滇池水體pH值變化特征及其影響因素初步分析

(昆明市滇池高原湖泊研究院，云南 昆明 650228)

滇池地處云貴高原的滇中地區(qū)，流域面積2920km2，湖面積309.5km2，容積15.6億m3，平均水深約5.3m，是云南高原湖泊中面積最大的湖泊，在調(diào)節(jié)昆明市的氣候、防洪、水資源調(diào)度等方面，發(fā)揮著重要作用，也是重要戰(zhàn)略備用水源地。然而，從20世紀(jì)80年代開始，隨著城市化進(jìn)程的迅猛發(fā)展，滇池水質(zhì)逐年下降，并成為重度富營養(yǎng)化湖泊[1]。

隨著滇池治理力度的加大，近些年來，水質(zhì)改善明顯。2018年滇池草海和外海總體水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到了Ⅳ類地表水質(zhì)，營養(yǎng)鹽指數(shù)從重度富營養(yǎng)化下降為輕度富營養(yǎng)化。但依然有些水質(zhì)指標(biāo)不穩(wěn)定，尤其是水體pH值，在夏秋季節(jié)，總體偏高。水體酸堿度是重要的水質(zhì)指標(biāo)之一，影響著水環(huán)境功能。受地質(zhì)及地理環(huán)境影響，云南地區(qū)高原湖泊水體普遍偏堿性。在多種因素作用下，水體pH值會季節(jié)性出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象[2]。關(guān)于水體pH值的影響因素研究，國內(nèi)外有一些研究，并初步表明與地質(zhì)狀況、水體中的溶解氧、藻類活動等有關(guān)[3]。此外，也與水下生物擾動有一定的關(guān)系[4]。

為進(jìn)一步分析滇池水體pH值變化的影響因素，在對滇池多年監(jiān)測數(shù)據(jù)開展分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合跟蹤監(jiān)測，開展分析研究，以期為水體pH值的改善提供有效建議和措施。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

滇池10個(gè)國控點(diǎn)歷年數(shù)據(jù)，結(jié)合滇池外海北部水域3個(gè)連續(xù)跟蹤監(jiān)測點(diǎn)(索道站、11號井、山邑村近岸水域)。

1.2研究周期

數(shù)據(jù)參考1987年至今滇池監(jiān)測數(shù)據(jù)，跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)為2019年7月2日—7月4日藍(lán)藻生物量相對較高時(shí)期的數(shù)據(jù)。

1.3水質(zhì)指標(biāo)

水質(zhì)檢測和分析的水質(zhì)指標(biāo)包括：水溫、DO、SD、pH值、CODCr、TN、TP和Chl.a等水質(zhì)指標(biāo)，監(jiān)測方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)[5]。

1.4分析方法

采用相關(guān)性分析、降維分析和回歸分析等統(tǒng)計(jì)分析方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 滇池水體pH值變化特征

(1)多年變化特征

多年監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，滇池草海水體pH值的年均變化范圍在7.73～8.64，多年均值為8.09。外海水體pH值的年均變化范圍在8.26～9.17，多年均值為8.77。從1987—2018年數(shù)據(jù)看，外海水體pH值總體高于草海水體pH值。滇池草海、外海多年水體pH值變化如圖2所示。

表1滇池草海多年各月pH值及水質(zhì)狀況(1987-2018年)

月份水溫/℃pH值DO/(mg/L)CODCr/(mg/L)NH3-N/(mg/L)TP/(mg/L)TN/(mg/L)Chl.a/( μg/L)1月11.88.16.2642.55.510.69810.285.42月128.026.5341.36.690.7211.1863月14.38.276.09556.250.82110.688.54月17.28.096.49526.240.9111084.45月19.98.376.1759.85.970.9889.551126月22.18.175.5460.15.50.9268.881647月22.28.095.5458.74.460.8238.61788月22.38.015.2757.93.330.6086.781669月228.176.2963.13.070.7478.2328410月19.57.875.4645.14.840.6058.1910711月16.27.894.7346.54.790.6778.5488.912月13.57.935.7242.75.540.7029.3780.2

(2)季節(jié)性變化特征

對草海和外海各月進(jìn)行多年統(tǒng)計(jì)，外海水體pH值在2月相對最低，為8.42；隨后逐漸升高，到9月達(dá)到最高，達(dá)9.08；隨后在波動狀態(tài)下緩慢下降。草海水體pH值在2月也為最低，約為8.02；在5月達(dá)到最高，約為8.37；隨后緩慢下降，在9月又反彈至8.17，隨后逐漸降低。滇池草海、外海各月水體pH值變化如圖3所示。

天然植物性食物中的營養(yǎng)素不會因烹調(diào)遇熱而分解破壞。據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，煮菜過程中會損失50%～70%維生素C和90%左右的葉酸，油炸過程會損失約50%維生素E。

2.2 滇池水體pH值影響因素分析

(1)多年水體pH值與水質(zhì)間相關(guān)性分析

依托于昆明市環(huán)境監(jiān)測中心自1987年以來的滇池草海和外海水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析水體pH值多年月均變化與水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性。草海各月水質(zhì)見表1，外海各月水質(zhì)見表2。

對草海2個(gè)國控點(diǎn)的月均pH值與其他水質(zhì)指標(biāo)之間進(jìn)行相關(guān)性分析，與之相關(guān)性最高的是總磷，相關(guān)系數(shù)為0.789，為顯著正相關(guān)關(guān)系。其次依次為CODCr、DO，相關(guān)系數(shù)分別為0.65、0.515。水體pH值與總氮、氨氮、葉綠素a和水溫之間的相關(guān)性不顯著，相關(guān)系數(shù)分別為0.319、0.216和0.193。

對外海8個(gè)國控點(diǎn)的月均pH值和其它水質(zhì)指標(biāo)之間開展相關(guān)性分析，相關(guān)性最高的是葉綠素a，相關(guān)系數(shù)為0.899，為顯著正相關(guān)關(guān)系。其次依次為氨氮、總氮、DO、水溫，相關(guān)系數(shù)分別為-0.87、-0.832、0.784和0.608。

表2 滇池外海多年各月pH值及水質(zhì)狀況(1987-2018年)

表3 滇池草海、外海多年水體pH值多年月均變化與各水質(zhì)指標(biāo)間相關(guān)性分析

通過對草海水體pH值與相關(guān)性最高的TP之間的回歸分析，回歸方程為

y=0.9523x+7.35，R2=0.6227。由于近些年水體總磷下降顯著，故本方程已經(jīng)不適用當(dāng)前狀況。

通過對外海水體pH值與相關(guān)性最高的Chl.a之間的回歸分析，回歸方程為y=0.0081x+8.2249，R2=0.8082。由此公式測算，當(dāng)葉綠素a濃度達(dá)95.7μg /L以上時(shí)，則水體中pH極易超過9。

在2019年7月初，北部近岸水域藻密度較大，且不同時(shí)段差異也大，從早到晚在3個(gè)跟蹤監(jiān)測點(diǎn)共采集記錄到23組數(shù)據(jù)，pH值與水體葉綠素a濃度關(guān)系見圖6、圖7。

通過分析，水體pH值與DO之間的回歸方程為y=0.0801x+8.404，R2=0.397。依據(jù)此計(jì)算公式，當(dāng)光合強(qiáng)度使水體中DO濃度超過7.44mg/L時(shí)，pH值可能會出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。

水體pH值與水體葉綠素a之間的回歸方程為一元二次方程，方程式為：y=-0.0000001x2+0.0003x+9.057，R2=0.2979。由此公式計(jì)算可得，當(dāng)葉綠素a濃度低于1500μg /L時(shí)，水體pH值隨藻類生物量的增大而增大，當(dāng)高于約1500μg /L時(shí)，則水體pH值開始緩慢下降。當(dāng)水體pH值約高于3500μg /L時(shí)，水體pH值開始低于9。在5000 μg /L時(shí)，則水體pH值降至最低，約8.21。

3 結(jié)論

(1)多年來，滇池水體pH值總體偏堿性，外海總體高于草海。草海水體pH值的年均變化范圍在7.73～8.64，多年均值為8.09。外海水體pH值的年均變化范圍在8.26～9.17，多年均值為8.77。滇池水體的pH值處于動態(tài)波動變化中。

(3)跟蹤調(diào)查和回歸分析結(jié)果表明，當(dāng)水體葉綠素a濃度低于約1500μg /L時(shí)，水體pH值隨藻類生物量的增大而增大，呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)高于約1500μg /L時(shí)，則水體pH值開始緩慢下降；當(dāng)水體pH值約高于3500μg /L時(shí)，水體pH值開始低于9；約5000μg /L時(shí)，降低至本底狀態(tài)，即8.21。

(4)依據(jù)回歸分析，當(dāng)開放水體中葉綠素a的濃度低于95.7μg /L時(shí)，則水體中pH值總體低于9。控制藍(lán)藻水華，降低浮游藻類生物量，可以減少生物因素對水體pH值的調(diào)節(jié)作用。

4 討論和建議

多方面研究表明，生物作用對水體pH值影響顯著。在云南滇中和滇西地區(qū)，由于基巖多為石灰?guī)r，淋溶產(chǎn)生的CaCO3和MgCO3本身為弱堿性鹽，導(dǎo)致水體本身偏堿性，水體pH值本底本身較高，加上滇中和滇西的多數(shù)湖泊周圍人口密集，有一定的生活污水匯入水體，而生活污水主要也是偏堿性的水體。而浮游植物，甚至沉水植物等對局部水體的pH值有顯著調(diào)節(jié)作用，當(dāng)生物量較大時(shí)，對整個(gè)水體pH值的升高有明顯的促進(jìn)作用[2,6]。

藻類生物量較大，超過一定密度后，水體pH值會下降。推測原因，由于透明度為0，只有表層藻類在進(jìn)行光合作用，而水下大多數(shù)藻體則以呼吸作用為主，消耗溶解氧，釋放大量二氧化碳，并促進(jìn)H2CO3的生成，碳酸是中強(qiáng)酸[8]，酸性屬性會使水體pH值有明顯下降。

要防控水體生物因素造成的水體pH值變化，需要持續(xù)開展水污染治理，降低影響藻類生物量的總磷濃度，當(dāng)總磷濃度顯著降低，藻類生物量下降，藻類種群結(jié)構(gòu)也將發(fā)生變化，水體pH值的生物調(diào)節(jié)因素也將大幅度降低。此外，對藍(lán)藻生物量開展及時(shí)的打撈清除，也能減少其對水體pH值的影響。