典型溫帶深水湖庫(kù)溶解氧影響因子分析

摘要：為探討溫帶深水湖庫(kù)中環(huán)境因素和水化學(xué)指標(biāo)對(duì)溶解氧的影響，結(jié)合嶗山水庫(kù)2021年國(guó)控站點(diǎn)的自動(dòng)及手工歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析溶解氧濃度的變化特征及主要影響因素。研究結(jié)果表明：2021年，嶗山水庫(kù)溶解氧濃度呈冬春季節(jié)高于夏秋季節(jié)的特征，低氧數(shù)據(jù)[溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）濃度小于5 mg/L]主要出現(xiàn)在6—10月，凌晨、午后、傍晚是低氧發(fā)生的重要時(shí)刻。通過水溫、pH值、水深、浮游生物、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、外來補(bǔ)水及其他化學(xué)指標(biāo)、日照時(shí)間等影響因子相關(guān)性分析，得出水深即變溫層的存在是嶗山水庫(kù)夏秋季節(jié)溶解氧自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)偏低的主要原因，浮游生物活動(dòng)對(duì)溶解氧濃度產(chǎn)生直接影響。

關(guān)鍵詞：深水湖庫(kù)；溶解氧；影響因子；變溫層

中圖分類號(hào)：X524 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）10-0-04

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Analysis of Influencing Factors of Dissolved Oxygen in A Typical Deep Reservoir in Temperate Regions of China

—Take Laoshan Reservoir as An Example

ZHAO Lu， JIN Hong， WEI ZhiQiang， LIU Qingchuan， ZHOU Xiangzhou， ZHANG Xiaohong

（Qingdao Bio-Environmental Monitoring Center， Qingdao 266000， China）

Abstract： To explore the influence of environmental factors and hydrochemical indicators on dissolved oxygen in temperate deep-water lakes and reservoirs， combined with the automatic and manual historical monitoring data from the national control station of Laoshan Reservoir in 2021， the changes in dissolved oxygen concentration characteristics and main influencing factors were analyzed. The research results showed that in 2021， the dissolved oxygen concentration in Laoshan Reservoir showed a higher trend in winter and spring than in summer and autumn. Low oxygen data [Dissolved Oxygen （DO） less than 5 mg/L] mainly occurred from June to October， with early morning， afternoon， and evening being important moments for low oxygen occurrence. Through correlation analysis of influencing factors such as water temperature， pH， water depth， plankton， nutritional status index， external water replenishment and other chemical indicators， and sunshine duration， it was found that the presence of a variable temperature layer， also known as water depth， is the main reason for the low dissolved oxygen automatic monitoring data in the summer and autumn seasons of Laoshan Reservoir. Floating biological activity has a direct impact on dissolved oxygen concentration.

Keywords： deep reservoirs; dissolved oxygen; influencing factor; thermal stratification

在全球氣候變化、湖庫(kù)營(yíng)養(yǎng)水平升高的大趨勢(shì)下，對(duì)于分層湖庫(kù)溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）時(shí)空變化或影響因子的研究越來越多，DO與水溫、水深、浮游生物呼吸和光合作用、外部物質(zhì)輸入、有機(jī)物沉積過程分解等機(jī)制有關(guān)[1]。嶗山水庫(kù)作為青島市“十四五”地表水環(huán)境質(zhì)量國(guó)控點(diǎn)及集中式飲用水水源地取水點(diǎn)，常年為Ⅱ、Ⅲ類水質(zhì)優(yōu)良水體，但近年來其溶解氧自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在參與融合評(píng)價(jià)時(shí)出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。鑒于此，調(diào)查嶗山水庫(kù)溶解氧的時(shí)空分布特征、變化規(guī)律和主要影響因子，提出相應(yīng)的管控建議，以期為青島市地表水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

嶗山水庫(kù)為溫帶深水湖庫(kù)，總庫(kù)容為5 601萬(wàn)m3，

興利庫(kù)容為4 798萬(wàn)m3，位于嶗山區(qū)、城陽(yáng)區(qū)交界處，發(fā)源于嶗山山脈北部，主要通過涼泉河、五龍河、山色峪河匯入嶗山水庫(kù)，庫(kù)內(nèi)最大水深為24.5 m。

1.2 數(shù)據(jù)來源

2021年嶗山水庫(kù)溶解氧自動(dòng)及手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要來自山東省青島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)站點(diǎn)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)取水塔位置一致。自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)頻次為每小時(shí)1次，手工監(jiān)測(cè)頻次為每月1次。

1.3 評(píng)價(jià)方法

按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）

中溶解氧的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)5 mg/L進(jìn)行評(píng)價(jià)，綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)采用《湖泊（水庫(kù)）富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法及分級(jí)技術(shù)規(guī)定》中的評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 嶗山水庫(kù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)溶解氧數(shù)據(jù)分布特征

按不同時(shí)序統(tǒng)計(jì)2021年嶗山水庫(kù)溶解氧自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，小時(shí)值、日均值、月均值均出現(xiàn)低氧數(shù)據(jù)

（DO小于5 mg/L），小時(shí)值個(gè)別數(shù)據(jù)達(dá)到缺氧水平

（DO小于3 mg/L），出現(xiàn)時(shí)間均處于6—10月。

嶗山水庫(kù)溶解氧小時(shí)值月際分布如圖1所示?？梢钥闯觯?—10月溶解氧濃度水平較低，比其他月份均值低1.0倍左右，夏季、秋季普遍低于冬季、春季，呈現(xiàn)春季＞冬季＞夏季＞秋季的季節(jié)變化特征，且夏季晝夜極差較大，為0.6 mg/L左右。

低氧發(fā)生時(shí)間主要為6—10月，9月超標(biāo)頻次最高（27.6%）；溶解氧谷值出現(xiàn)時(shí)段在02：00—08：00，而各月谷值出現(xiàn)時(shí)段并不相同，6—8月低值多出現(xiàn)在凌晨，8—10月多出現(xiàn)在午后和傍晚。

2.2 溶解氧的影響因子

2.2.1 水溫和pH值

隨著氣溫變暖，水溫上升，溶解氧濃度在夏季、秋季（6—10月）下降并浮動(dòng)較大。水溫和溶解氧Pearson（皮爾遜）相關(guān)系數(shù)為-0.949（p＜0.01），呈顯著負(fù)相關(guān)，pH值和溶解氧Pearson相關(guān)系數(shù)為0.408（p＜0.01），呈顯著正相關(guān)。

2.2.2 水深

嶗山水庫(kù)為溫帶深水湖庫(kù)，庫(kù)內(nèi)最大水深為24.5 m，

為便于取水建取水塔，多采用30 m高程取水，取水位置的水深近20 m。以自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（水深為20 m）和人工監(jiān)測(cè)月數(shù)據(jù)（水深為0.5 m）分析2021年12個(gè)月

同時(shí)段數(shù)據(jù)差異，得出：不同水深情況下，20 m監(jiān)測(cè)水溫低于0.5 m監(jiān)測(cè)水溫，偏低幅度在4%～31%，2—8月溫度分層較明顯，最大溫差為6.2 ℃；秋季、冬季20 m監(jiān)測(cè)溶解氧濃度普遍高于0.5 m監(jiān)測(cè)水平或差別不大，6—7月和10月出現(xiàn)低于0.5 m監(jiān)測(cè)水平且偏低幅度均大于10%；兩組數(shù)據(jù)水溫偏差增大的月份出現(xiàn)在4—8月，溶解氧偏差增大及波動(dòng)時(shí)期出現(xiàn)在6—10月，最高達(dá)到3倍。

假定其他環(huán)境條件一致的情況下，不同深度對(duì)水溫、溶解氧的影響較大。在深水湖庫(kù)中，水溫分層是影響溶解氧垂向分布的關(guān)鍵因素[2]。嶗山水庫(kù)屬溫帶季節(jié)性深水湖庫(kù)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)取水口水深為10～20 m，

正處在多數(shù)研究中深水湖庫(kù)中變溫層出現(xiàn)的水深范圍內(nèi)[3-4]，夏秋季節(jié)變溫層內(nèi)水溫和溶解氧偏低于表層，甚至出現(xiàn)變溫層溶解氧極小值（Metalimnetic Oxygen Minimum，MOM）。

2.2.3 浮游生物

2021年嶗山水庫(kù)浮游生物密度與水溫呈正相關(guān)，與溶解氧濃度呈負(fù)相關(guān)。其中，水溫與浮游動(dòng)物相關(guān)影響較顯著，其他關(guān)系均不顯著，但從各月變化來看，水溫、溶解氧變化與浮游生物密度變化趨勢(shì)較為一致。

2.2.4 營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

2021年嶗山水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)在41.6～51.5，多數(shù)月份處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，6月、9月為輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)與水溫和溶解氧的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.809和-0.823，其中，與水溫呈顯著正相關(guān)，與溶解氧呈顯著負(fù)相關(guān)。從季節(jié)分布來看，營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)呈秋季＞夏季＞冬季＞春季的特征，這與水溫和溶解氧的季節(jié)變化較為一致。

2.2.5 外來補(bǔ)水

嶗山水庫(kù)水體主要通過烏衣巷河、五龍河、山色峪河3條季節(jié)性河流匯入，五龍河、山色峪河常年呈斷流狀態(tài)，涼泉河僅夏季、秋季有少量徑流，因此嶗山水庫(kù)的外來補(bǔ)水主要為降雨形成的地面徑流。

2021年嶗山水庫(kù)降雨量主要集中在7—9月，占全年降雨量的64.8%。這幾個(gè)月降雨量與水溫呈顯著正相關(guān)，與溶解氧呈顯著負(fù)相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.742和-0.721。降雨量較高的月份與水溫和溶解氧的峰谷變動(dòng)時(shí)期較為一致。

2.2.6 其他化學(xué)指標(biāo)

通過分析2021年嶗山水庫(kù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，不同時(shí)序下，溶解氧的影響因子及其Pearson相關(guān)關(guān)系強(qiáng)弱并不相同。短時(shí)序下，溶解氧與水溫、pH值呈顯著正相關(guān)；長(zhǎng)時(shí)序下，溶解氧受水溫和總磷影響較大，呈顯著負(fù)相關(guān)。與其他指標(biāo)相關(guān)關(guān)系排序?yàn)榭偭祝靖咤i酸鹽指數(shù)＞總氮＞氨氮，但總體來說，溶解氧與化學(xué)指標(biāo)相關(guān)性弱于環(huán)境因子和浮游生物活動(dòng)。

2.2.7 日照時(shí)間

根據(jù)嶗山區(qū)日照時(shí)間，Pearson相關(guān)性分析結(jié)果顯示，水溫、溶解氧與日照時(shí)間相關(guān)關(guān)系均不顯著。

3 討論與建議

3.1 標(biāo)準(zhǔn)適用性問題

目前，溶解氧評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002），該標(biāo)準(zhǔn)于2002年6月1日

期實(shí)施，標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)各類標(biāo)準(zhǔn)值和范圍主要依靠手工采樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定，同時(shí)采樣時(shí)間一般在晝間。但在自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)逐步替代手工數(shù)據(jù)的背景下，凌晨又是低氧出現(xiàn)的重要時(shí)刻，該標(biāo)準(zhǔn)值和范圍是否適用于自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和夜間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行進(jìn)一步的探討。

3.2 規(guī)避變溫層影響

變溫層是導(dǎo)致夏秋季節(jié)水體溶解氧濃度產(chǎn)生垂直差異的直接原因，變溫層內(nèi)溶解氧濃度隨深度增加而驟降，甚至出現(xiàn)極低值，因此應(yīng)盡量避開變溫層采樣。受客觀自然條件影響無法避開變溫層且水質(zhì)穩(wěn)定優(yōu)良的深水湖庫(kù)，建議在湖庫(kù)分層期間剔除自動(dòng)監(jiān)測(cè)溶解氧數(shù)據(jù)，采用人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)參與評(píng)價(jià)，更加客觀反映水體水質(zhì)實(shí)際情況。

3.3 減少浮游生物活動(dòng)影響

夏秋季節(jié)帶來適度的水溫、光照等條件，浮游生物活動(dòng)成為夏秋季節(jié)溶解氧濃度異常的主要因素，建議采取打撈、超聲波等工程除藻方式降低藻密度；沉水植物及其他水生高等植物普遍具有吸收和固定水體中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、增加溶解氧、抑制藻類生長(zhǎng)的作用，可因地制宜地探索建立穩(wěn)定的水生高等植物群落等生態(tài)修復(fù)方式減少浮游生物活動(dòng)。

4 結(jié)論

以自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為主、手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為輔，得出嶗山水庫(kù)溶解氧的主要影響因子為浮游生物密度、水溫、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)等，與日照時(shí)間等相關(guān)性較弱。進(jìn)一步說明，嶗山水庫(kù)夏秋季節(jié)溶解氧濃度異常與浮游生物活動(dòng)密切相關(guān)，其主要的環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子為變溫層的形成與穩(wěn)定。

嶗山水庫(kù)屬溫帶深水湖庫(kù)，春末夏初變溫層逐步形成和穩(wěn)定，受客觀條件所限，嶗山水庫(kù)取水口在水面以下10～20 m，正處在變溫層水深范圍內(nèi)，變溫層內(nèi)溶解氧濃度隨深度增加而驟降，因此在未受外界污染影響、水體穩(wěn)定的情況下，夏季、秋季經(jīng)常發(fā)生溶解氧自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)情況。夏季、秋季適宜的光照和降水徑流帶來的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有利于浮游生物的生長(zhǎng)繁殖，水體中浮游生物密度較大，營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)變差。傍晚至凌晨浮游生物光合作用逐漸減弱，呼吸作用增加對(duì)水體中氧的消耗，使水體中溶解氧濃度降低，甚至出現(xiàn)缺氧狀態(tài)。

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