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标题 高原再生水湖泊的水体透明度及其影响因素
范文 赵轩　许申来　薛祥山　郭玉梅　吴毅晖　郭昉



摘要：昆明市的翠湖是一个以再生水为主要水源的高原城市景观湖泊。利用2013年5月-10月四期（每期连续一周）的翠湖水质监测数据，对其水体透明度（SD）的时空分布，及其与水温（T）、pH、DO、Chla（叶绿素a）、TP、SS、CODCr、N/P、TN、NH4-N、DTP、DTN的相关性进行了分析，并以SD为因变量，以各水环境因子为自变量进行了多元线性回归分析。结果显示，水生植物少、水质较差的湖泊西区水域透明度（平均值33.6 cm）相对低于水生植物较多、水质状态较好的东区（平均值61.5 cm）；翠湖水体透明度与T、pH、DO、Chla、TP、SS、CODCr显著负相关（p<0.01），而与N/P、TN呈极显著正相关（p<0.01），Chla是影响翠湖水体透明度的主要直接影响因素，CODCr、TP是影响藻类生长的主要水质因子。研究结果为以高原城市再生水湖泊翠湖水体透明度的改善及景观价值的提升提供了科学依据。
关键词：昆明翠湖；高原湖泊；再生水；透明度；相关性分析
中图分类号：X524 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2015）06-1084-05
Abstract：Cuihu Lake in Kunming City is a plateau lake recharged by reclaimed water.Based on four periods of week-long diurnal monitoring water quality data in Cuihu Lake from May to October in 2013，the spatial and temporal distributions of water transparency and the relationship between transparency and T （water temperature），pH，DO，Chla （Chlorophyll a），TP，SS，CODCr，N/P，TN，NH4-N，DTP，and DTN were analyzed.Additionally，SD was considered as the dependent variable，multiple regression analysis was conducted for each water environment factor.The results indicated that the water transparency in Cuihu Lake is lower in the western area （averaged 33.6 cm，with deeper water and fewer aquatic plants） and higher in the eastern area （averaged 61.5 cm，with more aquatic plants and better water quality）.The correlation analysis and multiple regression analysis showed that water transparency is negatively correlated with T，pH，DO，Chla，TP，SS，and CODCr （p<0.01），and positively correlated with N/P and TN （p<0.01）.Chla is the primary and important factor affecting water transparency in Cuihu Lake，and CODCr，TP are two significant water quality factors to impact the algae growth in Cuihu Lake.The research results can provide scientific reference for the improvement of water transparency and landscape value in plateau lake recharged by reclaimed water.
Key words：Cuihu Lake；plateau lake；reclaimed water；transparency；correlation analysis
水体透明度反映水体清澈/混浊程度[1]，直接影响公众视觉、决定水体景观功能，也是影响浮游植物群落结构的主要水质因子[2]，因此是湖泊水质、富营养化重要表征指标[3-4]。研究表明，悬浮物（SS）、可溶性有机碳（DOC）、温度、pH、氮磷比（N/P）等均会对水体透明度产生直接/间接影响[1]，且通常通过多因子共同对其产生影响。张晓晶等[5]对乌梁素海水体透明度研究表明，浊度、SS、叶绿素a是水体透明度的直接影响因素，而pH、N/P是间接影响因素。随着水资源紧缺形势日益加剧，再生水已逐渐成为很多城市景观水体的主要补给水源，但是关于高原城市再生水湖泊的重要环境与景观指标水体透明度影响因素的研究仍相对缺乏。
翠湖坐落于云贵高原滇池盆地北部，位于昆明市中心，有“镶嵌在昆明城里的一颗绿宝石”之称。昆明市属水质-水资源复合缺水型城市[6]，翠湖目前采用再生水为补给水源，是典型的高原城市再生水景观湖泊，对城市生态环境与景观功能起着重要作用[7]，同时对于下游七亩沟、老运粮河乃至滇池的水环境保护均有重要作用。近年来翠湖水体不断恶化[8]，尤其夏季水体透明度下降，景观功能也受到严重影响，因此本文利用水华频发、水质恶化的5月-10月的观测资料，采用相关性分析和多元回归分析，探讨昆明翠湖水体透明度的时空分析及其主要影响因素，为翠湖水环境及景观改善提供科学依据。
1 采样与分析
翠湖湖底平均海拔1 887 m，年均日照2 445.6 h，年均总辐射量129.7 kcal/cm2，年均气温14.5 ℃，多年平均年降雨量约800 mm，多年平均年蒸发量约1 200 mm。湖泊水域面积15 hm2，平均水深1.5 m，以昆明市某污水厂再生水（优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A排放标准，见表1）为主要补给水源。由于翠湖所在区域雨水收集管网体系完善且不排入翠湖（图1），园区雨水径流入湖量较小，因此翠湖水体主要受该污水厂出水水质和水量影响。
为全面反映以再生水为主要补给水源（进出水口见图2）的翠湖水体透明度及相关环境因子特征，本文以均匀布点为原则，根据不同水域特点，在翠湖水域设置21个采样点（图2），采样水深设为0.5 m。考虑到污水厂出水变化周期为一周，因此于2013年5月-10月对翠湖水体进行了四期（每期连续一周）的采样监测分析，采样频率为每天一次。最终共获得428个样品的有效监测数据。水样采集后立即参考《水和废水监测分析方法（第四版）》对水体透明度（SD）及其相关因子pH、化学需氧量（CODCr）、总磷（TP）、总氮（TN）、叶绿素a（Chla）、悬浮物（SS）、氨氮（NH4-N）、溶解氧（DO）、总溶解磷（DTP）、总溶解氮（DTN）、水温（T）等进行分析。
2 结果与讨论
2.1 水体透明度时空分布
从四期监测结果可以看出，翠湖东区、西区水体透明度平均值时空分布差异较大（图3、图4），这与不同季节各水域功能、人类活动影响程度、且水生植被分布差异大有关，相关研究也发现旅游活动对景观水体水质的影响较大[9]。2013年5月-10月四期监测时段翠湖东区水体透明度平均值分别为42 cm、58 cm、77 cm和69 cm，西区水体透明度平均值分别为28 cm、25 cm、41 cm和40 cm。整体上东区水域水体透明度优于西区水域，与西区水域以游人娱乐为主、水生植物较少，而东区水域以荷花等植物观赏为主有关。
2.2 透明度与各水质因子相关性分析
对四期监测中翠湖各采样点的水体透明度与水环境因子进行了两两相关性分析，Pearson相关系数见表2。可以看出，翠湖水体透明度与T、pH、DO、Chla、TP、SS、CODCr呈显著负相关，与N/P、TN呈显著正相关（表2）。
（1）SS对透明度的影响。悬浮物通过增加水体对光辐射程度的衰减而降低水体透明度[10]。从图5可以看出，SS<55 mg/L时，水体透明度的变化范围相对较大，说明翠湖水体SS对透明度的影响存在较大不确定性，但整体上翠湖水体透明度与水体中SS呈显著负相关（r=-0.320，p<0.01），与张晓晶等[6]关于乌梁素海的研究结果较为一致，余丽凡等[11]关于上海公园景观水体的相关研究也证实了SS对水体透明度的重要影响。
（2）叶绿素a对SS、透明度的影响。叶绿素a反映了水体藻类的数量，蒋瑶等[12]研究发现Chla是贵州百花湖水体透明度的直接影响因素。监测期间翠湖各采样点Chla质量浓度范围为0.2～530 μg/L，平均值为171 μg/L。翠湖水体透明度与Chla呈极显著负相关（r=-0.469，p<0.01），从图5可以看出SD与Chla呈显著对数关系（R2=0.64）。与SS相比，Chla与翠湖水体透明度的相关关系更为显著，且SS随Chla浓度的增加而增加（图6），说明Chla是翠湖水体SS、水体透明度的主要影响因素。根据藻类的生长特征，采样时间为光合作用较强的白天，藻类光合作用产生O2，进而增加水体DO；随着藻类数量的增加，部分藻类开始呼吸作用，故DO呈先升高再下降的趋势（图6），而SD呈现出随DO先下降后缓慢上升的趋势（图5），进一步说明了Chla对SD的影响。
（3）水温、pH对透明度的影响。水温（T）、水体酸碱程度对水体无机碳源的存在状态和水生植物生长繁殖有着重要影响。研究表明水温20 ℃～25 ℃，pH 8.0～9.5是藻类生长的最适条件[13-14]。监测期间翠湖水域水温范围为15.7 ℃～26.5 ℃（平均值为22.3 ℃），pH范围为7.01～9.81（平均值为8.85）。相关分析表明翠湖水体透明度与T、pH呈显著负相关（r=-0.672、-0.657，p<0.01）。从图5可以看出，当T<20℃、pH<8.5时，水体透明度基本保持不低于50 cm；而当T>20℃、pH>8.5时，水体透明度大多保持在50 cm以下，这可能与T<20℃、pH<8.5时水体中Chla质量浓度较低（图7）有关，但图5中T、pH与水体透明度的相互关系相对比较杂乱，说明T、pH对水体透明度的影响存在较大不确定性。
（4）CODCr对透明度的影响。COD反映水体中有机物的相对含量，水体溶解性有机物、有色可溶性有机物通过吸收水体光线而降低水体透明度[11]，已有相关研究表明水体有机碳源对藻类异养生长及混养生长也起着重要作用[15]。翠湖各采样点水体CODCr范围为3.0～80.1 mg/L，平均值为22.3 mg/L。翠湖水体透明度与CODCr呈显著负相关（r=-0.296，p<0.01）。从图5可以看出SD与CODCr呈较为显著的对数关系（R2=0.36），同时Chla与CODCr呈显著正相关（图7），说明翠湖有机物的含量及成分（CODCr）既可直接吸收水体光线降低水体透明度，也可以通过影响藻类生长间接影响水体透明度。
（5）N、P对透明度的影响。N、P作为藻类生长的重要营养元素，其在水中的存在形式及含量直接影响着藻类的生长状况，进而影响水体透明度[16-20]。一般研究认为藻类体内N/P为16，水体中N/P越接近16越有利于藻类生长，高于16时磷为藻类生长的限制因子，低于16时则氮为限制因子[14]。监测期间翠湖各采样点水体TN质量浓度平均值为5.49 mg/L，TP质量浓度平均值为0.26 mg/L，N/P范围为3.41～89.3（平均值为24.2）。相关分析发现翠湖水体透明度与水体中TP呈显著负相关（r=-0.331，p <0.01），与N/P、TN呈正相关（r=0.262、0.232，p<0.01），且监测值中超过60%的N/P大于16。从图7可以看出Chla质量浓度随TP质量浓度升高而升高，随N/P增加而呈现降低趋势，而与TN相关性相对较低，表明TP是藻类生长的限制因子，是翠湖水体透明度的重要水质影响因素。
以水体透明度（SD）为因变量，以T、pH、DO、Chla、TP、SS、CODCr、N/P、TN、NH4-N、DTP、DTN为自变量，采用Matlab软件进行多元逐步回归分析；为消除量纲影响[17]，对所有数据（X）取自然对数ln（X+1）进行回归分析，回归分析模型的修正R2=0.719，相关性较好。根据回归分析模型参数建立多元线性归回方程如下：
以式（1）为预测模型，计算监测期间翠湖各监测点水体透明度拟合值，可以看出，翠湖水体透明度的拟合值与实测值较为相近（图8），分析平均相对误差值12.5%，平均绝对误差为5.61 cm，除个别点外，模型可以较好的拟合翠湖水体透明度的变化。进一步说明pH、T、Chla与CODCr是影响再生水湖泊翠湖水体透明度的重要影响因素。
3 结论
基于昆明市翠湖在2013年5月-10月的水质监测数据，对其水体透明度的时空分布、影响因子进行了多元线性回归分析，得到了以下结论。
（1）作为城市景观水体，翠湖水域水体功能对水体透明度影响显著，以游人娱乐为主的西区水域水体透明度明显低于以植物观赏为主的东区水域，水体功能布局优化将有助于水体透明度及其景观功能的改善。
（2）翠湖水体透明度受多个环境因子共同影响，整体上与T、pH、DO、Chla、TP、SS、CODCr呈显著负相关（p<0.01），而与N/P、TN呈显著正相关（p<0.01）。
（3）SS、Chla、CODCr均可通过影响光在水中的衰减直接影响翠湖水体透明度，且Chla是主要影响因素，T、pH、CODCr、TP通过影响藻类生长间接影响水体透明度，其中CODCr、TP是主要水质影响因子，TP是限制藻类生长的水质因子，水体CODCr、TP及藻类的去除与控制是翠湖水体透明度改善的有效途径。
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