不同計算方式表征三峽水庫臨界層深度的合理性

（三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002）

Sverdrup［1］于1953年建立了海洋春季水華暴發的臨界層理論，認為水體分層下的水體混合層深度小于臨界層深度是海洋春季水華暴發的根本原因；該理論也被較好地用于解釋淡水湖泊水華的季節性暴發和演替的規律［2-5］；對于河道型水庫香溪河，其水華爆發頻繁，很多學者也透過臨界層理論對其水華爆發的原因做出了各自的解釋［6-8］。

臨界層理論能否較好地運用于水庫，需要對水體臨界層深度做出合理界定。多數研究采用真光層深度代替臨界層深度，一些學者用光照強度為表面光強1%對應的深度（用Z1%表示）來代替臨界層深度［6，9-12］，也有學者將水下光強為14μmol/（m2·s） 對應的深度（用Z14表示）稱為臨界層深度［13］，還有學者直接用2.7SD（用Z2.7SD表示）來表征臨界層深度［7，8，14］。 上述計算方法均是在海洋、湖泊中得到合理運用后被相關學者直接套用于三峽水庫，關于上述方法是否適用于河道型水庫的研究卻很少見。

本文利用黑白瓶測氧法，通過測定溶解氧的變化計算每天的臨界層深度（Zcr），再與通過光照計算出的Z1%，Z14，Z2.7SD進行比較，試分析上述計算方式套用于香溪河庫灣的合理性及原因，可為臨界層理論運用于三峽水庫提供借鑒意義。

1 材料與方法

根據香溪河自然環境特點及實驗實施的可行性，選取香溪河水華多發河段高嵐河河段為觀測站點進行實驗。

1.1 黑白瓶法基本原理

通過測定水中溶解氧的變化，間接計算有機物質的生成量，是用黑白瓶測氧法研究初級生產力的基本原理。當帶有浮游生物樣品的黑白瓶懸掛水中曝光時，黑瓶中藻類由于得不到光照，只能進行呼吸作用，黑瓶中的溶解氧將會減少；與此同時，白瓶中的藻類在光照條件下，光合作用與呼吸作用同時進行，白瓶中的溶解氧量一般會明顯增加，假定光照條件與黑暗條件下的呼吸強度相等，就可根據掛瓶曝光期間內，黑、白瓶中的溶解氧變化計算出光合作用與呼吸作用的強度［15］。

1.2 實驗材料和試劑

采樣瓶：250mlBOD瓶。每次取樣前BOD瓶用稀鹽酸洗滌后再用蒸餾水洗凈。

掛瓶器材：分層采水器，長尼龍繩，木夾子，黑布袋

測量儀器：多參儀（hydrolabDS5，美國HACH公司）；ZDS-10W-1D水下光量子儀 （測量波長范圍：400～760nm）；薩氏盤（Secchi Disc）。

實驗材料：測定溶解氧的實驗儀器和藥劑。

1.3 測定步驟

1.3.1 水樣采集

水體中的藻類主要在表層至8m水深之間活動［16］，故本實驗分層按0，0.5，1，2，3，4，5，6，7，8m分， 共分10層。每層取水250ml的BOD瓶4瓶。第1瓶用黑布袋套好掛回原水層，用來測定黑瓶的溶解氧；第2瓶直接掛回原水層，作為白瓶測定溶解氧；第3瓶作為初始值直接測量溶解氧；第四瓶用于藻類鑒定。掛完水樣后用多參儀測定水溫；用光量子儀測定水下光照；用薩氏盤測定透明度。同時記錄氣候、環境指標。灌水時將導管插到BOD瓶底部，灌滿瓶后還要溢出2～3倍體積的水，保證所有樣品瓶中的溶解氧與所采水樣的溶解氧完全一致。曝光24h后，取回所掛的2瓶水樣并掛上新的水樣，重復以上工作，共持續10d。

1.3.2 黑白瓶的固定

曝光結束后，取出黑白瓶，立即加入1ml硫酸錳溶液和2ml堿性碘化鉀溶液對瓶中溶氧進行固定，固定搖勻后放入黑暗處帶回室進行滴定測氧。若瓶中有大量氣泡，加藥劑時應微微傾斜BOD瓶避免氧氣逸出。

1.4 計算方法

1.4.1 各水層日生產量（O2，mg/L）計算

總生產量=白瓶溶解氧量-黑瓶溶解氧量。

凈生產量=白瓶溶解氧量-初始瓶溶解氧量。

呼吸作用量=初始瓶溶解氧量-黑瓶溶解氧量。

1.4.2 臨界層深度計算

按上面方法計算出各水層日凈生產量。根據測定的各水層凈生產量與對應水深擬合函數關系：

式中 p為水層日凈生產量；Z為水深。

當p=0時，對應的Zco為光補償深度，即光合作用強度等于呼吸作用強度的水層深度［17］，Zco以上的水層是有有機物積累的，Zco以下是消耗有機物的。將各天的函數式在深度上積分得水柱日凈生產量P=0-zf（Z）dZ，當P=0時對應的Zcr為臨界層深度，即整個水柱有產物積累或消耗有機物的水層分界深度［1］。

2 結果與分析

2.1 凈生產力p的垂向分布

在為期10d的連續監測中，經歷了2次降雨，這10d的氣候情況如表1。

表1 氣溫、氣候變化情況

實驗結果表明，降雨對藻類生產力影響很大［18］，雨水沖擊和雨天微弱的陽光使藻類生產力極大降低。2016年9月11日和9月17日兩次降雨都使藻類生產量驟降，也改變了藻類的垂向分布規律。

各水層凈產量如圖1，凈產量主要產生在0～2m的水層。2016年9月9日和9月16日為晴天，光照最強，這兩天產量最高，分別為1.76mg/L和1.77mg/L。降雨期間產量很低，9月11日的降雨沖散了聚集的藻，使藻分散在各層水體中，隨后連續的晴天又使藻類慢慢向水面聚集。9月13日～9月16日是雨后逐漸天晴的過程，也是藻類生產量逐步回升的過程。可以看出生產力的雨后恢復緩慢，而降雨對生產力的影響卻是驟然的［18］。 2m以下凈產量降低很快，在3～5m之間變為0，其后均為負值。說明這10d的光補償深度都在3～5m，晴天補償深度略大于陰雨天，這與晴天光照強度大，透射到水里的有效輻射更深有關。各天5m以下的產生情況相差不大。通過每天分層取樣鑒定，發現在水層5m以下的水體中，藻類相對較少且分布均勻，呼吸作用大致相同，光合作用隨水深遞減。

圖1 每日凈產量的垂向分布

2.2 光照強度IZ垂向分布與光衰減系數k

每日水下光分布情況如圖2，每日表層光照強度差別較大，晴天最大值高達1111μmol/（m2·s），雨天最低低于46.21μmol/（m2·s）。

光照強度沿水深衰減過程均符合Sverdrup［1］在臨界層理論中提出的指數分布公式：

式中 IZ為水下Z深度的光照強度；Ie為水面光照強度；k為水下光衰減系數。

圖2 每日水下光分布情況

由圖2可知，在真光層內光照強度快速衰減，在水下7m左右接近0。真光層是根據水體透明度計算而來，而水體透明度與水中懸浮粒子、藻顆粒對光的散射和吸收直接相關［8］。所以光照強度在水下衰減，可以很好地反應水中藻顆粒的量及分布情況。

根據上述指數公式，對實驗期間各天的光照進行指數函數擬合，求出各天的光衰減系數。2016-09-08～2016-09-17，兩種光衰減系數的變化情況如圖3，分別求出了2m以內的光衰減系數和整個真光層的光衰減系數。

圖3結果表明，晴天2m以內的光衰減系數明顯大于整個真光層的衰減系數，說明晴天光照強度在2m以內水層衰減的比下層快，這反映了晴天藻類聚集在水面的現象。隨著天氣變化，兩種光衰減系數的大小關系也跟著變化，反應出藻顆粒在水中的分布情況隨天氣的變化。

圖3 兩種光衰減系數的變化情況

2.3 臨界層深度Zcr與光補償深度Zco的變化規律

根據第1.4章節積分式求得各天的臨界層深度Zcr和光補償深度Zco，如圖4。

圖4 Zcr和Zco變化趨勢

由圖4可知，Zcr波動很大，最大值高達14.12m，最小值低至5.00m。整體符合晴天深，雨天淺，降雨會使臨界層深度驟然降低，而雨后天晴恢復的過程是緩慢的。Zco變化不大，均在4m左右，晴天略高于陰雨天。光補償點只考慮單層水體的生產情況，與上、下水層產量的積累或消耗均無關系。Zco波動不大說明藻類在4m左右水層的光合作用與呼吸作用大致相同。Zcr與Zco變化趨勢的不同，說明藻類初級生產力的差異主要產生在4m以上的水層。

2.4 按光照強度計算3種臨界層深度（Z1%，Z14，Z2.7SD）

真光層深度指開放水體中陽光照射所達、光合作用得以發生的水體深度，為水柱中支持凈初級生產力的部分，其底部為臨界深度，海洋、湖泊、河流等水域生態系統中藻類基本分布在這一層［8］。很多學者在研究中把真光層深度等同于臨界層深度。根據不同的計算方法即可確定不同的臨界層深度，如圖5，按3種不同的方式計算出臨界層深度。

圖5 不同計算方式下的臨界層深度

由圖5可以看出Z1%和Z2.7SD波動較小，二者的變化趨勢相似，后者的深度整體小于前者。

（1）Z1%和Z2.7SD均受表層水體中藻細胞濃度影響較大，當藻類聚集在水面時會急劇降低，Z1%按百分比計算而來，與表層光照強度基數大小無關。Z1%和Z2.7SD均可反應監測時期的現存藻生物量大小及分布情況，但不能反應各水層藻細胞所受到的實際光照強度，因而無法根據Z1%和Z2.7SD直接推測這些藻細胞當日的光合作用產量。

（2）Z14波動較大，其波動規律同表層光照強度關系密切。Z14同時考慮到不同藻密度水體對光照強度的衰減作用和表層光照強度基數的大小，但由于各天表層光照強度差異遠大于不同藻密度水體衰光作用的差異，故Z14受表層光照強度基數大小的影響更為突出。

3 相關關系分析

為探明實際臨界層深度Zcr與真光層深度有何關系，本文對Zcr與Z1%，Z14，Z2.7SD及表層光照強度Ie做出了相關關系計算，結果如表2。

表2 相關關系統計

3.1 Zcr與Z1%存在相關性

相關性不顯著（r=-0.692）。Z1%受現存藻密度影響較大，與表層光照強度基數大小無關。例如：9月17日表層光照為46.21μmol/（m2·s），其10%只有4.62μmol/（m2·s），計算到1%的水層沒有生產意義，使Zcr與Z1%相關性不顯著。同時，當藻類光合作用增強時，藻密度會變大，水體透光性會降低，Z1%會變小；隨后，水體透光性降低又會反過來迫使藻類光合作用降低，從而使水體透光性又升高，Z1%又變大，因此藻類光合作用與Z1%存在一個負反饋調節過程。以至于在調節過程中的不同階段測量，Zcr與Z1%可能會出現正、負不同的相關性。

3.2 Zcr與Z14的相關性略大于與Z1%的相關性

其原因是Z14中考慮到表層光照強度的大小，避免了Z1%中因Ie×1%過大或過小造成的誤差，但Zcr與Z14的相關程度（r=0.770）也不高，藻類生產力除了受光照強度影響大，受藻生物量大小及藻顆粒在水中分布情況的影響也大［20］。在相同環境下，大部分藻聚集在表層水體的生產力會比聚集在14μmol/（m2·s）水層時的生產力大，因Z14無法考慮到藻顆粒數量和分層情況，故不能很好地描述實際臨界層深度。

3.3 Zcr與Z2.7SD無相關性

Z2.7SD根據光密度得來，測量時局限在水面很淺的一層，在淡水湖泊中可以近似代表整個水深的透光情況，但是河道型水庫一般比淡水湖泊深很多，表層1～2m無法代表整個水深的透光情況。同時，光密度值是通過人眼觀察所得，不同的人眼力不同，相同的人在不同環境下讀數也會有所差異。

4 討論

通過上述分析，淡水湖泊和海洋中運用較好的臨界層理論并不能簡單地套用在三峽水庫，河道型水庫應具有適合其水環境條件的表示方法。

河道型水庫相比于湖泊有以下特點：河水深度比湖水深度深很多，河水一般比湖水透明度高；河庫中的藻生物量一般比湖泊中少，但垂向遷移能力更強，遷移程度更大；河庫中水流速度較大，受三峽大壩調洪影響，庫區水位波動也大。

三峽水庫和普通湖泊主要的不同表現在水深和藻類遷移特點上，對于不同的季節和儲、泄水工況，其計算方式應當存在差異。本實驗在夏末秋初儲水階段進行，從相關性分析中發現表層光照強度與臨界層深度有較高的相關性（r=0.973）。為探明Zcr與Ie的相關關系，擬合函數圖像如圖6。

圖6 Zcr和Ie的關系曲線

由于沒有考慮到現存生物量的影響，函數式Zcr=0.0065×Ie+4.8563只適用于這個季節香溪河特定的地方，對于擁有不同藻生物量的地點會有不同的關系式。筆者看來，僅僅考慮光照是不能推求出通用公式的，應結合藻生物量和其分層情況對臨界層深度做進一步研究，推求真正適合三峽庫區的計算方法。

5 結語

（1）利用光照計算出的真光層深度代替臨界層深度在實驗方法上具有簡單、易操作性，但光照是無法完全代表初級生產力的。在河道型水庫中應當結合藻生物量對其計算方法進行改進。

（2）由于河道型水庫一般較深，Z2.7SD不再具有近似代表整個水深透光性的作用，固不能直接運用于三峽水庫。

（3）Z1%和Z14與Zcr具有一定的相關性，但均需要根據實際情況進行改進。相比于Z1%，Z14更能適應香溪河多變的天氣和光照強度，在沒有更好的計算方法之前，Z14應是學者研究香溪河水庫首選的計算方法。

參考文獻：

［1］Sverdrup H U.On conditions for the vernal blooming of phytoplankton［J］.ICES Journal of Marine Science，1953，18（3）： 287-295.

［2］Berger S A，Diehl S，Stibor H，et al.Water temperature and mixing depth affect timing and magnitude of events during spring succession of the plankton ［J］.Oecologia，2007，150（4）： 643-654.

［3］Fonseca B M，Bicudo C E M.Phytoplankton seasonal variation in a shallow stratified eutrophic reservoir （Gar as Pond，Brazil）［J］.Hydrobiologia，2008，600（1）： 267-282.

［4］Ganf G G，Oliver R L.Vertical Separation of Light and Available Nutrients as a Factor Causing Replacement of Green Algae by Blue-Green Algae in the Plankton of a Stratified Lake［J］.Journal of Ecology，1982，70（3）：829-844.

［5］Lindenschmidt K E， Chorus I.The effect of water column mixingonphytoplanktonsuccession，diversityandsimilarity［J］.Journal of Plankton Research，1998，20（10）：1927-1951.

［6］劉流，劉德富，肖尚斌，等.水溫分層對三峽水庫香溪河庫灣春季水華的影響［J］.環境科學，2012，33（9）：3046-3050.

［7］姚緒姣，劉德富，楊正健，等.三峽水庫香溪河庫灣冬季甲藻水華生消機理初探 ［J］.環境科學研究，2012，25（6）：645-651.

［8］陳洋，楊正健，黃鈺鈴，等.混合層深度對藻類生長的影響研究［J］.環境科學，2013，34（8）： 3049-3056.

［9］Kirk J T O.Light and photosynthesis in aquatic ecosystems［M］.Cambridge： Cambridge University Press，1994.

［10］Khanna D R，Bhutiani R，Chandra K S.Effect of the euphotic depth and mixingdepth on phytoplanktonic growth mechanism ［J］.Internetional Journal of Environmental Research，2009，3（2）： 223-228.

［11］Sakshaug E，Bricaud A，Dandonneau Y，et al.Parameters of photosynthesis： definitions，theory and interpretation of results ［J］.Journal of Plankton Research，1997，19（11）：1637-1670.

［12］劉流，劉德富，黃鈺鈴，等.香溪河庫灣春季水華縱向分布對水層結構的響應［J］.三峽大學學報，2012，34（2）：1-6.

［13］Reinart A， Arst H， Erm A， et al.Optical and biological properties of Lake lemiste，a water reservoir of the city of Tallinn II： Light climate in Lake lemiste ［J］.Lakes&Reservoirs Research&Management，2001，6（1）：75-84.

［14］Lawrence I， Bormans M， Oliver R， et al.Physical and nutrient factors controlling algal succession and biomass in Burrinjuck Reservoir ［R］.Canberra： Land and Water Resources Australia，2000.

［15］趙道全，申秀英，周曉林，等.南灣水庫初級生產力的初步研究［J］.河南水產，2003（4）： 31-32.

［16］楊正健，徐耀陽，紀道斌，等.香溪河庫灣春季影響葉綠素a的環境因子［J］.人民長江，2008，39（15）： 33-35.

［17］合田健.水環境指標［M］.北京：中國環境科學出版社，1989.

［18］紀道斌，李媛，孔松，等.典型暴雨洪水對三峽水庫香溪河庫灣水華的影響［J］.中國農村水利水電，2013（6）：39-44.

［19］楊東方，陳生濤，胡均，等.光照、水溫和營養鹽對浮游植物生長重要影響大小的順序［J］.海洋環境科學，2007，26（3）：201-207.

［20］蔡琳琳，朱廣偉，李向陽.太湖湖岸帶浮游植物初級生產力特征及影響因素［J］.生態學報，2013，33（22）： 7250-7258.