CN109323891A - 一种估算湖泊真光层深度的方法 - Google Patents

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温志丹
宋开山
房冲
尚盈辛
吕丽丽
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Abstract

本发明公开了一种估算湖泊真光层深度的方法，包括如下步骤：S1、使用采水器采集深度为0.5‑1m的表层水体，每个样点采集2L，置于车载冰箱中，避光冷藏保存运送至实验室，24h内采用称重法进行测定其悬浮物浓度值TSM；S2、根据以下模型计算湖泊真光层深度Zeu：Zeu＝4.6/(0.07×TSM+0.86)。本发明通过数据拟合分析的方法，使用实测数据，构建了TSM和Zeu的相关性。该相关性可以用以下关系式进行描述：Zeu＝4.6/(0.07×TSM+0.86)(n＝788)。依据该模型，可以通过实测的TSM值来计算湖泊Zeu，及时、快速、准确。

Description

一种估算湖泊真光层深度的方法
技术领域
本发明涉及湖泊水环境评价领域，具体涉及一种估算湖泊真光层深度的方法。
背景技术
水体真光层深度(Zeu)定义为水柱中支持净初级生产力的部分，其底部深度也就是水柱日净初级生产力为零值的深度。真光层深度直接影响水体中浮游植物的分布以及水体生态环境，是水生态研究的一个重要参数，也是衡量水域生态与环境总体状况的重要因子。真光层深度表征了光在水体中的穿透能力，决定了水中浮游植物、沉水植物的分布，对水体富营养化程度有重要的影响。湖泊与人类生活、生产密切相关，湖泊的初级生产力及湖泊水体富营养化会严重影响湖泊生态系统。因此，开展湖泊水体中真光层深度的相关研究对分析湖泊在全球碳循环中的作用、湖泊碳储量估算、湖泊初级生产力研究具有重要意义。
目前由于技术条件的限制，真光层深度的实际测量相对较为困难，因此一般都采用间接的方法计算真光层深度，比较通用的方法就是通过剖面法测量水体中不同深度的光合有效辐射(PAR)，再计算光合有效辐射的衰减系数(KdPAR)，最后再根据真光层深度和Kd(PAR)的关系(Zeu＝4.6/KdPAR)推算真光层深度值。然而大区域、长时间重复性实测不同深度的PAR数据较难实现。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种便捷的、高效的估算湖泊真光层深度的方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种估算湖泊真光层深度的方法，包括如下步骤：
S1、使用采水器采集深度为0.5-1m的表层水体，每个样点采集2L，置于车载冰箱中，避光冷藏保存运送至实验室，24h内采用称重法进行测定其悬浮物浓度值TSM；
S2、根据以下模型计算湖泊真光层深度Zeu：
Zeu＝4.6/(0.07×TSM+0.86)。
进一步地，所述步骤S1通过以下步骤测定原水样的悬浮物浓度值TSM：
用称量好的0.7μm的Whatman玻璃纤维滤膜于400℃高温煅烧后2h，称重，记录质量，然后使用该滤膜过滤一定体积的原水样，之后将滤膜105℃彻底烘干进行二次称重，两次重量差为悬浮物的重量，除以过滤的水样体积得到TSM。
进一步地，所述步骤S2中的模型通过以下方法构建：
a、对分布在全国的141个湖泊和水库进行采样，每个湖泊和水库设置5-6个采样点，共计788个采样点；选用美国LI-COR公司生产的水下光量子仪(Li-Cor 193SA)现场测定湖泊光合有效辐射(PAR)，具体操作为：在船体面对阳光一侧，将光量子仪放置于水面下方，从水面刚好浸没传感器(约水面以下5cm处)开始，测量水下至少6个不同深度的PAR值，每个深度都停留15s然后记录下仪器输出该深度的PAR平均测量值，利用不同深度测量值进行指数回归其中，z为水体深度，进而计算Kd(PAR)，只有当深度数N≥4，R2≥0.95时拟合结果才被接受，做为该点的Kd(PAR)实测值；
b、使用采水器采集深度为0.5-1m的表层水体，每个样点采集2L表面水体，置于车载冰箱中，避光冷藏保存运送至实验室，24h内采用称重法进行测定其悬浮物浓度(TSM)值，具体操作为：用称量好的0.7μm的Whatman玻璃纤维滤膜于400℃高温煅烧后2h，称重，记录质量。然后使用该滤膜过滤一定体积的原水样，之后将滤膜105℃彻底烘干进行二次称重，两次重量差为悬浮物的重量，除以过滤的水样体积得到TSM；
c、使用MicrosoftExcel2017软件对分布在全国的106个湖泊实测的Kd(PAR)和TSM值，共788个样点，进行相关性拟合分析，构建了Kd(PAR)和Zeu的相关性：Kd(PAR)＝0.07×TSM+0.86，根据真光层深度(Zeu)和Kd(PAR)的关系：Zeu＝4.6/KdPAR，可以得到计算Zeu的新方法：Zeu＝4.6/(0.07×TSM+0.86)。
本发明具有以下有益效果：
1)根据湖泊悬浮物浓度(TSM)值估算真光层深度(Zeu)的方法是本发明首先确立的，使用本发明方法可以依据水体TSM值及时、快速、准确估算湖泊Zeu。
2)通过数据拟合分析的方法，使用实测数据，构建了TSM和Zeu的相关性。该相关性可以用以下关系式进行描述：Zeu＝4.6/(0.07×TSM+0.86)(n＝788)。依据该模型，可以通过实测的TSM值来计算湖泊Zeu。
附图说明
图1为本发明实施例中采样湖泊分布图。
图2为本发明实施例中湖泊Kd(PAR)和TSM相关性分析图。
图3为基于本发明方法进行的湖泊真光层深度(Zeu)估测。
图4为依据实测PAR值得到的Zeu值与依据本发明方法计算出来的Zeu值相关性分析图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明通过数据拟合分析的方法，使用实测数据，构建了湖泊实测的TSM和Zeu的相关性，具体的：
步骤一、对分布在全国的141个湖泊和水库(以下统称湖泊)进行采样(图1)，每个湖泊设置5-6个采样点，共计788个采样点。选用美国LI-COR公司生产的水下光量子仪(Li-Cor193SA)现场测定湖泊光合有效辐射(PAR)。具体操作为：在船体面对阳光一侧，将光量子仪放置于水面下方，从水面刚好浸没传感器(约水面以下5cm处)开始，测量水下至少6个不同深度的PAR值，每个深度都停留15s然后记录下仪器输出该深度的PAR平均测量值，利用不同深度测量值进行指数回归(z为水体深度)，进而计算Kd(PAR)，只有当深度数N≧4，R2≧0.95时拟合结果才被接受，做为该点的Kd(PAR)实测值；
步骤二、使用采水器采集表层水体(0.5-1m)，每个样点采集2L表面水体(0.5-1m)，置于车载冰箱中运送至实验室避光冷藏保存，运送到实验室，24h内采用称重法进行测定其悬浮物浓度(TSM)值。具体操作为：用称量好的0.7μm的Whatman玻璃纤维滤膜于400℃高温煅烧后2h，称重，记录质量。然后使用该滤膜过滤一定体积的原水样，之后将滤膜105℃彻底烘干进行二次称重，两次重量差为悬浮物的重量，除以过滤的水样体积得到TSM。
步骤三、使用MicrosoftExcel2017软件对分布在全国的106个湖泊实测的Kd(PAR)和TSM值(共788个样点)，进行相关性拟合分析，构建了Kd(PAR)和Zeu的相关性，可以用以下关系式进行描述：Kd(PAR)＝0.07×TSM+0.86(R2＝0.80，n＝788)(图2)。根据真光层深度(Zeu)和Kd(PAR)的关系：Zeu＝4.6/KdPAR，可以得到计算Zeu的新方法：Zeu＝4.6/(0.07×TSM+0.86)。
基于上述模型，本发明提供了一种估算湖泊真光层深度的方法，包括如下步骤：
S1、使用采水器采集深度为0.5-1m的表层水体，每个样点采集2L，置于车载冰箱中，避光冷藏保存运送至实验室，24h内采用称重法进行测定其悬浮物浓度值TSM；
S2、根据以下模型计算湖泊真光层深度Zeu：
Zeu＝4.6/(0.07×TSM+0.86)。
发明人使用该方法对分布在全国的88个湖泊进行Zeu估测，共计317个采样点，结果如图3，东北地区湖泊Zeu较浅，大部分湖泊Zeu值不超过5m；而青藏高原地区湖泊Zeu较深，湖泊Zeu甚至可以深达30m。
为了验证该估算结果的准确性，本研究同时通过剖面法测量水体中不同深度的光合有效辐射(PAR)，并根据实测PAR值计算了这88湖泊的Zeu值，将这些Zeu值与依据本专利方法计算出来的Zeu值进行拟合分析，实现模型精度验证(图4)，结果表明平均绝对百分误差(MAPE)仅为26.63％，依据本专利方法计算出来的Zeu值与实测Zeu值的比值为0.98，相关性精度较好，依据本发明方法计算出来的Zeu值具有较高的可信度。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种估算湖泊真光层深度的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、使用采水器采集深度为0.5-1m的表层水体，每个样点采集2L，置于车载冰箱中，避光冷藏保存运送至实验室，24h内采用称重法进行测定其悬浮物浓度值TSM；
S2、根据以下模型计算湖泊真光层深度Zeu：
Zeu＝4.6/(0.07×TSM+0.86)。
2.如权利要求1所述的一种估算湖泊真光层深度的方法，其特征在于：所述步骤S1通过以下步骤测定原水样的悬浮物浓度值TSM：
用称量好的0.7μm的Whatman玻璃纤维滤膜于400℃高温煅烧后2h，称重，记录质量，然后使用该滤膜过滤一定体积的原水样，之后将滤膜105℃彻底烘干进行二次称重，两次重量差为悬浮物的重量，除以过滤的水样体积得到TSM。
3.如权利要求1所述的一种估算湖泊真光层深度的方法，其特征在于：所述步骤S2中的模型通过以下方法构建：
a、对分布在全国的141个湖泊和水库进行采样，每个湖泊和水库设置5-6个采样点，共计788个采样点；选用美国LI-COR公司生产的水下光量子仪(Li-Cor 193SA)现场测定湖泊光合有效辐射(PAR)，具体操作为：在船体面对阳光一侧，将光量子仪放置于水面下方，从水面刚好浸没传感器(约水面以下5cm处)开始，测量水下至少6个不同深度的PAR值，每个深度都停留15s然后记录下仪器输出该深度的PAR平均测量值，利用不同深度测量值进行指数回归其中，z为水体深度，进而计算Kd(PAR)，只有当深度数N≧4，R2≧0.95时拟合结果才被接受，做为该点的Kd(PAR)实测值；
b、使用采水器采集深度为0.5-1m的表层水体，每个样点采集2L表面水体，置于车载冰箱中，避光冷藏保存运送至实验室，24h内采用称重法进行测定其悬浮物浓度(TSM)值，具体操作为：用称量好的0.7μm的Whatman玻璃纤维滤膜于400℃高温煅烧后2h，称重，记录质量。然后使用该滤膜过滤一定体积的原水样，之后将滤膜105℃彻底烘干进行二次称重，两次重量差为悬浮物的重量，除以过滤的水样体积得到TSM；
c、使用Microsoft Excel 2017软件对分布在全国的106个湖泊实测的Kd(PAR)和TSM值，共788个样点，进行相关性拟合分析，构建了Kd(PAR)和Zeu的相关性：Kd(PAR)＝0.07×TSM+0.86，根据真光层深度(Zeu)和Kd(PAR)的关系：Zeu＝4.6/KdPAR，可以得到计算Zeu的新方法：Zeu＝4.6/(0.07×TSM+0.86)。
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