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(xué)地理與環(huán)境學(xué)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(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)鍵性因素[1]，是研究水體自凈能力的一個(gè)指標(biāo)[2]。大氣復(fù)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(guān)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(shí)，湖泊內(nèi)的浮游生物無法生存；對(duì)于大多數(shù)魚類DO＞4 mg/L時(shí)才能維持其正常生命活動(dòng)；好氧微生物生存的前提條件是DO應(yīng)保持在2~5 mg/L；當(dāng)DO＜2 mg/L時(shí)，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(nèi)，總面積達(dá)627 km2，蓄水總量3×108m3，北通黃河、西近大運(yùn)河、東連大汶河，它是黃河下游重要的分滯洪工程，同時(shí)，也是南水北調(diào)東線工程的最后一級(jí)蓄水湖泊[6]，對(duì)整個(gè)國家的水資源分配與調(diào)動(dòng)起著至關(guān)重要的作用。對(duì)東平湖湖區(qū)的環(huán)境因子進(jìn)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(duì)控制東平湖湖水污染問題及區(qū)域水質(zhì)保護(hù)有指導(dǎo)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(jìn)行調(diào)查采樣，根據(jù)湖區(qū)面積均勻的選取40個(gè)采樣點(diǎn)。用250 mL玻璃瓶對(duì)表層水水樣進(jìn)行采集[7]，現(xiàn)場利用便攜式儀器測(cè)定水溫、pH、溶解氧（DO）濃度等，TN、TP在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，用堿性過硫酸鉀消解、紫外分光光度法測(cè)定總氮（TN）質(zhì)量濃度，鉬酸銨分光光度法測(cè)定總磷（TP）質(zhì)量濃度，數(shù)據(jù)取連續(xù)三次測(cè)量后的平均值。

1.2 繪圖與數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，arcgis軟件繪制采樣點(diǎn)分布圖和空間分布圖，SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)和分析。

2 結(jié)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(zhì)量Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)[8，9]，95%的采樣點(diǎn)位溶解氧含量達(dá)到Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)，20%采樣點(diǎn)位DO含量均達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)；75%采樣點(diǎn)位溶解氧含量達(dá)到Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)。10月份雨量較少，湖泊的水質(zhì)自凈能力差，水體中有機(jī)質(zhì)和懸浮物含量高，水體透明度相對(duì)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(dòng)緩慢，加上夏季溫度高，水體會(huì)形成溫躍層，上下水體的對(duì)流運(yùn)動(dòng)受到阻礙，水體中溶解氧的含量得不到及時(shí)的補(bǔ)充[3]。10月溶解氧含量呈由湖心向外逐級(jí)遞減的趨勢(shì)，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?yàn)槲廴疚镔|(zhì)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(guān)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(qiáng)度等多種因素有關(guān)[11]，不同地區(qū)的影響因素具有一定的差異。Pearson相關(guān)系數(shù)是衡量變量間相關(guān)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(duì)溶解氧跟各項(xiàng)因素進(jìn)行相關(guān)性分析。

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

表1 8月湖區(qū)不同指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

表2 10月湖區(qū)不同指標(biāo)間的相關(guān)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(duì)8、10月溶解氧和pH做曲線擬合，擬合結(jié)果為溶解氧和pH呈線性關(guān)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(jié)果為Y=355.195-95.738X+6.624X2（R2=0.646），符合二次函數(shù)模型，且當(dāng)X=7.23時(shí)，Y為最大值，因此，在8月當(dāng)pH值小于7.2時(shí)DO隨pH的升高而降低，當(dāng)pH值大于7.2時(shí)DO隨pH的升高而升高，當(dāng)pH值等于7.2時(shí)，水體中溶解氧含量最低為9.26 mg/L；這是由于水中動(dòng)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(chǎn)生和消耗[12]。由圖2b得10月份溶解氧與pH線性結(jié)果為Y=-753.487+185.125X-11.253X2（R2=0.753），符合二次函數(shù)模型，當(dāng)X=8.23時(shí)，Y為最大值，因此，在10月份當(dāng)pH值小于8.23時(shí)，DO隨pH的升高而升高，當(dāng)pH值大于8.23時(shí)DO隨pH的升高而降低，當(dāng)pH值等于8.23時(shí)，水體中溶解氧含量最高為7.89 mg/L。pH與DO相關(guān)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(duì)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(guān)性在豐枯水期一致的結(jié)論；水生植物在白天進(jìn)行光合作用，消耗CO2產(chǎn)生大量的O2，水體溶解氧呈過飽和狀態(tài)的同時(shí)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(duì)于溶解氧的貢獻(xiàn)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(huì)對(duì)DO和pH有一定的影響[4]；黃歲樑[16-18]在研究藻類植物時(shí)，提出可以利用pH和DO顯著相關(guān)這一特點(diǎn)來判斷水體的富營養(yǎng)化，以對(duì)“水華”或“赤潮”現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)警。

圖2 溶解氧與DO關(guān)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(guān)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(fù)相關(guān)。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(dòng)物在高溫下攝食運(yùn)動(dòng)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(fēng)氣候，氣溫變化明顯。8月份，溶解氧與水溫呈極弱的負(fù)相關(guān)，說明在夏季溫度較高時(shí)，水溫對(duì)溶解氧濃度的影響不大。宋國棟[19]等在研究黃海所有調(diào)查站的溫度與溶解氧之間的關(guān)系時(shí)，證明了溫度是影響溶解氧分布的一個(gè)重要因素。賀冉冉[3]等也提出，對(duì)于溫度較高(＞18℃)的月份，更復(fù)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(guān)系

2.2.3 溶解氧與TN、TP

TN、TP對(duì)于水生動(dòng)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(huì)在一定程度上通過影響溶解氧的含量進(jìn)而影響到水生生物。TN、TP與溶解氧的相關(guān)系數(shù)均小于0.2，為極弱相關(guān)。8月份和10月份，溶解氧與TP呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著。磷與生物生長密切相關(guān)，水體中的磷能被水生生物進(jìn)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(qiáng)，能產(chǎn)生更多的氧氣，使水中的溶解氧得到充分的補(bǔ)充。

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

3 結(jié)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(diǎn)位達(dá)到Ⅰ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，10月份溶解氧量介于3.3～8.5 mg/L，75%采樣點(diǎn)位達(dá)到Ⅰ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。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(duì)溶解氧影響較大且復(fù)雜，符合二次回歸模型，8月份當(dāng)pH＜7.2時(shí)DO隨pH的升高而降低，當(dāng)pH＞7.2時(shí)，DO隨pH的升高而升高，10月份當(dāng)pH＜8.23時(shí)，DO隨pH的升高而升高，當(dāng)pH＞8.23時(shí)DO隨pH的升高而降低；溶解氧與溫度呈負(fù)相關(guān)；TN、TP對(duì)溶解氧影響程度低。