東平湖溶解氧及影響因素分析

夏 涵 趙亞峰 溫龍龍 王馨慧 王 珊 劉加珍＊（聊城大學地理與環(huán)境學院，山東 聊城252059）

0 引言

溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）是指溶解在水中的游離態(tài)氧，是表征水環(huán)境質量和生態(tài)系統(tǒng)健康的關鍵性因素[1]，是研究水體自凈能力的一個指標[2]。大氣復氧和水生植物的光合作用是水體DO的主要來源[3]，在常溫條件下，水體溶解氧量為8~14 mg/L[4]。有關研究表明：DO＞7.5 mg/L，水中溶解氧處于飽和狀態(tài)，河流和湖泊比較清潔；DO＜5 mg/L時，湖泊內的浮游生物無法生存；對于大多數(shù)魚類DO＞4 mg/L時才能維持其正常生命活動；好氧微生物生存的前提條件是DO應保持在2~5 mg/L；當DO＜2 mg/L時，該水體低氧或缺氧[5]。

東平湖位于山東省西部的東平縣境內，總面積達627 km2，蓄水總量3×108m3，北通黃河、西近大運河、東連大汶河，它是黃河下游重要的分滯洪工程，同時，也是南水北調東線工程的最后一級蓄水湖泊[6]，對整個國家的水資源分配與調動起著至關重要的作用。對東平湖湖區(qū)的環(huán)境因子進行采樣分析，研究東平湖湖區(qū)表層溶解氧現(xiàn)狀及其影響因素，有利于了解東平湖湖區(qū)的污染狀況，對控制東平湖湖水污染問題及區(qū)域水質保護有指導作用。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

于2018年8月和10月，在東平湖湖區(qū)進行調查采樣，根據(jù)湖區(qū)面積均勻的選取40個采樣點。用250 mL玻璃瓶對表層水水樣進行采集[7]，現(xiàn)場利用便攜式儀器測定水溫、pH、溶解氧（DO）濃度等，TN、TP在實驗室測定，用堿性過硫酸鉀消解、紫外分光光度法測定總氮（TN）質量濃度，鉬酸銨分光光度法測定總磷（TP）質量濃度，數(shù)據(jù)取連續(xù)三次測量后的平均值。

1.2 繪圖與數(shù)據(jù)處理

應用Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析，arcgis軟件繪制采樣點分布圖和空間分布圖，SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行相應的統(tǒng)計和分析。

2 結果與分析

2.1 溶解氧分布情況

8月份溶解氧量在7.07~20.16 mg/L，均值為9.99 mg/L，根據(jù)國家地表水環(huán)境質量Ⅲ類水標準[8，9]，95%的采樣點位溶解氧含量達到Ⅰ類水標準。10月份溶解氧量介于3.3~8.5 mg/L，均值為7.59 mg/L，出湖口處溶解氧含量為Ⅳ類水標準，20%采樣點位DO含量均達到Ⅱ類水標準；75%采樣點位溶解氧含量達到Ⅰ類水標準。10月份雨量較少，湖泊的水質自凈能力差，水體中有機質和懸浮物含量高，水體透明度相對較低，氧化分解大于光合作用[10]，溶解氧量降低。

東平湖8月和10月溶解氧的空間分布見圖1，8月溶解氧的量整體上高于10月。從空間分布來看，8月份溶解氧含量大體上呈現(xiàn)出由西南部湖區(qū)向東北方向遞減的規(guī)律，最大值位于西南岸的戴村鎮(zhèn)附近,為20.16 mg/L，藻類生長旺盛，湖水過飽和；出湖口附近溶解氧量最低，為7.07 mg/L，此處水深較淺，水體流動緩慢，加上夏季溫度高，水體會形成溫躍層，上下水體的對流運動受到阻礙，水體中溶解氧的含量得不到及時的補充[3]。10月溶解氧含量呈由湖心向外逐級遞減的趨勢，湖心區(qū)域的溶解氧量最高，為8.5 mg/L，出湖口處溶解氧量最低，為3.3 mg/L，是因為污染物質聚集在出湖口處，其分解過程需要消耗水中溶解氧。

圖1 8、10月DO空間分布圖

2.2 溶解氧與各環(huán)境因素間的相關性分析

水體中溶解氧的含量與空氣中氧的分壓、大氣壓力、水的溫度、深度、水中各種鹽類的含量以及光照強度等多種因素有關[11]，不同地區(qū)的影響因素具有一定的差異。Pearson相關系數(shù)是衡量變量間相關性的方法，現(xiàn)取東平湖pH、溫度、TN、TP這四種環(huán)境因素，用SPSS18.0對溶解氧跟各項因素進行相關性分析。

8月份各因素相關性由表1所示，溶解氧與pH呈顯著正相關（P≤0.05），與溫度呈極弱的負相關，溶解氧與TN、TP呈極弱的正相關性。10月份各因素相關性由表2所示，溶解氧與pH呈顯著正相關（P≤0.05），溶解氧與水溫呈顯著負相關，溶解氧與TN呈極弱的負相關性，與TP呈極弱的正相關性。

表1 8月湖區(qū)不同指標間的相關系數(shù)

表2 10月湖區(qū)不同指標間的相關系數(shù)

2.2.1 溶解氧與pH

8月pH均值為7.49，10月pH均值為8.19，數(shù)據(jù)差異性不大。對8、10月溶解氧和pH做曲線擬合，擬合結果為溶解氧和pH呈線性關系，溶解氧隨pH的增加而升高。由圖2（a）得8月溶解氧與pH線性結果為Y=355.195-95.738X+6.624X2（R2=0.646），符合二次函數(shù)模型，且當X=7.23時，Y為最大值，因此，在8月當pH值小于7.2時DO隨pH的升高而降低，當pH值大于7.2時DO隨pH的升高而升高，當pH值等于7.2時，水體中溶解氧含量最低為9.26 mg/L；這是由于水中動植物光合作用和呼吸作用釋放和吸收CO2，使水體pH值發(fā)生變化，影響O2的產生和消耗[12]。由圖2b得10月份溶解氧與pH線性結果為Y=-753.487+185.125X-11.253X2（R2=0.753），符合二次函數(shù)模型，當X=8.23時，Y為最大值，因此，在10月份當pH值小于8.23時，DO隨pH的升高而升高，當pH值大于8.23時DO隨pH的升高而降低，當pH值等于8.23時，水體中溶解氧含量最高為7.89 mg/L。pH與DO相關系數(shù)低，可能是由于水體pH受光合作用影響較小，使得pH對DO的控制作用削弱了[13]。李艷紅[4]等人研究鄱陽湖水體溶解氧，得出溶解氧與pH的相關性在豐枯水期一致的結論；水生植物在白天進行光合作用，消耗CO2產生大量的O2，水體溶解氧呈過飽和狀態(tài)的同時水體pH值升高；溶解氧的飽和程度隨pH值升高而增大，兩者呈協(xié)同變化[14]。羅東蓮[15]等人提出pH對于溶解氧的貢獻是通過生化過程表現(xiàn)出來的，水生生物呼吸作用釋放CO2也會對DO和pH有一定的影響[4]；黃歲樑[16-18]在研究藻類植物時，提出可以利用pH和DO顯著相關這一特點來判斷水體的富營養(yǎng)化，以對“水華”或“赤潮”現(xiàn)象進行預測和預警。

圖2 溶解氧與DO關系

2.2.1 溶解氧與溫度

8月份和10月份溶解氧與溫度的線性關系如圖3a、3b所示。8月份方程為Y=-0.3068X+18.776（R2=0.026），10月份方程為Y=-0.2169X+12.23（R2=0.3467），溶解氧隨溫度升高而降低，呈負相關。在自然條件下，空氣中的含氧量變化不大，溫度決定了水中溶解氧的含量，溫度越高，水生動物在高溫下攝食運動量加大耗氧多使得水體中溶解氧的含量越低。東平湖屬于大陸性半濕潤型季風氣候，氣溫變化明顯。8月份，溶解氧與水溫呈極弱的負相關，說明在夏季溫度較高時，水溫對溶解氧濃度的影響不大。宋國棟[19]等在研究黃海所有調查站的溫度與溶解氧之間的關系時，證明了溫度是影響溶解氧分布的一個重要因素。賀冉冉[3]等也提出，對于溫度較高(＞18℃)的月份，更復雜的生物因素決定了溶解氧的濃度，溫度不是控制DO濃度的主要因素。

圖3 溶解氧與溫度關系

2.2.3 溶解氧與TN、TP

TN、TP對于水生動物、水生植物的重要性不言而喻，其不僅僅是主要的營養(yǎng)元素，也會在一定程度上通過影響溶解氧的含量進而影響到水生生物。TN、TP與溶解氧的相關系數(shù)均小于0.2，為極弱相關。8月份和10月份，溶解氧與TP呈正相關，但相關性不顯著。磷與生物生長密切相關，水體中的磷能被水生生物進行光合作用吸收，水體中磷含量高，藻類等水生生物的光合作用強，能產生更多的氧氣，使水中的溶解氧得到充分的補充。

除此之外，流速對溶解氧也有一定影響。流速越快，一定時間內溶于水體中的溶解氧的量越多，不同區(qū)域的流速不同時，當兩者相碰時，產生的湖水碰撞翻滾現(xiàn)象會增大水體與空氣中氧的接觸面積，增加水中復氧的含量。當河流流速較小時，對于河流中DO的復氧速率的影響程度不大，可以忽略流速對于溶解氧的影響。

3 結論

（1）東平湖湖泊溶解氧分布不均勻，8月溶解氧變幅在7.07～20.16 mg/L，95%采樣點位達到Ⅰ類水水質標準，10月份溶解氧量介于3.3～8.5 mg/L，75%采樣點位達到Ⅰ類水水質標準。8月份湖區(qū)西南部湖區(qū)溶解氧量較高，出湖口處溶解氧量最低，10月份湖心區(qū)域溶解氧量最高，出湖口處溶解氧量最低。

（2）影響溶解氧的因素有很多，其中pH對溶解氧影響較大且復雜，符合二次回歸模型，8月份當pH＜7.2時DO隨pH的升高而降低，當pH＞7.2時，DO隨pH的升高而升高，10月份當pH＜8.23時，DO隨pH的升高而升高，當pH＞8.23時DO隨pH的升高而降低；溶解氧與溫度呈負相關；TN、TP對溶解氧影響程度低。