Vakgroep Natuurbeheer
S€ctie Waterkwalircitsbeheer
Licht onder water
Het belang van extinktiemetingen
Vakgroep Natuurbeheer
Sectie Wate rkwaliteitsbeheer
Licht onder water
Het belang van extinktiemetingen
1992
lr. G. Blom
VOORWOORD
Door Rijkswaterstaat is, in het kader van het integraal waterbeheer, een biologisch
monitoringprogramma opgezet. Extinktiemetingen zijn een onderdeel van dit monitoringprogramma. In het waterbeheer worden reeds lang zichtdiepte-metingen uitgevoerd
om de ontwikkeling van het lichtklimaat onder water te volgen. Met het uitvoeren van
extinktiemetingen in monitoringprogramma's is er in Nederland nog betrekkelijk weinig
ervaring.
Dit rapport werd mede geschreven ter onderbouwing van de opname van extinktiemetingen in het biologisch monitoringprogramma. ln het rapport worden de actuele
inzichten met betrekking tot het belang van licht voor het functioneren van aquatische
ecosystemen samengevat. Tevens wordt ingegaan op de belangrijkste processen en
componenten, die de uitdoving van licht in aquatische systemen bepalen. In het rapport
wordt ook de samenhang tussen de verschillende gebruikte methoden om het lichtklimaat te karakteriseren beschreven. Tot slot wordt ingegaan op modellen, die de
samenhang tussen de concentratie van verschillende compohenten, de opwerveling van
bodemslib en eutrofidring enerzijds en de extinktieco€fficidnt en zichtdiepte anderzijds
beschrijven.
Het rapport is geschreven in opdracht van Rijkswaterstaat, het Rijksinstituut voor
lntegraal Zoetwaterbeheer en Afvalwaterbehandeling (RIZA). Het onderzoek en de
rapportage is uitgevoerd door de Landbouwuniversiteit Wageningen, Vakgroep Natuurbeheer. Aan de totstandkoming van het rapport werd bijgedragen door Mike Lurling, die
de data-analyse en verwerking verzorgde. Het onderzoek en de rapportage werden
begeleid door een door het RIZA ingestelde begeleidingscommissie, waarin zitting
hadden: ir H. Buiteveld (RIZA) en dr M. Ebben (DGW).
Zicht op licht is belangrijk voor een effectief beheer van aquatische ecosystemen. lk
hoop en verwacht dat dit rapport niet alleen zal bijdragen aan de onderbouwing van de
opname van extinktiemetingen in het door waterbeheerders uit te voeren monitoringonderzoek, maar ook aan de totstandkoming van effectieve strategiedn om het lichtklimaat in de Nederlandse oppervlaktewateren te verbeteren.
ir G. Blom
Wageningen, 1992.
SAMENVATTING
Van oudsher maakt het meten van de zichtdiepte onderdeel uit van het door waterbeheerders uitgevoerde monitoringprogramma. Met het meten van de extinktiecodfficidnt
is minder ervaring. Extinktiemetingen vormen een onderdeel van het Biologisch
Monitoringprogramma Zoete Rijkswateren, dat door het RIZA is opgezet. Het doel van
dit rapport is het samenvatten van de inzichten over de relevantie van extinktiemetingen voor het beheer van watersystemen en de mogelijkheden voor het gebruik van
extinktiemetingen. ln samenhang hiermee wordt de gewenste nauwkeurigheid van
extinktiemetingen bepaald.
Voor de fotosynthese door algen en waterplanten is licht met een golflengte tussen de
4OO en 700 nm belangrijk (Photosynthetically Active Radiation, PAR). Dit deel van het
spectrum komt ongeveer overeen met het zichtbare licht. Voor de groei van algen en
waterplanten is niet alleen de totale hoeveelheid PAR van belang, maar ook de spectrale
verdeling van dit licht. Licht onder water is niet alleen belangrijk voor de groei van algen
en waterplanten, maar ook voor het zicht onder water. De zichtdiepte is belangrijk voor
recreanten, zoals zwemmers, maar ook voor op zicht jagende vissen en vogels.
Er ziln twee processen, die de uitdoving van licht in watersystemen bepalen. Absorptie
van licht zorgt voor de omzetting van licht in warmte of chemische energie. Verstrooiing verandert slechts de richting van het licht. Verschillende componenten in het water
dragen bij aan de absorptie en verstrooiing. Opgeloste organische stoffen (Gelbstoff),
algen en dode organische zwevende stof bepalen de absorptiecodfficidnt van oppervlaktewateren. De verstrooiingscodffici€nt wordt bepaald door het in het water aanwezige
particulair materiaal; algen en dode organische en anorganische zwevende stof.
Er is een aantal methoden gangbaar om het lichtklimaat onder water te karakteriseren.
Met behulp van een Secchi-schijf wordt de zichtdiepte bepaald. Met behulp van
lichtmetingen op tenminste twee diepten in het water wordt de extinktieco€fficidnt
bepaald. Soms wordt ook de troebelheid van water gemeten met behulp van een
troebelheidsmeter. Uit de theorie volgt dat de extinktiecoEfficidnt gevoeliger is voor
absorptie dan voor verstrooiing. De zichtdiepte daarentegen hangt nagenoeg even sterk
af van absorptie als van verstrooiing. De troebelheid wordt bepaald door de verstrooiing
van licht. In de vaak troebele Nederlandse oppervlaktewateren is de verstrooiingscoeffici€nt vaak veel groter dan de absorptiecodfficidnt. Omdat de extinktieco€fficidnt,
zichtdiepte en troebelheid op verschillende wijzen gerelateerd zijn aan absorptie en
verstrooiing van licht zijn de drie eerstgenoemde variabelen niet zonder meer in elkaar
om te rekenen.
De relatie tussen de extinktieco€fficiEnt en de concentratie van verschillende componenten in het water kan met een eenvoudig lineair verband benaderd worden. Voor de
zichtdiepte geldt een minder eenvoudig verband. De inverse zichtdiepte (Sd-l) is een
lineaire functie van de concentratie van deze componenten. Dit betekent dat de
zichtdiepte, zolang deze kleiner is dan 1 meter, relatief langzaam reageert op afnemende concentraties van de componenten. Zodra de zichtdiepte groter is dan 1 rneter, is
juist een relatief sterke toename bij afnemende concentraties te verwachten. De
verbanden tussen de concentratie van verschillende componenten en de extinktiecodffici6nt respectievelijk de zichtdiepte blijken goed te voldoen in een groot aantal Nederlandse oppervla ktewateren.
In ondiepe meren wordt de troebelheid vaak grotendeelsbepaald door
opgewerveld
bodemslib. In een aantal Nederlandse meren blijkt m.b.v. een dynamisch model voor
opwerveling van bodemslib door windgolven en de gevolgen voor de extinktieco6fficient een goede beschrijving van de dynamiek van de extinktiecodffici€nt te worden
verkregen.
Op basis van de in het waterbeheer vaak gebruikte relaties van de Commissie voor
Uitvoering van de Wet Verontreiniging Oppervlaktewateren (CUWVO) voor de samenhang tussen de nutriEntenbelasting en de zomergemiddelde chlorofyl-a concentratie kan
een verband worden afgeleid tussen de extinktiecodffici€nt en deze nutrientenbelasting.
De onzekerheden en onnauwkeurigheden in de CUWVO-relaties werken door in het
verband voor de extinktiecodfficidnt. Het verband leidt vaak tot een overschatting van
de extinktiecoEf fici6nt.
De extinktiecodffici€nt is een belangrijke invoerwaarde in modellen voor de groei van
algen en waterplanten. De simulatieresultaten van deze modellen zijn gevoelig voor
fouten in de ingevoerde extinktieco6ffici6nt. De relatieve fout in de gesimuleerde algen-,
respectievelijk plantenbiomassa kan ten minste oplopen tot 1 d 2 maal de relatieve fout
in de ingevoerde extinktiecodffici6nt.
Aanbevolen wordt om de bepaling van de extinktieco€fficidnt op te nemen in de
onderzoeksprograrnma's in Nederlandse oppervlaktewateren. De extinktierneting kan de
meting van de zichtdiepte niet vervangen. Voor het omgekeerde geldt hetzelfde. De
beschreven modellen kunnen een bijdrage leveren aan de interpretatie van de resultaten
en aan het tot stand komen van effectieve strategiedn voor het verbeteren van het
lichtklimaat in Nederlandse oppervlaktewateren.
INHOUD
VOORWOORD
SAMENVATTING
INHOUD
INLEIDING
1.1
1.2
1.3
Licht en waterbeheer
Doel van het rapport . .
Inhoud van het rapport
1
1
.
1
KARAKTERISTIEKEN VAN HET LICHTKLIMAAT ONDER WATER
2.1
2.2
2.3
2.4
lnstraling van zonlicht . . .
Absorptie, verstrooiing, bundelverzwakking . .
lrradiantie onder water
De extinktiecodfficiEnt voor 66n golflengte
3
5
.
4
5
HET BELANG VAN HET LICHTKLIMAAT ONDER WATER
3.1
3.2
3.3
3.4
4
Golflengte en de groei van algen en planten
Lichtintensiteit en fotosynthese . .
De ecologische betekenis van het lichtklimaat
Zicht onder water
I
10
1
ABSORBERENDE EN VERSTROOIENDE COMPONENTEN IN HET WATER
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
Water
Opgeloste organische
Algen
stoffen
Dode zwevende stof
De betekenis voor oppervlaktewateren in Nederland . .
.
METEN VAN UITDOVING IN HET WATER EN DE RELATIES
TUSSEN DE METINGEN
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
De
De
zichtdiepte
extinktiecodfficidnt
Het meten van de bundelverzwakking met een spectrofotometer
De troebelheidsmeting
De relatie extinktie - Secchi-diepte .
De relatie extinktie - troebelheid
De relatie extinktie - bundelverzwakking
Discussie
1
12
12
12
13
13
15
16
16
16
17
18
19
21
22
23
6
8
EXTINKTIE EN MODELLEN VOOR ALGEN EN WATERPLANTEN
24
6.1
6.2
6.3
6.4
Algengroeimodellen
Een eenvoudig algengroeimodel . . .
Een model voor de groei van waterplanten
Discussie
24
25
26
29
MODELLEN VOOR HET LICHTKLIMAAT ONDER WATER
30
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
30
30
34
36
38
UITZICHT; een model voor extinktie en doorzicht
Lineaire benaderingen . .
Een model voor de biidrage van resuspensie aan de extinktie
Een model voor eutrofi€ring en lichtklimaat
Discussie en slotopmerkingen
EXTINKTIEMETINGEN EN WATERBEHEER; CONCLUSIES EN
AANBEVELINGEN 39
8.1 Conclusies
8.2 Aanbevelingen .
LITERATUUR .
.
BIJLAGEN
Gebruikte veldgegevens voor de validatie van lichtmodellen
Beschrijving van het model UITZICHT
39
40
41
1.
INLEIDING
1.1
Licht en waterbeheer
Al sinds circa 19OO is het meten van de zichtdiepte een in het waterbeheer gebruikte
methode voor het krijgen van inzicht in de waterkwaliteit, in het bijzonder het lichtklimaat onder water. Door het jarenlange gebruik en de relatieve eenvoud van de rneting
is de zichtdiepte een heel inzichtelijke maat. Normen voor de zichtdiepte zijn vastgelegd
in b.v. de Derde Nota Waterhuishouding (Water voor nu en later, 1989). Het meten van
de extinktiecodfficidnt van de waterkolom is veel minder gebruikelijk. Extinktiemetingen
vormen een onderdeel van het Biologisch Monitoring Programma Zoete Rijkswateren,
dat door het RIZA is opgezet.
Er zijn een aantal redenen om, naast de bepaling van de zichtdiepte, ook de meting van
de extinktiecodfficiEnt in monitoringprogramma's op te nemen. De extinktiecodffici€nt
is objectiever en nauwkeuriger te bepalen dan de zichtdiepte. Ze is vaak gevoeliger voor
veranderingen in de waterkwaliteit dan de zichtdiepte. De extinktiecodfficiEnt is voor
veel processen in watersystemen een belangrijke sturende variabele. Daarbij kan
gedacht worden aan de groei van algen en waterplanten. De zichtdiepte is vooral
gerelateerd aan de recreatieve functie van veel oppervlaktewateren.
1.2
Doel van het rapport
Juist omdat er in het waterbeheer nog betrekkelijk weinig ervaring is met het uitvoeren
van extinktiemetingen leven er vragen als:
Wat is het belang van extinktiemetingen voor het verkrijgen van inzicht in de toestand
en de te verwachten ontwikkelingsrichting van aquatische ecosystemen ?
Wat is de samenhang tussen de extinktie en andere bekende variabelen. zoals de algenbiomassa (chlorofyl-concentratie), het zwevende stofgehalte en dergelijke, maar ook de
zichtdiepte en de troebelheid; wat voegt de meting van de extinktie-co€ffici€nt toe aan
het reeds op basis van andere metingen bestaande inzicht in de waterkwaliteit ?
Voor welke beleidsonderbouwende studies, zoals studies met modellen voor de groei
van algen en waterplanten, is inzicht in de extinktiecodffici€nt noodzakelijk en met
welke nauwkeurigheid moet hiervoor de extinktiecodfficidnt bekend zijn ?
Het doel van dit rapport is het samenvatten van de inzichten m.b.t. de relevantie van
extinktiemetingen voor het beheer van watersystemen, de mogelijkheden voor gebruik
van de met behulp van extinktiemetingen verkregen informatie en in samenhang
daarmee de gewenste nauwkeurigheid van de metingen.
1.3
Inhoud van het rapport
In dit rapport staat het lichtklimaat onder water centraal, in het bijzonder de extinktie
van licht in watersystemen. In het rapport wordt allereerst dieper ingegaan op de
karakteristieken van het lichtklimaat onder water. Vervolgens wordt ingegaan op het
belang van het lichtklimaat voor de groei van algen en waterplanten en voor het zicht
onder water. Daarna wordt ingegaan op de specifieke effecten van de belangrijkste
lichtklimaat bepalende componenten in het water.
Aan het lichtklimaat kan op verschillende manieren worden gemeten. In dit rapport
worden de technische aspecten van de verschillende meettechnieken niet uitgebreid
behandeld, noch wordt een vergelijking gepresenteerd van de beschikbare apparatuur.
ln dit rapport wordt wel ingegaan op de principidle relaties en verschillen tussen
verschillende metingen. Dit gebeurt aan de hand van de theorie, maar wordt waar
mogelijk ook geillustreerd aan de hand van veldgegevens.
lnformatie met betrekking tot de extinktieco6ffici6nt in watersystemen is soms nodig
als invoer voor beleidsonderbouwende studies. ln dit rapport wordt stilgestaan bij algengroei- en waterplantengroeimodellen. Het lichtklimaat zelf kan ook onderdeel zijn van
modelvorming. ln dit rapport wordt kort ingegaan op een model voor de extinktie en
zichtdiepte als functie van de concentratie van relevante componenten (het model
UITZICHT), op een model waarin de samenhang tussen extinktie en de opwerveling van
bodemslib door wind beschreven wordt en een eenvoudig model voor de samenhang
tussen eutrofidring en lichtklimaat op basis van de door de Commissie voor de Uitvoering van de Wet Verontreiniging Oppervlaktewateren (CUWVO; Lijklema ef al., 19881
vastgestelde verbanden tussen de nutri€ntenbelasting en de algengroei. Deze modellen
kunnen hulpmiddelen zijn bij het bepalen van de noodzakelijke beheersmaatregelen voor
het bereiken van het gewenste lichtklimaat.
Tot slot zal worden ingegaan op de wenselijkheid van het meten van de extinktieco6ffici6nt. Hierbij wordt onderscheid gemaakt tussen monitoringprogramma's en projectmatig onderzoek, b.v. ten behoeve van de calibratie of validatie van modellen.
KARAKTERISTIEKEN VAN HET LICHTKLIMAAT ONDER WATER
De uitdoving van licht wordt bepaald door twee processen; te weten absorptie en
verstrooiing. ln dit hoofdstuk wordt de beschrijving van deze processen behandeld.
Vervolgens wordt ingegaan op de definitie van de extinktieco€ffici€nt en de samenhang
tussen absorptie, verstrooiing en deze codfficidnt.
2.1
Instraling van zonlicht
De zon is de belangrijkste energieleverancier voor de aarde. De belichte helft van de
aarde ontvangt gemiddeld meer dan 1 kW m'2 aan zonne-energie. Een niet onbelangrijk
deel van deze zonne-energie bereikt de aarde als zichtbaar licht; te weten ca. 45 o/o vdn
de instraling op zee-niveau. Het zichtbare licht komt ongeveer overeen met het voor
fotosynthese bruikbare licht (photosynthetically active radiation; PAR); licht met een
golflengte van 400-7OO nm.
Veelal wordt de instraling van licht uitgedrukt in Watts. In ecologische studies wordt de
instraling meestal uitgedrukt in het aantal fotonen (quanta); dit omdat de zuurstofproduktie door algen en planten gerelateerd is aan de hoeveelheid geabsorbeerde fotonen
en niet aan de geabsorbeerde energie. Op de relatie tussen licht en fotosynthese wordt
in hoofdstuk 3 dieper ingegaan. In ecologische studies wordt vaak de eenheid Einstein
(Ei) gebruikt. Edn Einstein komt overeen met 6.02 1023 (1 mol; het getal van Avogadro)
fotonen. Het aantal fotonen van een golflengte is gerelateerd aan de stralingsenergie bij
die golflengte, volgens:
n=,{ * E(l)/hc
Q.1l
waarin:
n
E
h
c
A
aantal fotonen (quanta.m'2.s'1 )
instralings-energie (W.m'2.s-l )
de constante van Planck (6.63
lichtsnelheid (m.s-1)
golflengte (m)
1O'34 J.s'1)
Een foton met een golflengte van 700 nm (de rode kant van het spectrum) bevat 57o/o
van de energie van een foton aan de blauwe kant van het spectrum met een golflengte
van 400 nm.
Niet alle energie, die het wateroppervlak bereikt dringt door in het water. Een klein deel
van de instraling wordt door het water-oppervlak gereflecteerd. Dit is o.m. afhankelijk
van de hoek, waarmee het licht het water-oppervlak bereikt. De reflectie is ook
afhankelijk van het wel of niet aanwezig zijn van golven op het water. Vaak wordt voor
Nederlandse omstandigheden uitgegaan van een reflectie van 6-1O% (Lijklema, 1991).
2.2
Absorptie, verstrooiing, bundelverzwakking
Fotonen kunnen in het water geabsorbeerd of verstrooid worden. Absorptie van licht is
het proces waarin lichtenergie door gekleurde componenten (eventueel zwarte) wordt
omgezet in een andere energie-vorm; zoals chemische energie (fotosynthese) of
warmte. Effectief betekent dit het verdwijnen van fotonen.
De verstrooiing van licht betekent een verandering van de richting waarin het foton zich
door het medium beweegt. De hoek waaronder fotonen worden verstrooid is vooral
afhankelijk van de grootte van deeltjes, die de verstrooiing veroorzaken en de golflengte
van het licht (Hulst, 1981; Keijzer, 1988). Effectief betekent verstrooiing, zeker als
fotonen bij herhaling verstrooid worden, een vergroting van de afgelegde weg door een
foton in het water. Hierdoor neernt de kans op absorptie van het foton toe.
Zowel absorptie als verstrooiing leiden tot het verdwijnen van fotonen uit een evenwijdige lichtbundel. De afname van de hoeveelheid fotonen in een bunde! wordt bundelverzwakking genoemd. Deze is te schrijven als:
cu)=ail) +bil)
aUl
bu)
c0)
A
(2.21
= absorptiecodfficidnt (m'1)
= verstrooiingscodffici6nt (m-t)
= bundelverzwakkingscodffici€nt
-
(m'r)
golflengte (m)
Deze co€ffici€nten zijn golflengte afhankelijk. De codffici€nten zijn gedefinieerd voor
ideale omstandigheden, te weten voor monochromatisch licht en een zeet korte
lichtweg.
De hoeveelheid licht, die resteert nadat de lichtbundel een zekere afstand door een
aquatisch medium heeft afgelegd, kan worden beschreven met de vergelijking:
E(z,Al
(2.3)
= E(0,1) e-"il}d
E(z,Al = irradiantie voor golflengte .,{ op diepte z (W.m-2.s'1 of quanta.m'2.s-1}
d
= de afgelegde afstand, b.v. diepte (m)
2.3
lrradiantie onder water
ln oppervlaktewateren komt de situatie niet overeen rnet de omstandigheden waarvoor
de absorptie-, verstrooiings- en bundelverzwakkingscodfficidnt zijn gedefinieerd. Er is
geen sprake van monochromatisch licht, noch van een zeer korte lichtweg. Uit een
lichtbundel onder water kunnen door absorptie en verstrooiing fotonen verdwijnen. Er
kunnen echter ook fotonen, die oorspronkelijk niet tot de bundel behoorden, door
verstrooiing in de bundel terecht komen. Op een beschrijving van de effectieve
vermindering van de hoeveelheid licht in een bundel t.g.v. absorptie en verstrooiing
wordt later ingegaan.
De verstrooiing van fotonen leidt ertoe dat een willekeurig punt in het water (b.v. een
alg of lichtcel) van alle kanten fotonen ontvangt. Om praktische redenen (o.a. betrekking hebbend op de meting van licht) wordt vaak onderscheid gemaakt tussen de
scalaire, de neerwaartse en de opwaartse irradiantie (instraling). De neerwaartse
irradiantie is het licht, dat invalt met een hoek van O-180 graden t.o.v. de horizontaal.
De opwaartse irradiantie is het licht, dat invalt met een hoek van 180 tot 360 graden.
4
De scalaire irradiantie is de som van alle op een punt invallende irradiantie; ongeacht de
richting van waaruit ze ontvangen wordt.
Omdat de lichtbron zich boven water bevindt, is de neerwaartse irradiantie altijd groter
dan de opwaartse. Omdat, op elke diepte, de opwaartse irradiantie beschouwd kan
worden als een (terug-) verstrooide fractie van de neerwaartse, mogen we verwachten
dat de neerwaartse en opwaartse irradiantie sterk aan elkaar gerelateerd zijn, hetgeen
ook betekent dat de scalaire irradiantie sterk gerelateerd is aan de neerwaartse
irradiantie (Kirk, 1983). Een en ander wordt gelllustreerd in figuur 2'1'
Quantum irradiance (geinsteins m-2 s-r)
1000
10000
c
o
1
10
100
1000
Ouantum irradiance (10r8 quanta m-2 s-r)
figuur 2.1
2.4
De opwaartse (EJ en neerwaartse
li6 bvergenomen uit Kirk, 1989.
E)
irradiantie in Burley Griffin, Austra-
De extinktieco€ffici€nt voor 66n golflengte
De extinktie (uitdoving) van licht onder water is een functie van de absorptie en
verstrooiing in de waterkolom. De extinktiecodfficidnt is een maat voor de afname van
de hoeveelheid licht over de verticaal en kan worden gedefinieerd als:
KU) -
1l(21- zr) In(Er..tlEA,.2l
Q.4l
waann:
= extinktiecodfficidnt voor golflengte / (m't)
21,22 = diepte van 2 onder elkaar gelegen punten (m)
licht met golflengte I op diepte zr (W.m'2.s'1 of quanta-m'2's-1)
LI.zl
tridem op diepte z,
e),22
K(/)
De extinktieco€fficidnt voor neerwaarts licht wordt vaak gemeten met twee onder
elkaar geplaatste lichtmeters (zie hoofdstuk 5). De extinktiecodffici€nt wordt berekend
op basis van de kortste (verticale) afstand tussen de twee meters. In een situatie
waarin het licht niet verticaal invalt is het werkelijke verschil tussen de afstanden die
het licht door het water heeft afgelegd groter. Eenvoudig kan worden nagegaan dat het
verschil in de afgelegde werkelijke afstand omgekeerd evenredig is met de cosinus van
de hoek die het invallende licht met de verticaal heeft.
De extinktieco€ffici€nt is dus, naast de absorptie- en verstrooiingsco€ffici€nt afhankelijk
van de hoek, waarmee het licht het water invalt. Kirk (1984) heeft met behulp van
berekeningen met een Monte Carlo model (Kirk, 1981) het volgende verband afgeleid:
K(/)
= 1tp{Iau.l2 +
p
=
(0.425 tt - O.19)
ail) b0)l
e.5l
cosinus van de Zenith-hoek; de hoek die het zonlicht met de verticaal
heeft
De relatie is afgeleid voor een breed bereik aan absorptie- en verstrooiingsco€fficiEnten
(Kirk, 1984). In de vergelijking komt onder meer tot uiting dat de extinktieco6ffici€nt
voor licht met een grote hoek ten opzichte van de verticaal groter is dan voor loodrecht
invallend licht. Bovendien blijkt uit deze relatie dat de extinktiecodfficidnt gevoeliger is
voor de absorptiecodfficidnt dan voor de verstrooiingscodfficidnt. In de praktijk is in
veel oppervlaktewateren de verstrooiingsco€fficidnt echter aanzienlijk groter dan de
absorptiecodff ici€nt.
ln het voorgaande werd steeds over de uitdoving van licht met 66n golflengte gesproken. In de praktijk is men meestal geTnteresseerd in de uitdoving van licht in het
golflengtegebied van 4OO-700 nm. Dit is immers het zichtbare en voor de fotosynthese
bruikbare licht. De extinktiecodfficidnt voor neerwaarts licht in dit golflengtegebied
wordt aangeduid met K0",, in het vervolg aangeduid met Kd.
Van belang is voorts dat, omdat de absorptie- en verstrooiingsco€fficiEnt per golflengte
verschillen, relatie 2.5 niet zonder meer gebruikt mag worden om de extinktiecodfficidnt
te berekenen uit de absorptie- en verstrooiingscodfficidnt voor PAR.
6
3
HET BELANG VAN HET LICHTKLIMAAT ONDER WATER
Voor algen en ondergedoken waterplanten is de beschikbaarheid van licht van levensbelang. Voor de fotosynthese is immers licht-energie noodzakelijk. ln dit hoofdstuk wordt
ingegaan op de relatie tussen lichtklimaat en algen- en plantengroei. Vervolgens wordt
ingegaan op het belang van het lichtklimaat voor de zichtdiepte.
3.1
Golflengte en de groei van algen en planten
Algen en waterplanten bevatten voor het invangen van lichtenergie een aantal gespecialiseerde pigmenten. De chlorofylmoleculen, carotenen en biliproteinen zijn de belangrijkste. Elk van deze pigmenten kent eigen karakteristieke golflengten waarvoor de
absorptie van licht het sterkst is. Voor Chlorofyl-a, het meest bekende pigment, zijn dat
bijvoorbeeld golflengten rond 440 nm eh 000 nm. De pigmenten vervullen een belangrijke rol voor het fotosynthese systeem.
ln het fotosyntheseproces wordt lichtenergie omgezet in chemische energie. De
lichtreactie kan worden samengevat met de volgende vergelijking:
H,o *
r,rnoeff
2AOP + 2P.
!o:
+ NADPHz
2ATP
In deze reactievergelijking komt 'hv' overeen met 66n foton. ln hoofdlijnen kunnen in
deze reactie twee stappen worden onderscheiden. Fotosysteem 1 reduceert NADP tot
NADPH2, terwijl fotosysteem 2 de omzetting van 02- in 02 bewerkstelligt. Bij deze
reactie wordt ADP omgezet in ATP. NADPH, is de elektron- en waterstofdonor voor het
metabolisme van o.a. algen en planten; ATP is de energie-donor. De reactie in beide
fotosystemen moet vanzelfsprekend gelijktijdig plaatsvinden. Beide fotosystemen
hebben een eigen eenheid voor het invangen van lichtenergie. De belangrijkste fotosynthetisch actieve pigmenten zijn veelal verbonden aan fotosysteem 2. Algemeen wordt
aangenomen dat er energieoverdracht mogelijk is van fotosysteem 2 naar fotosysteem
1. Dit mechanisme maakt het mogelijk dat beide fotosystemen met een zelfde snelheid
opereren.
De produktiviteit van algen hangt mede af van de golflengte van het invallende licht. De
alg moet in staat zijn het licht te absorberen en om te zetten in chemische energie.
Voor veel algen-soorten geldt dat de golflengten waarbij de absorptie van licht het
grootst is ook de golflengten zijn waarbij de produktiviteit het hoogst is. Voor drie
soorten algen wordt dit geTllustreerd in figuur 3.1. Voor enkele algensoorten geldt dit
echter nieu bijvoorbeeld voor sommige rode algen (figuur 3.1c) en blauwalgen. Bij
enkele golflengten komt een relatief lage produktiviteit bij een relatief hoge absorptie
voor. Hierbij spelen twee verschillende factoren een rol.
Bij een aantal groepen algen, waaronder rode en blauwalgen, zijn de pigmenten die aan
beide fotosystemen verbonden zijn verschillend. Wanneer de algen worden belicht met
golflengten, die geabsorbeerd worden door de aan fotosysteem 1 verbonden pigmenten, terwiil fotosysteem 2 niet geactiveerd wordt, treedt de situatie op dat veel licht
geabsorbeerd wordt zonder dat de fotosynthese reactie kan plaatsvinden. Voor deze
algen geldt dat de fotosynthese pas kan plaatsvinden als tenminste ook licht met een
golflengte die fotosysteem 2 activeert aanwezig is.
factor, die een rol speelt is dat in algen ook pigmenten voorkomen die geen
of relatief weinig van de geabsorbeerde lichtenergie overdragen aan de fotosystemen.
Een tweede
AbsorPtance sPectrum
-- (a) U/va (green)
-Actionspectrum
(b\ Coilodesme (brown)
80
60
40
20
0
o
bl
Delesseria lredl
(d\ Chloretla (greenl
s
80
G
60
40
20
n
,ioffi
720 760
Wavelength (nm)
figuur 3.1
3.2
4OO
440 480 520 560 600 640 680 720 760
Wavelength (nm)
De relatieve produktiviteit ("action") en tichtabsorptie ('absorptance") van
Inlva taeniata, Coitodesme california, Delesseria decipiens en Chlorella
pyrenoidosa bij verschiltende golflengten (Overgenomen uit Kirk, 1983)
Lichtintensiteitenfotosynthese
De groei van algen en waterplanten hangt niet alleen af van de golflengte van het
invallende licht, maar ook van de lichtintensiteit. Bij lage lichtintensiteiten blijkt de groei
evenredig te zijn met de beschikbare hoeveelheid licht, terwijl bij hogere lichtintensiteiten een maximum groeisnelheid bereikt wordt. De groei neemt dan bij een toenemende
lichtintensiteit niet meer toe. Bij hoge lichtintensiteiten kan zelfs een remming van de
groei optreden (inhibitie). Er zijn twee veel gebruikte verbanden voor het beschrijven
van de groei van algen en planten als functie van de beschikbare hoeveelheid licht
(Jassby en Platt, 1976):
Smith (1936)
tt
= !^",
aevfi + (aE),)
waarin:
p=
!^",
q=
f=
groeisnelheid (s'')
= maximale groeisnelheid (s'1)
parameter (-)
irradiantie (W.m'2.s'1 of quanta.m-2.s't)
(3.1)
Steele (1962)
Ir
= It^", E/Eoe, exp(1 - E/E.et)
Eoo, = optimale intensiteit voor groei
B.2l
In de relatie van Steele komt de inhibitie bij lichtintensiteiten groter dan de optimale
intensiteit tot uiting. Nagegaan kan worden dat de parameterwaarde o gerelateerd is
aan de
Eoo,
volgens:
a
=
(3.3)
2.7183/Eoet
waarin 2.7183 het basisgetal voor de natuurlijke logaritme is.
1.@
E
o.so
*
0.60
o
a
9
I
o..to
6
E
oco
o.oo
-
o@
Flelatirc lrrda.|t'p
- -' Srtlh
figuur 3.2
De relatie fussen de relatieve irradiantie en groeisnelheid volgens Smith
en Steele. De relatieve lichtintensiteit is E/E*; de relatieve groeisnelheid
is
p/lt*,.
Het rendement waarmee algen en waterplanten het invallende licht benutten hangt
mede af van de beschikbare hoeveelheid licht. Bii algen, die langdurig aan een hoge
lichtintensiteit blootstaan blijkt de concentratie fotosynthetisch actieve pigmenten af te
nemen, terwijl deze toeneemt in een situatie waarin relatief weinig licht aanwezig is.
Een tweede vorm van adaptatie aan het lichtklimaat is dat in de algen de verhouding
waarin verschillende fotosynthetisch actieve pigmenten aanwezig zijn zich aanpast aan
de kleur van het aanwezige licht. ln vergelijkingen 3.1 en 3.2 betekent dit dat de
parameters a respectievelijk Eoo, zich aanpassen aan het lichtklimaat. Bij waterplanten is
een derde vorm van adaptatie mogelijk, te weten het vergroten van de hoeveelheid
bladoppervlak. Enkele algensoorten, zoals blauwalgen, bezitten het vermogen om te
stijgen en te dalen in de waterkolom door de aanwezigheid van gasvacuolen. Bij lage
lichtintensiteiten worden de gasvacuolen gevuld en stijgen de algen. Hoger in de
waterkolom is de lichtintensiteit groter en verloopt de fotosynthese sneller.
Een bijzondere situatie doet zich voor in oppervlaktewateren waarin bijvoorbeeld door
de windinvloed een verticale menging in de waterkolom plaatsvindt. In dergelijke
situaties wordt een over de diepte geintegreerde versie van de vergelijkingen van Smith
en Steele gebruikt.
9
3.3
De ecologische betekenis van het lichtklimaat
Uit het voorgaande blijkt dat de groei van algen en waterplanten afhankelijk is van de
hoeveelheid licht, die beschikbaar is en van de golflengten, die beschikbaar ziin.
uitdoving van licht betekent dat de lichtintensiteit afneemt bij toenemende diepte, maar
ook dat de het lichtspectrum verandert met de diepte. Dit heeft invloed op het voorkomen van verschillende algen- en waterplantensoorten.
ln oceanen en zeedn is veel onderzoek gedaan naar het voorkornen van verschillende
algensoorten in relatie met de samenstelling van het licht. ln diepe oceanen en zee€n
blijkt de soortensamenstelling van algen te veranderen met de diepte (figuur 3.3),
hetgeen vooral toe te schrijven lijkt aan het verschil in het verrnogen van algensoorten
om zich aan te passen aan de hoeveelheid licht en de kleur van het beschikbare licht op
verschillende diepten.
E
l
zoo
o
o
G
o
o
G
o
figuur
3.3
Variatie in de biomassa van benthische algen op rotsen
helderd Middellandse Zee bvergenomen uit Kirk' | 983)
10
in de
(zeer
Een ander gevolg van uitdoving van licht in oppervlaktewateren is dat planten en algen,
die dicht bij het wateroppervlak groeien sterk in het voordeel zijn boven planten en
algen die op of nabij de bodem groeien. Dit verschijnsel uit zich bijvoorbeeld in veel
Nederlandse meren, waar zwevende algen de waterplanten verdrongen hebben. In
sloten zien we eenzelfde effect; drijvende waterplanten verdringen de ondergedoken
waterplanten.
In hoofdstuk 6 wordt ingegaan op modellen waarin onder meer de relatie tussen
lichtintensiteit en de groei van algen en waterplanten beschreven wordt.
3.4
Zicht onder water
Voor vissen en vogels die op zicht jagen is het lichtklimaat evenzeer belangrijk.
Ditzelfde geldt voor recreanten als zwemmers, duikers en surfers. Situaties waarin
obstakels onder water niet gezien kunnen worden zijn gevaarlijk.
Voor het zicht onder water zijn twee.dingen belangrijk. Een object onder water moet
belicht worden en het door het oblect gereflecteerde licht moet door het oog van de
vis, vogel of mens ontvangen worden. De op een object invallende hoeveelheid licht is
afhankelijk van de hoeveelheid licht aan het wateroppervlak, de absorptie en verstrooiing van licht en de hoek waarmee het licht in het water valt. Verstrooiing van licht
houdt niet zonder meer een afname van de op het object invallende hoeveelheid licht in.
Het object ontvangt immers ook licht dat vanuit andere bundels verstrooid is.
Voor het door het object gereflecteerde licht, dat het oog van de waarnemer ontvangt
geldt iets anders. Er gaat een evenwijdige bundel licht van het object in de richting van
het oog van de waarnemer. Alle fotonen die uit die bundel verdwijnen door verstrooiing
zullen het oog van de waarnemer niet ontvangen. De verstrooiing van licht kan in
troebel water dus een heel sterke invloed op juist het waarnemen van objecten hebben.
De effecten van verstrooiing zijn bij b.v. het meten van de zichtdiepte met behulp van
een Secchi-schijf vaak duidelijk waarneembaar door het vervagen van de rand van de
schijf. Deze gaat er "onscherp" uitzien.
11
4.
ABSORBERENDE EN VERSTROOIENDE COMPONENTEN IN HET WATER
Verschillende componenten dragen in het water bij aan de absorptie en verstrooiing van
licht. In dit hoofdstuk wordt de bijdragen van water, opgeloste organische stoffen
(Gelbstoff), algen en dode zwevende stof (uitgesplitst naar het anorganische en
organische dee! daarvan) besproken. ln dit hoofdstuk wordt de bijdrage van verschillende componenten in kwalitatieve zin besproken. ln hoofdstuk 7 wordt het model
UITZICHT besproken. Daar wordt ingegaan op de kwantitatieve beschrijving van de
invloed van de verschillende componenten op het lichtklimaat. Alle in dit hoofdstuk
gepresenteerde figuren zijn met behulp van dit model afgeleid.
4.1
Water
Water zelf heeft een bijdrage aan de absorptie en verstrooiing van licht in oppervlaktewateren (Smith en Baker, 1981; Boivin et a|.,1986). De bijdrage is in de vaak troebele
Nederlandse binnen- en kustwateren over het algemeen klein ten opzichte van die van
andere componenten.
golflerpte
--
ab€orDtb
figuur 4.1
De
bijdrage -van
Cnt)
\ersvociing
water aan de absorptie en verstrooiing van licht in
oppervlaktewateren (gebaseerd op UITZICHT; hoofdstuk 7).
4.2
Opgeloste organische stoffen
Een groot aantal opgeloste organische verbindingen absorbeert licht (Kirk, 1976b,
198Oa; Bricaud et al., 1981; Davies-Colley en Vant, 1987). In oppervlaktewateren
blijken vooral humuszuren, die resteren na de niet volledige afbraak van algen- en
plantenmateriaal belangrijk. De groep stoffen wordt aangeduid met de naam Gelbstoff
of in Angelsaksische literatuur Yellow Substance. De naam verwijst naar de kleur die de
stoffen veroorzaken. Gelbstoff blijkt vooral bij kleinere golflengten een grote absorptie
te veroorzaken; de veroorzaakte verstrooiing is volgens de literatuur verwaarloosbaar.
Gelbstoff is niet direct te meten. ln enkele studies (bijvoorbeeld Blom, 1989) is zonder
succes getracht een verband te leggen tussen de Dissolved Organic Carbon concentratie en de waargenomen absorptie door Gelbstoff. Niet alle opgeloste organische stoffen
12
dragen bij aan de absorptie van licht. Een maat voor de concentratie/activiteit van
Gelbstoff is de absorptie bij een golflengte van 380 nm. De absorptie neemt exponentieel af bij grotere golflengten.
R<n
oolflenote tm)
absorPtie
figuur 4.2
4.3
- Gelbstoff bij verschillende golflengten. De absorptie is
Absorptie door
uitgedrukt in a/a"*. ln Nederlandse oppervlaktewateren is de range voor
de arro ongeveer 3 tot enkele tientallen m''. De figuur is gebaseerd op
UITZICHT (hoofdstuk 7).
Algen
In hoofdstuk 2 is de absorptie van licht door algen besproken. Algen verstrooien echter
evenzeer licht. De absorptie en verstrooiing door algen zijn onder meer een functie van
de grootte, de vorm en de hoeveelheid gekleurde pigmenten in de algen (zie Kirk,
1975a, 1975b, 1976a, 1983; Prieur en Sathyendranath, 1981; Bricaud en Morel,
1985). Het verstrooiingspectrum van algen heeft een verloop dat tegengesteld is aan
het absorptiespectrum. Vaak wordt voor algen dan ook aangenornen dat de totale
bundelverzwakking ongeveer gelijk is voor alle golflengten in het spectrum van 4OO-700
nm. Het in figuur 4.3 gegeven spectrum komt overeen met dat van groenalgen en komt
redelijk overeen met dat van blauwalgen.
4.4
Dode zwevende stof
Dode zwevende stof (ook wel aangeduid als tripton) kan in oppervlaktewateren zowel
een bijdrage aan de absorptie als aan de verstrooiing leveren (V.d. Hulst, 1981; Kirk,
1983; Baker and Lavelle, 1984; Keijzer, 1988). De verstrooiing door zwevende stof is
vooral gerelateerd aan de deeltjes-grootte. Hierbij geldt over het algemeen dat kleine
deeltjes een relatief grote bijdrage aan de verstrooiing leveren in vergelijking met grote
deeltjes. De mate waarin absorptie optreedt is afhankelijk van de samenstelling van de
zwevende stof. De absorptie blijkt sterk gerelateerd aan het gehalte organische stof in
het zwevende stof. Hoewel in natuurlijke systemen vaak zal gelden dat de voorkomende deeltjes zowel organisch als anorganisch materiaal bevatten wordt in de literatuur
vaak uitgegaan van afzonderlijke bijdragen van de asrest en het organische deel (verder
aangeduid als detritus) van de zwevende stof. Het anorganische deel (de asrest)
13
veroorzaakt vrijwel alleen verstrooiing, terwijl het organische deel zowel verstrooiing als
absorptie veroorzaakt.
2.00
i
E
5P
:o
1.o0
rt
o
050
400
450
500
550
600
650
700
golflencrc tnr)
figuur
4.3
.- - \€rsfociing
abgorptb
Absorptie en -verstrooiing door (groen-) algen bij verschillende golflengten.
De absorptie- en verstrooiingsco€fficidnt zijn uitgedrukt per mg droge
stof. 1 mg algen (d.s.) komt ongeveer overeen met | 5 ttg Chlorofyl-a. ln
Nederlandse oppervlaktewateren komen Chl-a gehalten van ongeveer O3OO pg.tt voor. De figuur is gebaseerd op UITZICHT (hoofdstuk 7).
2.00
.
150
t
'P
5
1.oo
6
d
o
050
400
450
500
550
600
650
700
€olflengrte hm)
figuur
4.4
- - verstrooiir'lg
Verstrooiing door anorganische zwevende stof bij verschillende golflengten. De verstrooiingscodfficidnt is uitgedrukt per mg drage stof. ln NederIandse oppervlaktewateren komen as/'esf gehalten van O tot vele honderden mg.ft voor. De figuur is gebaseerd op IJITZICHT (hoofdstuk 7).
14
r50
I
E
q
F
-.
1-oo
'{
o
050
ooo:
700
400
fd
- - wrstrocriirT
Absorptie en- verstrooiing door detritus bij verschillende golflengten. De
absorptie- en verstrooiingscodfficidnt zijn uitgedrukt per mg droge stof. ln
Nederlandse oppervlaktewateren komen asresr gehalten van O tot honderden mg.f' voor. De figuur is gebaseerd op UITZICHT (hoofdstuk 7).
oolflengte
'
absorptb
figuur 4.5
4.5
De betekenis voor oppervlaktewateren in Nederland
Hoewel water en opgeloste organische stoffen een bijdrage hebben aan de absorptie en
verstrooiing zijn zij slechts in het geval van zeer heldere wateren de belangrijkste
bepalende factoren voor het lichtklimaat. In de vaak troebele Nederlandse oppervlaktewateren levert de zwevende stof de belangrijkste bijdrage aan de uitdoving van licht.
Algen leveren per mg droge stof een relatief grote bijdrage. ln situaties waarin door
wind of stroming bodemmateriaal opwervelt of waarin door flocculatie (zoals in
estuaria) zwevende stof gevormd wordt kan de dode zwevende stof de uitdoving
bepalen. Voor alle besproken particulaire componenten geldt dat de verstrooiingsco6ffici€nt groot is ten opzichte van de absorptiecodfficidnt.
15
5.
METEN VAN UITDOVING IN HET WATER EN DE RELATIES TUSSEN METINGEN
ln het waterbeheer zijn een aantal metingen, die gerelateerd zijn aan de uitdoving van
licht in het water gangbaar, te weten: De Secchi-meting, de bepaling van de extinktiecodfficidnt, de meting van de bundelverzwakking en/of absorptie met behulp van een
spectrofotometer en troebelheidsmetingen. In dit hoofdstuk wordt kort ingegaan op de
verschillende metingen. Voor meer informatie wordt verwezen naar Kirk (1983) of
Ebben (1992). In dit hoofdstuk wordt tevens ingegaan op de te verwachten en/of in
veldgegevens geconstateerde relaties tussen enkele van deze metingen.
5.1
De zichtdiepte
De zichtdiepte (ook wel Secchi-diepte genoemd) wordt gemeten met een ronde witte
schijf (diameter ongeveer 20 cm), met daarin een aantal gaten (ca. 5.5 cm). De diepte
waarop het witte vlak nog net zichtbaar is wordt de zichtdiepte genoemd (NEN 6600).
De Secchi-meting wordt beTnvloed door de gevoeligheid van het oog van de waarnemer,
maar ook door de hoeveelheid licht boven water. In NEN 6606 wordt aanbevolen om de
meting uit te voeren op een plaats waar geen direct zonlicht aanwezig is.
5.2
De extinktiecoEffici€nt
De extinktiecodfficidnt wordt bepaald door lichtmetingen op verschillende diepten in het
water. Voor de extinktiemeting bestaat (nog) geen NEN-norm of geaccepteerde goede
meetpraktijk (GMP; een binnen Rijkswaterstaat gehanteerde norm). Er zijn twee
methoden gangbaar. De meting kan met behulp van 1 lichtmeter worden uitgevoerd,
door met deze lichtmeter de irradiantie op verschillende diepten te bepalen. Een
belangrijk bezwaar van deze procedure is dat de meting niet tot goede resultaten leidt
als de hoeveelheid op het water invallend licht verandert tijdens de meting. Dit kan
worden ondervangen door tegelijkertijd ook de irradiantie boven het wateroppervlak te
meten. Een voordeel van deze procedure is dat eventuele verschillen tussen de
extinktieco€fficidnten op verschillende diepten geconstateerd kunnen worden.
ln de tweede, steeds meer geaccepteerde methode, wordt met twee lichtmeters, met
daartussen een vaste afstand tegelijkertijd gemeten. Hierdoor is de methode minder
gevoelig voor veranderingen in de hoeveelheid licht boven water. Door de meting op
meer diepten uit te voeren wordt inzicht verkregen in eventuele verschillen in de
extinktiecodfficidnten op verschillende diepten. Deze methode is gevoelig voor het
verlopen van de ijk-constanten van lichtmeters. Daarom is een regelmatige ijking
noodzakelijk. Hiervoor bestaan op dit moment mogelijkheden binnen Rijkswaterstaat
(Dienst Getijdewateren, Afdeling Hydroinstrumentatie). De gewenste afstand tussen
beide lichtmeter wordt bepaald door; (1) de eis dat het verschil tussen de met beide
meter bepaalde irradiantie veel groter is dan de onnauwkeurigheid in de afzonderlijke
metingen en (2) de eis dat op de onderste lichtmeter zoveel licht moet invallen dat een
betrouwbare lichtmeting mogelijk is. Er is onmogelijk een afstand aan te geven, die in
alle voorkomende situaties (van zeer helder tot zeer troebel water) optimaal is.
16
5.3
Het meten van bundelverzwakking en absorptie met een spectrofotometer
Met behulp van een spectrofotometer kan de uitdoving van licht bij verschillende
golflengten worden bepaald. ln de standaard opstelling wordt een co.binatie van de
effecten van absorptie en verstrooiing gemeten (figuur 5.1.a). In sommige spectrofotometers kan een integrerende bol geplaatst worden (figuur 5.1.b). Hierin wordt al het
verstrooide licht opgevangen en naar de lichtcel gestuurd. De situatie in een spectrofotometer benadert die van een smalle bundel monochromatisch licht (zie hoofdstuk 2).
(a)
,\ *
\\
Blank
cell
I
I
- - - E'-=---:L - -
-li
t----------l
-EL + - - - t---- = -----r
5.1
5M
lx
i
rro r
vn
tw--*
Ehotomultiplier
li
|
.J
- - -',
SamPle
-cell
figuur
l-
|
I
Sample cell
I
Een schematische voorstelling van de bepaling van de bundelverzakkingsco6ffici6nt met een "double beam" spectrofotometer (a). tn een spectrofotometer met een integrerende bot (il kan de absorptiecodfficidnt van
verstrooiende monsters worden bepaald.
ln de standaard opstelling benadert de uitdoving van licht in het cuvet in de spectrofotometer de bundelverzwakkingscodfficidnt; de som van de absorptie- en verstrooiingscodfficiEnt. Een aantal complicaties doen zich echter voor. De lichtcel in een spectrolotometer is niet oneindig klein. Een deel van het in de cuvet verstrooide licht zal de
lichtcel bereiken, zodat een onderschatting van de bundelverzwakkingsco€ffici€nt
waarschijnlijk is. Ook het volume van de cuvet is niet oneindig klein. ln sterk absorberende monsters treedt het zogenaamd zeefeffect op. Dit effect hangt samen met het
feit dat absorberende componenten niet homogeen verdeeld zijn in de suspensie, maar
voorkomen in pakketten (b.v. cellen). Hierdoor is de absorptie kleiner dan op basis van
de concentratie van absorberende componenten verwacht zou worden (Kirk, 19g3). In
sterk verstrooiende monsters kan meervoudige verstrooiing optreden V.d. Hulst, 1gg1).
Deze meervoudige verstrooiing leidt tevens tot een grotere effectieve wegtengte van
een foton dan de kortste afstand, die door de cuvet mogelijk is. Hierdoor is de ians op
absorptie groter. De effecten van deze meervoudige verstrooiing op het rneetresuttaat
zijn niet eenduidig aan te geven.
de opstelling met een integrerende bol geldt dat het meetresultaat de absorptieco€fficidnt van de waterkolom benadert. Ook hier treden complicaties op. De genoemde
meervoudige verstrooiing zorgt mogelijk voor een overschatting van de absorptiecodfficidnt. Het hiervoor genoemde zeefeffect leidt mogelijk tot een onderschatting. Bovendien kan er licht verdwijnen door wanden van het Cuvet.
Vo,91
17
5.4
De troebelheidsmeting
Voor de troebelheidsmeting bestaan een aantal methodes en |SO-normen (zie Ebben,
1992). Hier wordt de nepholometrische troebelheid besproken. Deze troebelheidsmeting
berust op het meten van de hoeveelheid onder 90 graden verstrooid licht. Een voorbeeld van een troebelheidsmeter wordt in figuur 5.2 gegeven. Hoewel de troebelheid
vooral gerelateerd is aan verstrooiing heeft ook absorptie van licht invloed op de
hoeveetheid licht die de lichtcel bereikt. Daarnaast geldt dat niet al het verstrooide licht
de lichtcel bereikt. De hoeveelheid licht die onder 9O graden verstrooid wordt is vooral
afhankelijk van de deeltjesgrootte van de gesuspendeerde verstrooiende deeltjes (V.d.
Hulst, 1981; Kirk, 1983; Keijzer, 1988).
De nephelometrische troebelheid wordt uitgedrukt in NTU (Nephelometric Turbidity
Units).
+
Light trap
+l
I
1
Photomultiplier
)Condensing
+
figuur
5.2
Lamp
Schematische voorstelling van een troebelheidsmeter, waarmee de
nephelometrische troebelheid kan worden bepaald
18
5.5
De relatie Extinktie - Secchi-diepte
Theorie
Tussen de extinktie en de Secchi-diepte kan een invers verband verwacht worden. In de
literatuur wordt veel gebruik gemaakt van de relatie van Poole en Atkins (1929):
Sd
= VlKd
ofwel
Sd-l
=(1/f,)"Kd
(s.1
)
waarin:
Yt
=
COnStante (-)
Door Duntley (Preisendorfer,1986) werd een relatie afgeleid, waarin de Secchi-diepte
gerelateerd wordt aan de extinktiecodffici6nt en de bundelverzwakkingscodffici6nt:
Sd
= frl(Kd+c)
$.2)
waarin:
Yz
:
COnStante (-)
De relatie van Duntley sluit beter aan op de in paragraat 3.4 gegeven beschrijving van
de processen, die de zichtdiepte bepalen. De extinktieco€ffici€nt (Kd) van de waterkolom bepaalt de irradiantie, die op de schijf valt. ln hoeverre het door de schijf gereflecteerde licht het oog van de waarnemer bereikt wordt bepaald door de bundelverzwakkingscodffici6nt (c).
ln de literatuur (Kirk, 1983; Effler, 1988; Buiteveld, 1990) wordt relatie 5.2 beschouwd
als de beste beschrijving van het verband tussen Secchi-diepte en extinktieco6ffici€nt.
Vaak wordt, omdat de bundelverzwakkingscodfficidnt niet bekend is, gebruik gemaakt
van relatie 5.1. Ook in deze paragraaf zal deze relatie centraal staan.
Vergelijking 5.2 gaat in vergelijking 5.1 over als er een constante verhouding tussen de
extinktie- en bundelverzwakkingscodfficidnt bestaat. In hoofdstuk 2 werd echter
duidelijk dat deze beide codfficidnten op verschillende wijzen aan de absorptie- en
verstrooiingscodffici€nt gerelateerd zijn. De bundelverzwakkingsco€ffici€nt is eenvoudig
de som van de absorptie- en verstrooiingscodfficidnt (vergelijking 2.21. De relatie tussen
de absorptie- en verstrooiingscodffici6nt en de extinktiecodffici€nt is complexer
(vergelijking 2.5). De extinktieco€ffici€nt is gevoeliger afhankelijk van de absorptiecoeffici6nt dan van de verstrooiingscodfficidnt.
Eenvoudig kan worden nagegaan dat de verhouding tussen c en Kd afhankelijk is van
de verhouding tussen a en b. Zodoende is ook de constante p in vergelijking 5.1 een
functie van de verhouding tussen a en b. Zodoende kan worden verwacht dat er qeen
goed verband bestaat tussen de extinktiecodfficidnt en de Secchi-diepte (vgl. 5.1).
Vanwege het feit dat vergelijking 5.1 een hyperbool beschrijft doet zich een tweede
probleem voor. Zelfs in situaties waarin de constante y, wel vast staat is het verband
tussen de extinktiecodffici€nt en de zichtdiepte slechts voor een klein traject bruikbaar.
Bij kleine extinktiecodffici€nten beschrijft de hyperbool een lijn, die bijna parallel loopt
19
aan de y-as; dat wil zeggen dat zeer kleine veranderingen in de extinktiecodfficidnt
overeen komen met zeer grote veranderingen in de zichtdiepte. Bij grote extinktieco€fficidnten beschrijft de hyperbool een lijn, die parallel loopt aan de x-as; dat wil zeggen
dat kleine veranderingen in de zichtdiepte overeen komen met zeer grote veranderingen
in de extinktieco€ffici6nt.
Met model afoeleid verband
Om na te gaan welke spreiding in de relatie tussen de extinktieco€ffici€nt en de Secchidiepte in Nederlandse oppervlaktewateren te verwachten is, is de volgende schatting
uitgevoerd. Met behulp van het rnodel UITZICHT, besproken in hoofdstuk 7 , is op basis
van de in een groot aantal Nederlandse rneren (bijlage 1) gemeten concentratie van
lichtklirnaat bepalende componenten, een schatting gemaakt van de absorptie- en
verstrooiingsco6fficidnt bij verschillende golflengten. Op basis hiervan kunnen de te
verwachten extinktiecodfficidnt en zichtdiepte worden bepaald. De constante yt in
vergelijking 5.1 werd bepaald met behulp van lineaire regressie. Tevens werd het 90%
betrouwbaarheidsinterval bepaald. Voor de constante werd op deze manier een waarde
van 1.33 + 0.58 bepaald.
Veldoeoevens
Voor een groot aantal Nederlandse meren (bijlage 1) waren voor deze studie veldgegevens m.b.t. de Secchi-diepte en de extinktiecoeffici6nt beschikbaar. ln figuur 5.1
worden de gegevens gepresenteerd.
2.50
rtl
2.OO
.r
En
tu
tt
r(i
'| ti
lt!
ll$
rl\1
r Llrl
€
n
a
1.00
''.'\.'....
'i'.'.\.).
o.5o
.
\i.t,.-r;-;:ria5F{1r/ri:
-=:.slri'li=y}
0.00
10
extirctie tn-')
figuur 5.1
De op basrs van UITZICHT afgeleide relatie fussen de Kd-waarde en de
Secchi-diepte; weergegeven zijn de 9oo/o betrouwbaarheidsgrenzen (--) .
ln de figuur zijn tevens de meetresultaten uit een aantal Nederlandse
meren opgenomen en het op basis van deze gegevens bepaalde 9O%
betrouwba arh e idsinterva
|
(..... ).
20
Met name bij kleine extinktiecoEffici6nten en dus grote zichtdiepte is de onzekerheid in
relatie 5.1. zeer groot.
5.6
De relatie extinktie - troebelheid
Theorie
De extinktieco6fficidnt en de troebelheid worden beiden bepaald met behulp van
lichtmetingen. Terwijl de extinktie in sterke mate bepaald wordt door de absorptie van
licht in de waterkolom is de troebelheid per definitie gerelateerd aan de verstrooiing in
de waterkolom.
Volgens
volgens:
Kirk (1980b) is de troebelheid gerelateerd aan de verstrooiingsco€fficidnt
=r.*b
(5.3)
waann:
T
Ys
= troebelheid (NTU)
= Constante (NTU m)
De constante f3 heeft volgens Kirk (1980b) een waarde van 2.03 (NTU m). Verwacht
kan echter worden dat de constante mede afhankelijk is van de voor de troebelheidsmeting gebruikte apparatuur (zie Ebben , 19921 en van de deeltjesgrootteverdeling van de
gesuspendeerde deeltjes (V.d. Hulst, 1981; Keijzer, 1988).
De gegevens van Kirk (198Ob) suggereren dat er een lineair verband bestaat tussen de
troebelheid en de extinktieco€fficidnt. Op grond van de overweging dat theoretisch
situaties kunnen bestaan waarin de troebelheid 0 is, terwijl de extinktieco€fficiEnt
groter dan 0 is, kan verwacht worden dat het verband niet door de oorsprong gaat. Het
volgende verband tussen de troebelheid en de extinktiecodfficiEnt is in deze studie
onderzocht:
T
=yc* fu*Kd
(5.4)
waarin:
y+,
ys
: constanten (NTU, NTU m)
In het voorgaande werd al duidelijk dat de troebelheid en de extinktiecodfficidnt op
verschillende wijzen afhankelijk zijn van de absorptie- en verstrooiingsco€ffici6nt.
Daarom kan ook voor de verhouding tussen de troebelheid en de extinktieco€fficidnt (de
constanten fq an ys in vergelijking 5.4) verwacht worden, dat deze afhankelijk is van de
verhouding tussen de absorptie- en verstrooiingscodfficiOnt. Ook hier geldt dat op grond
van deze theoretische overwegingen oeen goed verband verwacht kan worden.
21
Met model afoeleid verband
Om de in Nederlandse oppervlaktewateren voorkomende spreiding in de constanten in
vergelijking 5.4 te schatten werd met behulp van het model UITZICHT (hoofdstuk 7),
op basis van de concentraties van lichtklimaat bepalende componenten, een schatting
gemaakt van de voorkomende absorptie- en verstrooiingscodfficidnten. De extinktiecodfficiEnt werd berekend volgens hoofdstuk 7 (UITZICHT). De troebelheid werd
berekend volgens relatie 5.3. Uit een eerste analyse bleek dat voor de constante y4
zonder veel bezwaren 66n waarde voor alle meren mocht worden aangehouden, te
weten -5.6. Voor de constante yu werd een waarde 12.O J 5.9 gevonden.
In figuur 5.2 worden de 90% betrouwbaarheidsgrenzen van het op bovenstaande wijze
afgeleide verband tussen Kd en T gegeven. Er waren voor deze studie geen gegevens
over de troebelheid in de beschouwde systemen beschikbaar. In de figuur zijn de door
Kirk (1980b) gegeven waarden voor enkele Australische meren weergegeven.
l
F
7
F-
Kd hn-)
figuur 5.2
Verband tussen Kd en de troebelheid, bepaald m.b.v. UITZICHT. ln de
figuur zijn de 9oa/o-betrouwbaarheidsgrenzen gegeven. Tevens zijn in de
figuur enkele gegevens van Australische meren (Kirk, 198obl opgenomen.
Uit de figuur blijkt dat er een breed betrouwbaarheidsgebied
genomen in het verband tussen de extinktie en de troebelheid.
5.7
in acht moet
worden
De relatie extinktie - bundelverzwakking
Theorie
Met succes zijn in enkele studies (Van Duin, 19921 lineaire verbanden tussen de
extinktie- en de bundelverzwakkingsco€ffici6nt bepaald:
22
= y6+Y7xKd
c
(5.5)
waarin:
Ya,
Yt = constante
(m-1, -)
Evenals voor de hiervoor besproken verbanden tussen de extinktiecodfficidnt en de
zichtdiepte respectievelijk de troebelheid kan worden afgeleid dat de constanten ya efr
y, mede afhankelijk zijn van de verhouding tussen de absorptie- en verstrooiingsco€fficient.
Met model afqeleid verband
Ook voor de relatie tussen de extinktie- en bundelverzwakkingscodfficidnt is een
schatting gemaakt m.b.v. het model UITZICHT op basis van gegevens uit een aantal
Nederlandse meren (zie vorige paragrafen). Afgeleid is dat de constante f6 een waarde
heeft van ca. -2.7O, terwijl yt aafi waarde heeft van 6.87 t 2.64.
5.8
Discussie
Op grond van de overweging dat alle in dit hoofdstuk behandelde variabelen (extinktieco0fficidnt, Secchi-diepte, troebelheid en bundelverzwakkingscodffici€nt) gerelateerd
zijn aan dezelfde processen in het water, te weten absorptie en/of verstrooiing zou
gedacht kunnen worden dat er redelijke verbanden tussen de variabelen bestaan. Uit de
in dit hoofdstuk besproken analyse blijkt echter dat bij verbanden tussen de extinktiecodffici€nt en de Secchi-diepte, resp. de troebelheid en de bundelverzwakkingscodfficidnt een grote spreiding in acht moet worden genomen. De verbanden zijn daardoor
nauwelijks bruikbaar om de ene variabele op basis van een bekende andere variabele te
voorspellen.
ln situaties waarin een min of meer constante verhouding tussen de absorptie- en
verstrooiingscodfficidnt bestaat kunnen in de praktijk (Bakema, 1988; Van Duin, 1992)
betere verbanden tussen de genoemde variabelen worden gevonden dan in deze studie,
waarin meerdere watersystemen in de gebruikte dataset voorkwamen. Vanwege de
gevoeligheid van de relaties voor eventueel optredende verschuivingen in de verhouding
tussen de absorptie- en verstrooiingscodfficidnt dienen deze empirische verbanden voor
elk watersysteem opnieuw te worden vastgesteld en dient ook regelmatig gecontroleerd
te worden in hoeverre het verband nog voldoet.
Voor het verband tussen de extinktiecodfficidnt en de Secchi-diepte geldt dat zelfs in
situaties waarin een constante verhouding tussen de absorptie- en verstrooiingscodffici6nt bestaat en er zodoende weinig spreiding rond het verband is, het in veel gevallen
nauwelijks mogelijk is om op basis van een bekende Secchi-diepte de extinktie te
schatten of vice versa. Dit wordt veroorzaakt door het hyperbole karakter van de
relatie. Bij kleine Secchi-diepten is de onzekerheid in de geschatte extinktieco6ffici€nt,
zelfs bij een minimale onzekerheid in de Secchi-diepte zeer groot. Bij grote Secchidiepten geldt dat grote verschillen in de Secchi-diepte nauwelijks andere schattingen
van de extinktie-co6ffici6nt opleveren.
23
6.
EXTINKTIE EN MODELLEN VOOR ALGEN EN WATERPLANTEN
ln hoofdstuk 3 is kort ingegaan op het belang van het lichtklimaat voor de groei van
algen en waterplanten. In dit hoofdstuk volgt een illustratie aan de hand van een
eenvoudig algengroei- en waterplantengroeimodel. In het bijzonder staat hier de
gevoeligheid van de modellen voor de ingevoerde extinktiecodfficidnt centraal.
6.1
Algengroeimodellen
beleidsvoorbereidende studies wordt regelmatig gebruik gemaakt van eutrofidringsmodellen. In deze modellen wordt veelal een beschrijving gegeven van de nutridntenhuishouding in watersystemen, de algengroei en de zuurstofhuishouding. Een voorbeeld
van een vaak gebruikt eutrofidringsmodel is EUTROWASP (Ambrose et al., 1988). ln
figuur 6.1 wordt een overzicht gegeven van de in het model beschreven relaties.
ln
PHYT
( scAFN)
4
figuur 6.1
Een overzicht van de in ETJTROWASP (Ambrose et al., 1988)
beschreven toestandsvariabelen en de relaties daartussen
24
De algengroei is mede afhankelijk van de beschikbare hoeveelheid licht onder water.
Hoewel, zoals bleek in hoofdstuk 3, de prirnaire produktie niet bij alle golflengten in het
PAR gelijk is, wordt in algengroeimodellen in de regel wel uitgegaan van de totale
irradiantie in het PAR-gebied.
De voor algengroei beschikbare hoeveelheid licht is mede afhankelijk van de extinktie
van licht in het water. In algengroeimodellen wordt in de regel onderscheid gemaakt
tussen de door algen zelf veroorzaakte extinktie (zelfbeschaduwing) en de door de
overige componenten veroorzaakte extinktie. Voor betrouwbare simulatieresultaten is
een goede schatting van deze laatste bijdrage gewenst. E6n en ander zal in het onderstaande geTllustreerd worden.
6.2
Een eenvoudig algengroeimodel
Voor deze studie werd een vereenvoudiging van het model EUTROWASP gebruikt. De
nutridnten- en zuurstofhuishouding werden niet in beschouwing genomen. De sterfte
van algen wordt geheel beschreven als respiratie. De algengroei kan beschreven worden
met:
dA/dt =
groei =
trrl
Kd=
Kd" =
'p
p
I
' alg
groei
/-""
A-respA
Ft
6.1a
Fo
(e/Kd D) * exp[(-Eo/Eoo,) * exp(Kd D)l - exp(-Eo/Eoet)
Kdo + Kd"
30*0.021 xA
P/(k" + P)
6.1 b
6.1 c
6.1 d
6.1e
6.1f
6.19
- Prn
A/106
Pro,
6.1 h
waarin:
A=
D=
Eo=
Eopt
Fl
F^
groei
k^
Kd
Kdo
Kd"
P
P.o,
P"ts
resp
Fmat
algenbiomassa (mg C l'')
diepte (m); 2
irradiantie, direct onder wateroppervlak (W m'2);
geschat; max Eo = 4OO; daglengte = 14 uur
optimale irradiantie (W m'2); 80
lichtlimiteringsfactor (-)
f osfaatlimiteringsfactor (-)
effectieve groeisnelheid (dag'1)
Monod-constante P (mg l'11: O.OO5
totale extinktiecodff ici6nt (m..' )
bijdrage overige componenten aan Kd (m-r); variabele
bijdrage algen aan Kd (m'1)
opgelost fosfaat (mg l't)
totale fosfaatconcentratie (mg l'1); O.O5
in algen gebonden f osfaatconcentratie (mg l'1)
respiratiesnelheid (dag'1); O.3
maximale groeisnelh eid (dag'11; 2. 1
De cursief weergegeven getallen zijn de in het kader van deze studie gebruikte invoerwaarden voor het model. De irradiantie is geschat op basis van ongepubliceerde LUW-
25
gegevens; de geschatte instraling komt overeen met een zonnige dag in juli. De
specifieke extinktiecodfficidnt voor algen (6.1e) is ontleend aan dit rapport (0.021 m-l
pg Chl't l) en vervolgens omgerekend naar een waarde op basis de algenbiomassa met
behulp een Koolstof-Chlorofylverhouding van 1 mg C per 3O pg Chl. De overige invoerwaarden zijn ontleend aan een studie in de Amstel (Aalderink, 1991). In relatie 6.1c kan
de over de diepte gelntegreerde relatie van Steele (3.2) herkend worden.
Met het bovenstaande model werd voor Kdo-waarden van 1, 3 en 5 m-r een simulatieberekening over een periode van enkele dagen uitgevoerd. Voor alle simulaties werd
eenzelfde initidle algenbiomassa aangenomen; te weten 4 mg C/l (ca. 120 ttg Chl l-r).
De resultaten van de simulaties worden gegeven in figuur 6.2. Hierin is de dag-nacht
oscillatie duidelijk zichtbaar.
r\
/:, z\ .tt
/\
,zr. ,,l.\.,//z\
\../
\.,/
\../ \,,'\ 1/,.r\.,/'\_/
<\.../
\r-1
f4
.r
fl
o
."
\
z\
o
Ep
xE
c
o
-s1
(g
60 80 100 120 140 160 180 200 220 24.J.
20
tijd
---
Kdo=]
---
(uren)
Kdo=!
Kdo=5
figuur
6.2
Gesimuleerd verloop van de algenbiomassa bii verschillende waarden voor
de achtergrondextinktie (zie teksil.
Uit figuur 6.2 blijkt dat betrekkelijk kleine veranderingen in de in het model ingevoerde
achtergrondextinktie leiden tot aanzienlijke verschillen in de gesimuleerde algenbiomassa.
6.3
Een model voor de groei van waterplanten
De extinktie van licht in oppervlaktewateren is voor de groei van waterplanten zo
mogelijk nog belangrijker dan voor de groei van zwevende algen. Voor de waterplanten,
die dicht bij de bodem voorkomen, geldt immers dat kleine veranderingen in de
extinktiecodfficidnt grote gevolgen hebben voor de beschikbaarheid van licht. Door de
landbouwuniversiteit Wageningen is onderzoek gedaan naar de groei van waterplanten
(Potamogeton pectinatus) in het Veluwemeer (Bij de Vaate & Van Vierssen, 1990; Van
Dijk, 1991; Hootsmans & Vermaat, 1991). In figuur 6.2 wordt een overzicht gegeven
van de belangrijkste variabelen en relaties m.b.t. de groei van waterplanten.
26
licht tcspons curvc
i
t-------l ttr5;l
'\ ..'lnnl
l;;l
"
,.
LJUq
'v
"/
il\
!':
\
\
- lt,Gl 4'
I
-rffiq
I tubers I
I
I
I
^l
il
tubervormings sn.lhcid
I
I
t\ |
'ii
'|i \'.
instroling eo
i, \
/\r.
ltl\.
\ srorm
\,/
figuur
6.3
doglenglc
f,
i
q
;n extinctie
r^l
(i N
..J LlIBl
FL_
I'
.._-
pc'itvton
I
v
..'
.,."
Een overzicht van de belangrijkste variabelen en relaties voor de groei van
Potamogeton pectinatus (overgenomen uit Bii de Vaate en Van Vierssen,
I
990)
De beschikbaarheid van licht voor de fotosynthese wordt niet alleen bepaald door de
uitdoving in de bovenstaande waterkolom, maar ook door de op het blad van de planten
aanwezige periphyton. Het periphyton bestaat uit algen en ingevangen dode zwevende
stof. Door Hootsmans & Vermaat is met behulp van hun model SAGAl nagegaan welke
plantenbiomassa bij verschillende diepten, verschillende extinktiecodfficiEnten en verschillende beschaduwingseffecten door periphyton te verwachten is. De resultaten
worden samengevat in figuur 6.4.
27
Uit figuur 6.4 is af te leiden dat de extinktiecodfficidnt een grote invloed heeft op de
met modellen voor de groei van waterplanten gesimuleerde maximale plantenbiomassa
gedurende het groeiseizoen De gebruikte extinktieco6fficidnt heeft ook een grote
invloed op de gesimuleerde verspreiding van waterplanten, in systernen waarin
verschillen in diepte voorkomen.
O
160
I
r2o
r::::\
5
(!
10%
c6!&i
--*
cctr^t 20%
.--. .k! 50%
o
yto
o
o
\
123
extirction coef ficrst
(m-!)
a
E
o
16lf
o
F
r2o
o
^
o
.t
oo
extrnctrcn coef f rcrent (r,-')
i-r
E
O 160
o
9
E
r2o
;
o
D
o
1234
extinctron coeffrcrent
figuur 6.4
(m-')
C
De piek biomassa van Potamogeton pectinatus in het Veluwemeer voor
een diepte van (a) O.5, (b) 0.75 en (c) | meter, als functie van de extinktiecodfficidnt van de waterkolom, bij resp. l Oo/o, 2oo/o en een fluctuerende instralingsreductie t.g.v. beschaduwing door periphyton. Voor de
fluctuerende instralingsreductie werd de natuurlijke variatie in de beschaduwing door periphyton nagebootst (overgenomen uit Hootsmans &
Vermaat, | 991)
28
6.4
Discussie
Uit paragraaf 6.2 en 6.3 blijkt dat de in algen- en waterplantengroeimodellen gebruikte
extinktieco€ffici€nt een grote invloed heeft op de resultaten van de modellen. Uit de
sirnulatieresultaten kan worden afgeleid dat de relatieve fout in de gesimuleerde algenrespectievelijk plantenbiomassa tenminste kan oplopen tot 1 i 2 maal de relatieve fout
in de ingevoerde waarde voor de achtergrondextinktie- (Kd6) respectievelijk de extinktiecodffici€nt (Kd).
Fouten in de gebruikte extinktieco€fficiEnt komen bij de ontwikkeling en toetsing van
modellen niet altijd aan het licht. Bij de ontwikkeling van modellen, in het bijzonder
tijdens de calibratie ervan, wordt in de regel gebruik gemaakt van veldwaarnemingen, in
dit geval gemeten extinktieco6fficidnten en algen- resp. plantenbiomassa's. Fouten in
de in het model ingevoerde (gemeten) extinktieco€fficidnt leiden tot een aangepaste
schatting van de overige modelparameters, zodat effectief toch een redelijke beschrijving van de algen- en waterplantenbiomassa bereikt wordt. Dit lijkt het belang van
nauwkeurige invoergegevens over de extinktieco6fficidnt te beperken. Weinig is echter
minder waar. Wanneer een model met deze onjuiste parameterwaarden wordt toegepast om bijvoorbeeld het effect van een veranderend lichtklimaat te simuleren, bestaat
het gevaar dat onjuiste effecten worden gesimuleerd. E6n en ander onderstreept het
belang van de beschikbaarheid van betrouwbare gegevens over de extinktiecodfficiEnt
voor de toepassing van algen- en waterplantengroeimodellen.
29
7.
MODELLEN VOOR HET LICHTKLIMAAT ONDER WATER
In het vorige hoofdstuk heeft het belang van inzicht in de extinktiecodffici€nt voor
beleidsonderbouwende studies met behulp van algen- en waterplantengroeimodellen
centraal gestaan. Er zijn in de literatuur ook een aantal modellen beschikbaar voor de
schatting van de extinktiecodfficidnt zelf. In dit hoofdstuk zullen achtereenvolgens
beschreven worden: (1) modellen voor het schatten van de extinktieco€fficidnt en de
zichtdiepte op basis van de concentratie van lichtklimaat bepalende componenten; (2)
een model voor het schatten van de bijdrage van de opwerveling van bodemslib door
wind aan de extinktie en (3) een model voor de bijdrage van algen aan de extinktie, als
functie van onder meer de nutridntenconcentratie.
7.1
UITZICHT; een model voor extinktie en doorzicht
Door Buiteveld (1990) is een model voor de berekening van doorzicht en extinktie
ontwikkeld (UITZICHT). Het model maakt onderscheid tussen de biidragen van water,
Gelbstoff, algen, detritus en minerale zwevende stof aan de absorptie en verstrooiing in
het water.
Het model is gebaseerd op literatuurgegevens over de bijdrage van verschillende stoffen
aan de absorptie- en verstrooiingscodfficidnt van het water. Deze bijdragen werden in
hoofdstuk 4 reeds besproken. Op basis van deze schattingen kunnen de bundelverzwakkings- en extinktieco€ffici6nt bij elke golflengte in het PAR-gebied worden
berekend met behulp van vergelijking 2.2 en 2.5. Uit de geschatte extinktieco6ffici6nt
voor elke golflengte kan met behulp van schattingen voor de irradiantie van elke
golflengte direct onder het wateroppervlak de irradiantie van alle golflengten op een
willekeurige diepte in het water berekend worden. Na integratie over het PAR-spectrum
kan vervolgens met behulp van vergelijking 2.4 worden berekend wat de extinktiecoefficidnt (Kd) is. De zichtdiepte wordt op basis van de aldus geschatte extinktieco€ffici€nt en de bundelverzwakkingscodffici€nt berekend met behulp van de relatie van
Duntley (vergelijking 5.2). Het model UITZICHT wordt volledig beschreven in bijlage 2.
7.3
Lineaire benaderingen
In het model UITZICHT wordt een niet-lineair verband tussen de concentratie
van
componenten, die het lichtklimaat beTnvloeden en de extinktiecodfficidnt respectievelijk
zichtdiepte beschreven. Hoewel deze benadering het best aansluit bij het niet-lineaire
gedrag van licht in het water worden in de literatuur vaak wel lineaire verbanden
beschreven (bijvoorbeeld DiToro, 1982; Verduin, 1982; Bakema, 1988; Blom, 1989).
Deze hebben dan (in hoofdlijnen) de volgende vorm:
30
Kd
E""nr
*
as
as(380)
sd''r
Sd'l""r,,
+
Bn
+
an(380)
a" Chl
+
* a- Min + ad Det
(7.11
+ B. Min +
0.21
B" Chl
Bd
Det
waarin:
Eacnt
Sd'1""t't
os,
Bs
o", B"
o-, Bo6, 86
=
=
=
=
=
=
achtergrondswaarde (water) {m'1)
achtergrondswaarde reciproke Secchi-diepte (water) (m't)
codfficiEnt Gelbstoff (-)
codfficient algen (m-1./rg-1.1)
coefficient minerale zwevende stof (m-1.m9'1.1)
co€fficiEnt detritus (m'1.mg't.l)
Voor verschillende systemen worden echter vaak andere parameterwaarden gevonden
(bijvoorbeeld Bakema, 1988). Buiteveld (1990) heeft met het model UITZICHT (parameter-instelling voor de randmeren) en een artificidle dataset met een brede range aan
zwevende stof en algenconcentraties en a,(380)-waarden de in tabel 7.1 gegeven
parameterwaarden afgeleid.
Tabel 7.1
Extinctie:
Standaard parameterwaarden in lineaire relaties voor extinctieco€ffici1nt
en zichtdiepte (overgenomen uit Buiteveld, 1990)
Eacnr O.627
0.0498
0.0209
0.0253
0.0490
qs
qa
qm
ad
Secchi-diepte:
Sd""nt'1
Bs
B,
Bn,'
Bd
0.302
0.0107
0.011 1
0.0606
0.0636
De relaties 7.1 en 7.2 met de parameterwaarden uit tabel 7.1 zijn getoetst voor een
aantal Nederlandse meren (bijlage 1). tn figuur 7.1 worden de met het model geschatte
extinktiecodfficidnten vergeleken rnet de veldwaarnemingen. In figuur 7.2 worden de
geschatte en gemeten zichtdiepten vergeleken. Over het algemeen geeft het model een
goede schatting van de extinktieco6ffici6nt en de zichtdiepte. Voor de grootste
uitschieters in het figuur 7.1 en 7.2 mag aangenomen dat er een fout in de ingevoerde
veldwaarnemingen zit. Voor de extinktiecodfficidnt geldt dat de gemiddelde absolute
afwijking 0.62 m't is, terwijl de standaardafwijking (berekend over het verschil tussen
de gemeten en geschatte waarde) 0.89 m-l is. Er is geen sprake van een systematische
over- of onderschatting. Gemiddeld is het verschil tussen de gemeten en berekende
waarde nagenoeg gelijk aan O. Voor de zichtdiepte geldt dat de gemiddelde absolute
afwijking 10 cm is en de standaardafwijking 16 cm. Ook hier is geen sprake van
systematische onder- of overschatting. Opgemerkt kan worden dat de resultaten van
het lineaire model vrijwel volledig overeenkomen met die van het (niet-lineaire) model
UITZICHT, met de parameterwaarden die geschat zijn voor de randmeren (bijlage 2).
31
14
't2
C10
E
gB
56
o
g4
6810
12
gemeten Kd (m-')
figuur
7.1
Vergelijking van de met het lineaire model geschatte extinktiecolfficidnt
met de veldwaarnemingen voor een aantal Nederlandse meren.
3.OO
3
2.5o
a
z.oo
!
I
$
o
g
r.so
1.oo
o.oo
*
o.oo
1.OO 1.50 2.OO
gemeten Sd
figuur 7.2
2.50
(m)
Vergelijking van de met het lineaire model geschatte zichtdiepte met de
veldwaarnemingen voorieen'aantal Nederlandse meren.
Met behulp van de lineaire verbanden wordt direct inzicht verkregen in de bijdrage van
verschillende componenten aan de uitdoving van licht in watersystemen. Een voorbeeld
hiervan voor het Wolderwijd en Veluwemeer wordt gegeven in figuur 7-3 en 7'4 (Blom,
1gg1). Uit deze figuren blijkt opnieuw dat de relatieve bijdrage van verschillende
32
componenten aan de extinktie verschilt van die aan de verrnindering van de zichtdiepte.
Met behulp van dergelijke figuren kan worden bepaald op welke componenten het
beleid zich moet richten om doelstellingen voor de extinktiecoeffici€nt en/of de
zichtdiepte te bereiken.
Vel90
Wol9O
lokatie
Lqcnt
Figuur 7.3
ffi
rurr %A
eE
ffi
uin TZ
oet
De bijdrage van verschillende optisch actieve componenten aan de
extinktieco5fficidnt in het Wolderwijd (1989/199O) en het Veluwemeer
(199q.
wol90
Vel90
lokatie
I
Figuur 7.4
a"nt
ffi
nr'.''
%A tts ffil vi" (-A
o"t
De bijdrage van verschillende optisch actieve componenten aan de reciproke waarde van de Secchi-diepte in het Wolderwijd en het Veluwemeer.
33
7.3
Een model voor de bijdrage van resuspensie aan de extinktie
Zwevende stof levert een bijdrage aan de extinktie van licht in natuurlijke wateren. ln
grote, ondiepe en onbeschutte meren kan opwerveling van bodemslib t.g.v. de door
wind veroorzaakte golfwerking een niet onaanzienlijke bijdrage aan de zwevende
stofconcentratie leveren (Gons & Van Keulen, 1989; Blom, 1991; Blom ef al., 1992;
Van Duin, 1992; Van Duin et a|.,1992) en daarmee aan de licht-extinktie.
Voor zwevende stof in de waterfase geldt, onder verwaarlozing van produktie- en
afbraaktermen en via horizontaal transport aan- en afgevoerde stof, de volgende
massabalans:
dss/dt
(7.3)
= ((0,-Q")/D
waarin:
SS
D
{
(0,
(D"
= zwevende stofconcentratie (mg l-t)
= diepte (m)
= tijd (s}
= tesuSp€nsieflux (g m'2 s-t1
= sedimentatieflux (g m'2 s'r)
De resuspensie van bodemslib kan worden gerelateerd aan de snelheid van de golfbeweging aan het waterbodem-oppervlak (de orbitaalbeweging). Deze kan worden
berekend met een golfmodel (zie Van Duin, 1992). Voor het verband tussen orbitaalbeweging en resuspensie kan de volgende vergelijking worden gebruikt:
o,
t7.41
=K(uu-Uu,",)
waarin:
K
ub
ub.",
= r€suspensie-evenredigheidsconstante
= orbitaalsnelheid (m s-1)
= kritische orbitaalsnelheid (m s't)
(mg
l'1)
De sedimentatie van zwevende stof kan worden berekend met:
(0"
(7.5)
= W"SS
waarin:
vVs
=
valsnelheid (m s-l)
Uitgaande van een lineair verband tussen de concentratie opgewerveld slib en de
extinktiecoEffici6nt geldt:
34
Kdstio
(7.61
=ass*ss
waarin:
o""
=
specifieke extinktieco€fficiEnt van opgewerveld slib {m-t I mg-t)
Dan geldt dus ook:
dKd"rb/dt
= (1/D) "
(7.71
((K"4"")*(uo-u5.",) - w"*Kd4;p)
Deze relatie vormt de basis voor een dynarnisch model voor de bijdrage van resuspensie
aan de extinktie in ondiepe meren (DYNEX).
Het model DYNEX is met succes in een aantal Nederlandse meren toegepast, zoals het
Veluwemeer (Blom, ongepubliceerd), het Wolderwijd (Blom, 1991), Breukeleveen (LUW,
ongepubliceerd) en de Ankeveense plassen (Rivera, 1992). In figuur 7.5 en 7.6 worden
simulatieresultaten voor respectievelijk het Wolderwijd en de Hollandse Ankeveense
Plassen gegeven. Voor meer informatie over de studies wordt verwezen naar de
genoemde literatuur.
Met het model DYNEX kan worden afgeleid wat de bijdrage van geresuspendeerd
bodemslib aan de extinktieco6fficidnt is. Ook kan met het model worden nagegaan welk
effect eventuele maatregelen, die gericht zijn op het verminderen van de opwerveling,
op het lichtklimaat hebben.
10
I
J
q
U
E4
X
a)
tijd
0
70
40
10
(dagen)
E-tot
gerneten
----
E-acht
Figuur 7.3
Gesimuleerde en gemeten extinktie op een lokatie in het Wolderwfd
(september - oktober 199U. De achtergrondsextinktie is geschat (Blom,
1991).
35
E
.c
o
*
o
6
o
co
Figuur 7.6
7.4
Gesimuleerde en gemeten extinktie op een tokatie in de Hollandse Ankeveense plassen (april/mei 1994 (Rivera, 1992).
Een model voor eutrofiEring en lichtklimaat
Op basis van gegevens van een groot aantal Nederlandse meren zijn door Lijklema ef a/.
(1g88) verbanden afgeleid tusien de (totaal-) fosfaat- en stikstofconcentratie, het
lichtklimaat (exclusief de bijdrage van algen) en de zomergemiddelde chlorofylconcentratie; de zogenaamde CUWVO-relaties. CUWVO staat hier voor Commissie voor
Uitvoering rran de Wet Verontreiniging Oppervlaktewateren. Deze relaties worden in het
waterbeheer vaak gebruikt om af te leiden welke nutri6ntenbelasting maximaal
toelaatbaar is, met het oog op te bereiken doelstellingen voor het chlorofyl-gehalte.
Met behulp van deze CUWVO-relaties en de eerder in dit hoofdstuk besproken verbanden voor de bijdrage van verschillende componenten aan de extinktiecodfficidnt is
eenvoudig een model voor de bijdrage van algen aan de uitdoving van licht af te leiden.
Door Lijklema wordt onderscheid gemaakt tussen drie voorkomende situaties, te weten
(1) een fosfaat-gelimiteerde, (2) een stikstof-gelimiteerde en (3) een licht-gelimiteerde
algenbiomassa. Er zijn relaties afgeleid voor deze drie situaties op basis van zomergemiddelde nutridntenconcentraties en zichtdiepten (exct. de bijdrage van algen aan de
vermindering daarvan) en de zomergemiddelde chlorofylconcentratie:
Chl,.o
=
chl,,e =
1428 P
voor draadvormige blauwalgen
(7.8a)
625
(7.8b)
P
voor overige algensoorten
Chl.." =
89.6N-89.6
(7.8c)
Chf,.l =
125OlD-100/So
(7.8d)
36
waarin:
zomergemiddelde Chlorofylconcentratie in een situatie met Pgelimiteerde algengroei [.rg l-1)
zomergemiddelde Chlorofylconcentratie in een situatie met Ngelimiteerde algengroei (/g l'1)
zomergemiddelde Chlorofylconcentratie in een situatie met lichtgelimiteerde algengroei (/g l-t)
diepte (m)
zomergemiddelde totaal-fosfaatconcentratie (mg l't)
zomergemiddelde totaal-fosfaatconcentratie (mg l'1)
zomergemiddelde zichtdiepte (zonder algen) (m)
chl,,e
chl,,n
chl,,l
D=
N=
D
So=
Met behulp van de in deze studie afgeleide relatie tussen de extinktieco€fficidnt en de
zichtdiepte kan relatie 7.8d geschreven worden als:
chl.,r =
1250/D - 100 Kdo/1.33
(7.9)
waarin:
Kdo
=
zomergemiddelde extinktiecodfficidnt, exclusief
algen (m-t)
de bijdrage
van
De zomergemiddelde chlorofylconcentratie (Chl,) is het minimum van de voor fosfaat-,
stikstof- en lichtgelimiteerde algengroei berekende waarden. De zomergemiddelde
bijdrage van algen aan de extinktiecodfficidnt en de vermindering van de zichtdiepte
kan, op basis van vergelijkingen 7.1 en7.2 en gebruik makend van de parameterwaarden uit tabel 7.1 worden berekend met:
Kd"nr,. =
0.0209 cht.
(7.10a)
Sda,,,r'l =
0.011 1 Cht,
(7.10b)
waarin:
Kd"nr,. =
de zomergemiddelde bijdrage van algen aan de extinktieco6ffici6nt
(m-1)
Sd"61,r'l
=
de zomergemiddelde bijdrage van algen aan de vermindering van
de zichtdiepte (sd'l) (m'1)
Op basis van de zomergemiddelde concentraties van de overige lichtklimaat bepalende
componenten kan, gebruik makend van de vergelijkingen 7.1 en 7.2 en de parameterwaarden in tabel 7.1 worden geschat welke uitdoving van licht deze componenten
(gemiddeld) veroorzaken.
Met behulp van de in deze paragraaf besproken vergelijkingen kan worden geschat
welke vermindering van de nutridntenbelasting noodzakelijk is om doelstellingen voor de
zichtdiepte en/of de extinktiecodfficidnt te bereiken. Hierbij moet echter opgemerkt
worden dat de gebruikte CUWVO-relaties de zomergemiddelde chlorofyl-concentratie
vaak overschatten (Lijklema et al., 1988). Het gepresenteerde model voor de relatie
37
tussen de nutridntenbelasting en de extinktiecodfficidnt respectievelijk de zichtdiepte
geeft vooral inzicht in de bij een bepaalde nutridntenbelasting maximaal te bereiken Kdwaarde en minimaal te bereiken zichtdiepte.
7.5
Discussie en slotopmerkingen
Er is een belangrijk verschil in de relatie tussen enerzijds de extinktiecodffici€nt en de
concentratie van lichtklimaat bepalende componenten en anderzijds de zichtdiepte en
deze concentraties. De extinktieco€fficiEnt is met een eenvoudige lineaire relatie te
relateren aan de concentraties, terwijl de zichtdiepte via een hyperbool verband aan
deze concentraties gerelateerd is. Dit laatste houdt onder meer in dat in situaties,
waarin de zichtdiepte kleiner is dan 1 , deze diepte relatief ongevoelig is voor veranderingen in de concentratie van de lichtklimaat bepalende componenten. Als de zichtdiepte
groter is dan 1 meter, dan is deze diepte juist relatief gevoelig voor veranderingen in de
concentraties.
In het voorgaande werden enkele modellen besproken, waarmee schattingen kunnen
worden gedaan omtrent het lichtklimaat als functie van de concentratie van verschillende stoffen in het water, de opwerveling van bodemslib en als functie van de eutrofiering. Met behulp van deze modellen kan geschat worden wat de te verwachten
effecten van verschillende beheersmaatregelen zijn. De modellen kunnen het meten van
de extinktiecodfficidnt en de zichtdiepte in het veld niet vervangen. Voor de validatie en
toepassing van de modellen zijn extinktie- en Secchi-diepte gegevens nodig. Voor
bijvoorbeeld het model DYNEX is het gewenst voor een relatief korte periode over veel
gegevens te beschikken (continu-metingen; projectmatig onderzoek). Voor de validatie
van UITZICHT of de relatie tussen eutrofidring en lichtklimaat is de beschikking over
data over een langere periode gewenst.
38
8.
EXTINKTIEMETINGEN EN WATERBEHEER; CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN
8.1
CONCLUSIES
Het lichtklimaat onder water heeft een grote invloed op enerzijds de groei van algen en
ondergedoken waterplanten en anderzijds op het zicht onder water. Dit laatste is
belangrijk i.v.m. de zwemwaterfunctie van veel Nederlandse oppervlaktewateren, rnaar
ook voor alle organismen, die m.b.v. zicht hun prooi vangen.
Het lichtklimaat onder water wordt bepaald door absorptie en verstrooiing van licht.
Opgeloste organische verbindingen (Gelbstoff), algen, dode organische zwevende stof
en anorganische zwevende stof bepalen in de regel in Nederlandse oppervlaktewateren
de mate van absorptie en verstrooiing. De absorptie van licht wordt vooral bepaald door
Gelbstoff en algen en soms door dode organische zwevende stof. Algen en dode
organische en anorganische zwevende stof bepalen in de regel de verstrooiing van licht.
Voor de groei van algen en waterplanten kan, behalve de totale irradiantie van PAR
(400-700 nm) ook de spectrale verdeling van deze irradiantie van belang zijn. De
absorptie van licht door algen en waterplanten is niet voor alle golflengten gelijk. Voor
veel algensoorten geldt dat ze geabsorbeerd licht van verschillende golflengten met een
nagenoeg gelijke efficidntie kunnen gebruiken voor de fotosynthese. ln ecologische
(model-) studies wordt, ondanks het bovenstaande, de irradiantie van PAR als maat
voor de beschikbare lichtenergie voor fotosynthese gebruikt.
De extinktiecodfficidnt is direct gerelateerd aan de irradiantie op verschillende diepten in
de waterkolom. Inzicht in de extinktiecodfficiEnt en de factoren die deze bepalen is
daarom van groot belang voor het verkrijgen van inzicht in de mogelijkheden voor de
groei van algen en ondergedoken waterplanten. De Secchi-diepte is een directe maat
voor het zicht onder water.
Theoretisch gezien is de extinktiecodffici6nt gevoeliger voor absorptie dan voor
verstrooiing. De zichtdiepte daarentegen hangt nagenoeg even sterk af van absorptie
als van verstrooiing. De troebelheid van water wordt vooral bepaald door de verstrooiing van licht. De extinktiecodfficidnt, zichtdiepte en troebelheid zijn zodoende op
verschillende wijze afhankelijk van absorptie en verstrooiing van licht. De verhouding
tussen de extinktiecodfficidnt en de zichtdiepte respectievelijk tussen de extinktiecodffici6nt en de troebelheid is afhankelijk van de verhouding tussen de absorptie- en
verstrooiingsco€fficidnt. Daarom zijn de extinktieco€fficidnt, zichtdiepte en troebelheid
niet in elkaar om te rekenen.
Voor algen- en waterplantengroeimodellen is de extinktieco€fficidnt een belangrijke
invoerwaarde. De simulatieresultaten zijn gevoelig voor fouten in de ingevoerde
extinktiecodfficidnt. De relatieve fout in de gesimuleerde algen resp. planten biomassa
kan, zo blijkt uit deze studie, ten minste oplopen tot 1 e 2 maal de relatieve fout in de
ingevoerde extinktieco€fficidnt. Voor betrouwbare studies m.b.v. deze modellen dienen
zodoende betrouwbare gegevens orntrent de extinktiecodffici6nt beschikbaar te ziin.
Met behulp van het in dit rapport beschreven eenvoudige (lineaire) model voor de
extinktieco€fficidnt en Secchi-diepte, waarin deze berekend worden op basis van de
absorptie door opgeloste stoffen (arro), de chlorofyl-, detritus- en anorganische
39
zwevende stofconcentratie worden voor een groot aantal Nederlandse watersystemen
een voldoende nauwkeurige schattingen verkregen. Het model kan een nuttig instrument zijn voor het bepalen van de te verwachten veranderingen in de extinktieco€ffici6nt en de Secchi-diepte ten gevolge van bekende of geschatte veranderingen in de
concentratie van de genoemde componenten.
Met behulp van een eenvoudig model voor resuspensie van bodemslib en de bijdrage
hiervan aan de extinktiecoEffici6nt is de dynamiek van de extinktieco€fficidnt in een
aantal Nederlandse ondiepe meren met succes beschreven. Het model kan een nuttig
instrument zijn voor het bepalen van de bijdrage van resuspensie van bodemslib aan de
extinktie van licht en van de te verwachten effecten van resuspensie-beperkende
maatregelen op het lichtklimaat.
Op basis van de CUWVO modellen voor het verband tussen de nutridntenbelasting en
de chlorofyl-concentratie is een verband af te leiden tussen deze belasting en de
extinktiecodffici6nt van de waterkolom. De onzekerheid/onnauwkeurigheid in de
CUWVO-verbanden werken door in het model voor de extinktieco€ffici€nt. De CUWVO
verbanden leiden vaak tot een overschatting van de chlorofylconcentratie.
8.2
AANBEVELINGEN
Vanwege het belang van voldoende en nauwkeurige gegevens over de extinktieco6fficiEnt voor beleidsonderbouwende studies m.b.t. de groei van algen en waterplanten
verdient het aanbeveling de bepaling van de extinktieco€fficidnt op te nemen in het
onderzoekprogramma voor oppervlaktewateren, waarin de groei van algen en waterplanten van belang is. De extinktiemeting kan de meting van de Secchi-diepte niet
vervangen. Voor het omgekeerde geldt hetzelfde.
Nader onderzoek dient te worden verricht naar de nauwkeurigheid van verschillende
methoden en instrumenten voor het bepalen van de extinktieco€ffici€nt. Tevens
verdient het aanbeveling nader te onderzoeken in hoeverre de spectrale verdeling van
licht in de Nederlandse oppervlaktewateren van betekenis is voor de (modellering van)
de groei van algen en waterplanten
40
LITERATUUR
Aalderink, R.H., Raap, K.P, Slobbe, L. J.C. (1991). HetTij Keert.. Een integraal waterhuishoudkundig onderzoek in de boezem van Amstelland-West. ll, toepassing
van de modellen DYNHYD en EUTROWASP op de boezem van Amstelland-West.
Landbouwuniversiteit Wageningen, Vakgroep Natuurbeheer.
Ambrose, R.B. Jr, Wool, T.A, Connolly, J.P. en Schanz, R.W. (1988). WASP4, a
hydrodynamic and water quality model - model theory, user's manual and
origrammer's guide. EPA, Athens, Georgia, USA.
Baker, E.T. en Lavelle, J.W. (1984). The effect of particle size on the light attenuation
coefficient of natural suspensions. Journal of Geophysical Research, vol. 89, no.
c5, pp 8197-8203.
Bakema, A.H (1988). Empirische lichtmodellering voor een aantal Nederlandse meren.
Waterloopkundig Laboratorium & Dienst Binnenwateren/Riza , T387, Delft/Lelystad.
Bij de Vaate, A. en Vierssen, W. van (1990). Licht en Waterplanten, oorzaken van
biomassafluctuaties van onderwatervegetaties in het Veluwemeer. Landbouwuniversiteit Wageningen, Vakgroep Natuurbeheer, Wageningen.
Blom, G. (1989). Lichtklimaat bepalende factoren in het Veluwerneer, onderzoek naar
de bijdrage van verschillende komponenten aan de extinctieco€ffici6nt van
Veluwemeerwater. Landbouwuniversiteit Wageningen, Vakgroep Natuurbeheer,
sectie Waterkwaliteitsbeheer, Wageningen.
Blom, G. (1991). Slib, slibtransport en lichtklimaat in de randmeren. Landbouwuniversiteit Wageningen, Vakgroep Natuurbeheer, sectie Waterkwaliteitsbeheer.
Blom, G., Van Duin, E.H.S., Aalderink, R.H., Lijklema, L. &Toet, C. (1992). Modelling
sediment transport in shallow lakes, interactions between sedirnent transport
and sediment composition. Hydrobiologia 2351236, pp. 153-166.
Bolvin, L.P., Davidson, W.F., Storey, R.S., Sinclair, D. & Earle, D (1986). Determination
of the attenuation coefficient of visible and ultraviolet radiation in heavy water.
Applied Optics 25, pp 807-822.
Bricaud A., Morel, A. & Prieur, L. (1981). Absorption of dissolved organic matter of the
sea (yellow substance) in the UV and visible domains. Limnology and Oceanography 26, pp 43-53.
Buiteveld, H. (1990). Uitzicht, model voor berekening van doorzicht en extinctie.
Rijkswaterstaat, Dienst BinnenwaterenlRiza, nota nr. 90.058. Lelystad.
Davies-Colley, R.J. en Vant, W.N. (1987). Absorption of light by yellow substance in
freshwater lakes. Limnol. Oceanogr.,32(21, pp 416-425.
41
Dijk, G.M. Van (1991). Light climate and its impact on Potamogeton pectinatus L. in
shallow eutrophic lake. Proefschrift LUW.
a
DiToro, D.M. (1982). Optics of turbid estuarien water, approximations and applications.
Water research 12, pp 1059-1 068.
Duin, E.H.S. Van (1992). Sediment transport, light and algal growth in the Markermeer.
Proefschrift LUW.
Duin, E.H.S. Van, Blom, G., Lijklema, L. & Scholten, M.J.M. (1992). Some aspects of
modelling sediment transport and light conditions in lake Marken. Hydrobiologia
2351236, pp. 167-176.
Ebben, M. (1992). Optica onder water; troebelheid, doorzicht en extinktie. HrO, 25-23,
pp 634-637.
Effler, S.W. (1988). Secchi disc transparency and turbidity. J. Env. Eng., vol. 1'14,
no.6, pp 1436-1447.
Gons, H.J. & Keulen, R. van (1989). De relatie tussen doorzicht en slib in de Loos
drechtse plassen in verband met de zwemwaternorm, afsluitend onderzoek.
Limnologisch instituut, WOL-rapport 1 989-4.
Hootsmans, M.J.M., Vermaat, J.E. (1991). Macrophytes, a key to understanding
changes caused by eutrophication in shallow freshwater ecosystems. Thesis
IHE.
Hulst, H.C van der (1981). Light scattering by small particles. Dover Publications, New
York/London
Jassby, A.T. en Platt, T. (1976). Mathematical formulation of the relationship between
photosynthesis and light for phytoplankton. Limnol. Oceanogr., 21, 540-547.
Jong, F. de, Donze, M. & Buiteveld, H. (1985). Optische eigenschappen van stoffen in
water. Technische Universiteit Delft, Vakgroep Gezondheidstechniek en Waterbeweging, rapport nr. 85-14.
Keijzer, J. de (1988). Verzwakking van diffuse straling in natuurlijke wateren. Maritiem
technisch bureau ZEMOKO, Oostkapelle.
Kirk, J.T.O. (1975a). A theoretical analysis of the contribution of algal cells to the
attenuation of light within natural waters; (l) general treatment of suspensions of
pigmented cells. New Phytol., 75, pp 11-2O.
Kirk, J.T.O. (1975b). A theoretical analysis of the contribution of algal cells to the
attenuation of light within natural waters; (l) sperical cells. New Phytol., 75, pp
21-36.
Kirk, J.T.O. (1976a). A theoretical analysis of the contribution of algal cells to the
attenuation of light within natural waters; (lll) cylindrical and speroidal cells.
New Phytol., 77 , pp 341-358.
42
Kirk, J.T.O. (1976b). Yellow substance (Gelbstoff) and its contribution to the attenuation of photosynthetically active radiation in some inland and coastal southeastern Australian Waters. Aust. J. Mar. Freshwater Res., 27, pp 61-71.
Kirk, J.T.O. (1979). Spectral distribution of photosynthetically active radiation in some
south-eastern Australian waters. Aust. J. Mar. Freshwater Res.,30, pp 81-91.
Kirk, J.T.O. (1980a). Spectral absorption properties of natural waters; contribution of
the soluble and particulate fractions to light absorption in some inland waters of
south-eastern Australia. Aust. J. Mar. Freshwater Res., 31, pp 287-296.
Kirk, J.T.O. (1980b). Relationship between nephelometric turbidity and scattering
coefficients of certain Australian waters. Aust. J. Mar. Freshwater Res., 32, pp
1-12.
Kirk, J.T.O. (1981). Monte carlo study of the nature of the underwater light field in,
and the relationships between optical properties of, turbid yellow waters. Aust.
J. Mar. Freshwater Res., 32, pp 517-532.
Kirk, J.T.O. (1983). Light and photosynthesis in aquatic ecosystems. Cambridge Univ.
Press, Cambridge.
Kirk, J.T.O. (1984). Attenuation of solar radiation in scattering-absorbing waters,
simplified procedure for its calculation. Applied Optics 23, pp 3737-3739.
a
Lijklema, L., Janse, J.H., Roijackers, R.M.M., Meijer, M.L. (1988). Eutrofidring in
Nederland. H2O, 21, nr. 1 7 , pp. 462-467 .
Lijklema, L. (1991). Systeemanalyse in waterkwaliteitsbeheer l. Collegediktaat Landbouwuniversiteit Wageningen, Vakgroep Natuurbeheer.
Ministerie van Verkeer en Waterstaat, (1989). Derde Nota Waterhuishouding; water
voor nu en later. Tweede kamer, vergaderjaar 1988-1989 21250 nrs. 1-2. SDU,
Den Haag.
Poole, H.H. & Atkins, W.R.G. (1929). Photoelectric measurement of submarine
illumination thoughout the year. J. Mar. Biol. Ass. U.K., 16, pp 297-324.
Preisendorfer, R.W. (1986). Secchi disk science, visual optics of natural waters.
Limnology and Oceanography 31, pp 909-926.
Prieur, L. & Sathyendranat, S. (1981). An optical classification of coastal and oceanic
waters based on the specific absorption curves of phytoplankton pigments,
dissolved organic matter and other particulate materials. Lymnology and Oceanography 26, pp 671-689.
Rivera, P.C. (1992). Resuspension, sedimentation and light attenuation in Lake
Ankeveen (The Netherlands). M.Sc. Thesis lHE, Delft.
Sathyendranath, S. & Platt, T. (1988). The spectral irradiance field at the surface and
the interior of the ocean. J. Geoph. Res. C 93, pp 9270-9280.
43
Steele, J.H. (1962). Environmental control of photosynthesis in the sea. Limnol.
Oceanogr. , 7, 1 37-1 50.
Smith, E.L. (1936). Photosynthesis in relation to light and carbon dioxide. Proc. Natl
Acad. Sci., Washington, 22, 504-511.
Smith, R.C & Baker, K. (1981) Optical properties of the clearest natural waters eOO800 nm). Applied Optics 20, 177-184.
Verduin, J. (1982) Components contributing to light extinction in natural waters,
methods of isolation. A,rch. Hydrobio. 93, no 3, pp 303-312:
44
BIJLAGE I: GEBRUIKTE VELDGEGEVENS VOOR DE VALIDATIE VAN LICHTMODELLEN
In het onderstaande wordt aangegeven van welke watersystemen gegevens gebruikt
zijn. Tevens is de periode waarop de gegevens betrekking hebben aangegeven. M.b.v.
eenvoudige codes is aangegeven in hoeverre gegevens frequent (+), of incidenteel (-)
beschikbaar zijn. Voor de absorptieco€ffici€nt bij 380 nm doet zich een bijzondere
situatie voor. Deze was over het algemeen niet bekend, maar kan op basis van
literatuurgegevens met een voldoende mate van nauwkeurigheid worden geschat; dit is
aangegeven met (G).
lJsselmeer
Markermeer
Eemmeer
Reeuwiikse Pl.
Veluwemeer
Drontermeer
Haringvliet
Breukeleveen
Wolderwijd
periode
A.ro
Chemie
Kd
Sd
89-90
82-85
73-78
83-86
78-85
90
77-84
71-79
92
G
G
+l+l+l+/+/-
78-84
G
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
G
G
G
+
G
G
+
t-
1
+
+l+/+
+l-
BIJLAGE
il.1
ll:
BESCHRIJVING VAN HET MODEL UITZICHT
Absorptie, verstrooiing en bundelverzwakking
De uitdoving van licht in natuurlijke wateren wordt veroorzaakt door absorptie van licht
door water en daarin opgeloste en zwevende stoffen. Verstrooiing van licht vergroot de
weglengte van fotonen en daarmee de kans op absorptie.
De absorptie van licht van met een golflengte A in de waterkolom is gelijk aan de som
van de bijdragen van alle absorberende componenten in het water. Ditzelfde geldt voor
de verstrooiing. De bundelverzwakking is gedefinieerd voor monochromatisch licht en
een oneindig smalle lichtbundel als de som van de totale absorptie en verstrooiing voor
deze golflengte (Kirk, 1983). ln formules:
AU)
B (/)
A (/)
A^ (l)
B {/)
B" (/t)
N
= An=r il) + .... + A"=N U)
= Bn=r il) + .... + B"=N 0l)
0r.1
)
flr.2)
= absorptieco€ffici€nt voor golflengte ,,{ (m'1)
= absorptieco€ffici€nt component n (m'1)
= verstrooiingscodfficidnt voor golflengte r{ (m'r)
= verstrooiingsco6ffici€nt component n (m-1)
= aantal onderscheiden componenten
De bundelverzwakking kan berekend worden m.b.v. vgl 2.2.
lt.2
Berekening van de extinktie
Voor de berekening van de extinktie wordt gebruik gemaakt van het door Kirk (1984)
afgeleide verband tussen de extinktiecodfficidnt, de absorptie- en verstrooiingscodfficidnt en de hoek van het invallende licht met de vertikaal (vgl. 2.5)
Met behulp van de Wet van Lambert-Beer (vgl 2.3) kan voor elke golflengte worden
berekend wat de irradiantie op diepte z is als fractie van die op diepte zo (het wateroppervlak). De irradiantie voor verschillende golflengten aan het wateroppervlak wordt
geschat m.b.v. de Stralingswet van Planck, uitgaande van een Zonnetemperatuur van
6000 K.
Uit de irradiantie (W.m'2) kan, m.b.v. vgl 2.1, de quantum irradiantie (Ei.m-r.s-r) worden
berekend volgens:
Eo
b,Al
=E(z,Al)1Gh6.02
Eo
Q,Al
= quantum irradiantie voor golflengte /
E (z,Al
A
c
h
=
=
=
=
ilr.4)
1023)
op diepte z (Ei.m-t.s-r.nm-t)
golflengte
irradiantie voor
/ op diepte z (W.m'2)
golflengte (nm)
lichtsnelheid; 3 108 (m.s'1)
constante van Planck; 6.6262 10-34 (J.s)
De quantum irradiantie voor het PAR (Eo", (z)) op diepte z kan worden berekend als de
integraal van de quantum irradiantie per golflengte (Eo (2,,1)) over het golflengtegebied
van 4OO tot 7OO nm.
il-1
De extinktiecodffici€nt (Ko",) wordt vervolgens berekend m.b.v. vergelijking 2.4.
wordt in het vervolg aangeduid als Kd.
il.3
Ko.,
Berekening van de Secchidiepte
De Secchi-diepte wordt berekend m.b.v. de relatie van Preisendorfer (vgl 5.2). Hierin is
de Secchi-diepte een functie van de extinktieco€fficiEnt en de bundelverzwakkingsco€ffici6nt.
n.4
De bijdrage van water
Voor de absorptie- en verstrooiingscodfficidnten van water bij verschillende golflengten
zijn gegevens van Smith en Baker (1981)en Bolvin et al. 11986) gebruikt.
il.5
De bijdrage van Gelbstoff
Onder Gelbstoff worden in dit verband alle componenten (anders dan water) die niet
d.m.v. filtratie over een 0.45 pm filter uit het water worden verwijderd verstaan. De
bijdrage van Gelbstoff aan de verstrooiing is nihil. De bijdrage aan de absorptiecodfficiEnt wordt geschat op basis van de absorptieco€ffici6nt gemeten bij een
golflengte van 380 nm, volgens (Bricaud et a|.,1981; De Jong et a|.,1985):
Ae U)
As
il)
k^
il.6
As(380) exp (-kn il - 380))
flr.8)
absorptieco6ffici€nt Gelbstoff bij golflengte
constante (nm'r)
I
(m't)
De bijdrage van algen
De beschrijving van de optische eigenschappen van algen is gebaseerd op Prieur en
Sathyendranath (1981). De bundelverzwakking veroorzaakt door algen bij verschillende
golflengten is ongeveer gelijk. Het absorptie- en verstrooiingsspectrum hebben globaal
een aan elkaar tegengesteld verloop (Sathyendranath en Platt, 1988). De bijdrage aan
de absorptie- en verstrooiingscodfficidnt veroorzaakt door algen kan worden berekend
met:
c"
0{)
A"
A"
(rt)
(,,1)
a" (r{ )
b" (/)
c" 0)
chl
a"n, Ll)
k"
A" (550) + 0.12 Chl0'63 k"
(0.058 + 0.018 Chl) ac' 04) k"
c" (/) - A"
u)
(11.9)
(11.10)
fl|.1 1)
de bijdrage aan de absorptiecodfficidnt van algen (m'1)
de bijdrage aan de verstrooiingsco€ffici€nt door algen (m'1)
de bijdrage aan de bundelverzwakkingsco€fficidnt van algen (m'r)
chlorofyl-a concentratie (pg.l'1 )
specifieke absorptieco€fficidnt van chlorofyl-a (m'1.t/g't.l)
constante
t]
-2
Als de chlorofyl-a concentratie 0 is zijn a"(rl), b"(l) en c,(rl) eveneens 0. De specifieke
absorptiecoEffici6nt van chlorofyl-a is overgenomen uit Prieur en Sathyennadrath
(1981). De constante k" verdisconteert verschillen tussen algensoorten en dient door
calibratie geschat te worden.
ll.7
De bijdrage van detritus
Voor de golflengte-afhankelijkheid van optische eigenschappen van detritus is een
omgekeerde evenredigheid met de golflengte aangenomen (Prieur en Sathyendranath,
1981).
Ad 0t)
Bd 0t)
kd," DetF" (4O0 rl-t)
ko,o DetF'b (400I't)
Ad U)
Bd U)
Det
bijdrage van detritus aan absorptieco€fficidnt (m't)
bijdrage van detritus aan verstrooiingscodffici6nt (m-t)
detritusconcentratie {mg.l-r )
constante (m.mg't.l)
constante (m.mg-t.l)
constante (-)
constante (-)
ko,"
ko,o
Pd.a
pd,b
il.8
{.il.121
flr.13)
Bijdrage van minerale zwevende stof
Ook voor de anorganische zwevende stof is voor de optische eigenschappen een
omgekeerde evenredigheid met de golflengte aangenomen. Verder is aangenomen dat
de bijdrage aan de absorptiecodfficidnt verwaarloosbaar is. De bijdrage aan de verstrooiingscodffici6nt wordt beschreven met:
B- (l)
bd
u)
Min
kpm
ll.9
= k-
Mintr" (400
/'t)
flr.14)
= bijdrage van anorg. zwevende
= concentratie anorganische
= constante {m.mg-l.1)
= ConStdntB (-)
stof aan verstrooiingscodfficidnt
(m-1)
zwevende stof(mg.l-1)
Schatting van de detritusconcentratie
De detritusconcentratie kan niet rechtstreeks gemeten worden in natuurlijke wateren,
maar wordt berekend uit de gemeten zwevende stofconcentratie, gecorrigeerd voor de
bijdrage van anorganische zwevende stof (gloeirest) en algen.
Det
=
SS
m8
= zwevende stofconcentratie (mg.l-l)
= verhoudingsconstante tussen drooggewicht
SS - Min - m"
Chl
(11.15)
il-3
algen en Chl (mg./g'l)
11.10 Parameters in UITZICHT
Enkele van de parameterwaarden in het model UITZICHT moeten d.m.v. calibratie
worden bepaald. Voor verschillende systemen/studies blijken andere parameterwaarden
de beste resultaten op te leveren. Voor de situatie in de randmeren worden twee sets
parameters gegeven. De door Buiteveld {1990) bepaalde parameters zijn gebaseerd op
de resultaten van metingen over een langere periode, uitgevoerd door Rijkswaterstaat.
De met LUW aangeduidde parameterset zijn bepaald in een korte intensieve studie in
het najaar van 1987. De opwerveling van bodemslib had in deze periode een grote
invloed op het lichtklimaat (zie hoofdstuk 7). In tabel ll.1 worden de voor verschillende
systemen bepaalde parametercombinaties gegeven. ln deze studie zijn standaard de
door Buiteveld (1990) bepaalde parameters voor de randmeren aangehouden.
Tabel
II.1
Parameterwaarden in het model uitzicht, zoals bepaald voor het VolkerakZoommeer, de randmeren en het Veluwemeer Luw-studie)
Gelbstoff
Algen
Detritus
Anorg. zwev. stof
Secchi-diepte
k^
VolkerakZoommeer
randmeren Veluwemeer
0.014
0.014
0.014
LUW
k-
1.7
ma
o.o7
2.5
o.o7
0.07
ko."
0.01
0.026
0.05
Fa,"
1
1
1
ko,o
0.4
0.73
0.6
Fo,u
1
1
1
k-
0.4
a.73
P-
1
1
o.42
1.05
8.1
7.8
7
il-4
1.9

PDF - Reclamefolder.nl - ringfoto-week13

Dit stukje gaat over algen. De eerste keer dat

Lezing Jack Middelburg 21 okt. 2014

Zonne-energie Zonne-energie

pdf formaat

Symposium 8 april 2014: spreker4 Gert Hemke, Hemke Nutriconsult

mpjfg5615874 - Research portal

Filmavond 18 april.pdf

LECOMTE FONDATEL AQUAmax

Hakselaars - BJ-type

PDF Roll Line