氧气是河流和湖泊中仅次于水的基本物质。溶解氧（DO）对所有需氧生物的新陈代谢至关重要（Wetzel, 2001），并维持水生生物的生存和生态系统的健康（Thomann and Mueller, 1987）。缺氧或无氧会破坏生态平衡，造成厌氧条件，降低水质，导致鱼类死亡，并可能产生有毒物质（如H?S、NH?）以及沉积物中污染物的释放（如Mn、Fe、营养物质）。对于饮用水源而言，缺氧会增加处理成本（Wentzky et al, 2019）。DO易于监测，对环境变化（如有机污染、全球变化、营养输入、富营养化）非常敏感，使其成为水资源和环境管理的关键指标。
缺氧和无氧现象在湖泊、水库、沿海海域和海洋中普遍存在，热分层是主要原因。在分层期间，表层直接与大气交换，浮游植物初级生产通常超过呼吸作用，为异养生物和微生物提供能量。底层与大气隔离，水生生物的呼吸作用和还原无机化合物的氧化消耗了DO。当氧气耗尽到一定程度时，会改变生物地球化学循环，缺氧/无氧状态会持续，直到分层破坏或深层循环补充氧气。在金属层内，强烈的密度梯度限制了垂直交换（Zhao et al, 2020），形成了溶解物质的持续梯度。水生生物和还原无机化合物的氧气消耗也耗尽了金属层中的DO。因此，在热分层期间，缺氧主要发生在金属层和底层。
金属层内的缺氧形成了金属层氧气最小值（MOM）。MOM的特点是在分层期间金属层内的DO浓度下降，导致氧气分布呈负梯度。全球许多湖泊和水库（Boyd, 1980；Kreling et al, 2017）、海洋（Stramma et al, 2008）和沿海地区（Raateoja et al, 2010）都观察到了MOM现象。海洋MOM的机制和原因已得到充分研究，涉及生产性混合层中有机物的沉降以及下降过程中的微生物分解。然而，湖泊MOM的机制和原因尚不明确，尚未达成共识。大多数研究认为存在一种增加金属层内氧气消耗的机制（Wetzel, 2001）。
回顾分层湖泊和水库中MOM的研究历史，发现其原因复杂，可能是多种机制共同作用的结果，大致可分为自然因素和人为因素。自然因素可进一步分为生物化学过程和物理过程。人为因素主要包括水库内水质管理设备的运行（McClure et al, 2018）和取水（Williams, 2007）。生物化学过程主要包括有机物分解引起的氧气消耗（Thornton et al, 1990；Schram and Marzolf 1994；Hutchinson, 1957；Joehnk and Umlauf, 2001；Gordon and Skelton, 1977）、浮游生物呼吸（Burke, 1977；Bolke, 1979）以及沉积物斜坡上的氧气消耗（Hutchinson, 1957；Nix 1981）。许多研究探讨了有机物分解在MOM形成和发展中的作用。有机物从表层沉降或通过密度流进入金属层。在高密度梯度的金属层中，沉降速率较低。例如，微囊藻颗粒（直径100 μm，密度101? kg/m3）在表层的沉降速率为0.4 m/d，在金属层中为0.2 m/d（Kalff, 2002）。此外，金属层的温度高于底层，为易分解的有机物提供了更多时间和适宜条件，而难分解的有机物则缓慢沉降到底层。相关的氧气消耗过程促进了MOM的形成。浮游植物在MOM形成中起重要作用。在分层期间，藻类大量繁殖。如果光照补偿深度位于金属层以上，金属层内的浮游植物呼吸会消耗氧气。藻类死亡后，其产生的颗粒有机物沉降并分解，进一步消耗氧气。从物理角度来看，一些关于垂直DO传输的定量研究表明，垂直DO传输在MOM形成和发展中的作用与氧气消耗过程同样重要（Kreling et al, 2017；Antonopoulos and Gianniou, 2003）。
研究分层湖泊和水库中MOM原因及其环境影响的方法主要包括实验和建模方法。2000年之前，实验方法占主导地位；此后，两种方法的结合变得普遍。实验方法包括现场监测和实验室分析。现场监测通常使用多参数水质探针测量水温、DO浓度、叶绿素a（Chla）、pH值和电导率等参数。自2017年以来，一些研究在垂直剖面上部署了DO、温度和Chla探针进行实时参数记录。这种方法能够更精确地捕捉水质变化（Wentzky et al, 2019；Kreling et al, 2017），但也面临部署困难和由于水流、风或其他环境因素导致的仪器漂移可能引起的数据误差等挑战。实验室分析涉及分析在不同深度采集的水样。常见的测量指标包括浮游动物（Shapiro, 1960）、浮游植物（Wentzky et al, 2019）、细菌丰度（Antonopoulos and Gianniou, 2003）和还原态锰（Nix, 1981）。通过分析这些指标与DO浓度之间的关系，可以研究MOM形成的驱动因素。金属层内的显著密度梯度导致DO、浮游生物、微生物和其他物质的垂直传输速率产生较大差异，使得量化MOM形成过程中的各种氧气消耗过程变得非常困难。此外，现场监测数据通常一次只能分析一个潜在因素。因此，水动力-水质模型至关重要，因为它们同时模拟了水动力过程、物质传输和生化反应，有助于阐明MOM的形成机制（Mi et al, 2020；Chen et al, 2017；Chen et al, 2018）。
总之，MOM的形成受物理、化学和生物化学因素相互作用的控制，不能仅用单一因果机制来解释。现有研究探讨了垂直传输和原位高氧气消耗过程在MOM形成中的相对重要性，但其普遍性需要进一步研究。在潘家口水库的热分层期间观察到了MOM现象。因此，我们采用两种方法进行了研究：高频昼夜现场监测和数学建模，旨在阐明垂直传输的驱动作用：
- (1)
高频昼夜垂直监测：使用YSI探针在大坝附近进行昼夜监测，从当天08:00持续到次日06:00，直到DO垂直分布显示出最小的时间变化。每30分钟测量一次，包括水温、DO、Chla、pH值、电导率、总溶解固体（TDS）等参数。
- (2)
三维水动力-水质模型：应用三维环境流体动力学代码（EFDC），其中包含水动力、氧气、营养物质和浮游植物群落动态的空间显式表示，以阐明DO分层的响应。
