张竞予　鱼京善　李占杰　张跃武　刘苑

摘要：分析官厅水库夏季（8月份）叶绿素a浓度短时变化特征，对于水库水体富营养化研究具有重要意义。利用以分钟为步长的水温、水深及叶绿素a浓度实测数据及气象数据，对叶绿素a浓度垂向及昼夜变化特征进行了分析。结果表明：叶绿素a浓度最高值是表层浓度的1.5～2倍，其出现位置与温度跃层位置基本一致。叶绿素a浓度具有昼夜周期性变化特征。白昼，温度跃层以上叶绿素a浓度随水深增加逐渐增加，在温度跃层以下，随水深增加逐渐降低；夜间，温跃层以上叶绿素a浓度基本稳定不变，在温度跃层以下与白昼变化趋势相同。表层水体叶绿素a浓度夜间大于白天，且与光照及表层水温呈负相关。水库叶绿素a浓度短时分布特征主要与温度分层以及限制性营养盐磷的释放有关。

关键词：叶绿素a；温度分层；短时分布；垂向变化；昼夜变化；官厅水库

中图分类号：X524 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）02-0095-06

叶绿素a作为浮游植物的重要组成成分，是衡量浮游植物现存量和水体富营养化程度的重要指标。国内外对于湖库中叶绿素a浓度时空分布研究发现，水体中叶绿素a浓度的分布主要受到温度、营养盐、光照和水动力条件的影响。夏季由于光照、温度、降水等因素有利于藻类繁殖，成为水华爆发的高发期，并且水华的爆发是由量变到质变、由渐变到突变的状态阶跃过程，因此对夏季湖库水体叶绿素a浓度进行短时间步长监测具有重要意义。目前叶绿素a浓度监测多采用定点采样实验室分析的方法，无法获得连续、垂向的叶绿素a浓度数据，尤其是短时间间隔、昼夜连续、多频次的监测尚不多见。

官厅水库位于张家口市怀来县和北京市延庆县界内，属于中国重要水系之一的海河流域。孙寓姣、陈程等（2015）对官厅水库夏季水体6个采样点进行水质监测，发现夏季库区采样点总氮总磷平均浓度最高分别达到了4.27 mg/l、0.25mg/l，均超過地表湖库V类水标准最易发生水华。目前对于官厅水库水质的研究多采用表层水体取样的方法，无法深度探究垂向水体水质达标情况也无法全面揭示该地区水质状况。因此本文对官厅水库库区夏季水体叶绿素a浓度及相关环境因子进行水体垂向、昼夜连续、短时间间隔监测，分析短时间尺度上叶绿素a浓度动态变化特征，以期为该地区水华爆发的预警提供理论依据。

1材料及方法

1.1监测点位置

监测点位于北京市官厅水库下游管理局附近，如图1所示该区域是一个相对较为独立封闭的区域，水文条件较为简单，便于排除复杂环境因素的干扰。同时，通过对夏季官厅水库水质采样及水华产生时间分析，发现夏季库区水质最差，最易发生水华，因此，采样时间选在8月份。

1.2采样方法

叶绿素a浓度采用INFINITY水质测量仪，水体水温监测采用美国Onset公司的HOBO水位水温测量仪，见图2。仪器参数见表1，表2。水质监测仪利用叶绿素的荧光特性进行浓度测定。设计制作连续自动升降装置用以搭载HOBO和INFINI-TY测量仪。升降装置含有电动马达、12 V电源、正反向自动控制开关和转轴。装置可定时自动下放、停止和上升，其下放及上升速度约为0.5 m/s。数据获取间隔为1 min，每天10组观测数据开始时间分别为0：00；3：00；6：00；8：00；10：00；12：00；14：00；16：00；18：00；21：00，监测指标为水体垂向0～7m及表层短时间间隔的水温、水深、叶绿素a浓度。

同时在监测区域安装小型气象仪获取气象数据，包括气温、降雨、风向风速、光照，时间步长为分钟。

1.3分析方法

利用统计分析以及克里金插值方法对获取的短时间间隔数据进行相关性分析及时间序列上的等值线插值分析。

2结果与分析

2.1气象要素变化

官厅水库监测时段内气象要素变化见图3，该时段内无降水。由图可知，温度呈现周期性变化即白天温度高夜间温度低，最高温度出现在14：00-16：00，约为33℃，最低温度出现在凌晨6：00左右，约为17℃。风速较小，基本在1.5 m/s以下，最高风速达到3.5 m/s。光照强度呈现较为稳定的周期性变化，与气温变化呈现正相关。该地区监测时段内降雨和风速对叶绿素a浓度的影响很小。

2.2水温变化

将监测点位水温进行垂向及时间尺度上的克里金插值，得到水温等值线图，见图4。可以看出，水体表层温度最高，在26℃～28℃之间；底层温度最低，在24℃～25℃之间；出现温度跃层和明显分层现象，温度跃层在水深3～5 m之间。夜间（21：00-次日6：00），水体表层0～3 m为恒温混合层，垂向水温基本不变，温度跃层在3～5 m处水温下降明显；白天（8：00-18：00），水体表层混合层厚度较夜间有所减小，在某一时刻混合层甚至消失，从表层开始随水深增加水温呈持续下降的状态。温度跃层深度也在变化，夜间温度跃层较深且表层0～3m出现恒温混合层；白天温度跃层深度浅且恒温混合层厚度变浅，同时在该处会出现叶绿素a浓度的最高值。官厅水库夏季水温变化特征与已有研究结果基本一致。

2.3叶绿素a浓度变化分析

2.3.1叶绿素a浓度垂向变化

监测点一天内10次垂向观测结果见图5，其中2015/8/6 21：00数据缺失。结果显示垂向叶绿素a浓度最高值出现在水深3～4 m。夜间水体表层0-3m，叶绿素a浓度在水深方向变化不大，维持在8-10μg/L之间，随后随深度增加叶绿素a浓度逐渐降低，最低浓度在底部约为4～6 μg/L，整体呈现一定的波动性见图5（a）。白天水体水深0～3 m处叶绿素a浓度随深度增加而增加，即水体表层叶绿素a浓度较低在6～9μg/L，在水深3 m处达到最大值最高浓度在10-12μg/L之间且为水体表层浓度的1.5～2倍，3 m以下叶绿素a浓度呈现随着深度的增加而降低的特征，在水库底层叶绿素a浓度达到最低值，见图5（b）。

监测点位叶绿素a浓度垂向变化呈现白天先增加后减少、夜间先稳定后减少的规律，且最大值出现的位置与温度跃层出现的位置上基本一致，两者的相关关系见图6。这可能与温度分层以及底泥磷的向上释放有关。在天然水体中大部分磷存在于沉积物中，当水温出现分层现象时会使得湖水在垂直方向跃层上下水体交换受到抑制同时也会导致湖泊水质出现分层现象。已有研究表明官厅水库地区磷为主要限制性营养盐。底泥中磷的释放，在水的扰动作用下向上运动，当达到温度跃层处时，由于上部混合层和温度跃层处水体上下交换很弱使得磷无法向上补给，上部混合层磷浓度较温度跃层处浓度低，又由于温跃层处水温较为适宜，因此在营养盐供给充分的温度跃层处形成叶绿素a浓度最大值，温度跃层在水深方向的移动使叶绿素a浓度最大值随之变化。

2.3.2叶绿素a浓度昼夜变化

将监测点位叶绿素a浓度进行垂向及时间尺度上的克里金插值得到叶绿素a浓度等值线（图7）。监测点表层叶绿素a浓度昼夜变化呈现一定的周期性，夜间较为稳定白天变化幅度大且叶绿素a浓度整体夜间高于白天。凌晨5：00，叶绿素a浓度达到最高值，约为10μg/L；5：00-12：00叶绿素a浓度逐渐降低，12：00处出现最低值约为4 μg/L；12：0-19：00叶绿素a浓度开始逐渐升高，19：00又达到最大值，约为10 μg/L；19：00至次日5：00叶绿素a浓度呈一定的下降趋势但基本稳定，维持在7μg/L以上。该变化与表层水温及光照强度呈现相反的趋势。叶绿素a浓度垂向最大值出现在水深2 5～4 m，且垂向最高值的出现位置也随时间不断变化，白天最高值出现的位置深度较浅，最浅在水深2 5 m左右；夜间最高值出现的位置深度较深，最深在水深4 m左右。

观察到官厅水库监测点监测时间段内夜间表层叶绿素a浓度高于白天与光照和水温呈现相反的变化趋势，且夜间与白天叶绿素a浓度的垂向分布也不尽相同，这与垂向水体温度分层及水体垂向扰动有关。

单位面积垂向叶绿素a含量昼夜变化见图8，在时间尺度上单位面积叶绿素a浓度总量变化不大。因此随着叶绿素a浓度在温跃层聚集和水体上下混合，表层叶绿素a浓度产生相应变化。白天，在温度分层和磷的共同作用下，叶绿素a浓度最高值集中出现在温跃层处因此表层浓度相应降低；夜间，表层水体快速降温水体上下混合，此时温跃层处高浓度叶绿素a浓度水体向上混合，最终混合層叶绿素a浓度基本持平，因此表层浓度相应增加。

4结论

官厅水库夏季水体叶绿素a浓度在垂向水深3～4 m处出现最大值，其位置与温度跃层所在位置一致，深度随温度跃层深度的变化而变化，其主要原因为温度分层引起的上部温度跃层和上部混合层水体上下交换十分缓慢，底泥释放的限制营养盐磷无法及时供给至混合层且表层水温高于底层水温。温跃层以上得不到充分的营养供给温跃层以下光照弱温度低限制浮游植物生长，因此在温跃层处易形成叶绿素a浓度峰值。水体垂向叶绿素a浓度最高值为表层浓度的1.5～2倍，因此对水体水质分析时仅取表层水体进行采样并不具有代表性。

水体垂向分布昼夜呈现不同的变化趋势。白昼叶绿素a浓度在垂向上随深度增加而逐渐增加，在3 m处出现最大值，大于3 m水深后浓度呈降低趋势；夜间由于表层水体降温上下混合形成混合层，混合层在0～3 m水深处，叶绿素a浓度在混合层垂向变化不大，大于3 m水深后浓度呈减少趋势，但此变化趋势不明显，基本呈波动状。

官厅水库监测点表层叶绿素a浓度的昼夜变化呈现一定的周期性，变化趋势与光照及温度相反。夜间表层叶绿素a浓度整体高于白天，表层叶绿素a浓度与光照及温度呈现负相关变化，这与水体温度分层的变化及水体垂向上下扰动有关。官厅水库监测点单位面积水体叶绿素a含量昼夜变化很小，当白天有高浓度叶绿素a水体聚集在温度跃层处时表层叶绿素a浓度相应降低；但夜间表层水体降温引起上下混合时温度跃层处含有高浓度叶绿素a水体向上运动使得表层叶绿素a浓度升高。