2013—2020年瀘沽湖溶解氧隨時間變化規(guī)律及主要影響因素分析

楊春艷，施 擇，焦聰穎，鄧曉慶，楊耀玕，李愛軍

1.云南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，云南 昆明 650034 2.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012 3.云南省生態(tài)環(huán)境廳駐麗江市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，云南 麗江 674100

溶解氧是指溶解在水中的分子狀態(tài)的氧，用每升水中氧的毫克數(shù)或飽和百分率表示[1]。充足的溶解氧是保障水生生物生存的必要條件[2]。同時，溶解氧也是反映水質(zhì)狀況與水體自凈能力的重要指標[3]。水中的溶解氧含量受到兩種作用的影響：一種是使溶解氧下降的耗氧作用，包括有機物降解耗氧、生物呼吸耗氧；另一種是使溶解氧增加的復(fù)氧作用，主要有空氣中氧的溶解、水生植物的光合作用等。這兩種作用的消長使水中的溶解氧含量呈現(xiàn)出時空變化[4]。

瀘沽湖位于云南省西北部和四川省西南部的兩省交界處，地理坐標為27°41′N～27°45′N、100°45′E～100°51′E，湖面高程2 692.2 m，面積57.7 km2，最大水深105.3 m，平均水深38.4 m，蓄水量19.53億m3，流域面積216 km2，為地處亞熱帶高原季風氣候帶的高原半封閉淡水湖泊，屬金沙江水系[5]。盡管10多年來該湖泊周邊常住人口及游客數(shù)量日漸增長，賓館飯店等旅游設(shè)施顯著增多[6]，但監(jiān)測表明，瀘沽湖水質(zhì)仍長期保持優(yōu)良狀態(tài)?！兜乇硭h(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)表1涉及的24項指標中，除溶解氧在Ⅰ～Ⅱ類之間波動之外，瀘沽湖其他指標均達到地表水Ⅰ類水質(zhì)限值要求。因此，準確測定溶解氧，分析瀘沽湖溶解氧的變化特征及其影響因素，可以更加客觀地評估水質(zhì)優(yōu)良高原湖泊的水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

1 監(jiān)測對象與數(shù)據(jù)來源

云南境內(nèi)瀘沽湖共設(shè)有湖心(27.69°N，100.77°E)、李格(27.73°N，100.75°E)和落水(27.68°N，100.77°E)3個監(jiān)測點位，各點位的位置見圖1。選取并分析了2013年1月—2020年12月連續(xù)8年共96個月的瀘沽湖水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，除湖心點位自2018年1月起采用采測分離方式獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)以外，其他時段和點位的監(jiān)測分析工作由云南省生態(tài)環(huán)境廳駐麗江市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站完成。溶解氧測定方法在2018年6月前采用《水質(zhì) 溶解氧的測定 碘量法》(GB 7489—1987)，自2018年6月起改為《水質(zhì) 溶解氧的測定 電化學(xué)探頭法》(HJ 506—2009)。所用儀器為便攜式溶解氧測定儀(上海雷磁，JPBJ—609L)，具備水溫和大氣壓自動補償功能。溶解氧采樣深度為水面下0.5 m處。通過計算3個點位的平均值，得出各指標的全湖均值。鑒于瀘沽湖大部分水質(zhì)指標的檢測結(jié)果都低于方法檢出限，選取有代表性的指標進行分析，各指標分析方法均采用國家或行業(yè)標準分析方法。為便于統(tǒng)計分析，低于分析方法檢出限的檢測結(jié)果取檢出限的50%。采用Spearman相關(guān)系數(shù)(r)計算各指標間的相關(guān)性，并進行顯著性雙側(cè)檢驗。

圖1 采樣點位位置示意圖Fig.1 Location of sampling points in Lugu Lake

2 結(jié)果與討論

2.1 主要指標基本情況

表1為2013年1月—2020年12月瀘沽湖水質(zhì)主要生化指標全湖均值。從表1可以看出，瀘沽湖水體營養(yǎng)水平(總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素a)、電導(dǎo)率、化學(xué)需氧量濃度極低，其中總磷在大多數(shù)情況下處于未檢出狀態(tài)。除溶解氧以外，其余GB 3838—2002所涉生化指標均達Ⅰ類水質(zhì)標準。全湖透明度最低為9.17 m，平均為11.96 m，最高達17.60 m，近岸水體清澈見底。整體上，瀘沽湖水生植物茂盛，水生態(tài)環(huán)境優(yōu)良，且與近年其他調(diào)查研究結(jié)果一致[7]。

表1 2013—2020年瀘沽湖主要生化指標每月監(jiān)測結(jié)果全湖均值Table 1 Monthly monitoring results of main physical and chemical indicators in Lugu Lake from 2013 to 2020

2.2 溶解氧的季節(jié)變化

圖2為2013—2020年瀘沽湖3個點位及全湖平均溶解氧濃度和溶解氧飽和率的月際變化情況，虛線表示Ⅰ類標準限值。

圖2 2013—2020年瀘沽湖溶解氧的月際變化Fig.2 Monthly variation of dissolved oxygen in Lugu Lake from 2013 to 2020

從圖2可以看出，溶解氧濃度及溶解氧飽和率存在明顯的季節(jié)波動。其中：溶解氧濃度一般是在春季(3—5月)升至全年最高，夏季末(8月)明顯降低，并在隨后的秋季(9—11月)和冬季(12月及次年1—2月)維持低位；溶解氧飽和率則是自春季開始升高，在夏秋季節(jié)達到最高，秋末降低，至冬季降至最低。96組溶解氧全湖平均逐月監(jiān)測結(jié)果中，溶解氧濃度、溶解氧飽和率分別有55組、9組低于Ⅰ類水質(zhì)標準(溶解氧濃度<7.5 mg/L，溶解氧飽和率<90%)，分別占全部監(jiān)測結(jié)果的57.3%、9.4%，溶解氧飽和率比溶解氧濃度有更高的比例達到Ⅰ類水質(zhì)標準。3個監(jiān)測點位的監(jiān)測結(jié)果存在明顯的空間差異，其中：李格、落水、湖心點位的溶解氧濃度分別有40、63、55次低于Ⅰ類水質(zhì)標準，分別占對應(yīng)點位全部監(jiān)測結(jié)果的41.7%、65.6%、57.3%；溶解氧飽和率分別有7、13、10次低于Ⅰ類水質(zhì)標準，分別占對應(yīng)點位全部監(jiān)測結(jié)果的7.3%、13.5%、10.4%。李格點位達到Ⅰ類水質(zhì)標準的比例略高于其他兩個點位，這可能與3個點位所在區(qū)域的環(huán)境特征有關(guān)。其中，李格點位處于三面環(huán)山的湖灣，該位置的風力、風速與湖心、落水點位明顯不同。有文獻表明，風力攪動會對上層水體溶解氧的水平分布造成較大影響[8]。

圖3為2018年1月—2020年12月瀘沽湖湖心和全湖溶解氧濃度的逐月變化情況。圖3顯示，湖心溶解氧濃度和全湖溶解氧濃度均值的變化趨勢基本一致，經(jīng)水溫和大氣壓補償校準后的溶解氧濃度仍然符合春季升至全年最高、夏季末(8月)明顯降低、秋季和冬季維持低位的變化規(guī)律，且有較多月份低于Ⅰ類水質(zhì)標準限值，成為定類指標。

圖3 2018年1月—2020年12月瀘沽湖湖心及全湖溶解氧濃度的逐月變化Fig.3 Monthly variation of dissolved oxygen concentration in the center of Lugu Lakeand the average value of the whole lake from January 2018 to December 2020

2.3 溶解氧的年際變化

圖4為2013—2020年瀘沽湖全湖溶解氧濃度及溶解氧飽和率年均值的年際變化情況。從圖4可以看出，僅有2017、2018、2020年的溶解氧濃度達到了Ⅰ類水質(zhì)標準限值(≥7.5 mg/L)；而各年的溶解氧飽和率均達到了Ⅰ類水質(zhì)標準限值(≥90%)，其中，2013、2014、2016、2017、2018、2020年處于過飽和狀態(tài)。此外，溶解氧濃度及飽和率存在明顯的年際間波動，兩者大體呈共變關(guān)系。溶解氧濃度的最高年均值比最低年均值高9.0%，溶解氧飽和率的最高年均值比最低年均值高7.5%，兩者的年際間波動幅度差異較小。溶解氧濃度及飽和率的年際間波動可能與不同年際間氣溫、降水等因素的波動有關(guān)，需要結(jié)合更長時間序列的監(jiān)測數(shù)據(jù)加以分析。

圖4 2013—2020年瀘沽湖全湖溶解氧均值的年際變化Fig.4 Annual variation of the average value of dissolvedoxygen in Lugu Lake from 2013 to 2020

2.4 溶解氧季節(jié)和年際變化影響因素分析

表2、表3分別為2013—2020年瀘沽湖溶解氧濃度及飽和率與主要理化指標月均值、年均值的Spearman相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果。從表2可以看出，溶解氧濃度的月變化僅與水溫呈顯著負相關(guān)關(guān)系，而溶解氧飽和率的月變化則與水溫、pH顯著正相關(guān)。從表3可以看出，溶解氧濃度及飽和率年均值與水質(zhì)主要指標均不存在顯著相關(guān)關(guān)系，原因可能在于瀘沽湖水質(zhì)清潔，總磷、總氮、化學(xué)需氧量等指標的實際含量低于或接近分析方法的檢出限，致使分析結(jié)果的精確度較差，由此得到的溶解氧濃度及飽和率與主要理化指標的相關(guān)性的分析結(jié)果不夠準確，無法發(fā)現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系。

表2 2013—2020年瀘沽湖溶解氧與主要理化指標月均值的Spearman相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果Table 2 Spearman correlation coefficient between monthly dissolved oxygen and main physical and chemical indicators in Lugu Lake from 2013 to 2020

表3 2013—2020年瀘沽湖溶解氧與主要理化指標年均值的Spearman相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果Table 3 Spearman correlation coefficient between yearly dissolved oxygen and mainphysical and chemical indicators in Lugu Lake from 2013 to 2020

結(jié)合圖5呈現(xiàn)的2013—2020年瀘沽湖水溫和pH的月際變化，以及圖2呈現(xiàn)的溶解氧的月際變化可以看出，溶解氧濃度隨水溫的升高而降低，兩者負相關(guān)，水溫最高的夏末秋初季節(jié)的溶解氧濃度全年最低。這與黃鈺鈴等[9]的研究結(jié)果相同，符合水中氣體的溶解度隨溫度的升高而降低的物理規(guī)律。而溶解氧飽和率隨著水溫的升高而升高，兩者正相關(guān)，在夏秋季節(jié)達到全年最高。這緣于夏秋季節(jié)高水溫條件下，水生植物生長繁盛，向水體中釋放了更多的氧氣，促使溶解氧飽和率提高，甚至出現(xiàn)過飽和狀態(tài)[10]。同時，水生植物的繁盛生長也更多地消耗了水體中的CO2，間接促進了pH的提高[11-13]，從而使溶解氧飽和率與pH正相關(guān)。

圖5 2013—2020年瀘沽湖水溫和pH的月際變化Fig.5 Monthly variations of water temperature andpH in Lugu Lake from 2013 to 2020

上述分析表明，瀘沽湖溶解氧的季節(jié)變化和年際變化與水質(zhì)主要營養(yǎng)指標不存在明顯關(guān)聯(lián)。這說明盡管過去幾十年來瀘沽湖沿岸經(jīng)濟社會發(fā)展快速，增加了瀘沽湖的污染負荷[14]，但云南、四川兩省高度重視滬沽湖水污染防治工作，實施了大量綜合整治措施，基本實現(xiàn)了環(huán)湖截污，顯著減少了經(jīng)濟社會發(fā)展對湖體水質(zhì)的影響。此外，瀘沽湖良好的水生態(tài)系統(tǒng)所具有的較強承載力和恢復(fù)力，使得經(jīng)濟社會發(fā)展導(dǎo)致的湖泊水環(huán)境污染負荷增加尚未達到引起溶解氧指標發(fā)生可監(jiān)測到的變化的程度，因而至今尚未發(fā)現(xiàn)兩者之間存在直接關(guān)系。相應(yīng)地，溶解氧的變化更多是受到瀘沽湖所在區(qū)域高海拔低氣壓這一獨特的自然地理環(huán)境條件的影響。

除溫度以外，氣壓是影響水中溶解氧濃度的另一個顯而易見的因素。隨著海拔的升高，大氣壓不斷降低。依據(jù)瀘沽湖海拔高度(2 692 m)，可計算得出湖面大氣壓為72.4 kPa。根據(jù)HJ 506—2009，以及不同大氣壓和水溫下的水中飽和溶解氧的計算公式[15]，計算得出純水條件下、72.4 kPa壓強時的溶解氧飽和濃度隨溫度的變化情況(圖6)。

圖6 瀘沽湖水體溶解氧飽和濃度隨水溫的變化曲線Fig.6 Variation of saturateddissolved oxygen with watertemperature in Lugu Lake

從圖6可以看出，在高海拔低氣壓條件下，隨著水溫的升高，溶解氧的飽和濃度逐漸降低。當溫度達到或高于13 ℃時，理論上，純水中的溶解氧飽和濃度已低于Ⅰ類水質(zhì)標準限值(7.5 mg/L)。這與瀘沽湖溶解氧濃度的實際監(jiān)測結(jié)果相吻合。每年5—9月，滬沽湖水溫逐步升高，且在大部分時間均高于13 ℃(圖5)，各點位的溶解氧濃度及全湖均值大體呈現(xiàn)隨溫度的升高而降低的變化趨勢(圖2)，經(jīng)過壓力補償后的溶解氧濃度則在6—9月更易出現(xiàn)低于7.5 mg/L的情況(圖3)。

影響水體溶解氧濃度的因素眾多，但高海拔低氣壓是瀘沽湖溶解氧濃度低于Ⅰ類水質(zhì)標準限值的決定性因素。鑒于我國南北方地理環(huán)境、氣候情況差異很大，GB 3838—2002明確規(guī)定了溶解氧Ⅰ類標準限值可采用飽和率與濃度值兩種方式。對于高原湖泊瀘沽湖來說，溶解氧已成為其水質(zhì)的唯一定類指標。在此情況下，考慮到水體中大量水生植物的復(fù)氧作用，優(yōu)先選擇溶解氧飽和率作為評價指標更為合理。

3 結(jié)論

瀘沽湖作為水質(zhì)長期保持優(yōu)良狀態(tài)的高原淡水湖泊，受高海拔低氣壓的影響，水中的溶解氧濃度與飽和率均呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征。雖然經(jīng)過大氣壓及溫度補償校準后，瀘沽湖水體中的溶解氧濃度常常隨著季節(jié)性的水溫升高而低于Ⅰ類水質(zhì)標準限值(7.5 mg/L)，但受水生植物復(fù)氧作用的影響，瀘沽湖水體中的溶解氧在高溫季節(jié)仍處于過飽和狀態(tài)。因此，溶解氧濃度無法真實地反映瀘沽湖水體水質(zhì)狀況。在進行水質(zhì)評價時，對于類似瀘沽湖的水質(zhì)優(yōu)良高海拔水體，采用溶解氧飽和率較采用溶解氧濃度更為科學(xué)。此外，進一步加強溶解氧濃度測量值的大氣壓及溫度補償校準研究也較為迫切。