2016, Vol. 28 
(2: 上海市青浦区水文勘测队, 上海 201700)
(2: Hydrological Survey Team of Shanghai Qingpu District, Shanghai 201700, P. R. China)
湖泊作为一种重要的自然资源，具有蓄水、供水、航运、旅游和养殖等多项生态功能.由于人类活动强度的不断增强以及自然环境的变化，湖泊水质环境受到严重威胁[1]，许多学者对河流、水库、湖泊水质进行了研究[2-8].在河湖、水库水质变化与气象条件关系方面也有学者进行了研究，盛海燕等[9]分析新安江水库近10年水质演变趋势及与水文气象因子的关系，表明降水量与溶解氧、总磷(TP)、氨氮浓度呈显著正相关，气温与水温、pH值、高锰酸盐指数(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、TP和叶绿素a(Chl.a)浓度呈显著正相关；许梅等[10]对位于太湖西部宜兴市的一条入湖河流水质的年变化规律进行分析，表明水体中BOD5、CODMn、Chl.a浓度的变化主要受温度的影响，温度变化是水体有机质含量变化的触发因子；降雨量与水体TP浓度呈显著正相关，但对其他水质指标影响较小；高伟等[1]研究抚仙湖CODMn、TP、总氮(TN)、Chl.a、透明度和浮游植物丰度等水质指标的变化，认为人口数量和水温是水质变化的主要驱动因子；刘梅等[11]研究认为，因气温上升导致水体温度升高，增强了微生物的活性，进而促进底泥中内源氮、磷的释放，降水少致径流减少，径流的减少降低了水体的稀释能力，对磷而言径流的减少将会减少陆地磷污染物进入水体.淀山湖主要承受东太湖和苏州淀泖地区来水，其入湖污染源为上游来水带来的污染负荷和本地各种污染排放，气温、降水量等影响淀山湖水质，本文根据淀山湖湖体CODMn、氨氮(NH3-N)、TP、TN等水质资料和青浦区气象局等月平均气温、降水量、日照时数等资料，研究这些水质指标变化与气象条件的关系，从而为开展水文气象业务服务提供技术支持.
1 淀山湖区域概况淀山湖(31°04′~31°12′N，120°53′~121°01′E)是太湖流域第二大省界湖泊，位于太湖流域下游，上海市的西部, 距上海市区50余km，地处江苏省昆山市、吴江市和上海市青浦区交界处.湖泊面积62 km2，平均水深2.1 m, 最大水深3.59 m.淀山湖是上海境内最大的天然淡水湖泊，是黄浦江上游来水水源之一, 其水环境状况直接关系着周围区域的水环境、水生态安全及下游的上海市黄浦江上游水源地的水质安全.淀山湖主要承受东太湖和苏州淀泖地区来水，主要入湖河流为千灯浦、大朱厍、急水港和元荡，主要出湖河流为拦路港、淀浦河等(图 1).淀山湖入湖污染源为上游来水带来污染负荷和本地工业污染、农业农村面源污染、城镇污染等排放.
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图 1 淀山湖地理位置和断面、监测点分布 Fig.1 Situation and distribution of rivers and monitoring sites in Lake Dianshan |
2006年11月-2014年11月温度、降水量、日照时数等气象观测资料来源于青浦区气象局；2007年1月-2013年12月温度、降水量、日照时数等气象观测资料来源于吴江、吴中、昆山、东山、湖州、嘉兴等气象局. 2007年1月-014年11月CODMn、NH3-N、TN、TP水质资料来源于太湖流域水资源保护局发布的《太湖流域及东南诸河省界水体水资源质量状况通报》.按《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)将水质分为Ⅴ类，水质超过Ⅴ类标准限值时称为劣Ⅴ类.
2.2 方法太湖流域水环境监测中心每月对淀山湖3个监测点(分别位于淀山湖南部、中部、北部)进行水质监测.水质评价采用单因子评价法，标准采用《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)，评价项目为水温、pH值、溶解氧(DO)、CODMn、化学需氧量、BOD5、NH3-N、TP、TN、铜、锌、氟化物、硒、砷、汞、镉、铬(六价)、铅、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂(LAS)和硫化物共23项.
淀山湖主要承受东太湖和苏州淀泖地区来水，上游地区的气温、降水量、日照时数等也会影响淀山湖上游来水的水质.分析2007年1月-2013年12月吴江、吴中、昆山、东山、湖州、嘉兴等气象局月平均气温、月降水量和月日照时数与青浦区气象局月平均气温、月降水量和月日照时数相关关系(表 1)，月平均气温相关系数均＞0.999，月降水量相关系数＞0.829，月日照时数相关系数＞0.928；并且各地方月平均气温、月降水量和月日照时数的最小值、最大值和平均值都比较接近.因此本文中东太湖和苏州淀泖地区气象资料用青浦区气象局月平均气温、月降水量、月日照时数代表.
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表 1 各站点气象要素值及相关系数 Tab.1 Meteorological factors and correlations beteewn Qinpu and others |
各气象(青浦区气象局观测资料)、水质资料的统计量见表 2.
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表 2 气象、水质资料的统计量* Tab.2 Summary of statistics of meteorological variables and water quality |
淀山湖2007年1月-2014年11月CODMn浓度变化幅度较大，在3.67~10.00 mg/L之间，为Ⅱ类~Ⅳ类水标准；平均值为5.02 mg/L，为Ⅲ类水标准. CODMn浓度存在季节变化，4-9月浓度较高，而10月-翌年3月浓度较低.
NH3-N浓度变化幅度很大，在0.05~6.20 mg/L之间，为Ⅰ~劣Ⅴ类水标准；平均值为1.26 mg/L，为Ⅳ类水标准. NH3-N浓度＞2 mg/L的劣Ⅴ类水，共出现13次，主要集中在2009年3月以前的时段；而≤0.15 mg/L的Ⅰ类水，共出现5次，主要集中在2013年10月以后的时段. NH3-N浓度的季节变化比较明显，一年中高峰值出现在2-4月，而低谷值出现在7-10月.
TN浓度变化幅度在1.73~9.82 mg/L之间，为Ⅴ类和劣Ⅴ类水标准；平均值为4.16 mg/L，为劣Ⅴ类水标准.淀山湖TN浓度居高不下，除2014年9月(1.84 mg/L)、10月(1.73 mg/L)为Ⅴ类水标准外，其余都＞2.0 mg/L，为劣Ⅴ类水标准，是4个指标中最严重的指标. TN浓度的季节变化也比较明显，一年中高峰值出现在2-4月，而低谷值出现在7-10月.
TP浓度变化幅度在0.071~0.314 mg/L之间，为Ⅳ类~劣Ⅴ类水标准；平均值为0.15 mg/L，为Ⅴ类水标准. TP浓度＞0.2 mg/L的劣Ⅴ类水标准，共出现14次，占14.7 %；0.1 mg/L < TP浓度≤0.2 mg/L的Ⅴ类水标准，共出现71次，占74.7 %；0.05 mg/L < TP浓度≤0.1 mg/L的Ⅳ类水标准，共出现10次，仅占10.5 %.可见淀山湖TP浓度居高不下. TP浓度存在季节变化，高峰值出现在7、8月；低谷值出现在10月-翌年5月，多数年份低谷值出现在4-5月.
采用Mann-Kendall检验方法，计算2007年1月-2014年11月淀山湖4项水质指标时间序列趋势的检验值，结果表明CODMn、NH3-N、TN浓度均通过α=0.01显著性水平上M-K检验，均有极显著的下降趋势；而TP浓度通过α=0.05显著性水平检验，有显著下降趋势.淀山湖CODMn、NH3-N、TN和TP浓度降低，这主要得益于2008年起江、浙、沪地区实施太湖流域水环境综合治理成果.
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图 2 淀山湖CODMn(a)、NH3-N(b)、TN(c)和TP(d)浓度变化(虚线为趋势线) Fig.2 Variations of CODMn(a), NH3-N(b), TN(c) and TP(d) concentrations in Lake Dianshan (broken line denote trend line) |
统计淀山湖CODMn、NH3-N、TN和TP浓度变化与月平均气温、降水量、日照时数的相关性，月平均气温、降水量、日照时数分为当月、上月和上2个月；并给定显著性水平α=0.05，样本数n=95，进行检验(表 3). NH3-N、TN浓度与平均气温、降水量和日照时数呈显著负相关(α < 0.05)；TP浓度与平均气温呈显著正相关(α < 0.05).
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表 3 水质指标与气象要素的相关系数 Tab.3 Correlation beteewn water quality and meteorological factors |
气温通过大气与水接触面的热量交换、辐射等方式传递热量，从而影响水温；水温随着气温变化，气温升高水温也升高，反之则水温降低，因此水温基本会与附近气温相一致.温度对水质影响表现在，水温升高将提高水体中污染物离子活跃程度，提高离子浓度、加快水体中化学反应速率，水温升高也会增强微生物的活性从而促进底泥中内源性氮和磷的释放[11-14]，增加CODMn、NH3-N、TN和TP浓度.
温度和光照影响水生植物光合作用和生长[10, 15-20]，而水生植物能吸收水体中的氮、磷[21-27]，随着温度上升，日照时数延长、光照增强，水生植物生长旺盛，吸收、降解水体中的氮就多，使得水体中氮浓度下降；水生植物光合作用能产生氧气，增加水体中的溶解氧，从而改善水质.而研究表明[24-25]，从水生植物对氮、磷降解贡献率的比较来看，氮的降解贡献率要明显高于磷，因为水中磷的去除除了植物吸收外只有依靠底质和根系吸附去除，而氮的去除还有氨的挥发、硝化和反硝化等途径，水生植物能输送氧气到根区，为微生物的硝化和反硝化提供适宜条件，从而提高水体中氮的去除效率，因此水生植物对氮的吸收、降解要高于对磷的吸收、降解.
降水对水质的影响表现在，降水量是驱动面源污染物入湖的最重要因素之一[1]，雨水所形成的径流经过地面，尤其是农田、工业用地附近，地面积聚的污染物被冲刷进入河流或湖泊，造成水体污染；而水体中的磷主要来自于土壤颗粒，通过降水、排水产生的径流流入河湖[10]，使水体中有机物、无机还原性物质、氮、磷等浓度增加；降水形成的大气湿沉降使大气中污染物随降水落入河流或湖泊.另一方面，降水量流入河湖，可以稀释水体中污染物浓度，尤其是连续性大的降水量，能降低水体中有机物、无机还原性物质、NH3-N和TN等浓度.
4.1 气象条件对CODMn的影响随温度上升水体中污染物离子活跃程度增强，加快水体中化学反应速率，CODMn浓度也随之提高，因此气温较高的夏半年，是CODMn浓度偏高的时段；而气温较低的冬半年是CODMn浓度偏低的时段；但温度对CODMn浓度的影响有限，一年中CODMn浓度的峰点并不出现在最热的7、8月，谷点也不出现在最冷的1、2月；CODMn与平均气温相关性不显著(表 3).盛海燕、华呈平等研究认为，气温与水温、CODMn浓度均呈显著性正相关[9, 28]，而曹金玲等认为，年平均气温与CODMn呈显著负相关[29].因此温度对不同水库、湖泊的CODMn浓度影响不同.
降水所形成的径流将污染物被冲刷进入河流或湖泊，造成水体污染，增加水体中CODMn浓度；而大的降水量流入河湖，可以稀释水体中污染物浓度，其对浓度稀释能力远强于径流所增加的浓度；相反降水量少容易使水体中CODMn浓度升高.降水量多的月份(≥180 mm)，绝大部分月份CODMn≤5 mg/L，未出现过≥6 mg/L月份, 而且浓度一般比上月明显下降；降水量少的月份(≤90 mm)，CODMn一般≥5 mg/L，而且浓度比上月明显上升(表 4，图 3).尽管CODMn浓度变化与降水量相关性不显著，但大的降水对水体中CODMn浓度有较明显的稀释作用，而降水量特少的月份会使浓度变大.
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表 4 降水量特多和特少月份的CODMn Tab.4 Variation of CODMn in particularly much and very little precipitation |
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图 3 淀山湖CODMn与降水量的月变化 Fig.3 Monthly variation of CODMn with precipitation in Lake Dianshan |
水体中NH3-N、NO3--N是植物吸收的主要形式[10, 21].温度和光照影响水生植物的光合作用和生长，温度高、日照时数长、光照强，水生植物生长旺盛，吸收、降解水体中的氮就多，使得水体中氮浓度下降. 3月份以后随着气温回升、日照时数增多，水生植物进入生长季节，对NH3-N、TN的吸收量增加，使NH3-N、TN浓度下降；夏季水生植物生长旺盛，对氮的吸收量大，使NH3-N、TN浓度处于低值时段；而秋季后随着气温下降、日照时数减少，水生植物生长趋缓，对氮的吸收量减弱，使NH3-N、TN浓度上升，到2-3月前后达到高值时段.据研究，太湖换水周期约为250 d[30]，淀山湖换水周期约为28 d[31-32].流入淀山湖的水经过入湖河流千灯浦、大朱厍、急水港和元荡湖，期间有数天时间；其中部分水在太湖停留一段时间后，再由东太湖经汾湖等多个湖荡后流进千灯浦、大朱厍、急水港和元荡湖等入湖河流，经过的时间更长；流入淀山湖的水还要停留约28 d；前后时间跨度1~2个月，甚至更长.在这1~2个月中，温度和日照影响水生植物的生长，从而影响对氮的吸收，降水在稀释淀山湖水体中NH3-N、TN浓度时同样稀释上游太湖、汾湖、元荡湖等湖荡及千灯浦、大朱厍、急水港等河流中的NH3-N、TN浓度，降低流入淀山湖水体中的NH3-N、TN浓度，使淀山湖水体中NH3-N、TN浓度降低. NH3-N、TN浓度高峰值出现在2-4月，为冬末初春，比一年中气温最低的1、2月晚1~2个月；低值出现在7-10月，为夏季到初秋，比气温最高的7、8月也晚0~2个月；降水量明显偏多的月份或后1~2个月NH3-N、TN浓度出现低值，而降水量明显偏少的月份或后 1~2个月NH3-N、TN浓度明显上升.因此当月、上月和上2个月的平均气温、降水量、日照时数会影响NH3-N、TN浓度变化(图 4).
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图 4 淀山湖NH3-N(a、b)、TN(c、d)与平均气温、降水量的月变化 Fig.4 Monthly variations of NH3-N(a, b), TN(c, d) concentrations with mean temperature and precipitation in Lake Dianshan |
研究发现，月降水量≥200 mm的月份或连同上月降水量≥280 mm的月份，则NH3-N、TN浓度明显下降，NH3-N浓度≤0.8 mg/L，TN浓度≤3 mg/L.而连续数月降水量少，NH3-N、TN浓度较高，如2008年2-4月3个月降水量平均为111.9 mm，同期NH3-N浓度分别为2.67、3.84和3.83 mg/L，TN浓度＞5.6 mg/L.因此，降水对水体中NH3-N、TN的稀释作用远远大于降水所形成的径流而进入河流或湖泊的NH3-N、TN，降水量多，稀释作用强，NH3-N、TN浓度低，相反NH3-N、TN浓度高(图 4).
4.3 气象条件对TP浓度的影响温度高会增强微生物的活性从而促进底泥中内源磷的释放，温度越高TP释放通量越大；而水生植物对磷的吸收、降解远低于对氮的吸收、降解[24-25].因此温度高，TP浓度就高；相反温度低，TP浓度就低. TP浓度高峰值出现在一年中平均气温最高的7-8月(图 5).
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图 5 淀山湖TP浓度与平均气温的月变化 Fig.5 Monthly variations of TP concentration with mean temperature in Lake Dianshan |
许梅等[10]认为，磷在水中的浓度一般比较低，主要吸附于土壤颗粒中，降雨、开沟排水等会产生地表径流，使营养丰富的表土层被侵蚀而进入河流，从而使水体含磷量增加；而降雨较少的时期，对土壤的冲刷作用也较弱，流失入湖的土壤颗粒较少，水体含磷量也较低.刘梅等[16]认为降水少致径流减少，径流的减少降低了水体的稀释能力，对磷而言径流的减少将会减少陆地磷污染物进入水体.本文中，尽管总磷浓度与降水量相关性不显著，但降水量偏多的月份(≥180 mm)，TP浓度偏高，一般≥0.15 mg/L；降水量偏少的月份(≤100 mm)，TP浓度偏高、偏低的情况都有，而TP浓度≤0.10 mg/L的月份，月降水量基本上是偏少的月份(≤100 mm).
5 小结1) 气象条件影响淀山湖湖体水质.平均气温、日照时数影响NH3-N、TN和TP浓度，平均气温高、日照时数多，NH3-N、TN浓度降低，相反平均气温低、日照时数少，NH3-N、TN浓度升高；平均气温高，也会使TP浓度上升，平均气温低，TP浓度降低.降水对水体中CODMn、NH3-N和TN浓度有稀释作用，降水量多的月份，浓度偏低，相反，降水量少的月份浓度偏高.降水量多的月份，TP浓度偏高.
2) 受气象条件影响，CODMn、NH3-N、TN和TP有季节变化. CODMn浓度4-9月较高，10月-翌年3月较低；NH3-N、TN浓度最高时段2-4月前后，7-10月为最低时段；TP浓度最高值出现在7-8月，最低值出现在10月-翌年5月.
3) 气温、光照、降水等气象因子通过影响水体中污染物来源、迁移转化方式、生化反应速率和生态效应等过程而直接或间接地影响水质，本文研究对上游来水带来污染和本地工业污染、农业农村面源污染、城镇污染等排放的平原地区浅水、淡水湖泊有一定借鉴作用.
4) 所用的水质、气象资料为月资料，难以反映水质的变化过程.随着淀山湖水文水质自动监测系统的建成，可以从日、时等更细的时间尺度研究气温、光照、降水、风等气象因子对水质的影响程度，定量研究各水质指标对气象因子变化的敏感性.另一方面，气候变化引起气温上升、暴雨和干旱等极端天气事件，分析研究气候变化对湖泊水质、水生态环境影响程度，建立相应的预测、预警机制.
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