官廳水庫夏季葉綠素a濃度短時分布特征

張競予　魚京善　李占杰　張躍武　劉苑

摘要：分析官廳水庫夏季（8月份）葉綠素a濃度短時變化特征，對于水庫水體富營養(yǎng)化研究具有重要意義。利用以分鐘為步長的水溫、水深及葉綠素a濃度實測數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)，對葉綠素a濃度垂向及晝夜變化特征進行了分析。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相關(guān)。水庫葉綠素a濃度短時分布特征主要與溫度分層以及限制性營養(yǎng)鹽磷的釋放有關(guān)。

關(guān)鍵詞：葉綠素a；溫度分層；短時分布；垂向變化；晝夜變化；官廳水庫

中圖分類號：X524 文獻標識碼：A 文章編號：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)存量和水體富營養(yǎng)化程度的重要指標。國內(nèi)外對于湖庫中葉綠素a濃度時空分布研究發(fā)現(xiàn)，水體中葉綠素a濃度的分布主要受到溫度、營養(yǎng)鹽、光照和水動力條件的影響。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)階躍過程，因此對夏季湖庫水體葉綠素a濃度進行短時間步長監(jiān)測具有重要意義。目前葉綠素a濃度監(jiān)測多采用定點采樣實驗室分析的方法，無法獲得連續(xù)、垂向的葉綠素a濃度數(shù)據(jù)，尤其是短時間間隔、晝夜連續(xù)、多頻次的監(jiān)測尚不多見。

官廳水庫位于張家口市懷來縣和北京市延慶縣界內(nèi)，屬于中國重要水系之一的海河流域。孫寓姣、陳程等（2015）對官廳水庫夏季水體6個采樣點進行水質(zhì)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)夏季庫區(qū)采樣點總氮總磷平均濃度最高分別達到了4.27 mg/l、0.25mg/l，均超過地表湖庫V類水標準最易發(fā)生水華。目前對于官廳水庫水質(zhì)的研究多采用表層水體取樣的方法，無法深度探究垂向水體水質(zhì)達標情況也無法全面揭示該地區(qū)水質(zhì)狀況。因此本文對官廳水庫庫區(qū)夏季水體葉綠素a濃度及相關(guān)環(huán)境因子進行水體垂向、晝夜連續(xù)、短時間間隔監(jiān)測，分析短時間尺度上葉綠素a濃度動態(tài)變化特征，以期為該地區(qū)水華爆發(fā)的預警提供理論依據(jù)。

1材料及方法

1.1監(jiān)測點位置

監(jiān)測點位于北京市官廳水庫下游管理局附近，如圖1所示該區(qū)域是一個相對較為獨立封閉的區(qū)域，水文條件較為簡單，便于排除復雜環(huán)境因素的干擾。同時，通過對夏季官廳水庫水質(zhì)采樣及水華產(chǎn)生時間分析，發(fā)現(xiàn)夏季庫區(qū)水質(zhì)最差，最易發(fā)生水華，因此，采樣時間選在8月份。

1.2采樣方法

葉綠素a濃度采用INFINITY水質(zhì)測量儀，水體水溫監(jiān)測采用美國Onset公司的HOBO水位水溫測量儀，見圖2。儀器參數(shù)見表1，表2。水質(zhì)監(jiān)測儀利用葉綠素的熒光特性進行濃度測定。設(shè)計制作連續(xù)自動升降裝置用以搭載HOBO和INFINI-TY測量儀。升降裝置含有電動馬達、12 V電源、正反向自動控制開關(guān)和轉(zhuǎn)軸。裝置可定時自動下放、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組觀測數(shù)據(jù)開始時間分別為0：00；3：00；6：00；8：00；10：00；12：00；14：00；16：00；18：00；21：00，監(jiān)測指標為水體垂向0～7m及表層短時間間隔的水溫、水深、葉綠素a濃度。

同時在監(jiān)測區(qū)域安裝小型氣象儀獲取氣象數(shù)據(jù)，包括氣溫、降雨、風向風速、光照，時間步長為分鐘。

1.3分析方法

利用統(tǒng)計分析以及克里金插值方法對獲取的短時間間隔數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析及時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

官廳水庫監(jiān)測時段內(nèi)氣象要素變化見圖3，該時段內(nèi)無降水。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℃。風速較小，基本在1.5 m/s以下，最高風速達到3.5 m/s。光照強度呈現(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)測時段內(nèi)降雨和風速對葉綠素a濃度的影響很小。

2.2水溫變化

將監(jiān)測點位水溫進行垂向及時間尺度上的克里金插值，得到水溫等值線圖，見圖4?？梢钥闯觯w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，在某一時刻混合層甚至消失，從表層開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，同時在該處會出現(xiàn)葉綠素a濃度的最高值。官廳水庫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)測點一天內(nèi)10次垂向觀測結(jié)果見圖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)一定的波動性見圖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，在水庫底層葉綠素a濃度達到最低值，見圖5（b）。

監(jiān)測點位葉綠素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，當水溫出現(xiàn)分層現(xiàn)象時會使得湖水在垂直方向躍層上下水體交換受到抑制同時也會導致湖泊水質(zhì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。已有研究表明官廳水庫地區(qū)磷為主要限制性營養(yǎng)鹽。底泥中磷的釋放，在水的擾動作用下向上運動，當達到溫度躍層處時，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法向上補給，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)測點位葉綠素a濃度進行垂向及時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)測點表層葉綠素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濃度開始逐漸升高，19：00又達到最大值，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度呈現(xiàn)相反的趨勢。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。

觀察到官廳水庫監(jiān)測點監(jiān)測時間段內(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，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有關(guān)。

單位面積垂向葉綠素a含量晝夜變化見圖8，在時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

官廳水庫夏季水體葉綠素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，其主要原因為溫度分層引起的上部溫度躍層和上部混合層水體上下交換十分緩慢，底泥釋放的限制營養(yǎng)鹽磷無法及時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養(yǎng)供給溫躍層以下光照弱溫度低限制浮游植物生長，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，因此對水體水質(zhì)分析時僅取表層水體進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。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；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，但此變化趨勢不明顯，基本呈波動狀。

官廳水庫監(jiān)測點表層葉綠素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有關(guān)。官廳水庫監(jiān)測點單位面積水體葉綠素a含量晝夜變化很小，當白天有高濃度葉綠素a水體聚集在溫度躍層處時表層葉綠素a濃度相應(yīng)降低；但夜間表層水體降溫引起上下混合時溫度躍層處含有高濃度葉綠素a水體向上運動使得表層葉綠素a濃度升高。