應急水源地水質因子分析

趙情+侯法壘+顧海峰+謝凱+季勝強

摘 要：該研究通過2016年2月4—15日對某應急水源地水域pH、濁度、電導率、溫度、溶解氧和葉綠素a的變化情況的調查，完成了各指標的相互關系分析，找出了內在規律，從而為水質異常提供預測。結果表明，水質出現異常時，pH、葉綠素a和溶解氧含量均受到顯著影響。葉綠素a與pH、溶解氧呈現顯著性相關；電導率與溫度呈現顯著性相關。

關鍵詞：pH；電導率；溫度；溶解氧；葉綠素a

中圖分類號 X824 文獻標識碼 A 文章編號 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、水溫是水質生態系統的重要環境參數，對水體生物生長、繁殖等起著重要作用。天然水體中溶解氧主要來自于空氣中氧氣的溶解和水生植物的光合作用，其含量主要受水溫、水面擾動、植物光合作用等因素的影響。濁度反映了水中浮游生物、泥沙及其他懸浮物質的數量，是評價水質的重要指標。電導率也稱比電導，是水化學分析的重要指標之一，其主要取決于水中總離子濃度[1]。電導率是表征水體攜帶電流的能力，湖泊、河流、海洋和地下水層中溶解鹽和礦物質的含量決定了其均是良好的導體。葉綠素a是浮游植物的主要光合色素，不僅可以表征水體中浮游植物的現存量和初級生產力水平，而且也是水體富營養化的有效指標。葉綠素a含量對于水體漁業資源的評估、富營養化程度的判定以及水環境質量評價具有重要意義，但其本身也受到其他諸多環境因子的影響[2，3]。

2016年1月初在某市應急水源地采用了一項“水下物聯網”技術——水下觀測網水質在線監測預警系統，為水質安全提供了一種先進手段，實現了24h的實時、連續、原位觀測，從而保障了居民的用水安全。本研究通過水質在線監測預警系統對某市應急水源地云湖水質進行長期監測，觀察其在水質異常時pH、濁度、電導率、溫度、溶解氧和葉綠素a的變化情況，通過各指標的相互關系分析，從而初步反映該水庫水體中各個參數相互關系；同時，通過該系統對水體水質的監測情況，評價該系統作為水質監測預警的可行性，以期實現對復雜多變的水環境進行準確異常事件的檢測和預警。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 試驗材料選自江蘇省某市應急水源地，測量儀設備采用美國Hach生產的HydroCAT-EP多參數水質分析儀、美國BOWTECH生產的高清攝像頭、美國Outland生產的LED燈和中天海洋系統有限公司生產的接駁盒系統。

1.2 測量方法 水質在線監測預警系統由布放在離水庫10m處的岸基站實現水下觀測的遠程供電、數據采集和接收、存儲及管理分配，并最終實現與用戶終端的信息交互。經由光電復合纜連接水下接駁盒，實現電能和信號的傳輸。水下接駁盒對整個系統具有能量及信號中繼、分配作用，另一端連接水質分析儀、高清攝像頭等儀器。采用多參數水質分析儀和高清攝像頭分別對某應急水源地水質pH、濁度、溶解氧、葉綠素a、電導率、水溫六參數測量并實時監測水下生物動態。該系統實現全天候水質測量，HydroCAT-EP多參數水質分析儀每隔5s測量一次，實時數據由系統上位機顯示并和儲存。

2 結果與分析

系統實時、準確讀取水質參數，并完成水質異常預警。自水下觀測網水質在線監測系統運行以來，其長期處于穩定狀態，每日進行24h不間斷水質監測，監測區域水質狀態均處于正常，未見異常。于2017年2月10日12：34：55，水質在線監測預警系統自動出現告警信息，顯示水質參數超過閾值：pH9.0，葉綠素a16.09μg/L。于2月14和15日2項參數分別達到峰值：9.19μg/L和34.109μg/L。下面就水質出現異常告警情況進行介紹。

2.1 pH、濁度的變化 pH在監測過程中出現閾值超標并發出告警信息，濁度在整個時間段內均處于穩定狀態。從圖1看出，pH在2月4—14日水質一直處于堿性狀態，在6日之前pH值均<8.8，隨著時間的延長pH處于波動性上升的趨勢，在10日時就已表現為水質異常，pH達到9，并在14日達到峰值9.19。濁度在整個時間段內呈現先下降后上升的趨勢，整體顯示在6～14之間波動。濁度從4日開始緩慢下降，在8—13日處于8左右，無較大波動，直至13日12：00濁度值開始上升，并在14日達到高峰且一直維持在較高值。endprint

2.2 溶解氧、葉綠素a的變化 葉綠素a和溶解氧在整個監測過程中均有較大的波動。同時，葉綠素a出現閾值超標現象并觸發系統發出告警。從圖2看出，葉綠素a在2月4—14日一直處于遞增狀態，在10日之前葉綠素a的含量增長緩慢，一直處于15μg/L左右，隨著時間的延長，葉綠素a含量呈現直線上升趨勢，在13日時初次達到30μg/L，并在后期幾天一直處于較高值。隨著時間的延長溶解氧的含量呈現不斷上升的趨勢，整體處于較高水平：≥14mg/L。在2月4—6日之間溶解氧含量一直處于14mg/L左右，從2月7日開始呈現上升的趨勢，于13日達到最大值，并在較高值處維持數日。在整個時間段內水體中溶解氧含量呈現每天周期性波動的變化趨勢。

2.3 電導率、溫度的變化 隨著時間的延長，電導率和溫度均呈現小范圍波動，同時，電導率的變化和溫度存在一定正相關性。整個時間段內電導率在210～223μS/cm變化，溫度則在6.5～8.5℃變化，兩者均未發生較大的波動。從圖3中看出，電導率與溫度呈現正相關性，電導率隨溫度的降低而降低，呈下降趨勢。為了更精確的了解電導率受溫度影響情況，把該段時間的溫度數據和對應時間的電導率數據通過SPSS一元線性回歸分析及相關性分析，得出：溫度和電導率之間的相關系數R=0.95，回歸模擬的擬合系數為0.91，調整后的決定系數為0.91，接近于1，說明回歸模型可解釋數據變動的91%，表明模型對數據的擬合程度很好。回歸模型整體的顯著性采用F檢驗，由于F的Sig.為0.00，小于0.05，可以認為回歸模型是顯著的，最終擬合結果如圖4所示。

3 討論

3.1 葉綠素a與相關因子的分析 河流水質中的理化因子對葉綠素a含量有著間接或直接的影響。鄒麗珍研究表明水口庫區pH和溶解氧等參數均對葉綠素a含量具有顯著影響[4]。各參數與葉綠素a的Pearson相關系數見圖5和圖6。由圖5和圖6可知，葉綠素a在暴發時期與pH、溶解氧呈正相關。一般水體中溶解氧含量受眾多因素影響，如水溫、微生物、微生物等，而在水體富營養水體中，溶解氧則主要受生物過程控制[5]。由圖5可知，葉綠素a與溶解氧存在明顯的正相關，相關系數R=0.92，溶解氧含量隨著葉綠素a的大量繁殖而升高，并于13日達到最大值17.9mg/L，這說明藻類的大量繁殖使得水體中溶解氧含量過飽和。同時，從圖2中得出水體中溶解氧含量每天呈周期性波動變化趨勢，這是因為在晝夜交替變化條件下，藻類交替進行光合作用和呼吸作用。劉玉等研究表明藻類生長與水域中溶解氧含量呈正相關[8]。由此可以得出，當藻類細胞上升到一定量時，其數量的多少、生命活動的旺盛對溶解氧含量起主導作用。

浮游植物光合作用、生物呼吸作用、有機物氧化分解、水溫等都會對CO2含量產生影響，進而影響水體中pH的變化[7]。王玉恒等發現浙江南部海區的pH的變化主要是光合作用的影響[9]，結果表明，葉綠素a濃度大于10μg/L時，旺盛的浮游植物光合作用消耗CO2，控制了HCO3-的解離平衡，致使pH呈高值狀態[10，11]。本研究中在10日之前葉綠素a的含量增長緩慢，一直處于15μg/L左右，隨著時間的延長葉綠素a含量呈現直線上升趨勢，在13日時初次達到30μg/L，并在后期幾天一直處于臨界值波動狀態。本區域水體pH值絕大多數位于7.81～8.61水質偏堿性，在10日之前pH均屬于上升趨勢，隨后就已表現為水質異常，pH達到9。這說明葉綠素a的含量變化與pH值之間存在一定相關性。趙超等研究表明銀湖水體中葉綠素a含量與pH表現出較高的相關水平[12]。本研究相關分析顯示，葉綠素a和pH呈正相關，相關系數R=0.77。水體中pH隨著藻類的大量繁殖而增大，進入穩定期后，pH在一段時間內趨于穩定，之后呈現下降趨勢。這種變化趨勢與浮游植物的光合作用、呼吸作用和生長規律相關，藻類通過自身生理活動調節水體中CO2濃度，從而改變pH達到更有利于自身的生長繁殖[5]。

3.2 電導率與水溫的分析 地表水電導率是反映水質狀況的重要參數，其連續實時在線檢測對水環境監測具有重要意義。研究表明水溫對電導率有重要影響，在電導率測量過程中，水溫直接影響水質中電解質電離度，對離子的遷移率產生作用。當溫度升高時：（1）水中的電離度增加。電離是吸熱的過程，當溫度升高時，離子化傾向加強，電離子增多，導致電導率增大；（2）加快水中的化合物的溶解度，導致電導率增大；（3）增大水中離子遷移的動能，離子運動加快，導致電導率增大[13]。本研究顯示，溫度在2月12日出現上升，同時，電導率在同一時間也開始上升。谷建強等[10]研究表明，南苕溪長橋和馬溪水質的電導率隨溫度升高而增大，隨溫度下降而變小，電導率與溫度之間呈高度線性相關，相關系數達到0.99，溫度和電導率的擬合結果近似一條直線。鄭金美[14]、張國成[15]等也得出了相似結論。本文在電導率測量過程中，水溫和電導率變化趨勢均較小，但兩者也表現顯著性正相關，相關系數達到0.95。

4 結論

葉綠素a與溶解氧的含量呈現顯著正相關，R=0.92。同時，葉綠素a和溶解氧都呈周期性（24h）上下波動的變化趨勢，這與浮游藻類晝夜間的光合作用和呼吸作用相關。葉綠素a含量與pH呈現正相關，R=0.77。主要是浮游藻類通過自身的生理活動調節水體中的CO2的濃度來改變pH，使其向有利于自身生長繁殖的方向發展。電導率與水溫呈現正相關，R=0.95。水溫直接影響水質中電解質電離度，對離子的遷移率產生作用，從而影響水中電導率。

參考文獻

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（責編：張宏民）endprint