王 菊,吳 瓊,羅 歡,3,4,孫玲玲,李 寧,何穎清

(1.河海大學 港口海岸與近海工程學院,南京 210098; 2.珠江水利科學研究院,廣州 510610;3.水利部粵港澳大灣區(qū)水安全保障重點實驗室,廣州 510610; 4.廣東省河湖生命健康工程技術(shù)研究中心,廣州 510610)

0 引 言

溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)是指水體中所溶解的分子態(tài)氧,是表征水體質(zhì)量、生態(tài)健康的重要因子,衡量水體自凈能力的重要因素[1-3]。同時,溶解氧也是水生生物生存的必要條件,多數(shù)水生動物對溶解氧的變化較為敏感,低溶解氧會威脅到物種競爭發(fā)展的空間,嚴重會導致物種的消亡,同時溶解氧也是各種氧化-還原反應的參與者,可以促進水體中污染物降解。自然河流中溶解氧的主要來源為大氣中氧氣的溶解和浮游植物的光合作用,主要的消耗途徑可分為物理消耗、化學消耗和生物消耗[4-5]。

隨著水環(huán)境保護與治理愈發(fā)嚴格,越來越多的學者重視對水體中溶解氧影響因素的研究,并取得了大量有益的成果。陳永燦等[6]探討了水位、流量因素對三峽大壩下游水體溶解氧量的影響,研究表明下游溶解氧量隨流量的增加和下游水位的升高而增大。高銳等[7]指出夏季潘家口水庫熱分層是導致溶解氧出現(xiàn)極小值的關(guān)鍵物理因素。孫毅等[8]基于2018年早春和夏季長江口鄰近海域的調(diào)查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)浮游生物光合作用產(chǎn)生的DO是夏季表層水體過飽和的主要因素。李照等[9]研究發(fā)現(xiàn)低氧現(xiàn)象與表層浮游植物的生長和現(xiàn)存量密切相關(guān)。魏鵬等[10]指出水體中氨氮的硝化與反硝化、有機物的分解過程均會消耗溶解氧?；谏鲜龇治?影響DO的因素眾多,對此應該針對研究區(qū)域特征,甄選主要因素,實現(xiàn)精細化管控。

東江北干流位于東江下游河段,兩側(cè)城市化程度較高,人口密集工業(yè)發(fā)達。沿岸大量生產(chǎn)及生活污水排入東江支流后再匯入東江北干流,使得東江北干流水環(huán)境有惡化趨勢,還原性污染物引發(fā)的水質(zhì)缺氧現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)[11]。近年來隨著水環(huán)境整治力度的加大,河流水質(zhì)有了一定的提升,但溶解氧偏低問題依然突出,因此需要探究東江北干流溶解氧的分布規(guī)律,揭示溶解氧變化的主要驅(qū)動因子。本文通過收集2018—2022年東江北干流主要監(jiān)測斷面的水質(zhì)資料,分析DO總體的時空分布特征,評價DO濃度對環(huán)境影響因子的敏感性,旨在為東江北干流的水質(zhì)提升以及重點斷面溶解氧達標提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域和方法

1.1 研究區(qū)域概況

東江發(fā)源于江西省尋鄔縣婭鬢嶺,干流由東北向西南流經(jīng)龍川、河源、紫金、惠州至東莞石龍,石龍以下進入北干流和南支流兩大水道之間的三角洲河網(wǎng)區(qū),然后經(jīng)多個口門匯入獅子洋,經(jīng)虎門出海,流域總面積為35 340 km2。東江北干流從增城區(qū)東南與博羅石灣鎮(zhèn)交界處自東向西經(jīng)新塘流入廣州市黃埔區(qū),全河段流程約41 km,河寬約為250～800 m,是區(qū)域最大的客水河流。東江北干流飲用水源保護區(qū)是廣州中心區(qū)東部和增城南部以及東莞中堂鎮(zhèn)的主要供水水源,位于珠江流域東江水系北干流新塘段?，F(xiàn)有取水口6個,自來水廠3個,總供水能力6.2億m3/a,供水人口272萬人。研究區(qū)域河流水系及監(jiān)測斷面位置如圖1所示,其中大墩斷面是國家在東江北干流所設(shè)的最后一個考核斷面,是東江北干流入獅子洋的入?？跀嗝?其水質(zhì)狀況對東江北干流及東江水環(huán)境整體評價具有重要意義。

圖1 研究區(qū)域及監(jiān)測斷面示意圖

1.2 監(jiān)測項目與數(shù)據(jù)處理方法

本文選取東江北干流沙河口、江龍橋、增江口、大墩、墩頭基、蓮花山斷面的水質(zhì)數(shù)據(jù)進行實例研究,數(shù)據(jù)來源于廣東省地表水水質(zhì)監(jiān)控平臺,監(jiān)測項目主要有溶解氧(DO)、水溫、pH值、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN)等。降雨數(shù)據(jù)由廣州市增城區(qū)氣象局提供。遙感數(shù)據(jù)源為哨兵二號多光譜影像,空間分辨率為10 m,進行水陸分離運算后提取出葉綠素濃度圖,然后采用衛(wèi)星同步水面監(jiān)測數(shù)據(jù)對遙感結(jié)果進行精度驗證,結(jié)果精度可達76%[12]。

采用Excel 2016、Origin 2018數(shù)據(jù)處理軟件分析指標變化特征,使用SPSS26軟件對DO與水環(huán)境影響因子進行皮爾遜相關(guān)性分析以及多元線性回歸分析。根據(jù)上游控制斷面流量以及外海潮汐邊界,利用Mike軟件建立二維水動力數(shù)學模型計算東江北干流水動力情況,分析水動力變化與DO的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 東江北干流DO時空變化特征

分析圖2可得,與2019年相比,2021年沙河口、江龍橋、增江口、大墩、墩頭基、蓮花山6個斷面的DO濃度都有了顯著提升,年均值分別提高了53.33%、11.42%、7.30%、20.95%、62.91%、38.23%。2019—2021年各斷面DO達標率逐年升高,可見東江北干流水質(zhì)整體有好轉(zhuǎn)的趨勢。從年內(nèi)變化來看,各斷面DO濃度變化趨勢約有兩漲兩落,一般而言DO濃度在1—2月份開始下降,后在5、6月份有第一次回升,隨后在7月份左右明顯下降,10月份以后有再次回升的趨勢。DO濃度變化呈現(xiàn)出季節(jié)性差異,一年中表現(xiàn)為冬季最高,夏秋季最低。夏秋兩季較高的水溫將導致水體中DO的飽和度降低以及水中污染物生化降解速率加快,同時增大了DO的消耗速率。

圖2 2019—2021年各監(jiān)測斷面DO變化趨勢

在空間上,東江北干流DO分布不均勻。2019年,中游增江口、江龍橋、大墩斷面DO濃度明顯高于上、下游斷面,DO濃度年均值為5 mg/L左右,而下游蓮花山、墩頭基斷面DO濃度全年低于Ⅱ類水標準。2020年下游斷面DO濃度與其他斷面差值縮小,6個斷面DO變化趨勢大致相同。2021年江龍橋斷面DO濃度下降最為劇烈,在8月份達到全年最低值。綜合歷年結(jié)果來看,東江北干流上游斷面(沙河口、江龍橋)DO濃度與中游(增江口、大墩)相比稍低,下游斷面(墩頭基、蓮花山)則明顯低于上中游斷面。

2.2 大墩斷面DO變化特征

2.2.1 DO逐月變化特征

收集2018年1月—2022年7月大墩斷面溶解氧逐月數(shù)據(jù),其變化趨勢見圖3。大墩斷面DO濃度月均值變化范圍為2.14～11.00 mg/L,全年DO不達標的時段呈現(xiàn)出集中性、連續(xù)性,主要集中在4—10月份,2018年10月DO濃度最低,為2.14 mg/L,低于Ⅳ類水標準。每年的1—3月、11—12月DO濃度較高,峰值出現(xiàn)在2021年1月,達到了11 mg/L。

圖3 2018年1月—2022年7月大墩斷面DO逐月變化

從2018—2021年歷年結(jié)果來看,大墩斷面DO濃度整體有了明顯的上升趨勢,2018—2021年達標月的數(shù)量分別為3、4、6、7,達標率逐年提高。分析2022年1—7月大墩斷面DO數(shù)據(jù),大墩斷面的平均水質(zhì)為Ⅱ類,其中1—3月份均為Ⅱ類,4—7月份均為Ⅲ類。

2.2.2 DO豐-枯水期變化規(guī)律

統(tǒng)計2018—2021年大墩斷面DO濃度月均值,不同水期DO分布情況如圖4所示,其中豐水期為每年的5—8月,枯水期為1—2月和11—12月,平水期為3—4月和9—10月。DO數(shù)據(jù)在平水期較為分散,而在豐水期分布最為密集,分別介于3.12～5.45、3.98～6.32、4.72～5.63、4.50～6.30 mg/L之間,該時期DO不達標情況明顯。此外,枯水期DO具有逐年上升的趨勢,表明枯水期水質(zhì)在不斷好轉(zhuǎn)。2018—2021年,豐水期DO濃度均值比枯水期分別低0.05、1.62、2.52、2.58 mg/L。整體而言,DO呈現(xiàn)出明顯的豐枯季變化,即枯水期>平水期>豐水期。這一規(guī)律在東江南支流(東莞段)、珠江口等區(qū)域也有發(fā)現(xiàn)[13-14]。造成這一現(xiàn)象的原因一方面是由于豐水期水溫較高,致使氧氣在水中的溶解度變低;另一方面豐水期降雨量遠大于枯水期,排澇站及涵閘打開將導致該流域內(nèi)大量生活污水、養(yǎng)殖水體的匯入,非點源污染加重,使得水體中增加大量耗氧物質(zhì)[15]。

圖4 2018—2021年豐-枯水期大墩斷面DO分布情況

2.3 大墩斷面低氧成因分析

2.3.1 水質(zhì)因子的影響

對2018—2022年大墩斷面水質(zhì)自動站逐月數(shù)據(jù)進行Pearson相關(guān)性分析,結(jié)果見表1。在各項水質(zhì)物化指標中,DO與水溫呈顯著的負相關(guān)關(guān)系,其次是與pH值、TP的相關(guān)性較高,相關(guān)系數(shù)分別為0.435、-0.315,說明水溫是影響DO濃度的主要因素,這與多數(shù)文獻研究結(jié)果相同[15-16]。pH值通過反映水生生物的活動強度,與DO變化存在內(nèi)在聯(lián)系,當浮游植物生長旺盛時,光合作用消耗水中的二氧化碳使水體pH值升高,同時釋放氧氣。DO與濁度呈負相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性系數(shù)為-0.222,水體濁度增加在一定程度上會阻礙水生生物的光合作用,減少了DO補充的來源[17]。

表1 大墩斷面DO與水質(zhì)因子的相關(guān)性

此外,DO與污染物指標TN、CODMn、NH3-N的相關(guān)性系數(shù)分別僅為-0.074、-0.190、0.002,線性相關(guān)性不明顯,因此考慮DO與多重因素的復合影響。

根據(jù)Pearson相關(guān)性計算結(jié)果由大到小將影響因子逐步納入多元線性回歸分析,結(jié)合表2中多元線性回歸分析結(jié)果可知,對于大墩斷面,水溫可以解釋DO整體變化的62.1%,疊加pH值和TP兩個變量后,相關(guān)性系數(shù)提升至74.5%。在此基礎(chǔ)上依次疊加CODMn、濁度以及TN、NH3-N,對大墩斷面DO的解釋度分別提高了2.3%和1.7%。事實上,氮、磷元素是水生植物的主要營養(yǎng)來源,也是河流出現(xiàn)富營養(yǎng)化的主要指標。氮物質(zhì)的轉(zhuǎn)化需要氧的參與,會消耗水體中的氧。一般情況下,厭氧環(huán)境會促使沉積物中磷的釋放,導致水體中TP升高[10,18]。

表2 大墩斷面DO多元線性回歸結(jié)果

綜合考慮除水溫外的以上幾項影響因素,可將相關(guān)系數(shù)提升16.4%,仍說明水溫是影響該斷面DO變化的主要原因。

大墩斷面DO濃度與水溫變化關(guān)系如圖5所示。水溫與溶解氧呈明顯的反向波動趨勢,2021年9月—2022年8月大墩水質(zhì)自動站水溫為14.3～33.2 ℃。從數(shù)據(jù)分布來看,當DO濃度<6 mg/L時,水溫為20.7～33.2 ℃,一年中水溫在25 ℃以上的分布比例較高,該溫度區(qū)間DO超Ⅱ類占比也較高(85.9%)。

圖5 大墩斷面DO濃度與水溫變化關(guān)系

2.3.2 浮游植物的影響

由于缺少實測藻類數(shù)據(jù),本節(jié)通過基于大氣、水體輻射傳輸機理構(gòu)建的水質(zhì)反演模型,獲取空間分辨率優(yōu)于10 m的葉綠素a濃度反演結(jié)果。葉綠素a濃度是反映水體初級生產(chǎn)者(浮游植物)生物量的重要指標,其分布特征反映水體中浮游植物豐度及變化規(guī)律[19],因此通過分析DO濃度與葉綠素a濃度的相關(guān)性來討論浮游植物對東江北干流DO濃度分布的影響。

由圖6可知,2022年3個遙感監(jiān)測時刻的葉綠素a濃度均表現(xiàn)出明顯的空間分布特征,即上游至下游呈現(xiàn)逐步遞減的趨勢。且該趨勢與自動監(jiān)測站點獲取的DO空間分布基本吻合(圖7),進一步說明葉綠素a濃度可以在一定程度上指示干流的DO狀況,該時段DO濃度與葉綠素a濃度存在一定的相關(guān)性。水體中的DO含量往往是反映生物生長狀況和污染狀態(tài)的重要指標,研究表明浮游植物生長吸收水體氮、磷營養(yǎng)鹽,同時光合作用釋放氧氣,使水體中DO含量提高,而浮游植物死亡時,有機質(zhì)降解則會消耗水體中的DO[19]。

圖6 哨兵二號葉綠素a濃度遙感反演結(jié)果

圖7 正午時刻(對應衛(wèi)星影像成像時刻)的DO分布

對于單個自動監(jiān)測站點,受沿岸支流的匯入,DO分布與水表葉綠素a濃度可能出現(xiàn)偏差。例如4月4日的增江口斷面,DO濃度顯著高于上游的江龍橋、下游的大墩斷面;而此時的葉綠素a濃度遙感反演結(jié)果顯示,增江口的葉綠素a濃度普遍低于上下游。說明在具體的支流匯入口,葉綠素a濃度并不能完全反映水體的DO分布,還需進一步結(jié)合其他理化參數(shù)進行分析。

2.3.3 降雨的影響

2022年5月15日—8月18日大墩斷面的降雨量、NH3-N、TP、DO逐日變化見圖8。該時段日均降雨量在8 mm以上,為汛期主要時段。由圖8可知,NH3-N、TP與降雨量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,濃度伴隨著降雨量的增加而增加,在日降雨量>40 mm時,NH3-N濃度顯著升高至0.3～0.4 mg/L,TP濃度升高至0.1 mg/L,無降雨時又下降至0.1 mg/L以下。與之相反,DO與二者總體呈負相關(guān)關(guān)系,且這種趨勢隨著降雨量的增加而加劇。相關(guān)研究[17,20-21]表明,汛期帶來的降水及河流徑流會將上游及支流大量污染物帶入水體,水中污染物濃度升高,污染物降解消耗DO的速率隨之加快,從而造成降雨前后河道水質(zhì)波動較大,DO濃度下降。東江北干流整個流域降雨持續(xù)時間長,降水量大,導致面源污染突出,大墩斷面受降雨帶來的面源及農(nóng)業(yè)等污染影響,水質(zhì)污染物指標出現(xiàn)明顯的上升。

圖8 典型時段降雨量與DO、NH3-N、TP濃度的關(guān)系

2.3.4 水動力的影響

東江北干流最終在東莞麻涌涌口匯入獅子洋,下游受潮汐影響顯著。為研究潮汐水動力過程對大墩斷面DO濃度的影響,將距離大墩斷面較近的增江口斷面納入分析,比較漲潮、落潮時刻兩個斷面的水動力情況,如圖9所示。漲潮期間,大墩斷面附近流速約為0.6～0.9 m/s,下游流速明顯高于增江口斷面。退潮期間,大墩斷面與增江口斷面流速整體相差不大,流速基本在0.2～0.5 m/s之間。各斷面流速隨潮汐變化規(guī)律明顯,均是漲潮流速大于落潮流速。

注:圖中采用北京54坐標系。

圖10為2022年枯水期東江北干流潮位過程以及對應時刻大墩斷面和增江口斷面DO變化情況。由圖10可知,DO變化趨勢與潮汐過程有一定的對應關(guān)系,即漲潮時DO濃度升高速度較快,而落潮歷時較長,流速較小,導致水體充氧速度較慢。比較2個斷面可知,增江口斷面DO濃度總體較高,隨潮汐波動幅度在7.96～8.59 mg/L之間;大墩斷面DO濃度隨潮汐波動較大,波動幅度在6.86～8.34 mg/L之間,其波動變化與潮汐相關(guān)性明顯。大墩斷面距離入海口較近,在整個漲落潮期間,下游水動力情況良好,水面波動越劇烈,一定時間內(nèi)水體中的溶氧速度越快。實際上潮汐可促進水體交換[22],改善河道水動力條件,恢復水體自凈能力,進而可緩解水體低氧的現(xiàn)象。

圖10 潮位過程曲線和潮周期DO變化情況

2.3.5 其他影響因素

此外,劍潭大壩下泄底層水會對干流水質(zhì)造成明顯擾動。劍潭大壩位于大墩斷面上游大約83 km,大壩下泄將提高東江水位5 m多且放水多為底層水,底層水溶解氧含量低,與空氣接觸時間短,大壩排放水溶解氧含量低。流速大約0.63～1.00 m/s,傳播時間約為24～36 h。

2022年8月上旬,東江流域博羅城下—大墩段出現(xiàn)一次全流域水質(zhì)整體異常下降現(xiàn)象,如圖11所示。后經(jīng)了解,劍潭大壩樞紐工程因“木蘭”臺風來襲,存在加大下泄(由原1 100 m3/s左右提升到1 600～1 700 m3/s)、騰空庫容的水利調(diào)度行為。初步推斷,由于事前東江流域降雨偏少,加大下泄的水可能非表層水,底層水體中N、P、Fe、Mn等耗氧物質(zhì)濃度較高,加上沿程沙河口、緊水河等支流污染物濃度較高水體匯入,從而對干流水質(zhì)造成異常擾動,進一步降低了下游大墩斷面DO濃度。相較于水量增加的動力充氧,水體中營養(yǎng)物質(zhì)和有機物耗氧占據(jù)了主導地位,導致大墩斷面DO無法得到及時補充,復氧速率小于耗氧速率,進而引起了DO濃度持續(xù)下降這一現(xiàn)象。

圖11 東江北干流主干流各斷面DO變化趨勢

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

(1)2018—2021年,東江北干流溶解氧濃度在空間上呈現(xiàn)下游低于中上游的分布趨勢,在時間上DO季節(jié)性分布特征顯著,呈冬春季大于夏秋季的趨勢。大墩斷面DO全年超標時間連續(xù)集中,主要集中在4—10月份。此外,大墩斷面豐枯水期變化規(guī)律明顯,即枯水期DO濃度>平水期>豐水期。

(2)結(jié)合Pearson相關(guān)性分析和多元線性回歸分析能較好地解釋大墩斷面DO與水質(zhì)參數(shù)的響應關(guān)系。其中,水溫是主要影響因子,可解釋DO整體變化的62.1%,疊加pH值、TP、CODMn、濁度等因素后最終可解釋其整體變化的78.5%。

(3)汛期降雨量增加的同時伴隨著大墩斷面污染物的增加和DO濃度降低;大墩斷面DO與漲落潮流速呈正相關(guān)關(guān)系,流速越大,水體復氧速率越快。此外,上游來水水質(zhì)不達標會對大墩斷面水質(zhì)造成不利影響,導致DO超標頻率增加。

3.2 建 議

綜合來看,東江北干流下游DO濃度偏低問題突出,其時空分布受到自然因素和人類活動的綜合影響,針對上述因素的影響機制分析提出以下建議:

(1)考慮到水動力、浮游植物等因素均會對溶解氧造成影響,應完善監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),在常規(guī)監(jiān)測中同步測量流量、潮位、葉綠素a等相關(guān)指標。

(2)開展基于水質(zhì)目標的雨水面源污染控制研究,制定可行的針對性措施,最大程度減少降雨污染對東江北干流水質(zhì)的不利影響。

(3)開展工業(yè)企業(yè)排水執(zhí)法檢查工作,發(fā)現(xiàn)異常排污口及時查處來源并進行整治。加密巡查涉水重點污染源、嚴防偷排直排,切實做好源頭減污工作。

此外,東江三角洲河涌密布,其支流水質(zhì)對東江北干流DO的影響有待進一步研究。需進一步開展流域水環(huán)境調(diào)查監(jiān)測,掌握干支流水環(huán)境現(xiàn)狀。采用水質(zhì)遙感動態(tài)監(jiān)測與陸域風險源排查相結(jié)合,快速識別水源地的水質(zhì)突變區(qū)及潛在風險源,輔助水源地保護,提升作業(yè)效率和監(jiān)管水平。