应急水源地水质因子分析

赵情+侯法垒+顾海峰+谢凯+季胜强

摘 要：该研究通过2016年2月4—15日对某应急水源地水域pH、浊度、电导率、温度、溶解氧和叶绿素a的变化情况的调查，完成了各指标的相互关系分析，找出了内在规律，从而为水质异常提供预测。结果表明，水质出现异常时，pH、叶绿素a和溶解氧含量均受到显著影响。叶绿素a与pH、溶解氧呈现显著性相关；电导率与温度呈现显著性相关。

关键词：pH；电导率；温度；溶解氧；叶绿素a

中图分类号 X824 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）16-0028-04

Analysis of Water Quality Variables in the Emergency Water Supply

Zhao Qing et al.

（Zhongtian Marine System Co.，Ltd，Nantong 226000，China）

Abstract：The changes of pH，turbidity，conductivity，temperature，dissolved oxygen，and chlorophyll a in the emergency water supply in Nangtong were monitored form February 4th to February 15th in 2016.Through the interrelation analysis of each index，we find out the inherent regular pattern so that we can supply the forecast of abnormal water quality.It turns out that when the water quality is abnormal，pH，chlorophyll a and dissolved oxygen content are significantly affected.Chlorophyll a is significantly correlated with pH and dissolved oxygen.And conductivity is significantly correlated with temperature.

Key words：pH；Conductivity；Temperature；Dissolved oxygen；Chlorophyll a

pH、水溫是水质生态系统的重要环境参数，对水体生物生长、繁殖等起着重要作用。天然水体中溶解氧主要来自于空气中氧气的溶解和水生植物的光合作用，其含量主要受水温、水面扰动、植物光合作用等因素的影响。浊度反映了水中浮游生物、泥沙及其他悬浮物质的数量，是评价水质的重要指标。电导率也称比电导，是水化学分析的重要指标之一，其主要取决于水中总离子浓度[1]。电导率是表征水体携带电流的能力，湖泊、河流、海洋和地下水层中溶解盐和矿物质的含量决定了其均是良好的导体。叶绿素a是浮游植物的主要光合色素，不仅可以表征水体中浮游植物的现存量和初级生产力水平，而且也是水体富营养化的有效指标。叶绿素a含量对于水体渔业资源的评估、富营养化程度的判定以及水环境质量评价具有重要意义，但其本身也受到其他诸多环境因子的影响[2，3]。

2016年1月初在某市应急水源地采用了一项“水下物联网”技术——水下观测网水质在线监测预警系统，为水质安全提供了一种先进手段，实现了24h的实时、连续、原位观测，从而保障了居民的用水安全。本研究通过水质在线监测预警系统对某市应急水源地云湖水质进行长期监测，观察其在水质异常时pH、浊度、电导率、温度、溶解氧和叶绿素a的变化情况，通过各指标的相互关系分析，从而初步反映该水库水体中各个参数相互关系；同时，通过该系统对水体水质的监测情况，评价该系统作为水质监测预警的可行性，以期实现对复杂多变的水环境进行准确异常事件的检测和预警。

1 材料与方法

1.1 试验材料 试验材料选自江苏省某市应急水源地，测量仪设备采用美国Hach生产的HydroCAT-EP多参数水质分析仪、美国BOWTECH生产的高清摄像头、美国Outland生产的LED灯和中天海洋系统有限公司生产的接驳盒系统。

1.2 测量方法 水质在线监测预警系统由布放在离水库10m处的岸基站实现水下观测的远程供电、数据采集和接收、存储及管理分配，并最终实现与用户终端的信息交互。经由光电复合缆连接水下接驳盒，实现电能和信号的传输。水下接驳盒对整个系统具有能量及信号中继、分配作用，另一端连接水质分析仪、高清摄像头等仪器。采用多参数水质分析仪和高清摄像头分别对某应急水源地水质pH、浊度、溶解氧、叶绿素a、电导率、水温六参数测量并实时监测水下生物动态。该系统实现全天候水质测量，HydroCAT-EP多参数水质分析仪每隔5s测量一次，实时数据由系统上位机显示并和储存。

2 结果与分析

系统实时、准确读取水质参数，并完成水质异常预警。自水下观测网水质在线监测系统运行以来，其长期处于稳定状态，每日进行24h不间断水质监测，监测区域水质状态均处于正常，未见异常。于2017年2月10日12：34：55，水质在线监测预警系统自动出现告警信息，显示水质参数超过阈值：pH9.0，叶绿素a16.09μg/L。于2月14和15日2项参数分别达到峰值：9.19μg/L和34.109μg/L。下面就水质出现异常告警情况进行介绍。

2.1 pH、浊度的变化 pH在监测过程中出现阈值超标并发出告警信息，浊度在整个时间段内均处于稳定状态。从图1看出，pH在2月4—14日水质一直处于碱性状态，在6日之前pH值均<8.8，随着时间的延长pH处于波动性上升的趋势，在10日时就已表现为水质异常，pH达到9，并在14日达到峰值9.19。浊度在整个时间段内呈现先下降后上升的趋势，整体显示在6～14之间波动。浊度从4日开始缓慢下降，在8—13日处于8左右，无较大波动，直至13日12：00浊度值开始上升，并在14日达到高峰且一直维持在较高值。endprint

2.2 溶解氧、叶绿素a的变化 叶绿素a和溶解氧在整个监测过程中均有较大的波动。同时，叶绿素a出现阈值超标现象并触发系统发出告警。从图2看出，叶绿素a在2月4—14日一直处于递增状态，在10日之前叶绿素a的含量增长缓慢，一直处于15μg/L左右，随着时间的延长，叶绿素a含量呈现直线上升趋势，在13日时初次达到30μg/L，并在后期几天一直处于较高值。随着时间的延长溶解氧的含量呈现不断上升的趋势，整体处于较高水平：≥14mg/L。在2月4—6日之间溶解氧含量一直处于14mg/L左右，从2月7日开始呈现上升的趋势，于13日达到最大值，并在较高值处维持数日。在整个时间段内水体中溶解氧含量呈现每天周期性波动的变化趋势。

2.3 电导率、温度的变化 随着时间的延长，电导率和温度均呈现小范围波动，同时，电导率的变化和温度存在一定正相关性。整个时间段内电导率在210～223μS/cm变化，温度则在6.5～8.5℃变化，两者均未发生较大的波动。从图3中看出，电导率与温度呈现正相关性，电导率随温度的降低而降低，呈下降趋势。为了更精确的了解电导率受温度影响情况，把该段时间的温度数据和对应时间的电导率数据通过SPSS一元线性回归分析及相关性分析，得出：温度和电导率之间的相关系数R=0.95，回归模拟的拟合系数为0.91，调整后的决定系数为0.91，接近于1，说明回归模型可解释数据变动的91%，表明模型对数据的拟合程度很好。回归模型整体的显著性采用F检验，由于F的Sig.为0.00，小于0.05，可以认为回归模型是显著的，最终拟合结果如图4所示。

3 讨论

3.1 叶绿素a与相关因子的分析 河流水质中的理化因子对叶绿素a含量有着间接或直接的影响。邹丽珍研究表明水口库区pH和溶解氧等参数均对叶绿素a含量具有显著影响[4]。各参数与叶绿素a的Pearson相关系数见图5和图6。由图5和图6可知，叶绿素a在暴发时期与pH、溶解氧呈正相关。一般水体中溶解氧含量受众多因素影响，如水温、微生物、微生物等，而在水体富营养水体中，溶解氧则主要受生物过程控制[5]。由图5可知，叶绿素a与溶解氧存在明显的正相关，相关系数R=0.92，溶解氧含量随着叶绿素a的大量繁殖而升高，并于13日达到最大值17.9mg/L，这说明藻类的大量繁殖使得水体中溶解氧含量过饱和。同时，从图2中得出水体中溶解氧含量每天呈周期性波动变化趋势，这是因为在昼夜交替变化条件下，藻类交替进行光合作用和呼吸作用。刘玉等研究表明藻类生长与水域中溶解氧含量呈正相关[8]。由此可以得出，当藻类细胞上升到一定量时，其数量的多少、生命活动的旺盛對溶解氧含量起主导作用。

浮游植物光合作用、生物呼吸作用、有机物氧化分解、水温等都会对CO2含量产生影响，进而影响水体中pH的变化[7]。王玉恒等发现浙江南部海区的pH的变化主要是光合作用的影响[9]，结果表明，叶绿素a浓度大于10μg/L时，旺盛的浮游植物光合作用消耗CO2，控制了HCO3-的解离平衡，致使pH呈高值状态[10，11]。本研究中在10日之前叶绿素a的含量增长缓慢，一直处于15μg/L左右，随着时间的延长叶绿素a含量呈现直线上升趋势，在13日时初次达到30μg/L，并在后期几天一直处于临界值波动状态。本区域水体pH值绝大多数位于7.81～8.61水质偏碱性，在10日之前pH均属于上升趋势，随后就已表现为水质异常，pH达到9。这说明叶绿素a的含量变化与pH值之间存在一定相关性。赵超等研究表明银湖水体中叶绿素a含量与pH表现出较高的相关水平[12]。本研究相关分析显示，叶绿素a和pH呈正相关，相关系数R=0.77。水体中pH随着藻类的大量繁殖而增大，进入稳定期后，pH在一段时间内趋于稳定，之后呈现下降趋势。这种变化趋势与浮游植物的光合作用、呼吸作用和生长规律相关，藻类通过自身生理活动调节水体中CO2浓度，从而改变pH达到更有利于自身的生长繁殖[5]。

3.2 电导率与水温的分析 地表水电导率是反映水质状况的重要参数，其连续实时在线检测对水环境监测具有重要意义。研究表明水温对电导率有重要影响，在电导率测量过程中，水温直接影响水质中电解质电离度，对离子的迁移率产生作用。当温度升高时：（1）水中的电离度增加。电离是吸热的过程，当温度升高时，离子化倾向加强，电离子增多，导致电导率增大；（2）加快水中的化合物的溶解度，导致电导率增大；（3）增大水中离子迁移的动能，离子运动加快，导致电导率增大[13]。本研究显示，温度在2月12日出现上升，同时，电导率在同一时间也开始上升。谷建强等[10]研究表明，南苕溪长桥和马溪水质的电导率随温度升高而增大，随温度下降而变小，电导率与温度之间呈高度线性相关，相关系数达到0.99，温度和电导率的拟合结果近似一条直线。郑金美[14]、张国成[15]等也得出了相似结论。本文在电导率测量过程中，水温和电导率变化趋势均较小，但两者也表现显著性正相关，相关系数达到0.95。

4 结论

叶绿素a与溶解氧的含量呈现显著正相关，R=0.92。同时，叶绿素a和溶解氧都呈周期性（24h）上下波动的变化趋势，这与浮游藻类昼夜间的光合作用和呼吸作用相关。叶绿素a含量与pH呈现正相关，R=0.77。主要是浮游藻类通过自身的生理活动调节水体中的CO2的浓度来改变pH，使其向有利于自身生长繁殖的方向发展。电导率与水温呈现正相关，R=0.95。水温直接影响水质中电解质电离度，对离子的迁移率产生作用，从而影响水中电导率。

参考文献

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（责编：张宏民）endprint