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(hù)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(biāo)[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(biāo)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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)表1涉及的24項指標(biāo)中，除溶解氧在Ⅰ～Ⅱ類之間波動之外，瀘沽湖其他指標(biāo)均達(dá)到地表水Ⅰ類水質(zhì)限值要求。因此，準(zhǔn)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(biāo)的全湖均值。鑒于瀘沽湖大部分水質(zhì)指標(biāo)的檢測結(jié)果都低于方法檢出限，選取有代表性的指標(biāo)進(jìn)行分析，各指標(biāo)分析方法均采用國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)間的相關(guān)性，并進(jìn)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(biāo)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(biāo)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(biāo)均達(dá)Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。全湖透明度最低為9.17 m，平均為11.96 m，最高達(dá)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)(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(dá)到Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)，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(dá)到Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)力、風(fēng)速與湖心、落水點位明顯不同。有文獻(xiàn)表明，風(fēng)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)限值，成為定類指標(biāo)。

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(dá)到了Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值(≥7.5 mg/L)；而各年的溶解氧飽和率均達(dá)到了Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(fù)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(biāo)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(biāo)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(biāo)的相關(guān)性的分析結(jié)果不夠準(zhǔn)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(biāo)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(biāo)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(fù)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(dá)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(jìn)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(biāo)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(fù)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(fù)荷增加尚未達(dá)到引起溶解氧指標(biāo)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(dāng)溫度達(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)。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(biāo)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)一步加強溶解氧濃度測量值的大氣壓及溫度補償校準(zhǔn)研究也較為迫切。