北部太湖DO、pH时空变化及其与叶绿素a的相关性分析

施红菊，陈启慧，张玉田，许树洪，周正模，陈 阳

(1.河海大学水文水资源学院，南京 210098；2.江苏省水文水资源勘测局泰州分局，江苏 泰州 225300)

前 言

太湖流域位于江浙沪三省交界处，流域面积36 985km2，在全国0.4%面积范围内生活了超过3%的人口，创造了超过10%的国内生产总值[1]。太湖是我国第三大淡水湖，为浅水湖泊，具有水产养殖、饮水供应、调蓄洪水、水上运输和生态休闲旅游等生态服务功能，为太湖流域的经济可持续发展提供了强大动力[2]。但是1980s以来太湖水环境质量快速下降[3]，截至2018年，太湖设置的17个国控点的监测结果显示全太湖平均水质为Ⅳ类，属轻度富营养化[4]。大型浅水湖泊富营养化的长期持续会带来湖泊环境与生态系统的一系列变化，包括蓝藻水华(或者其他藻类水华)、沉水植物消退、生物多样性下降以及水体理化特性(透明度，pH，DO，活性有机物等)的改变等[5]。蓝藻水华暴发等生物因素会改变水体DO[6]和pH[7]，同时DO和pH也是影响富营养化水体高效营养盐循环效应的重要环境参数[8]。不仅如此，DO和pH是湖泊水生态安全的关键变量，对维持湖泊生态系统平衡至关重要[9]。对于饮用水水源地而言，DO和pH更是水源地水质安全的关键指标。2007年5月，太湖贡湖湾发生大面积湖泛，水体发黑发臭，DO含量急剧下降，最终导致了无锡沙渚水厂的供水危机事件[10]。由于藻类与水生植物生长旺盛造成的pH值偏高也是浅水型湖泊水源水厂需要应对的问题[11]。

太湖北部湖湾富营养化问题最为严重，而且有包括小湾里水厂、南泉水源厂、锡东水厂在内的多个水厂，承担着农业灌溉、工业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数据和逐月水质监测数据，采用频率曲线法、相关分析法等分析了DO、pH的变化特征及其与叶绿素a(Chl.a)的相关关系。本文成果可为太湖北部湖湾的水质安全保护工作提供依据。

1 数据和方法

1.1 数据来源与处理

为对贡湖、竺山湖和梅梁湾的逐日DO与pH进行频率分析，本文收集了分别来自贡湖、竺山湖和梅梁湾14个固定监测点位的2013年～2018年湖泛期4月10日至10月20日DO与pH的每日监测数据，其中4个监测点位于贡湖，5个位于梅梁湾，5个位于竺山湖，具体点位见图1。监测数据分别由江苏省水文水资源勘测局无锡分局、常州分局和苏州分局提供。每日湖泛巡查时间主要在8点至13点之间，各湖湾的日平均DO浓度或pH值分别由各湖湾内监测点位的日监测值进行算术平均计算得到，各湖湾的多年月平均DO浓度或pH值则由各自的日平均值进行算术平均计算得到。

图1 湖泛巡查范围和监测点位

为了分析Chl.a与DO或pH的相关关系，收集了分别来自贡湖、竺山湖和梅梁湾13个采样点2013年～2018年Chl.a、DO和pH的逐月监测数据，其中4个采样点位于贡湖，7个位于梅梁湾，2个位于竺山湖，具体点位见图2。逐月监测数据也由江苏省水文水资源勘测局提供。资料系列时长共计72个月，每月监测时间一般在中上旬。用于相关性分析的各湖湾月平均Chl.a浓度、DO浓度或pH值分别由各湖湾内采样点的月监测值进行算术平均计算得到。

图2 三湖湾逐月监测采样点

1.2 分析方法

基于计算的2013～2018年4～10月逐日平均DO浓度与pH值，绘制不同年份不同湖湾DO浓度与pH值的频率曲线，对比DO与pH频率曲线随年份和随湖湾变化的规律；参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[13]中DO与pH的标准限值，由DO与pH频率曲线统计得到不同湖湾不同年份DO与pH在不同阈值范围内的占比，对比其随年份和湖湾的变化规律；利用不同湖湾DO浓度与pH的多年月平均值，对比分析不同湖湾不同年份湖泛期DO与pH的变化规律。

基于2013～2018年DO、pH、Chl.a逐月平均值，选用皮尔逊相关分析法[14]，利用IBM SPSS Statistics 25计算蓝藻暴发期和非蓝藻暴发期DO、pH与Chl.a的相关系数，分析Chl.a与DO或pH的相关关系；在分析Chl.a年内变化规律的基础上，讨论Chl.a浓度变化对DO浓度或pH值造成的影响，并探讨了可能造成DO和pH变化的其他主要因素。

2 结果与分析

2.1 DO变化特征

图3表明三湖湾的DO日浓度频率曲线年际变化均不显著，但在P<95%和P≥95%时差异较为明显。P<95%时，贡湖、梅梁湾与竺山湖的逐年DO日浓度频率曲线均基本相互平行，其上下包络线最大差值分别为1.29mg/L、1.21mg/L与1.36mg/L，其各频率DO日浓度年际变化幅度分别低于多年平均浓度(依次为8.80mg/L、8.62mg/L与7.41mg/L)的14.7%、14.1%与18.4%，竺山湖DO日浓度年际变化>贡湖>梅梁湾，且均不显著。其中，竺山湖年际变化幅度相对略高的主要原因是，2017年在40%

图3 三湖湾2013年～2018年DO浓度频率曲线

由图3可见，在5%6%；当P≥95%时，仅竺山湖在2018年DO日浓度变化与全年绝对变化幅度的比值为4.77%，其余各湖湾各年均>14%。可见三湖湾DO在P≤5%及P≥95%时的年内变化相对于5%

图4三湖湾逐年DO日浓度不同水质级别占比表明，贡湖的水质要略好于梅梁湾，且两者均明显优于竺山湖。贡湖除2013年达到Ⅰ类水标准的监测日占比为79.07%外，其余五年均超过了90%。梅梁湾只在2013、2015年出现极少数监测日为Ⅲ类水，其余各年均达到Ⅱ类水及以上，其中2016年和2018年Ⅰ类水占比更是超过了90%，分别为90.68%、96.00%。竺山湖水质最差，各年均有水质为Ⅳ类水的监测日出现，其中2017年Ⅳ类水和Ⅲ类水在三湖湾中占比最高，分别达到7.10%和16.77%，竺山湖Ⅲ、Ⅳ类水监测日主要出现在5～9月。

图4 三湖湾各年DO日浓度分级占比

三湖湾DO多年月平均值的年内变化呈现不同的时空变化规律(图5)。贡湖与梅梁DO多年月平均值在4～9月呈现下降趋势，9月达到最小值，分别为8.31mg/L、8.03mg/L，10月明显回升。竺山湖DO多年月均值在4～6月有一次下降过程，至6月达到极小值6.47mg/L，之后回升，在9月第2次出现极小值7.00mg/L。

图5 三湖湾DO多年月均值变化

2.2 pH变化特征

图6显示出三湖湾的pH频率曲线年际变化在不同频率下呈现渐变差异。P<95%时，贡湖、梅梁湾、竺山湖的pH上下包络线绝对差值范围分别为0.18～0.82、0.24～1.00和0.36～1.09，且随着频率的降低而逐渐变大，其pH日监测值年际变化幅度分别为多年平均浓度(依次为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频率曲线年际变化>梅梁湾>贡湖，且均不显著。P≥95%时，年际变化的渐变差异不明显。

由图6可见，在P<95%时，pH各年频率曲线的斜率随着频率的降低而逐渐变大，即年内差异也随着频率的降低而逐渐变大。贡湖、梅梁湾与竺山湖在5%

图6 三湖湾2013年～2018年pH频率曲线

由图7可知，贡湖与梅梁湾所有监测日中pH在8.5～9之间的比例明显大于竺山湖，竺山湖则有更高比例的pH在8～8.5之间，且其2018年在7～7.5范围内的pH占比达到了31.58%，可见竺山湖pH整体更小。《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅰ类～Ⅴ类水的pH范围均为6～9，三湖湾共计51天监测值超过了9，贡湖、梅梁湾与竺山湖各16、25和10天，主要集中在6～9月。

图7 三湖湾各年pH日浓度分级占比

三湖湾pH多年月均值年内变化呈现单峰型(图8)，贡湖与梅梁湾4月pH最小，之后逐月上升，8月达到最大值，分别为8.71和8.67，之后逐月下降；竺山湖4～5月有一次pH下降过程，之后连续上升，9月pH达到最大值8.54。

图8 三湖湾pH多年月均值变化

2.3 三湖湾Chl.a浓度的年际年内变化

图9反映了三湖湾2013～2018年Chl.a年均值变化，2013～2018年期间三湖湾多年平均Chl.a浓度为竺山湖(60.62μg/L)>梅梁湾(47.4μg/L)>贡湖(34.43μg/L)。图10则反映了三湖湾2013～2018年Chl.a年内变化，可见各湖湾Chl.a在8月或9月达到最大值，且在夏季整体偏高。

图9 三湖湾2013～2018年Chl.a年均值变化

图10 三湖湾Chl.a多年月均值变化

2.4 Chl.a与DO、pH相关关系

太湖蓝藻水华生命周期可分为以下阶段：12～2月休眠期、3～4月复苏期、5～11月蓝藻水华频发期[15]，故将全年分为两个阶段，即蓝藻暴发期(5～11月)和非蓝藻暴发期(12～4月)。

Chl.a与DO的相关性在不同湖湾及不同的时间阶段存在明显差异(表1)，在全年尺度下只在梅梁湾呈现显著负相关，在非蓝藻暴发期三湖湾的相关性均不显著，在蓝藻暴发期三湖湾均呈极显著正相关，相关系数由大到小排序为：竺山湖(0.556)>梅梁湾(0.487)>贡湖(0.473)。

表1 Chl.a与DO、pH的相关系数与显著性

Chl.a与pH的相关性在不同湖湾及不同的时间阶段均呈极显著正相关，从全年来看，相关系数由大到小排序为：竺山湖(0.686)>梅梁湾(0.664)>贡湖(0.578)。

3 讨 论

3.1 DO时空变化的主要影响因素分析

水体溶解氧(DO)是反映生物生长状况和污染状况的重要水质指标[16]，其含量受众多因素影响，包括水温、pH、溶解离子、悬浮物、营养物质、生物量、水体分层、波浪以及水底地形等[17]。

总体而言，竺山湖的DO在三湖湾中相对较低。辛华荣等[18]探讨了2013年～2018年太湖北部湖湾湖泛发生特征，研究结果表明，竺山湖所在的湖西区发生湖泛的次数与强度远高于梅梁湾与贡湖之和，湖泛发生首日的各项水质指标监测结果显示，竺山湖的COD远高于另外两个湖湾；余岑涔[19]等人通过对比试验研究了太湖草藻残体分解对水质的影响，结果表明植物残体及有机物的加入会导致水体DO下降，且加入的量越大，DO下降越多。因此，可以认为竺山湖DO总体较低是由其蓝藻暴发及湖泛程度在三湖湾中最为严重所致。另外，贡湖与梅梁湾在8月或9月的DO含量最低，竺山湖则在6月和9月达到极低值。根据亨利定律，水温升高会导致气体在水中的溶解度下降[20]，夏季DO偏低很可能是夏季水温较高所致。

Chl.a与DO在非蓝藻暴发期的相关性不显著，蓝藻暴发期呈显著正相关。对三湖湾多年月Chl.a监测值分阶段进行统计，发现蓝藻暴发期的Chl.a浓度显著高于非蓝藻暴发期(表2)。韩志萍等[21]对南部太湖蓝藻生物量与DO进行相关分析时发现，当藻类生物量较小时，蓝藻生物量与DO不显著相关，蓝藻生物量较大时才具有显著相关性。黄岁樑等[22]研究了非养殖水体中的Chl.a与DO的相关关系，发现只在Chl.a含量较高时，Chl.a与DO才呈显著正相关，Chl.a含量较低时与DO不相关可能与水体交换能力较强或有机污染物含量较高有关。

表2 蓝藻不同生长阶段Chl.a多年月均值

3.2 pH时空变化的主要影响因素分析

平原地区的湖泊矿化度一般都很低[23]，因此水体pH主要受CO2含量影响，水体内的CO2与碳酸盐、碳酸氢盐形成一个动态可逆的碳酸盐系统[24]，见下式，影响CO2的因素很多，包括水温、生物的呼吸作用、植物的光合作用、有机物的氧化分解等[25]。另外还要考虑太湖水体pH受外源来水水质影响。

三湖湾中富营养化最严重的为竺山湖，最轻的为贡湖，富营养化越严重的湖湾，Chl.a与pH的相关系数越大(表1)。在富营养化水体中，pH主要受藻类生命活动影响[26]。王志红[27]等人的研究表明，藻类在生长旺盛时，其光合作用占优势，并通过还原CO2合成有机物来增加藻类生物种群密度，从而导致pH升高。温度也能通过影响生物新陈代谢速率间接影响水体pH[28]。柴小颖的研究表明，光照和营养盐都处于饱和条件下，在适宜温度范围(10～20℃)内，温度每升高10℃，浮游植物生长率就增加一倍多[29]，这可能是三湖湾月平均pH最高均发生在温度较高的7～9月的原因。

空间上看，竺山湖的pH整体偏低些，这可能跟三湖湾中竺山湖湖泛程度最严重有关。冯胜等人跟踪了湖泛爆发过程中的细菌群落动态与环境因子变化，发现湖泛发生时Chl.a含量升高，但是由于过低的透明度，水面下藻类的呼吸作用及有机质的协同作用导致pH降低[30]。谢丽娟等人认为微生物厌氧分解蓝藻及其他有机污染物的过程会产生大量的有机酸和CO2使pH降低[31]。三湖湾中竺山湖的湖泛强度和次数更多、DO更低，更强烈的厌氧分解导致竺山湖pH总体偏低。

4 结 论

三湖湾DO在空间上呈现一定的差异性，其湖泛期多年均值分别为竺山湖DO 7.41mg/L<梅梁湾8.62mg/L<贡湖8.80mg/L，竺山湖在DO指标上水质最差，但在P≥95%的高值区域，竺山湖的DO浓度往往更高，其次是梅梁湾与贡湖。三湖湾DO日浓度的整体年际变化均不明显，但P≥95%频率区间的年际变化幅度较P<95%的略大。在5%6%，最高达36.39%，整体明显大于5%

三湖湾pH在空间上差异较小，其多年均值分别为竺山湖8.34<梅梁湾8.52<贡湖8.54。三湖湾的pH频率曲线在P<95%时，年际和年内变化幅度均随频率降低而变大。贡湖、梅梁湾、竺山湖的pH日监测值年际变化幅度分别为多年平均浓度的2.11%～9.60%、2.82%～11.74%、4.32%～13.07%，在5%

DO在蓝藻暴发期与Chl.a呈显著正相关关系，但三湖湾夏季DO整体偏低，应主要是夏季水温较高所致；pH与Chl.a呈显著正相关关系，且Chl.a浓度越高的湖湾，相关性越强，说明蓝藻生长对pH影响显著；三湖湾中竺山湖DO和pH年均值最低应与其湖泛程度最严重有关。