典型温带深水湖库溶解氧影响因子分析

摘要：为探讨温带深水湖库中环境因素和水化学指标对溶解氧的影响，结合崂山水库2021年国控站点的自动及手工历史监测数据分析溶解氧浓度的变化特征及主要影响因素。研究结果表明：2021年，崂山水库溶解氧浓度呈冬春季节高于夏秋季节的特征，低氧数据[溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）浓度小于5 mg/L]主要出现在6—10月，凌晨、午后、傍晚是低氧发生的重要时刻。通过水温、pH值、水深、浮游生物、营养状态指数、外来补水及其他化学指标、日照时间等影响因子相关性分析，得出水深即变温层的存在是崂山水库夏秋季节溶解氧自动监测数据偏低的主要原因，浮游生物活动对溶解氧浓度产生直接影响。

关键词：深水湖库；溶解氧；影响因子；变温层

中图分类号：X524 文献标识码：A 文章编号：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

在全球气候变化、湖库营养水平升高的大趋势下，对于分层湖库溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）时空变化或影响因子的研究越来越多，DO与水温、水深、浮游生物呼吸和光合作用、外部物质输入、有机物沉积过程分解等机制有关[1]。崂山水库作为青岛市“十四五”地表水环境质量国控点及集中式饮用水水源地取水点，常年为Ⅱ、Ⅲ类水质优良水体，但近年来其溶解氧自动监测数据在参与融合评价时出现超标现象。鉴于此，调查崂山水库溶解氧的时空分布特征、变化规律和主要影响因子，提出相应的管控建议，以期为青岛市地表水环境质量持续改善提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

崂山水库为温带深水湖库，总库容为5 601万m3，

兴利库容为4 798万m3，位于崂山区、城阳区交界处，发源于崂山山脉北部，主要通过凉泉河、五龙河、山色峪河汇入崂山水库，库内最大水深为24.5 m。

1.2 数据来源

2021年崂山水库溶解氧自动及手工监测数据主要来自山东省青岛生态环境监测中心，手工监测数据站点与自动监测数据取水塔位置一致。自动监测数据频次为每小时1次，手工监测频次为每月1次。

1.3 评价方法

按照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）

中溶解氧的Ⅲ类标准5 mg/L进行评价，综合营养状态指数采用《湖泊（水库）富营养化评价方法及分级技术规定》中的评价方法与标准。

2 结果与分析

2.1 崂山水库自动监测溶解氧数据分布特征

按不同时序统计2021年崂山水库溶解氧自动监测数据，小时值、日均值、月均值均出现低氧数据

（DO小于5 mg/L），小时值个别数据达到缺氧水平

（DO小于3 mg/L），出现时间均处于6—10月。

崂山水库溶解氧小时值月际分布如图1所示。可以看出，6—10月溶解氧浓度水平较低，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，呈现春季＞冬季＞夏季＞秋季的季节变化特征，且夏季昼夜极差较大，为0.6 mg/L左右。

低氧发生时间主要为6—10月，9月超标频次最高（27.6%）；溶解氧谷值出现时段在02：00—08：00，而各月谷值出现时段并不相同，6—8月低值多出现在凌晨，8—10月多出现在午后和傍晚。

2.2 溶解氧的影响因子

2.2.1 水温和pH值

随着气温变暖，水温上升，溶解氧浓度在夏季、秋季（6—10月）下降并浮动较大。水温和溶解氧Pearson（皮尔逊）相关系数为-0.949（p＜0.01），呈显著负相关，pH值和溶解氧Pearson相关系数为0.408（p＜0.01），呈显著正相关。

2.2.2 水深

崂山水库为温带深水湖库，库内最大水深为24.5 m，

为便于取水建取水塔，多采用30 m高程取水，取水位置的水深近20 m。以自动监测数据（水深为20 m）和人工监测月数据（水深为0.5 m）分析2021年12个月

同时段数据差异，得出：不同水深情况下，20 m监测水温低于0.5 m监测水温，偏低幅度在4%～31%，2—8月温度分层较明显，最大温差为6.2 ℃；秋季、冬季20 m监测溶解氧浓度普遍高于0.5 m监测水平或差别不大，6—7月和10月出现低于0.5 m监测水平且偏低幅度均大于10%；两组数据水温偏差增大的月份出现在4—8月，溶解氧偏差增大及波动时期出现在6—10月，最高达到3倍。

假定其他环境条件一致的情况下，不同深度对水温、溶解氧的影响较大。在深水湖库中，水温分层是影响溶解氧垂向分布的关键因素[2]。崂山水库属温带季节性深水湖库，自动监测取水口水深为10～20 m，

正处在多数研究中深水湖库中变温层出现的水深范围内[3-4]，夏秋季节变温层内水温和溶解氧偏低于表层，甚至出现变温层溶解氧极小值（Metalimnetic Oxygen Minimum，MOM）。

2.2.3 浮游生物

2021年崂山水库浮游生物密度与水温呈正相关，与溶解氧浓度呈负相关。其中，水温与浮游动物相关影响较显著，其他关系均不显著，但从各月变化来看，水温、溶解氧变化与浮游生物密度变化趋势较为一致。

2.2.4 营养状态指数

2021年崂山水库营养状态指数在41.6～51.5，多数月份处于中营养状态，6月、9月为轻度富营养状态，营养状态指数与水温和溶解氧的Pearson相关系数分别为0.809和-0.823，其中，与水温呈显著正相关，与溶解氧呈显著负相关。从季节分布来看，营养状态指数呈秋季＞夏季＞冬季＞春季的特征，这与水温和溶解氧的季节变化较为一致。

2.2.5 外来补水

崂山水库水体主要通过乌衣巷河、五龙河、山色峪河3条季节性河流汇入，五龙河、山色峪河常年呈断流状态，凉泉河仅夏季、秋季有少量径流，因此崂山水库的外来补水主要为降雨形成的地面径流。

2021年崂山水库降雨量主要集中在7—9月，占全年降雨量的64.8%。这几个月降雨量与水温呈显著正相关，与溶解氧呈显著负相关，Pearson相关系数分别为0.742和-0.721。降雨量较高的月份与水温和溶解氧的峰谷变动时期较为一致。

2.2.6 其他化学指标

通过分析2021年崂山水库自动监测数据可知，不同时序下，溶解氧的影响因子及其Pearson相关关系强弱并不相同。短时序下，溶解氧与水温、pH值呈显著正相关；长时序下，溶解氧受水温和总磷影响较大，呈显著负相关。与其他指标相关关系排序为总磷＞高锰酸盐指数＞总氮＞氨氮，但总体来说，溶解氧与化学指标相关性弱于环境因子和浮游生物活动。

2.2.7 日照时间

根据崂山区日照时间，Pearson相关性分析结果显示，水温、溶解氧与日照时间相关关系均不显著。

3 讨论与建议

3.1 标准适用性问题

目前，溶解氧评价标准执行《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002），该标准于2002年6月1日

期实施，标准制定时各类标准值和范围主要依靠手工采样监测数据确定，同时采样时间一般在昼间。但在自动监测数据逐步替代手工数据的背景下，凌晨又是低氧出现的重要时刻，该标准值和范围是否适用于自动监测数据和夜间监测数据需要进行进一步的探讨。

3.2 规避变温层影响

变温层是导致夏秋季节水体溶解氧浓度产生垂直差异的直接原因，变温层内溶解氧浓度随深度增加而骤降，甚至出现极低值，因此应尽量避开变温层采样。受客观自然条件影响无法避开变温层且水质稳定优良的深水湖库，建议在湖库分层期间剔除自动监测溶解氧数据，采用人工监测数据参与评价，更加客观反映水体水质实际情况。

3.3 减少浮游生物活动影响

夏秋季节带来适度的水温、光照等条件，浮游生物活动成为夏秋季节溶解氧浓度异常的主要因素，建议采取打捞、超声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体中氮磷营养盐、增加溶解氧、抑制藻类生长的作用，可因地制宜地探索建立稳定的水生高等植物群落等生态修复方式减少浮游生物活动。

4 结论

以自动监测数据为主、手工监测数据为辅，得出崂山水库溶解氧的主要影响因子为浮游生物密度、水温、营养状态指数等，与日照时间等相关性较弱。进一步说明，崂山水库夏秋季节溶解氧浓度异常与浮游生物活动密切相关，其主要的环境驱动因子为变温层的形成与稳定。

崂山水库属温带深水湖库，春末夏初变温层逐步形成和稳定，受客观条件所限，崂山水库取水口在水面以下10～20 m，正处在变温层水深范围内，变温层内溶解氧浓度随深度增加而骤降，因此在未受外界污染影响、水体稳定的情况下，夏季、秋季经常发生溶解氧自动监测数据超标情况。夏季、秋季适宜的光照和降水径流带来的营养物质有利于浮游生物的生长繁殖，水体中浮游生物密度较大，营养状态变差。傍晚至凌晨浮游生物光合作用逐渐减弱，呼吸作用增加对水体中氧的消耗，使水体中溶解氧浓度降低，甚至出现缺氧状态。

参考文献

1 杜彦良，彭文启，刘 畅.分层湖库溶解氧时空特性研究进展[J].水利学报，2019（8）：990-998.

2 ZHANG Y，WU Z，LIU M，et al.Dissolved oxygen stratification and response to thermal struture and long-term climate change in a large and deep subtropical reservoir（Lake Qiandaohu， China）[J].Water Research， 2015（2）：249-258.

3 刘静思，朱晓声，胡子龙，等.不同水体分层对沉积物间隙水氮素垂向分布影响：以三峡水库和小湾水库为例[J].环境科学，2020（8）：

3601-3611.

4 余 晓，诸葛亦斯，刘晓波，等.大型深水水库溶解氧层化结构演化机制[J].湖泊科学，2020

（5）：1496-1507.