北部太湖DO、pH時空變化及其與葉綠素a的相關性分析

施紅菊，陳啟慧，張玉田，許樹洪，周正模，陳 陽

(1.河海大學水文水資源學院，南京 210098；2.江蘇省水文水資源勘測局泰州分局，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0.4%面積范圍內生活了超過3%的人口，創造了超過10%的國內生產總值[1]。太湖是我國第三大淡水湖，為淺水湖泊，具有水產養殖、飲水供應、調蓄洪水、水上運輸和生態休閑旅游等生態服務功能，為太湖流域的經濟可持續發展提供了強大動力[2]。但是1980s以來太湖水環境質量快速下降[3]，截至2018年，太湖設置的17個國控點的監測結果顯示全太湖平均水質為Ⅳ類，屬輕度富營養化[4]。大型淺水湖泊富營養化的長期持續會帶來湖泊環境與生態系統的一系列變化，包括藍藻水華(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，活性有機物等)的改變等[5]。藍藻水華暴發等生物因素會改變水體DO[6]和pH[7]，同時DO和pH也是影響富營養化水體高效營養鹽循環效應的重要環境參數[8]。不僅如此，DO和pH是湖泊水生態安全的關鍵變量，對維持湖泊生態系統平衡至關重要[9]。對于飲用水水源地而言，DO和pH更是水源地水質安全的關鍵指標。2007年5月，太湖貢湖灣發生大面積湖泛，水體發黑發臭，DO含量急劇下降，最終導致了無錫沙渚水廠的供水危機事件[10]。由于藻類與水生植物生長旺盛造成的pH值偏高也是淺水型湖泊水源水廠需要應對的問題[11]。

太湖北部湖灣富營養化問題最為嚴重，而且有包括小灣里水廠、南泉水源廠、錫東水廠在內的多個水廠，承擔著農業灌溉、工業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據和逐月水質監測數據，采用頻率曲線法、相關分析法等分析了DO、pH的變化特征及其與葉綠素a(Chl.a)的相關關系。本文成果可為太湖北部湖灣的水質安全保護工作提供依據。

1 數據和方法

1.1 數據來源與處理

為對貢湖、竺山湖和梅梁灣的逐日DO與pH進行頻率分析，本文收集了分別來自貢湖、竺山湖和梅梁灣14個固定監測點位的2013年～2018年湖泛期4月10日至10月20日DO與pH的每日監測數據，其中4個監測點位于貢湖，5個位于梅梁灣，5個位于竺山湖，具體點位見圖1。監測數據分別由江蘇省水文水資源勘測局無錫分局、常州分局和蘇州分局提供。每日湖泛巡查時間主要在8點至13點之間，各湖灣的日平均DO濃度或pH值分別由各湖灣內監測點位的日監測值進行算術平均計算得到，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行算術平均計算得到。

圖1 湖泛巡查范圍和監測點位

為了分析Chl.a與DO或pH的相關關系，收集了分別來自貢湖、竺山湖和梅梁灣13個采樣點2013年～2018年Chl.a、DO和pH的逐月監測數據，其中4個采樣點位于貢湖，7個位于梅梁灣，2個位于竺山湖，具體點位見圖2。逐月監測數據也由江蘇省水文水資源勘測局提供。資料系列時長共計72個月，每月監測時間一般在中上旬。用于相關性分析的各湖灣月平均Chl.a濃度、DO濃度或pH值分別由各湖灣內采樣點的月監測值進行算術平均計算得到。

圖2 三湖灣逐月監測采樣點

1.2 分析方法

基于計算的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，對比DO與pH頻率曲線隨年份和隨湖灣變化的規律；參照《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)[13]中DO與pH的標準限值，由DO與pH頻率曲線統計得到不同湖灣不同年份DO與pH在不同閾值范圍內的占比，對比其隨年份和湖灣的變化規律；利用不同湖灣DO濃度與pH的多年月平均值，對比分析不同湖灣不同年份湖泛期DO與pH的變化規律。

基于2013～2018年DO、pH、Chl.a逐月平均值，選用皮爾遜相關分析法[14]，利用IBM SPSS Statistics 25計算藍藻暴發期和非藍藻暴發期DO、pH與Chl.a的相關系數，分析Chl.a與DO或pH的相關關系；在分析Chl.a年內變化規律的基礎上，討論Chl.a濃度變化對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%時差異較為明顯。P<95%時，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，在5%6%；當P≥95%時，僅竺山湖在2018年DO日濃度變化與全年絕對變化幅度的比值為4.77%，其余各湖灣各年均>14%?？梢娙矰O在P≤5%及P≥95%時的年內變化相對于5%

圖4三湖灣逐年DO日濃度不同水質級別占比表明，貢湖的水質要略好于梅梁灣，且兩者均明顯優于竺山湖。貢湖除2013年達到Ⅰ類水標準的監測日占比為79.07%外，其余五年均超過了90%。梅梁灣只在2013、2015年出現極少數監測日為Ⅲ類水，其余各年均達到Ⅱ類水及以上，其中2016年和2018年Ⅰ類水占比更是超過了90%，分別為90.68%、96.00%。竺山湖水質最差，各年均有水質為Ⅳ類水的監測日出現，其中2017年Ⅳ類水和Ⅲ類水在三湖灣中占比最高，分別達到7.10%和16.77%，竺山湖Ⅲ、Ⅳ類水監測日主要出現在5～9月。

圖4 三湖灣各年DO日濃度分級占比

三湖灣DO多年月平均值的年內變化呈現不同的時空變化規律(圖5)。貢湖與梅梁DO多年月平均值在4～9月呈現下降趨勢，9月達到最小值，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月有一次下降過程，至6月達到極小值6.47mg/L，之后回升，在9月第2次出現極小值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漸變差異。P<95%時，貢湖、梅梁灣、竺山湖的pH上下包絡線絕對差值范圍分別為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日監測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，年際變化的漸變差異不明顯。

由圖6可見，在P<95%時，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測日中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范圍內的pH占比達到了31.58%，可見竺山湖pH整體更小?！兜乇硭h境質量標準》(GB3838-2002)中Ⅰ類～Ⅴ類水的pH范圍均為6～9，三湖灣共計51天監測值超過了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日濃度分級占比

三湖灣pH多年月均值年內變化呈現單峰型(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下降過程，之后連續上升，9月pH達到最大值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年內變化，可見各湖灣Chl.a在8月或9月達到最大值，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相關關系

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

Chl.a與DO的相關性在不同湖灣及不同的時間階段存在明顯差異(表1)，在全年尺度下只在梅梁灣呈現顯著負相關，在非藍藻暴發期三湖灣的相關性均不顯著，在藍藻暴發期三湖灣均呈極顯著正相關，相關系數由大到小排序為：竺山湖(0.556)>梅梁灣(0.487)>貢湖(0.473)。

表1 Chl.a與DO、pH的相關系數與顯著性

Chl.a與pH的相關性在不同湖灣及不同的時間階段均呈極顯著正相關，從全年來看，相關系數由大到小排序為：竺山湖(0.686)>梅梁灣(0.664)>貢湖(0.578)。

3 討 論

3.1 DO時空變化的主要影響因素分析

水體溶解氧(DO)是反映生物生長狀況和污染狀況的重要水質指標[16]，其含量受眾多因素影響，包括水溫、pH、溶解離子、懸浮物、營養物質、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在三湖灣中相對較低。辛華榮等[18]探討了2013年～2018年太湖北部湖灣湖泛發生特征，研究結果表明，竺山湖所在的湖西區發生湖泛的次數與強度遠高于梅梁灣與貢湖之和，湖泛發生首日的各項水質指標監測結果顯示，竺山湖的COD遠高于另外兩個湖灣；余岑涔[19]等人通過對比試驗研究了太湖草藻殘體分解對水質的影響，結果表明植物殘體及有機物的加入會導致水體DO下降，且加入的量越大，DO下降越多。因此，可以認為竺山湖DO總體較低是由其藍藻暴發及湖泛程度在三湖灣中最為嚴重所致。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月達到極低值。根據亨利定律，水溫升高會導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在非藍藻暴發期的相關性不顯著，藍藻暴發期呈顯著正相關。對三湖灣多年月Chl.a監測值分階段進行統計，發現藍藻暴發期的Chl.a濃度顯著高于非藍藻暴發期(表2)。韓志萍等[21]對南部太湖藍藻生物量與DO進行相關分析時發現，當藻類生物量較小時，藍藻生物量與DO不顯著相關，藍藻生物量較大時才具有顯著相關性。黃歲樑等[22]研究了非養殖水體中的Chl.a與DO的相關關系，發現只在Chl.a含量較高時，Chl.a與DO才呈顯著正相關，Chl.a含量較低時與DO不相關可能與水體交換能力較強或有機污染物含量較高有關。

表2 藍藻不同生長階段Chl.a多年月均值

3.2 pH時空變化的主要影響因素分析

平原地區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，水體內的CO2與碳酸鹽、碳酸氫鹽形成一個動態可逆的碳酸鹽系統[24]，見下式，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、有機物的氧化分解等[25]。另外還要考慮太湖水體pH受外源來水水質影響。

三湖灣中富營養化最嚴重的為竺山湖，最輕的為貢湖，富營養化越嚴重的湖灣，Chl.a與pH的相關系數越大(表1)。在富營養化水體中，pH主要受藻類生命活動影響[26]。王志紅[27]等人的研究表明，藻類在生長旺盛時，其光合作用占優勢，并通過還原CO2合成有機物來增加藻類生物種群密度，從而導致pH升高。溫度也能通過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，光照和營養鹽都處于飽和條件下，在適宜溫度范圍(10～20℃)內，溫度每升高10℃，浮游植物生長率就增加一倍多[29]，這可能是三湖灣月平均pH最高均發生在溫度較高的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重有關。馮勝等人跟蹤了湖泛爆發過程中的細菌群落動態與環境因子變化，發現湖泛發生時Chl.a含量升高，但是由于過低的透明度，水面下藻類的呼吸作用及有機質的協同作用導致pH降低[30]。謝麗娟等人認為微生物厭氧分解藍藻及其他有機污染物的過程會產生大量的有機酸和CO2使pH降低[31]。三湖灣中竺山湖的湖泛強度和次數更多、DO更低，更強烈的厭氧分解導致竺山湖pH總體偏低。

4 結 論

三湖灣DO在空間上呈現一定的差異性，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指標上水質最差，但在P≥95%的高值區域，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%頻率區間的年際變化幅度較P<95%的略大。在5%6%，最高達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，年際和年內變化幅度均隨頻率降低而變大。貢湖、梅梁灣、竺山湖的pH日監測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在藍藻暴發期與Chl.a呈顯著正相關關系，但三湖灣夏季DO整體偏低，應主要是夏季水溫較高所致；pH與Chl.a呈顯著正相關關系，且Chl.a濃度越高的湖灣，相關性越強，說明藍藻生長對pH影響顯著；三湖灣中竺山湖DO和pH年均值最低應與其湖泛程度最嚴重有關。