三峡水库次级河流高频自动监测与数据挖掘

刘伟 吴庆梅 邓力 杨兵

摘要 2013年对三峡水库次级河流10个点位7个参数进行了原位高频自动监测研究。结果显示浊度的季节性差异不显著（P>0.05），为光合生物提供了良好的光照基础条件。水温、电导率、溶解氧、pH表现出季节性极显著差异（P<0.001），叶绿素a、蓝绿藻的季节性差异显著（P<0.01）。pH与蓝绿藻显著正相关（P<0.05），溶解氧与叶绿素a、蓝绿藻显著正相关（P<0.01）。pH的变化幅度、叶绿素a和蓝绿藻的最大值，单独或结合分析都可预警水环境发生重大量变，但是否发生质变，则需要进一步研究算法。

关键词 三峡水库;次级河流;高频自动监测;数据挖掘

中图分类号：X524 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2019）05-057-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.05.023

High Frequency Automatic Monitoring and Data Mining of Secondary Rivers in the Three Gorges Reservoir

LIU Wei   et al（Ecological and Environment Monitoring Center of Chongqing，Chongqing 401147）

Abstract In 2013，the in-situ high-frequency automatic monitoring of 7 parameters at 10 points in the secondary river of the Three Gorges Reservoir was carried out. The results showed that the seasonal difference of turbidity was not significant （P>0.05），which provided a good light base for photosynthetic organisms. The seasonal differences of water temperature，conductivity，dissolved oxygen and pH value were significant （P<0.001），the seasonal differences of chlorophyll a and blue-green algae were significant （P<0.01），and the pH value was positively correlated with that of blue-green algae （P<0.05）. Dissolved oxygen was positively correlated with chlorophyll a and blue-green algae （P<0.01）. The mean value of dissolved oxygen，the variation range of pH，the abnormal value of chlorophyll a，the maximum value of blue-green algae，alone or in combination with the analysis，could be used to predict the significant quantitative change of water environment，but whether the qualitative change occurs or not，the algorithm needs to be further studied.

Key words   Three Gorges Reservoir;Secondary river;High frequency automatic monitoring;Data mining

三峽水利工程蓄水后，许多学者对次级河流水体富营养化程度加重[1]这一现象进行了研究。有以单一季节水华藻类优势种、毒性及营养限值为研究对象[2-3]，以单次水华事件及其发生时的理化条件为研究对象[4]，以特定水期氮、磷分布特征为研究对象[5]，也有以每月定时定点河流的生物和理化因子变化为研究对象[6]。均采取现场采样、实验室分析的传统研究手段。从时间序列看，这种单次观测结果数据“离散”，难以捕捉水华的暴发-消亡生态过程。近年来，有学者在太湖研究了原位高频自动监测技术[7]，并把它作为水华预警监测系统的子系统加以应用，但仍需要完善且保持稳定运行[8]。笔者将该技术全天候应用到三峡库区次级河流中，为水华研究获取了长时间序列基线数据，为预警算法的研究打下基础。

1 材料与方法

2013年在三峡水库次级河流回水区设置10个监测断面，分别为S1金竹滩、S2红旗、S3老龙潭、S4双江、S5清水码头、S6草堂、S7大昌、S8白水口、S9龙头山、S10葡萄坝，点位设置和水位变化见图1。五参数（水温、pH、电导率、浊度、溶解氧）直接反映水质，连续监测成本低且与其他指标存在一定相关性，因而在预警监测中不可或缺[9]。荧光法测定蓝绿藻比传统方法速度快，可信度高，可为预警监测提供有力支持[10-11]，荧光法测定叶绿素和其他测量方法间具有极好的线性关系，且测定速度快[12]。因此该项目中五参数采用成熟的自动监测技术[13-14]，蓝绿藻和叶绿素测定采用荧光法。监测设备为HACH公司Hydrolab5，搭载在浮标上进行原位监测，每小时一组数据，通过对数据的分析，为预警的轮询算法和事件算法提供基线，为后期管理提供咨询建议[15-16]。采用SPSS24.0软件，运用方差（单因素ANOVA分析LSD法）和相关性分析法进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 水温变化特征

全年水温表现出极显著性差异（P<0.001），呈现出非常明显的季节变换特征（图2）。各断面2、9月水温差别较小，差别最小出现在高水位的2月，最大温差0.90℃。6—8月低水位期间各断面水温差别较大，其中最大温差8.32℃出现在6月。可见气温变化是引起水温月份差异的主要原因，库区水位变化是不同月份内不同点位水温差异的主要原因。

2.2 浊度变化特征

全年浊度季节性差异不显著（P>0.05）。6—9月低水位期间各断面浊度差别大，可能是各断面降水特征各异、流速差别较大综合导致。断面S4和S8出现离群值较多，主要原因是断面所在地水域较狭小，易受周边地表径流的浊度影响（图3）。浊度总体不高，全年为光合生物生长提供了良好的透明度条件。

2.3 电导率变化特征

全年电导率季节性差异极显著（P<0.001），年均值379 μs/cm。2、3、4月电导率较大，均值约为420 μs/cm，8月电导率较小，平均327 μs/cm（图4）。电导率呈现冬（春）季较高夏季较低的趋势，与传统方法研究[17]发现的规律基本相同。总体来看各断面各月份均存在差异，说明电导率受支流流域特点影响较大。高水位期间电导率有趋同趋势，低水位期间差别有拉大趋势，这和水位变化导致水动力学改变，进而影响干支流的水体混合有关。

2.4 溶解氧变化特征

全年溶解氧季节性差异极显著（P<0.001），在5.48～10.01 mg/L波动（图5），年均值7.46 mg/L。温度和水位的变化对溶解氧的影响并不明显（图1～2，图5）。蓝绿藻在2、5、8月出现极值的同时，溶解氧未出现相应的最大值，这和张述太等[6]的发现不同，主要原因是数据量差异造成。溶解氧与叶绿素a、蓝绿藻显著正相关（P<0.01），说明藻类生命活动是影响溶解氧的主导原因之一;溶解氧也可作为叶绿素a、蓝绿藻探头运行正常与否的辅助判别指标。

2.5 pH变化特征

全年pH季节性差异极显著（P<0.001），年均值7.98，呈弱碱性。12月pH均值最小（7.44）， 5月pH均值最大（8.27）。pH与蓝绿藻显著正相关（P<0.05），说明藻类生命活动主导了pH的变化。pH在高水位的1、2、12月，各断面pH差异大于1.5（图6a），说明生化作用强度因断面不同而有较大差异。pH在S5、S7的年际变化大于1.5，说明此两断面生化作用的季节变化更剧烈，是容易发生水华的断面（图6b），其所在河流是历史上常发生水华的梅溪河[18]和大宁河[19]。pH的变化幅度可作为预警水华的指标。

2.6 叶绿素a变化特征

全年叶绿素a季节性差异显著（P<0.01），10个断面叶绿素a差异显著（P<0.01）。叶绿素a与蓝绿藻显著正相关（P<0.01）。12月叶绿素a均值最低（1.5 mg/m3），其次为11月;3月叶绿素a均值最高，为7.3 mg/m3，其次为2、5、8月。叶绿素a极值出现在2、3、5月，也是水华暴发的惯常月份。S2、S3、S5和S7与其余断面差异显著（图7），S2、S3所在东溪河和黄金河生态环境较好[20-21]，未见水华报道。结合各断面pH变化特征分析，S5、S7的叶绿素a与水华的相关性更大。叶绿素a极值可作为预警水华的指标。

2.7 蓝绿藻变化特征

全年蓝绿藻季节性差异显著（P<0.01）。蓝绿藻断面性差异显著（P<0.01）。因蓝绿藻的暴发呈指数级增长，关注其极值更具有意义。断面极值较高的月份为2、8、5月（图8），也是水华暴发的惯常月份。S2和S8与其余各断面差异显著。S2、S4、S6、S8断面极值较大。S4所在的澎溪河[22]、S6所在的草堂河[23]、S8所在的大宁河均在春季出现过不同程度的水华。可见蓝绿藻的极值可作为预警水华的指标。

3 讨论

三峡水库次级河流属亚热带湿润季风区，7个监测因子中浊度受季节性变化影响最小，为水体中各类光合生物创造了良好的光照条件。pH的变化幅度、叶绿素a的极值、蓝绿藻的极值都可单独作为水环境发生重大变化的预警指标;溶解氧可作为判别以上3个监测指标正常运行与否的辅助指标。从预警到锁定到水华，则需多指标综合分析。预警的阈值则需要在长期监测的基础上研究算法。这种高频自动监测技术是解放人力、降低成本进行预警的好方法，但进行业务化运行还需要进一步进行数据挖掘工作。

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责任编辑：郑丹丹

作者简介 刘伟（1978-），男，重庆人，高级工程师，硕士，主要从事环境监测研究。*通讯作者，高级工程师，主要从事环境监测研究。

收稿日期 2019-07-02