北部太湖DO、pH時(shí)空變化及其與葉綠素a的相關(guān)性分析

施紅菊，陳啟慧，張玉田，許樹(shù)洪，周正模，陳 陽(yáng)

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局泰州分局，江蘇 泰州 225300)

前 言

太湖流域位于江浙滬三省交界處，流域面積36 985km2，在全國(guó)0.4%面積范圍內(nèi)生活了超過(guò)3%的人口，創(chuàng)造了超過(guò)10%的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值[1]。太湖是我國(guó)第三大淡水湖，為淺水湖泊，具有水產(chǎn)養(yǎng)殖、飲水供應(yīng)、調(diào)蓄洪水、水上運(yùn)輸和生態(tài)休閑旅游等生態(tài)服務(wù)功能，為太湖流域的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)大動(dòng)力[2]。但是1980s以來(lái)太湖水環(huán)境質(zhì)量快速下降[3]，截至2018年，太湖設(shè)置的17個(gè)國(guó)控點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示全太湖平均水質(zhì)為Ⅳ類，屬輕度富營(yíng)養(yǎng)化[4]。大型淺水湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的長(zhǎng)期持續(xù)會(huì)帶來(lái)湖泊環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)的一系列變化，包括藍(lán)藻水華(或者其他藻類水華)、沉水植物消退、生物多樣性下降以及水體理化特性(透明度，pH，DO，活性有機(jī)物等)的改變等[5]。藍(lán)藻水華暴發(fā)等生物因素會(huì)改變水體DO[6]和pH[7]，同時(shí)DO和pH也是影響富營(yíng)養(yǎng)化水體高效營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)效應(yīng)的重要環(huán)境參數(shù)[8]。不僅如此，DO和pH是湖泊水生態(tài)安全的關(guān)鍵變量，對(duì)維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)平衡至關(guān)重要[9]。對(duì)于飲用水水源地而言，DO和pH更是水源地水質(zhì)安全的關(guān)鍵指標(biāo)。2007年5月，太湖貢湖灣發(fā)生大面積湖泛，水體發(fā)黑發(fā)臭，DO含量急劇下降，最終導(dǎo)致了無(wú)錫沙渚水廠的供水危機(jī)事件[10]。由于藻類與水生植物生長(zhǎng)旺盛造成的pH值偏高也是淺水型湖泊水源水廠需要應(yīng)對(duì)的問(wèn)題[11]。

太湖北部湖灣富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題最為嚴(yán)重，而且有包括小灣里水廠、南泉水源廠、錫東水廠在內(nèi)的多個(gè)水廠，承擔(dān)著農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水及居民生活用水等重要供水功能[12]。本文利用太湖2013 ～2018年的湖泛期逐日巡查數(shù)據(jù)和逐月水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用頻率曲線法、相關(guān)分析法等分析了DO、pH的變化特征及其與葉綠素a(Chl.a)的相關(guān)關(guān)系。本文成果可為太湖北部湖灣的水質(zhì)安全保護(hù)工作提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

為對(duì)貢湖、竺山湖和梅梁灣的逐日DO與pH進(jìn)行頻率分析，本文收集了分別來(lái)自貢湖、竺山湖和梅梁灣14個(gè)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的2013年～2018年湖泛期4月10日至10月20日DO與pH的每日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于貢湖，5個(gè)位于梅梁灣，5個(gè)位于竺山湖，具體點(diǎn)位見(jiàn)圖1。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分別由江蘇省水文水資源勘測(cè)局無(wú)錫分局、常州分局和蘇州分局提供。每日湖泛巡查時(shí)間主要在8點(diǎn)至13點(diǎn)之間，各湖灣的日平均DO濃度或pH值分別由各湖灣內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的日監(jiān)測(cè)值進(jìn)行算術(shù)平均計(jì)算得到，各湖灣的多年月平均DO濃度或pH值則由各自的日平均值進(jìn)行算術(shù)平均計(jì)算得到。

圖1 湖泛巡查范圍和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

為了分析Chl.a與DO或pH的相關(guān)關(guān)系，收集了分別來(lái)自貢湖、竺山湖和梅梁灣13個(gè)采樣點(diǎn)2013年～2018年Chl.a、DO和pH的逐月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中4個(gè)采樣點(diǎn)位于貢湖，7個(gè)位于梅梁灣，2個(gè)位于竺山湖，具體點(diǎn)位見(jiàn)圖2。逐月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也由江蘇省水文水資源勘測(cè)局提供。資料系列時(shí)長(zhǎng)共計(jì)72個(gè)月，每月監(jiān)測(cè)時(shí)間一般在中上旬。用于相關(guān)性分析的各湖灣月平均Chl.a濃度、DO濃度或pH值分別由各湖灣內(nèi)采樣點(diǎn)的月監(jiān)測(cè)值進(jìn)行算術(shù)平均計(jì)算得到。

圖2 三湖灣逐月監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)

1.2 分析方法

基于計(jì)算的2013～2018年4～10月逐日平均DO濃度與pH值，繪制不同年份不同湖灣DO濃度與pH值的頻率曲線，對(duì)比DO與pH頻率曲線隨年份和隨湖灣變化的規(guī)律；參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)[13]中DO與pH的標(biāo)準(zhǔn)限值，由DO與pH頻率曲線統(tǒng)計(jì)得到不同湖灣不同年份DO與pH在不同閾值范圍內(nèi)的占比，對(duì)比其隨年份和湖灣的變化規(guī)律；利用不同湖灣DO濃度與pH的多年月平均值，對(duì)比分析不同湖灣不同年份湖泛期DO與pH的變化規(guī)律。

基于2013～2018年DO、pH、Chl.a逐月平均值，選用皮爾遜相關(guān)分析法[14]，利用IBM SPSS Statistics 25計(jì)算藍(lán)藻暴發(fā)期和非藍(lán)藻暴發(fā)期DO、pH與Chl.a的相關(guān)系數(shù)，分析Chl.a與DO或pH的相關(guān)關(guān)系；在分析Chl.a年內(nèi)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，討論Chl.a濃度變化對(duì)DO濃度或pH值造成的影響，并探討了可能造成DO和pH變化的其他主要因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 DO變化特征

圖3表明三湖灣的DO日濃度頻率曲線年際變化均不顯著，但在P<95%和P≥95%時(shí)差異較為明顯。P<95%時(shí)，貢湖、梅梁灣與竺山湖的逐年DO日濃度頻率曲線均基本相互平行，其上下包絡(luò)線最大差值分別為1.29mg/L、1.21mg/L與1.36mg/L，其各頻率DO日濃度年際變化幅度分別低于多年平均濃度(依次為8.80mg/L、8.62mg/L與7.41mg/L)的14.7%、14.1%與18.4%，竺山湖DO日濃度年際變化>貢湖>梅梁灣，且均不顯著。其中，竺山湖年際變化幅度相對(duì)略高的主要原因是，2017年在40%

圖3 三湖灣2013年～2018年DO濃度頻率曲線

由圖3可見(jiàn)，在5%6%；當(dāng)P≥95%時(shí)，僅竺山湖在2018年DO日濃度變化與全年絕對(duì)變化幅度的比值為4.77%，其余各湖灣各年均>14%。可見(jiàn)三湖灣DO在P≤5%及P≥95%時(shí)的年內(nèi)變化相對(duì)于5%

圖4三湖灣逐年DO日濃度不同水質(zhì)級(jí)別占比表明，貢湖的水質(zhì)要略好于梅梁灣，且兩者均明顯優(yōu)于竺山湖。貢湖除2013年達(dá)到Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)日占比為79.07%外，其余五年均超過(guò)了90%。梅梁灣只在2013、2015年出現(xiàn)極少數(shù)監(jiān)測(cè)日為Ⅲ類水，其余各年均達(dá)到Ⅱ類水及以上，其中2016年和2018年Ⅰ類水占比更是超過(guò)了90%，分別為90.68%、96.00%。竺山湖水質(zhì)最差，各年均有水質(zhì)為Ⅳ類水的監(jiān)測(cè)日出現(xiàn)，其中2017年Ⅳ類水和Ⅲ類水在三湖灣中占比最高，分別達(dá)到7.10%和16.77%，竺山湖Ⅲ、Ⅳ類水監(jiān)測(cè)日主要出現(xiàn)在5～9月。

圖4 三湖灣各年DO日濃度分級(jí)占比

三湖灣DO多年月平均值的年內(nèi)變化呈現(xiàn)不同的時(shí)空變化規(guī)律(圖5)。貢湖與梅梁DO多年月平均值在4～9月呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，9月達(dá)到最小值，分別為8.31mg/L、8.03mg/L，10月明顯回升。竺山湖DO多年月均值在4～6月有一次下降過(guò)程，至6月達(dá)到極小值6.47mg/L，之后回升，在9月第2次出現(xiàn)極小值7.00mg/L。

圖5 三湖灣DO多年月均值變化

2.2 pH變化特征

圖6顯示出三湖灣的pH頻率曲線年際變化在不同頻率下呈現(xiàn)漸變差異。P<95%時(shí)，貢湖、梅梁灣、竺山湖的pH上下包絡(luò)線絕對(duì)差值范圍分別為0.18～0.82、0.24～1.00和0.36～1.09，且隨著頻率的降低而逐漸變大，其pH日監(jiān)測(cè)值年際變化幅度分別為多年平均濃度(依次為8.54、8.52和8.34)的2.11%～9.60%、2.82%～11.74%、4.32%～13.07%，竺山湖的pH頻率曲線年際變化>梅梁灣>貢湖，且均不顯著。P≥95%時(shí)，年際變化的漸變差異不明顯。

由圖6可見(jiàn)，在P<95%時(shí)，pH各年頻率曲線的斜率隨著頻率的降低而逐漸變大，即年內(nèi)差異也隨著頻率的降低而逐漸變大。貢湖、梅梁灣與竺山湖在5%

圖6 三湖灣2013年～2018年pH頻率曲線

由圖7可知，貢湖與梅梁灣所有監(jiān)測(cè)日中pH在8.5～9之間的比例明顯大于竺山湖，竺山湖則有更高比例的pH在8～8.5之間，且其2018年在7～7.5范圍內(nèi)的pH占比達(dá)到了31.58%，可見(jiàn)竺山湖pH整體更小?！兜乇硭h(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中Ⅰ類～Ⅴ類水的pH范圍均為6～9，三湖灣共計(jì)51天監(jiān)測(cè)值超過(guò)了9，貢湖、梅梁灣與竺山湖各16、25和10天，主要集中在6～9月。

圖7 三湖灣各年pH日濃度分級(jí)占比

三湖灣pH多年月均值年內(nèi)變化呈現(xiàn)單峰型(圖8)，貢湖與梅梁灣4月pH最小，之后逐月上升，8月達(dá)到最大值，分別為8.71和8.67，之后逐月下降；竺山湖4～5月有一次pH下降過(guò)程，之后連續(xù)上升，9月pH達(dá)到最大值8.54。

圖8 三湖灣pH多年月均值變化

2.3 三湖灣Chl.a濃度的年際年內(nèi)變化

圖9反映了三湖灣2013～2018年Chl.a年均值變化，2013～2018年期間三湖灣多年平均Chl.a濃度為竺山湖(60.62μg/L)>梅梁灣(47.4μg/L)>貢湖(34.43μg/L)。圖10則反映了三湖灣2013～2018年Chl.a年內(nèi)變化，可見(jiàn)各湖灣Chl.a在8月或9月達(dá)到最大值，且在夏季整體偏高。

圖9 三湖灣2013～2018年Chl.a年均值變化

圖10 三湖灣Chl.a多年月均值變化

2.4 Chl.a與DO、pH相關(guān)關(guān)系

太湖藍(lán)藻水華生命周期可分為以下階段：12～2月休眠期、3～4月復(fù)蘇期、5～11月藍(lán)藻水華頻發(fā)期[15]，故將全年分為兩個(gè)階段，即藍(lán)藻暴發(fā)期(5～11月)和非藍(lán)藻暴發(fā)期(12～4月)。

Chl.a與DO的相關(guān)性在不同湖灣及不同的時(shí)間階段存在明顯差異(表1)，在全年尺度下只在梅梁灣呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，在非藍(lán)藻暴發(fā)期三湖灣的相關(guān)性均不顯著，在藍(lán)藻暴發(fā)期三湖灣均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)由大到小排序?yàn)椋后蒙胶?0.556)>梅梁灣(0.487)>貢湖(0.473)。

表1 Chl.a與DO、pH的相關(guān)系數(shù)與顯著性

Chl.a與pH的相關(guān)性在不同湖灣及不同的時(shí)間階段均呈極顯著正相關(guān)，從全年來(lái)看，相關(guān)系數(shù)由大到小排序?yàn)椋后蒙胶?0.686)>梅梁灣(0.664)>貢湖(0.578)。

3 討 論

3.1 DO時(shí)空變化的主要影響因素分析

水體溶解氧(DO)是反映生物生長(zhǎng)狀況和污染狀況的重要水質(zhì)指標(biāo)[16]，其含量受眾多因素影響，包括水溫、pH、溶解離子、懸浮物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、生物量、水體分層、波浪以及水底地形等[17]。

總體而言，竺山湖的DO在三湖灣中相對(duì)較低。辛華榮等[18]探討了2013年～2018年太湖北部湖灣湖泛發(fā)生特征，研究結(jié)果表明，竺山湖所在的湖西區(qū)發(fā)生湖泛的次數(shù)與強(qiáng)度遠(yuǎn)高于梅梁灣與貢湖之和，湖泛發(fā)生首日的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，竺山湖的COD遠(yuǎn)高于另外兩個(gè)湖灣；余岑涔[19]等人通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究了太湖草藻殘?bào)w分解對(duì)水質(zhì)的影響，結(jié)果表明植物殘?bào)w及有機(jī)物的加入會(huì)導(dǎo)致水體DO下降，且加入的量越大，DO下降越多。因此，可以認(rèn)為竺山湖DO總體較低是由其藍(lán)藻暴發(fā)及湖泛程度在三湖灣中最為嚴(yán)重所致。另外，貢湖與梅梁灣在8月或9月的DO含量最低，竺山湖則在6月和9月達(dá)到極低值。根據(jù)亨利定律，水溫升高會(huì)導(dǎo)致氣體在水中的溶解度下降[20]，夏季DO偏低很可能是夏季水溫較高所致。

Chl.a與DO在非藍(lán)藻暴發(fā)期的相關(guān)性不顯著，藍(lán)藻暴發(fā)期呈顯著正相關(guān)。對(duì)三湖灣多年月Chl.a監(jiān)測(cè)值分階段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻暴發(fā)期的Chl.a濃度顯著高于非藍(lán)藻暴發(fā)期(表2)。韓志萍等[21]對(duì)南部太湖藍(lán)藻生物量與DO進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)藻類生物量較小時(shí)，藍(lán)藻生物量與DO不顯著相關(guān)，藍(lán)藻生物量較大時(shí)才具有顯著相關(guān)性。黃歲樑等[22]研究了非養(yǎng)殖水體中的Chl.a與DO的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)只在Chl.a含量較高時(shí)，Chl.a與DO才呈顯著正相關(guān)，Chl.a含量較低時(shí)與DO不相關(guān)可能與水體交換能力較強(qiáng)或有機(jī)污染物含量較高有關(guān)。

表2 藍(lán)藻不同生長(zhǎng)階段Chl.a多年月均值

3.2 pH時(shí)空變化的主要影響因素分析

平原地區(qū)的湖泊礦化度一般都很低[23]，因此水體pH主要受CO2含量影響，水體內(nèi)的CO2與碳酸鹽、碳酸氫鹽形成一個(gè)動(dòng)態(tài)可逆的碳酸鹽系統(tǒng)[24]，見(jiàn)下式，影響CO2的因素很多，包括水溫、生物的呼吸作用、植物的光合作用、有機(jī)物的氧化分解等[25]。另外還要考慮太湖水體pH受外源來(lái)水水質(zhì)影響。

三湖灣中富營(yíng)養(yǎng)化最嚴(yán)重的為竺山湖，最輕的為貢湖，富營(yíng)養(yǎng)化越嚴(yán)重的湖灣，Chl.a與pH的相關(guān)系數(shù)越大(表1)。在富營(yíng)養(yǎng)化水體中，pH主要受藻類生命活動(dòng)影響[26]。王志紅[27]等人的研究表明，藻類在生長(zhǎng)旺盛時(shí)，其光合作用占優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)還原CO2合成有機(jī)物來(lái)增加藻類生物種群密度，從而導(dǎo)致pH升高。溫度也能通過(guò)影響生物新陳代謝速率間接影響水體pH[28]。柴小穎的研究表明，光照和營(yíng)養(yǎng)鹽都處于飽和條件下，在適宜溫度范圍(10～20℃)內(nèi)，溫度每升高10℃，浮游植物生長(zhǎng)率就增加一倍多[29]，這可能是三湖灣月平均pH最高均發(fā)生在溫度較高的7～9月的原因。

空間上看，竺山湖的pH整體偏低些，這可能跟三湖灣中竺山湖湖泛程度最嚴(yán)重有關(guān)。馮勝等人跟蹤了湖泛爆發(fā)過(guò)程中的細(xì)菌群落動(dòng)態(tài)與環(huán)境因子變化，發(fā)現(xiàn)湖泛發(fā)生時(shí)Chl.a含量升高，但是由于過(guò)低的透明度，水面下藻類的呼吸作用及有機(jī)質(zhì)的協(xié)同作用導(dǎo)致pH降低[30]。謝麗娟等人認(rèn)為微生物厭氧分解藍(lán)藻及其他有機(jī)污染物的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)酸和CO2使pH降低[31]。三湖灣中竺山湖的湖泛強(qiáng)度和次數(shù)更多、DO更低，更強(qiáng)烈的厭氧分解導(dǎo)致竺山湖pH總體偏低。

4 結(jié) 論

三湖灣DO在空間上呈現(xiàn)一定的差異性，其湖泛期多年均值分別為竺山湖DO 7.41mg/L<梅梁灣8.62mg/L<貢湖8.80mg/L，竺山湖在DO指標(biāo)上水質(zhì)最差，但在P≥95%的高值區(qū)域，竺山湖的DO濃度往往更高，其次是梅梁灣與貢湖。三湖灣DO日濃度的整體年際變化均不明顯，但P≥95%頻率區(qū)間的年際變化幅度較P<95%的略大。在5%6%，最高達(dá)36.39%，整體明顯大于5%

三湖灣pH在空間上差異較小，其多年均值分別為竺山湖8.34<梅梁灣8.52<貢湖8.54。三湖灣的pH頻率曲線在P<95%時(shí)，年際和年內(nèi)變化幅度均隨頻率降低而變大。貢湖、梅梁灣、竺山湖的pH日監(jiān)測(cè)值年際變化幅度分別為多年平均濃度的2.11%～9.60%、2.82%～11.74%、4.32%～13.07%，在5%

DO在藍(lán)藻暴發(fā)期與Chl.a呈顯著正相關(guān)關(guān)系，但三湖灣夏季DO整體偏低，應(yīng)主要是夏季水溫較高所致；pH與Chl.a呈顯著正相關(guān)關(guān)系，且Chl.a濃度越高的湖灣，相關(guān)性越強(qiáng)，說(shuō)明藍(lán)藻生長(zhǎng)對(duì)pH影響顯著；三湖灣中竺山湖DO和pH年均值最低應(yīng)與其湖泛程度最嚴(yán)重有關(guān)。