交换方向和大小的动态变化，尤其要关注水深对界面热交换通量的大小与方向转换(季节与日尺度)的影响。

3 结 论

a.分层小水库沉积物-水界面热交换通量的方向和大小具有明显的季节和日尺度变化特征。春夏水体升温时期和秋季降温混合前期由水体向沉积物传热，冬季由沉积物向水体传热，并且热通量值远大于地热通量。分层小水库浅水区底层温度对气温日变化的强烈响应促使沉积物-水热量交换具有明显的日变化特征。因此，在浅水水温研究中应该考虑热交换方向和大小的季节和日尺度动态变化。

b.水深对沉积物-水界面季节与日尺度热交换有重要影响。春季水库浅水区热交换方向转变时间早于深水区;夏季浅水区沉积物可以直接接受太阳辐射，引起沉积物-水热交换方向与深水区不同。水库将同时存在热量输入与热量输出的区域，在库水热量衡算时应予以关注。

c.本文计算沉积物-水界面热交换通量，只考虑了垂向热传导，没有考虑地表水与地下水交换的影响，在具体湖库热量衡算时应根据地表水与地下水交换强弱决定是否考虑对流对热量传输的影响。