譚 宏 王從鋒，2 莫偉均

(1. 三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443002；2. 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌 443002；3. 珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510611)

水庫建成蓄水后，水動(dòng)力條件改變，天然流水河段減少，上下游的水環(huán)境現(xiàn)狀遭到破壞[1-2]．河流梯級(jí)電站的開發(fā)與建設(shè)，將進(jìn)一步加劇河流片段化，使得河流水環(huán)境問題更加嚴(yán)重[3]．溶解氧作為研究湖庫水生態(tài)系統(tǒng)的重要敏感理化指標(biāo)，在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中起著重要作用[4-5]．水體進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài)時(shí)，水生生物會(huì)死亡，沉積物釋放還原性污染物使得水質(zhì)惡化[6-9]．通過分析溶解氧的時(shí)空分布狀況及其影響因素可以有效地反映出河流的水質(zhì)狀況，對(duì)保護(hù)流域生態(tài)環(huán)境具有重要的意義．

打幫河屬于北盤江下游北岸一級(jí)支流．董箐水電站是北盤江流域梯級(jí)規(guī)劃開發(fā)的第6個(gè)水電站，電站以發(fā)電為主，兼有通航、防洪、供水、養(yǎng)殖和改善生態(tài)環(huán)境等綜合效益．電站建成后打幫河的生態(tài)環(huán)境受到了嚴(yán)重的破壞，使得魚類種群數(shù)量不斷減少．如今花魚骨、白甲魚、光倒刺鲃、長(zhǎng)臀鮠等都是北盤江中長(zhǎng)期增殖放流對(duì)象[10-12]，因此在庫區(qū)形成后如何更好地保護(hù)打幫河魚類現(xiàn)狀和改善生態(tài)環(huán)境是北盤江流域梯級(jí)開發(fā)生態(tài)保護(hù)面臨的最大問題．本文通過對(duì)打幫河現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，分析了打幫河流域溶解氧的季節(jié)變化及空間分布特征，探討了流域內(nèi)溶解氧與其他水質(zhì)因子的相關(guān)關(guān)系，為有效評(píng)價(jià)打幫河魚類棲息地水環(huán)境現(xiàn)狀，改善打幫河水質(zhì)狀況，保護(hù)河流生態(tài)環(huán)境提供參考依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 樣點(diǎn)布置及監(jiān)測(cè)方法

打幫河與北盤江干流匯流口距壩址5 km，大壩建成蓄水后，匯流口至打幫河上游6 km常處于回水狀態(tài)，干、支流之間水體交互作用顯著．本文選取匯流口至打幫河上游11 km河段作為研究河段，于2014年分別在春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)的3月、7月、9月、12月對(duì)研究河段進(jìn)行了主要水質(zhì)因子的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置如圖1所示，將DB1～DB4定義為上游河段，DB5～DB12定義為中游河段，DB13～DB15定義為下游河段．本次監(jiān)測(cè)采用的儀器為hydrolab DS5，監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)有水溫、pH、溶解氧、濁度、葉綠素a．測(cè)量采用hydrolab DS5離線測(cè)量，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置通過手持GPS定位，誤差控制在±5 m．

圖1 打幫河研究河段及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)連續(xù)測(cè)量3次后取平均值的方法得到最終的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)．采用軟件Arcgis10.0繪制打幫河流域監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖，軟件Microsoft Excell 2010導(dǎo)出和處理數(shù)據(jù)，軟件surfer12.0作圖，軟件SPASS19.0對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析．

2 結(jié)果與分析

2.1 溶解氧時(shí)空分布特性

2.1.1 季節(jié)變化

如圖2所示，為了清晰反映打幫河的溶解氧季節(jié)變化和垂向分布狀況，本文選取打幫河上游DB1、中游DB6和DB10、下游DB13這4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2014年3月、7月、9月、12月4個(gè)典型月份的垂向水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析．

圖2 打幫河4個(gè)測(cè)點(diǎn)不同月份的溶解氧垂直分布(單位：mg/L)

結(jié)果顯示，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溶解氧濃度均呈現(xiàn)顯著季節(jié)性變化．水面以下10 m左右，夏秋兩季相較于其他兩個(gè)季節(jié)濃度變化明顯．全年(春、夏、秋、冬)最大平均溶解氧濃度分別為9.87 mg/L、11.58 mg/L、12.63 mg/L、7.80 mg/L．冬春兩季呈現(xiàn)從上到下逐漸降低的趨勢(shì)；夏秋兩季在水面以下10 m和5 m左右出現(xiàn)明顯躍層，上下層平均濃度差分別為5.03 mg/L、4.49 mg/L．

2.1.2 空間變化

結(jié)合圖2、圖3可知，打幫河春季沿程各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在垂向上逐漸降低，夏季整個(gè)河段出現(xiàn)明顯的躍層現(xiàn)象，表層呈富氧狀態(tài)．在水下10 m左右出現(xiàn)拐點(diǎn)，濃度在7 mg/L左右，靠近河口段最低溶解氧水平偏高，在7.75 mg/L左右．秋季中上游河段表層濃度升高，下游河段變化不大．整個(gè)河段呈現(xiàn)顯著分層現(xiàn)象，在靠近河口段，整體濃度水平在垂向分布上變化不大．冬季在中、上游河段最低溶解氧水平較低，平均值為4.70 mg/L，下游河段相對(duì)升高．

圖3 不同季節(jié)打幫河所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溶解氧空間分布(單位：mg/L)

綜上所述，整個(gè)研究河段溶解氧濃度分布呈現(xiàn)出“兩端高，中間低”的現(xiàn)象．其中夏秋兩季分層現(xiàn)象明顯，在垂向上均呈現(xiàn)濃度依次降低的趨勢(shì)，而且冬季整體溶解氧水平比春季低．

2.2 其他水質(zhì)因子時(shí)空分布特性

2.2.1 水溫分布

如圖4所示，整個(gè)研究河段春季水溫在縱向分布上從上游到河口處溫度逐漸降低，降低幅度為2.8℃；垂向上均沿水深方向逐漸降低，有輕微的分層現(xiàn)象且拐點(diǎn)大致在水下10 m左右，平均溫度差為4.05℃．河段最大平均溫度21.37℃，最低平均溫度17.32℃．其中河段中、上游溫度偏高，靠近河口處溫度相對(duì)較低，最大平均溫度分別為21.76℃、19.82℃，最低平均溫度分別為17.66℃、15.98℃．夏季呈明顯溫度分層狀態(tài)，但是底層水體溫度依然較高．最大平均溫度在中下游河段水面以下30 m左右再次出現(xiàn)拐點(diǎn)，出現(xiàn)“雙溫躍”現(xiàn)象．秋季整個(gè)研究河段上層溫度水平降低，垂向上依然顯著分層，躍層拐點(diǎn)提升至水面以下5 m左右，“雙溫躍”現(xiàn)象消失．冬季河段水溫在時(shí)空分布上變化不大．

總體上看，整個(gè)研究河段溫度在夏秋季節(jié)的垂向變化明顯顯著與冬春季節(jié)，其中夏季最為明顯．縱向分布上四季均呈現(xiàn)出中上游平均溫度高于中下游平均溫度，其中在中游河段變化最為顯著．

圖4 不同季節(jié)打幫河所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水溫空間分布(單位：℃)

2.2.2 pH分布

通過不同季節(jié)打幫河所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的pH空間分布可知，整條河段在春季pH值沿程變化不大且由上游至下游逐漸降低．夏季河段pH值在縱向上沒有明顯差異性；垂向上存在明顯的分層，且拐點(diǎn)在水面以下10 m左右．秋季在縱向分布上沒有明顯差異性，但整體水平相對(duì)于夏季升高．河段在垂向上依然存在明顯分層現(xiàn)象，且分層拐點(diǎn)上升至水面以下5 m．冬季中、上游河段水平稍大于下游，整體水平略有下降．在垂向分布上逐漸降低．

總體來看，整個(gè)河段pH值在縱向變化上差異性不大且秋季相對(duì)其他季節(jié)變化明顯．在垂向分布上季節(jié)性差異顯著．夏秋兩季有明顯分層，且秋季躍層位置相對(duì)于夏季明顯上升，整體水平相對(duì)提高．

圖5 不同季節(jié)打幫河所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的pH空間分布

2.2.3 葉綠素a分布

由圖6可知，整個(gè)河段的春季葉綠素a濃度在垂向分布上有顯著的分層現(xiàn)象且拐點(diǎn)出現(xiàn)在水下10 m左右，靠近河口的平均濃度差為0.46 mg/L，其他區(qū)域的平均濃度差為1.41 mg/L．夏季整個(gè)河段葉綠素a濃度水平大幅升高．在垂向分布上分層更加顯著，在水下10 m左右出現(xiàn)躍層，濃度值瞬間下降．秋季在垂向分布上分層現(xiàn)象依然顯著且躍層深度上升至水下5 m左右，整個(gè)河段平均濃度差為8.29 mg/L．冬季河段整體葉綠素a濃度水平下降．在縱向分布上仍然是中、上游河段高于靠近河口段．在垂向分布上，雖然濃度水平大幅降低，但是分層現(xiàn)象依然明顯．

圖6 不同季節(jié)打幫河所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的葉綠素a空間分布(單位：mg/L)

通過以上分析可知，打幫河研究河段的葉綠素a濃度在四季均存在不同程度的分層現(xiàn)象，其中秋季最為顯著，秋冬兩季的躍層深度相比與春夏兩季提高了5 m左右．隨著不同季節(jié)的變化，河段的最大與最低葉綠素a濃度水平變化明顯．在縱向分布上，中、上游主河段整體水平大于靠近河口段．

綜上所述，在打幫河整個(gè)研究河段中，溶解氧濃度、水溫、pH、葉綠素a濃度在時(shí)空分布上均存在顯著的季節(jié)性變化特征．在夏秋季節(jié)，各水質(zhì)因子均存在明顯的分層現(xiàn)象，而且秋季的躍層深度相比于夏季均上升5m左右．冬春兩季除葉綠素a外，其他水質(zhì)因子均處于相對(duì)混合且在垂向上依次降低．在整個(gè)河段縱向分布上，各水質(zhì)因子均表現(xiàn)出中、上游河段整體濃度水平大于靠近河口段．

2.3 溶解氧時(shí)空分布的主要影響因素分析

通過對(duì)4個(gè)典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同季節(jié)的溶解氧濃度與水溫、pH、葉綠素a濃度進(jìn)行多項(xiàng)式回歸分析，取最優(yōu)擬合探討打幫河研究河段影響溶解氧分布的主要因素，分析結(jié)果見表1．

表1 溶解氧與水質(zhì)因子之間的相關(guān)性

**.在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)．

2.3.1 大氣復(fù)氧

由表1可以看出，河段全年水體溫度與溶解氧分布呈極顯著相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)均大于pH、葉綠素a對(duì)溶解氧分布的影響．由溶解氧與水溫的時(shí)空分布可以看出，夏秋季節(jié)在垂向分布上均出現(xiàn)相同的分層狀況且基本在同一水深產(chǎn)生躍層現(xiàn)象．整個(gè)河段表層處于復(fù)氧狀態(tài)，底層沒有出現(xiàn)低氧現(xiàn)象．冬春兩季在垂向分布上均逐漸下降，沒有出現(xiàn)明顯的對(duì)流混合．

大氣復(fù)氧速率與水溫有關(guān)，不同的水溫條件下，水體溶解氧的傳質(zhì)系數(shù)和飽和溶解氧濃度會(huì)發(fā)生變化．

根據(jù)打幫河垂向不同的水溫分布算出飽和溶解氧濃度和大氣復(fù)氧速率，然后將大氣復(fù)氧速率與溶解氧的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到的結(jié)果見表2．

表2 溶解氧濃度(y)與大氣復(fù)氧速率(x)的回歸分析

由表2可知，打幫河大氣復(fù)氧速率與溶解氧濃度分布在不同季節(jié)均呈現(xiàn)極顯著的線性相關(guān)．貴州北盤江流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候[13]，全年整體水溫本體值偏高．夏秋兩季氣候炎熱導(dǎo)致水體表層溫度升高，水體本身飽和溶解氧濃度低，但是由于水面直接與大氣接觸，同時(shí)在高強(qiáng)度的光照條件下，水生植物的光合作用增加使得表層出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象；冬春季節(jié)表層水溫相對(duì)降低，水體飽和溶解氧濃度升高，大氣復(fù)氧速率相對(duì)提高．可見，受水溫影響的大氣復(fù)氧能力是影響打幫河水體溶解氧時(shí)空分布的主要因素之一．

2.3.2 浮游植物生長(zhǎng)

通過對(duì)打幫河溶解氧與葉綠素a和pH的相關(guān)性分析并結(jié)合葉綠素a和pH的時(shí)空分布特征可知，打幫河溶解氧分布與葉綠素a在春季和秋季呈顯著相關(guān)關(guān)系；夏季在河段中下游靠近河口段沒有表現(xiàn)出相關(guān)性，冬季在中游河段沒有表現(xiàn)出相關(guān)性．打幫河溶解氧分布與pH四季均呈現(xiàn)極顯著的相關(guān)關(guān)系，四季均出現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)．

水生植物的光合作用是水體復(fù)氧的另一個(gè)重要來源．葉綠素a是反應(yīng)藻類數(shù)量的重要指標(biāo)，當(dāng)藻類數(shù)量增加到一定數(shù)量級(jí)時(shí)，其數(shù)量的多少和生命活動(dòng)的旺盛程度控制了水體溶解氧濃度的變化[14]．水體pH值是反映水體化學(xué)的一個(gè)重要指標(biāo)．水體pH與溶解氧的變化一方面受藻類光合作用的影響，另一方面受魚類代謝物等有機(jī)污染物質(zhì)以及大面積網(wǎng)箱養(yǎng)殖引入的餌料殘?jiān)挠绊憦亩种屏怂参锏纳L(zhǎng)[15]．

隨著水深增大，水生植物的光合作用減弱，生產(chǎn)的氧氣含量不足以滿足水體有機(jī)物和底泥有機(jī)質(zhì)的氧化分解以及水生生物呼吸作用和其他存在的氧化還原反應(yīng)的需求從而出現(xiàn)溶解氧分層現(xiàn)象．可見，浮游植物的生長(zhǎng)同樣也是影響打幫河水體溶解氧時(shí)空分布的主要因素．

2.3.3 上游泄水

在天然水體中，物理因素對(duì)缺氧現(xiàn)象的發(fā)生也起著主導(dǎo)性的作用，在海灣、湖泊、水庫等水域，由于年度季節(jié)性氣候變化會(huì)導(dǎo)致不同程度的溫度分層．在分層時(shí)期，躍層的存在削弱了底層氧氣的更替，是低氧現(xiàn)象形成的必要條件，充分混合和流動(dòng)的水體不會(huì)導(dǎo)致缺氧現(xiàn)象的出現(xiàn)[16]．通過對(duì)北盤江流域水文調(diào)查發(fā)現(xiàn)，董箐庫區(qū)每年的豐水期為7月～9月，北盤江干流上游馬馬崖一級(jí)水電站泄水量增大，水體間的對(duì)流交換作用增強(qiáng)，同時(shí)受打幫河上游來流的影響導(dǎo)致整個(gè)研究河段的上、下游與中游河段在水質(zhì)因子的時(shí)空分布上出現(xiàn)明顯的差異性．

3 結(jié) 論

打幫河研究河段的水質(zhì)因子時(shí)空分布差異顯著．水面以下10 m左右，夏秋兩季相較于其他兩個(gè)季節(jié)濃度變化明顯．全年(春、夏、秋、冬)最大平均溶解氧濃度分別為9.87 mg/L、11.58 mg/L、12.63 mg/L、7.80 mg/L．冬春兩季上下層平均濃度差分別為2.71 mg/L、3.35 mg/L；夏秋兩季在水面以下10 m和5 m左右出現(xiàn)明顯躍層，上下層平均濃度差分別為5.03 mg/L、4.49 mg/L．整個(gè)研究河段全年溶解氧濃度分布呈現(xiàn)出“兩端高，中間低”的現(xiàn)象，河段最低溶解氧濃度均大于5 mg/L，河段底層沒有出現(xiàn)缺氧現(xiàn)象．

溶解氧的分布狀況與溫度、pH和葉綠素a均呈現(xiàn)出不同程度的相關(guān)關(guān)系．受水溫影響的大氣復(fù)氧能力直接影響溶解氧的垂向分布狀況，在其他因素影響下，打幫河大氣復(fù)氧速率與溶解氧濃度成反比．水體葉綠素a與pH綜合反映了浮游植物的生長(zhǎng)對(duì)溶解氧分布的影響，隨著水深增大，浮游植物光合作用降低，水中溶解氧含量供需不足．上游泄水也是影響溶解氧時(shí)空變化的主要原因，豐水期打幫河支流上游來水以及北盤江主河道的上游水庫泄水導(dǎo)致打幫河研究河段上、下游溶解氧分布狀況與中游河段存在顯著差異．

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