官?gòu)d水庫(kù)夏季葉綠素a濃度短時(shí)分布特征

張競(jìng)予　魚(yú)京善　李占杰　張躍武　劉苑

摘要：分析官?gòu)d水庫(kù)夏季（8月份）葉綠素a濃度短時(shí)變化特征，對(duì)于水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化研究具有重要意義。利用以分鐘為步長(zhǎng)的水溫、水深及葉綠素a濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)，對(duì)葉綠素a濃度垂向及晝夜變化特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：葉綠素a濃度最高值是表層濃度的1.5～2倍，其出現(xiàn)位置與溫度躍層位置基本一致。葉綠素a濃度具有晝夜周期性變化特征。白晝，溫度躍層以上葉綠素a濃度隨水深增加逐漸增加，在溫度躍層以下，隨水深增加逐漸降低；夜間，溫躍層以上葉綠素a濃度基本穩(wěn)定不變，在溫度躍層以下與白晝變化趨勢(shì)相同。表層水體葉綠素a濃度夜間大于白天，且與光照及表層水溫呈負(fù)相關(guān)。水庫(kù)葉綠素a濃度短時(shí)分布特征主要與溫度分層以及限制性營(yíng)養(yǎng)鹽磷的釋放有關(guān)。

關(guān)鍵詞：葉綠素a；溫度分層；短時(shí)分布；垂向變化；晝夜變化；官?gòu)d水庫(kù)

中圖分類號(hào)：X524 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）02-0095-06

葉綠素a作為浮游植物的重要組成成分，是衡量浮游植物現(xiàn)存量和水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的重要指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外對(duì)于湖庫(kù)中葉綠素a濃度時(shí)空分布研究發(fā)現(xiàn)，水體中葉綠素a濃度的分布主要受到溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽、光照和水動(dòng)力條件的影響。夏季由于光照、溫度、降水等因素有利于藻類繁殖，成為水華爆發(fā)的高發(fā)期，并且水華的爆發(fā)是由量變到質(zhì)變、由漸變到突變的狀態(tài)階躍過(guò)程，因此對(duì)夏季湖庫(kù)水體葉綠素a濃度進(jìn)行短時(shí)間步長(zhǎng)監(jiān)測(cè)具有重要意義。目前葉綠素a濃度監(jiān)測(cè)多采用定點(diǎn)采樣實(shí)驗(yàn)室分析的方法，無(wú)法獲得連續(xù)、垂向的葉綠素a濃度數(shù)據(jù)，尤其是短時(shí)間間隔、晝夜連續(xù)、多頻次的監(jiān)測(cè)尚不多見(jiàn)。

官?gòu)d水庫(kù)位于張家口市懷來(lái)縣和北京市延慶縣界內(nèi)，屬于中國(guó)重要水系之一的海河流域。孫寓姣、陳程等（2015）對(duì)官?gòu)d水庫(kù)夏季水體6個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)夏季庫(kù)區(qū)采樣點(diǎn)總氮總磷平均濃度最高分別達(dá)到了4.27 mg/l、0.25mg/l，均超過(guò)地表湖庫(kù)V類水標(biāo)準(zhǔn)最易發(fā)生水華。目前對(duì)于官?gòu)d水庫(kù)水質(zhì)的研究多采用表層水體取樣的方法，無(wú)法深度探究垂向水體水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況也無(wú)法全面揭示該地區(qū)水質(zhì)狀況。因此本文對(duì)官?gòu)d水庫(kù)庫(kù)區(qū)夏季水體葉綠素a濃度及相關(guān)環(huán)境因子進(jìn)行水體垂向、晝夜連續(xù)、短時(shí)間間隔監(jiān)測(cè)，分析短時(shí)間尺度上葉綠素a濃度動(dòng)態(tài)變化特征，以期為該地區(qū)水華爆發(fā)的預(yù)警提供理論依據(jù)。

1材料及方法

1.1監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于北京市官?gòu)d水庫(kù)下游管理局附近，如圖1所示該區(qū)域是一個(gè)相對(duì)較為獨(dú)立封閉的區(qū)域，水文條件較為簡(jiǎn)單，便于排除復(fù)雜環(huán)境因素的干擾。同時(shí)，通過(guò)對(duì)夏季官?gòu)d水庫(kù)水質(zhì)采樣及水華產(chǎn)生時(shí)間分析，發(fā)現(xiàn)夏季庫(kù)區(qū)水質(zhì)最差，最易發(fā)生水華，因此，采樣時(shí)間選在8月份。

1.2采樣方法

葉綠素a濃度采用INFINITY水質(zhì)測(cè)量?jī)x，水體水溫監(jiān)測(cè)采用美國(guó)Onset公司的HOBO水位水溫測(cè)量?jī)x，見(jiàn)圖2。儀器參數(shù)見(jiàn)表1，表2。水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀利用葉綠素的熒光特性進(jìn)行濃度測(cè)定。設(shè)計(jì)制作連續(xù)自動(dòng)升降裝置用以搭載HOBO和INFINI-TY測(cè)量?jī)x。升降裝置含有電動(dòng)馬達(dá)、12 V電源、正反向自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)和轉(zhuǎn)軸。裝置可定時(shí)自動(dòng)下放、停止和上升，其下放及上升速度約為0.5 m/s。數(shù)據(jù)獲取間隔為1 min，每天10組觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)始時(shí)間分別為0：00；3：00；6：00；8：00；10：00；12：00；14：00；16：00；18：00；21：00，監(jiān)測(cè)指標(biāo)為水體垂向0～7m及表層短時(shí)間間隔的水溫、水深、葉綠素a濃度。

同時(shí)在監(jiān)測(cè)區(qū)域安裝小型氣象儀獲取氣象數(shù)據(jù)，包括氣溫、降雨、風(fēng)向風(fēng)速、光照，時(shí)間步長(zhǎng)為分鐘。

1.3分析方法

利用統(tǒng)計(jì)分析以及克里金插值方法對(duì)獲取的短時(shí)間間隔數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析及時(shí)間序列上的等值線插值分析。

2結(jié)果與分析

2.1氣象要素變化

官?gòu)d水庫(kù)監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)氣象要素變化見(jiàn)圖3，該時(shí)段內(nèi)無(wú)降水。由圖可知，溫度呈現(xiàn)周期性變化即白天溫度高夜間溫度低，最高溫度出現(xiàn)在14：00-16：00，約為33℃，最低溫度出現(xiàn)在凌晨6：00左右，約為17℃。風(fēng)速較小，基本在1.5 m/s以下，最高風(fēng)速達(dá)到3.5 m/s。光照強(qiáng)度呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的周期性變化，與氣溫變化呈現(xiàn)正相關(guān)。該地區(qū)監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)降雨和風(fēng)速對(duì)葉綠素a濃度的影響很小。

2.2水溫變化

將監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水溫進(jìn)行垂向及時(shí)間尺度上的克里金插值，得到水溫等值線圖，見(jiàn)圖4。可以看出，水體表層溫度最高，在26℃～28℃之間；底層溫度最低，在24℃～25℃之間；出現(xiàn)溫度躍層和明顯分層現(xiàn)象，溫度躍層在水深3～5 m之間。夜間（21：00-次日6：00），水體表層0～3 m為恒溫混合層，垂向水溫基本不變，溫度躍層在3～5 m處水溫下降明顯；白天（8：00-18：00），水體表層混合層厚度較夜間有所減小，在某一時(shí)刻混合層甚至消失，從表層開(kāi)始隨水深增加水溫呈持續(xù)下降的狀態(tài)。溫度躍層深度也在變化，夜間溫度躍層較深且表層0～3m出現(xiàn)恒溫混合層；白天溫度躍層深度淺且恒溫混合層厚度變淺，同時(shí)在該處會(huì)出現(xiàn)葉綠素a濃度的最高值。官?gòu)d水庫(kù)夏季水溫變化特征與已有研究結(jié)果基本一致。

2.3葉綠素a濃度變化分析

2.3.1葉綠素a濃度垂向變化

監(jiān)測(cè)點(diǎn)一天內(nèi)10次垂向觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5，其中2015/8/6 21：00數(shù)據(jù)缺失。結(jié)果顯示垂向葉綠素a濃度最高值出現(xiàn)在水深3～4 m。夜間水體表層0-3m，葉綠素a濃度在水深方向變化不大，維持在8-10μg/L之間，隨后隨深度增加葉綠素a濃度逐漸降低，最低濃度在底部約為4～6 μg/L，整體呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性見(jiàn)圖5（a）。白天水體水深0～3 m處葉綠素a濃度隨深度增加而增加，即水體表層葉綠素a濃度較低在6～9μg/L，在水深3 m處達(dá)到最大值最高濃度在10-12μg/L之間且為水體表層濃度的1.5～2倍，3 m以下葉綠素a濃度呈現(xiàn)隨著深度的增加而降低的特征，在水庫(kù)底層葉綠素a濃度達(dá)到最低值，見(jiàn)圖5（b）。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)位葉綠素a濃度垂向變化呈現(xiàn)白天先增加后減少、夜間先穩(wěn)定后減少的規(guī)律，且最大值出現(xiàn)的位置與溫度躍層出現(xiàn)的位置上基本一致，兩者的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖6。這可能與溫度分層以及底泥磷的向上釋放有關(guān)。在天然水體中大部分磷存在于沉積物中，當(dāng)水溫出現(xiàn)分層現(xiàn)象時(shí)會(huì)使得湖水在垂直方向躍層上下水體交換受到抑制同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致湖泊水質(zhì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。已有研究表明官?gòu)d水庫(kù)地區(qū)磷為主要限制性營(yíng)養(yǎng)鹽。底泥中磷的釋放，在水的擾動(dòng)作用下向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到溫度躍層處時(shí)，由于上部混合層和溫度躍層處水體上下交換很弱使得磷無(wú)法向上補(bǔ)給，上部混合層磷濃度較溫度躍層處濃度低，又由于溫躍層處水溫較為適宜，因此在營(yíng)養(yǎng)鹽供給充分的溫度躍層處形成葉綠素a濃度最大值，溫度躍層在水深方向的移動(dòng)使葉綠素a濃度最大值隨之變化。

2.3.2葉綠素a濃度晝夜變化

將監(jiān)測(cè)點(diǎn)位葉綠素a濃度進(jìn)行垂向及時(shí)間尺度上的克里金插值得到葉綠素a濃度等值線（圖7）。監(jiān)測(cè)點(diǎn)表層葉綠素a濃度晝夜變化呈現(xiàn)一定的周期性，夜間較為穩(wěn)定白天變化幅度大且葉綠素a濃度整體夜間高于白天。凌晨5：00，葉綠素a濃度達(dá)到最高值，約為10μg/L；5：00-12：00葉綠素a濃度逐漸降低，12：00處出現(xiàn)最低值約為4 μg/L；12：0-19：00葉綠素a濃度開(kāi)始逐漸升高，19：00又達(dá)到最大值，約為10 μg/L；19：00至次日5：00葉綠素a濃度呈一定的下降趨勢(shì)但基本穩(wěn)定，維持在7μg/L以上。該變化與表層水溫及光照強(qiáng)度呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。葉綠素a濃度垂向最大值出現(xiàn)在水深2 5～4 m，且垂向最高值的出現(xiàn)位置也隨時(shí)間不斷變化，白天最高值出現(xiàn)的位置深度較淺，最淺在水深2 5 m左右；夜間最高值出現(xiàn)的位置深度較深，最深在水深4 m左右。

觀察到官?gòu)d水庫(kù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)夜間表層葉綠素a濃度高于白天與光照和水溫呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，且夜間與白天葉綠素a濃度的垂向分布也不盡相同，這與垂向水體溫度分層及水體垂向擾動(dòng)有關(guān)。

單位面積垂向葉綠素a含量晝夜變化見(jiàn)圖8，在時(shí)間尺度上單位面積葉綠素a濃度總量變化不大。因此隨著葉綠素a濃度在溫躍層聚集和水體上下混合，表層葉綠素a濃度產(chǎn)生相應(yīng)變化。白天，在溫度分層和磷的共同作用下，葉綠素a濃度最高值集中出現(xiàn)在溫躍層處因此表層濃度相應(yīng)降低；夜間，表層水體快速降溫水體上下混合，此時(shí)溫躍層處高濃度葉綠素a濃度水體向上混合，最終混合層葉綠素a濃度基本持平，因此表層濃度相應(yīng)增加。

4結(jié)論

官?gòu)d水庫(kù)夏季水體葉綠素a濃度在垂向水深3～4 m處出現(xiàn)最大值，其位置與溫度躍層所在位置一致，深度隨溫度躍層深度的變化而變化，其主要原因?yàn)闇囟确謱右鸬纳喜繙囟溶S層和上部混合層水體上下交換十分緩慢，底泥釋放的限制營(yíng)養(yǎng)鹽磷無(wú)法及時(shí)供給至混合層且表層水溫高于底層水溫。溫躍層以上得不到充分的營(yíng)養(yǎng)供給溫躍層以下光照弱溫度低限制浮游植物生長(zhǎng)，因此在溫躍層處易形成葉綠素a濃度峰值。水體垂向葉綠素a濃度最高值為表層濃度的1.5～2倍，因此對(duì)水體水質(zhì)分析時(shí)僅取表層水體進(jìn)行采樣并不具有代表性。

水體垂向分布晝夜呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。白晝?nèi)~綠素a濃度在垂向上隨深度增加而逐漸增加，在3 m處出現(xiàn)最大值，大于3 m水深后濃度呈降低趨勢(shì)；夜間由于表層水體降溫上下混合形成混合層，混合層在0～3 m水深處，葉綠素a濃度在混合層垂向變化不大，大于3 m水深后濃度呈減少趨勢(shì)，但此變化趨勢(shì)不明顯，基本呈波動(dòng)狀。

官?gòu)d水庫(kù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)表層葉綠素a濃度的晝夜變化呈現(xiàn)一定的周期性，變化趨勢(shì)與光照及溫度相反。夜間表層葉綠素a濃度整體高于白天，表層葉綠素a濃度與光照及溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)變化，這與水體溫度分層的變化及水體垂向上下擾動(dòng)有關(guān)。官?gòu)d水庫(kù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)單位面積水體葉綠素a含量晝夜變化很小，當(dāng)白天有高濃度葉綠素a水體聚集在溫度躍層處時(shí)表層葉綠素a濃度相應(yīng)降低；但夜間表層水體降溫引起上下混合時(shí)溫度躍層處含有高濃度葉綠素a水體向上運(yùn)動(dòng)使得表層葉綠素a濃度升高。