不同計(jì)算方式表征三峽水庫(kù)臨界層深度的合理性

（三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

Sverdrup［1］于1953年建立了海洋春季水華暴發(fā)的臨界層理論，認(rèn)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(fā)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(jié)性暴發(fā)和演替的規(guī)律［2-5］；對(duì)于河道型水庫(kù)香溪河，其水華爆發(fā)頻繁，很多學(xué)者也透過(guò)臨界層理論對(duì)其水華爆發(fā)的原因做出了各自的解釋［6-8］。

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

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

1 材料與方法

根據(jù)香溪河自然環(huán)境特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)實(shí)施的可行性，選取香溪河水華多發(fā)河段高嵐河河段為觀測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.1 黑白瓶法基本原理

通過(guò)測(cè)定水中溶解氧的變化，間接計(jì)算有機(jī)物質(zhì)的生成量，是用黑白瓶測(cè)氧法研究初級(jí)生產(chǎn)力的基本原理。當(dāng)帶有浮游生物樣品的黑白瓶懸掛水中曝光時(shí)，黑瓶中藻類由于得不到光照，只能進(jìn)行呼吸作用，黑瓶中的溶解氧將會(huì)減少；與此同時(shí)，白瓶中的藻類在光照條件下，光合作用與呼吸作用同時(shí)進(jìn)行，白瓶中的溶解氧量一般會(huì)明顯增加，假定光照條件與黑暗條件下的呼吸強(qiáng)度相等，就可根據(jù)掛瓶曝光期間內(nèi)，黑、白瓶中的溶解氧變化計(jì)算出光合作用與呼吸作用的強(qiáng)度［15］。

1.2 實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)尼龍繩，木夾子，黑布袋

測(cè)量?jī)x器：多參儀（hydrolabDS5，美國(guó)HACH公司）；ZDS-10W-1D水下光量子儀 （測(cè)量波長(zhǎng)范圍：400～760nm）；薩氏盤(pán)（Secchi Disc）。

實(shí)驗(yàn)材料：測(cè)定溶解氧的實(shí)驗(yàn)儀器和藥劑。

1.3 測(cè)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(dòng)［16］，故本實(shí)驗(yàn)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(lái)測(cè)定黑瓶的溶解氧；第2瓶直接掛回原水層，作為白瓶測(cè)定溶解氧；第3瓶作為初始值直接測(cè)量溶解氧；第四瓶用于藻類鑒定。掛完水樣后用多參儀測(cè)定水溫；用光量子儀測(cè)定水下光照；用薩氏盤(pán)測(cè)定透明度。同時(shí)記錄氣候、環(huán)境指標(biāo)。灌水時(shí)將導(dǎo)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(fù)以上工作，共持續(xù)10d。

1.3.2 黑白瓶的固定

曝光結(jié)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(duì)瓶中溶氧進(jìn)行固定，固定搖勻后放入黑暗處帶回室進(jìn)行滴定測(cè)氧。若瓶中有大量氣泡，加藥劑時(shí)應(yīng)微微傾斜BOD瓶避免氧氣逸出。

1.4 計(jì)算方法

1.4.1 各水層日生產(chǎn)量（O2，mg/L）計(jì)算

總生產(chǎn)量=白瓶溶解氧量-黑瓶溶解氧量。

凈生產(chǎn)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(jì)算

按上面方法計(jì)算出各水層日凈生產(chǎn)量。根據(jù)測(cè)定的各水層凈生產(chǎn)量與對(duì)應(yīng)水深擬合函數(shù)關(guān)系：

式中 p為水層日凈生產(chǎn)量；Z為水深。

當(dāng)p=0時(shí)，對(duì)應(yīng)的Zco為光補(bǔ)償深度，即光合作用強(qiáng)度等于呼吸作用強(qiáng)度的水層深度［17］，Zco以上的水層是有有機(jī)物積累的，Zco以下是消耗有機(jī)物的。將各天的函數(shù)式在深度上積分得水柱日凈生產(chǎn)量P=0-zf（Z）dZ，當(dāng)P=0時(shí)對(duì)應(yīng)的Zcr為臨界層深度，即整個(gè)水柱有產(chǎn)物積累或消耗有機(jī)物的水層分界深度［1］。

2 結(jié)果與分析

2.1 凈生產(chǎn)力p的垂向分布

在為期10d的連續(xù)監(jiān)測(cè)中，經(jīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，降雨對(duì)藻類生產(chǎn)力影響很大［18］，雨水沖擊和雨天微弱的陽(yáng)光使藻類生產(chǎn)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(chǎn)量驟降，也改變了藻類的垂向分布規(guī)律。

各水層凈產(chǎn)量如圖1，凈產(chǎn)量主要產(chǎn)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(qiáng)，這兩天產(chǎn)量最高，分別為1.76mg/L和1.77mg/L。降雨期間產(chǎn)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(xù)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(guò)程，也是藻類生產(chǎn)量逐步回升的過(guò)程?？梢钥闯錾a(chǎn)力的雨后恢復(fù)緩慢，而降雨對(duì)生產(chǎn)力的影響卻是驟然的［18］。 2m以下凈產(chǎn)量降低很快，在3～5m之間變?yōu)?，其后均為負(fù)值。說(shuō)明這10d的光補(bǔ)償深度都在3～5m，晴天補(bǔ)償深度略大于陰雨天，這與晴天光照強(qiáng)度大，透射到水里的有效輻射更深有關(guān)。各天5m以下的產(chǎn)生情況相差不大。通過(guò)每天分層取樣鑒定，發(fā)現(xiàn)在水層5m以下的水體中，藻類相對(duì)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(chǎn)量的垂向分布

2.2 光照強(qiáng)度IZ垂向分布與光衰減系數(shù)k

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

光照強(qiáng)度沿水深衰減過(guò)程均符合Sverdrup［1］在臨界層理論中提出的指數(shù)分布公式：

式中 IZ為水下Z深度的光照強(qiáng)度；Ie為水面光照強(qiáng)度；k為水下光衰減系數(shù)。

圖2 每日水下光分布情況

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

根據(jù)上述指數(shù)公式，對(duì)實(shí)驗(yàn)期間各天的光照進(jìn)行指數(shù)函數(shù)擬合，求出各天的光衰減系數(shù)。2016-09-08～2016-09-17，兩種光衰減系數(shù)的變化情況如圖3，分別求出了2m以內(nèi)的光衰減系數(shù)和整個(gè)真光層的光衰減系數(shù)。

圖3結(jié)果表明，晴天2m以內(nèi)的光衰減系數(shù)明顯大于整個(gè)真光層的衰減系數(shù)，說(shuō)明晴天光照強(qiáng)度在2m以內(nèi)水層衰減的比下層快，這反映了晴天藻類聚集在水面的現(xiàn)象。隨著天氣變化，兩種光衰減系數(shù)的大小關(guān)系也跟著變化，反應(yīng)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(shù)的變化情況

2.3 臨界層深度Zcr與光補(bǔ)償深度Zco的變化規(guī)律

根據(jù)第1.4章節(jié)積分式求得各天的臨界層深度Zcr和光補(bǔ)償深度Zco，如圖4。

圖4 Zcr和Zco變化趨勢(shì)

由圖4可知，Zcr波動(dòng)很大，最大值高達(dá)14.12m，最小值低至5.00m。整體符合晴天深，雨天淺，降雨會(huì)使臨界層深度驟然降低，而雨后天晴恢復(fù)的過(guò)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(bǔ)償點(diǎn)只考慮單層水體的生產(chǎn)情況，與上、下水層產(chǎn)量的積累或消耗均無(wú)關(guān)系。Zco波動(dòng)不大說(shuō)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(shì)的不同，說(shuō)明藻類初級(jí)生產(chǎn)力的差異主要產(chǎn)生在4m以上的水層。

2.4 按光照強(qiáng)度計(jì)算3種臨界層深度（Z1%，Z14，Z2.7SD）

真光層深度指開(kāi)放水體中陽(yáng)光照射所達(dá)、光合作用得以發(fā)生的水體深度，為水柱中支持凈初級(jí)生產(chǎn)力的部分，其底部為臨界深度，海洋、湖泊、河流等水域生態(tài)系統(tǒng)中藻類基本分布在這一層［8］。很多學(xué)者在研究中把真光層深度等同于臨界層深度。根據(jù)不同的計(jì)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(jì)算出臨界層深度。

圖5 不同計(jì)算方式下的臨界層深度

由圖5可以看出Z1%和Z2.7SD波動(dòng)較小，二者的變化趨勢(shì)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(xì)胞濃度影響較大，當(dāng)藻類聚集在水面時(shí)會(huì)急劇降低，Z1%按百分比計(jì)算而來(lái)，與表層光照強(qiáng)度基數(shù)大小無(wú)關(guān)。Z1%和Z2.7SD均可反應(yīng)監(jiān)測(cè)時(shí)期的現(xiàn)存藻生物量大小及分布情況，但不能反應(yīng)各水層藻細(xì)胞所受到的實(shí)際光照強(qiáng)度，因而無(wú)法根據(jù)Z1%和Z2.7SD直接推測(cè)這些藻細(xì)胞當(dāng)日的光合作用產(chǎn)量。

（2）Z14波動(dòng)較大，其波動(dòng)規(guī)律同表層光照強(qiáng)度關(guān)系密切。Z14同時(shí)考慮到不同藻密度水體對(duì)光照強(qiáng)度的衰減作用和表層光照強(qiáng)度基數(shù)的大小，但由于各天表層光照強(qiáng)度差異遠(yuǎn)大于不同藻密度水體衰光作用的差異，故Z14受表層光照強(qiáng)度基數(shù)大小的影響更為突出。

3 相關(guān)關(guān)系分析

為探明實(shí)際臨界層深度Zcr與真光層深度有何關(guān)系，本文對(duì)Zcr與Z1%，Z14，Z2.7SD及表層光照強(qiáng)度Ie做出了相關(guān)關(guān)系計(jì)算，結(jié)果如表2。

表2 相關(guān)關(guān)系統(tǒng)計(jì)

3.1 Zcr與Z1%存在相關(guān)性

相關(guān)性不顯著（r=-0.692）。Z1%受現(xiàn)存藻密度影響較大，與表層光照強(qiáng)度基數(shù)大小無(wú)關(guān)。例如：9月17日表層光照為46.21μmol/（m2·s），其10%只有4.62μmol/（m2·s），計(jì)算到1%的水層沒(méi)有生產(chǎn)意義，使Zcr與Z1%相關(guān)性不顯著。同時(shí)，當(dāng)藻類光合作用增強(qiáng)時(shí)，藻密度會(huì)變大，水體透光性會(huì)降低，Z1%會(huì)變小；隨后，水體透光性降低又會(huì)反過(guò)來(lái)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(gè)負(fù)反饋調(diào)節(jié)過(guò)程。以至于在調(diào)節(jié)過(guò)程中的不同階段測(cè)量，Zcr與Z1%可能會(huì)出現(xiàn)正、負(fù)不同的相關(guān)性。

3.2 Zcr與Z14的相關(guān)性略大于與Z1%的相關(guān)性

其原因是Z14中考慮到表層光照強(qiáng)度的大小，避免了Z1%中因Ie×1%過(guò)大或過(guò)小造成的誤差，但Zcr與Z14的相關(guān)程度（r=0.770）也不高，藻類生產(chǎn)力除了受光照強(qiáng)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(huán)境下，大部分藻聚集在表層水體的生產(chǎn)力會(huì)比聚集在14μmol/（m2·s）水層時(shí)的生產(chǎn)力大，因Z14無(wú)法考慮到藻顆粒數(shù)量和分層情況，故不能很好地描述實(shí)際臨界層深度。

3.3 Zcr與Z2.7SD無(wú)相關(guān)性

Z2.7SD根據(jù)光密度得來(lái)，測(cè)量時(shí)局限在水面很淺的一層，在淡水湖泊中可以近似代表整個(gè)水深的透光情況，但是河道型水庫(kù)一般比淡水湖泊深很多，表層1～2m無(wú)法代表整個(gè)水深的透光情況。同時(shí)，光密度值是通過(guò)人眼觀察所得，不同的人眼力不同，相同的人在不同環(huán)境下讀數(shù)也會(huì)有所差異。

4 討論

通過(guò)上述分析，淡水湖泊和海洋中運(yùn)用較好的臨界層理論并不能簡(jiǎn)單地套用在三峽水庫(kù)，河道型水庫(kù)應(yīng)具有適合其水環(huán)境條件的表示方法。

河道型水庫(kù)相比于湖泊有以下特點(diǎn)：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(kù)中的藻生物量一般比湖泊中少，但垂向遷移能力更強(qiáng)，遷移程度更大；河庫(kù)中水流速度較大，受三峽大壩調(diào)洪影響，庫(kù)區(qū)水位波動(dòng)也大。

三峽水庫(kù)和普通湖泊主要的不同表現(xiàn)在水深和藻類遷移特點(diǎn)上，對(duì)于不同的季節(jié)和儲(chǔ)、泄水工況，其計(jì)算方式應(yīng)當(dāng)存在差異。本實(shí)驗(yàn)在夏末秋初儲(chǔ)水階段進(jìn)行，從相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)表層光照強(qiáng)度與臨界層深度有較高的相關(guān)性（r=0.973）。為探明Zcr與Ie的相關(guān)關(guān)系，擬合函數(shù)圖像如圖6。

圖6 Zcr和Ie的關(guān)系曲線

由于沒(méi)有考慮到現(xiàn)存生物量的影響，函數(shù)式Zcr=0.0065×Ie+4.8563只適用于這個(gè)季節(jié)香溪河特定的地方，對(duì)于擁有不同藻生物量的地點(diǎn)會(huì)有不同的關(guān)系式。筆者看來(lái)，僅僅考慮光照是不能推求出通用公式的，應(yīng)結(jié)合藻生物量和其分層情況對(duì)臨界層深度做進(jìn)一步研究，推求真正適合三峽庫(kù)區(qū)的計(jì)算方法。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）利用光照計(jì)算出的真光層深度代替臨界層深度在實(shí)驗(yàn)方法上具有簡(jiǎn)單、易操作性，但光照是無(wú)法完全代表初級(jí)生產(chǎn)力的。在河道型水庫(kù)中應(yīng)當(dāng)結(jié)合藻生物量對(duì)其計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)。

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

（3）Z1%和Z14與Zcr具有一定的相關(guān)性，但均需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn)。相比于Z1%，Z14更能適應(yīng)香溪河多變的天氣和光照強(qiáng)度，在沒(méi)有更好的計(jì)算方法之前，Z14應(yīng)是學(xué)者研究香溪河水庫(kù)首選的計(jì)算方法。

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