闽江下游水体溶解氧变化及其成因初探

福州市环境科学研究院　罗　丹

闽江下游水体溶解氧变化及其成因初探

福州市环境科学研究院罗丹

该文对闽江下游多个断面水质历史数据进行分析，结果表明：闽江下游历年溶解氧受闽江径流量和污染物的影响而上下起伏，但总体呈现下降趋势；水温、pH、高锰酸盐指数、电导率、氨氮、总磷、水口水库下泄流量及降雨量等因素均对溶解氧有不同程度的影响，其中水温和面源污染是影响闽江下游水体溶解氧的主要因素。

闽江下游溶解氧影响因素

表征水体自净能力的溶解氧是衡量河流、水库等水体环境质量的重要指标之一，对于维持健康的水生生态系统有着重要的意义［1］。闽江是福建省内最大的河流，具有供水、防洪抗旱、养殖、航运等多种功能，也是海峡西岸沿海一带的重要饮用水源地。近年来，由于闽江流域社会经济快速发展，闽江流域污染物排放量逐年增大，而污染治理设施相对滞后，并且受涨落潮这一特殊水动力条件的影响，闽江下游竹岐以下水体频频出现溶解氧偏低现象。因此，研究闽江下游水体溶解氧变化规律及溶解氧偏低的成因，有利于提出有效保障闽江下游水体溶解氧达标及水质改善的措施和建议。本文根据收集到的近年来闽江下游多个断面水质资料，对闽江下游水体溶解氧变化及其成因进行初步分析。

1　材料与方法

1.1数据收集

本研究收集了1993年～2011年闽江下游7个省控断面水质数据，2009年～2014年竹岐和原厝自动站水质数据，2011年～2014年水口水库日下泄流量数据以及2011年～2013年福州市赤桥水文站的降雨量数据。

1.2数据处理和分析方法

采用MicrosoftOfficeExcel2003和SPSS17.0对数据进行处理和分析。

2　分析与讨论

2.1闽江下游溶解氧历年资料分析

自1993年水口水库蓄水以来，闽江下游水体溶解氧整体较好，7个断面平均值均达到地表水Ⅲ类，仅有格洋口断面溶解氧偶尔出现不达标现象。格洋口、下西园溶解氧均值相对较低，主要是由于水口水库下泄低溶解氧水复氧未及时导致，而魁岐溶解氧相对较低主要是福州市区工业、生活污染物排入北港污染所致。7个省控断面历年溶解氧受闽江径流量和污染物的影响上下起伏不定，但总体呈现下降趋势：其中竹岐、魁岐断面溶解氧下降最明显；其次是下西园、格洋口和湾边，溶解氧稍有下降；而闽安和琯头断面水体受下游高溶解氧的海水稀释，溶解氧基本无变化，如图1所示。

图1　闽江下游省控断面历年溶解氧变化

从历年闽江下游溶解氧的沿程变化情况来看，水口水库底层低溶解氧（一般在2.0mg/L以下）的水通过水库闸门，水体溶解氧瞬时增大很多，经过9.1km到格洋口断面，水体平均复氧到6.13mg/L，溶解氧平均增大约4mg/L左右，但是仍有部分月份溶解氧达不到地表水Ⅲ类水标准（5mg/L），到20.5km的下西园断面，溶解氧进一步增加，平均增大至6.51mg/L，至45.4km的竹岐断面，溶解氧继续增大至平均7.27mg/L，进入福州市区后，由于北港工业及生活污染物的排入，魁岐断面溶解氧平均下降了近0.5mg/L，至闽安断面，经过20多千米的复氧过程及下游高溶解氧海水的稀释，溶解氧恢复至竹岐断面的水平，见图2。

图2　各断面溶解氧沿程变化

2.2自动站水质变化分析

2.2.1溶解氧年际变化

竹岐自动站和原厝自动站2009年～2014年溶解氧监测数据表明：两自动站溶解氧年均值分别在5.88～7.08mg/L和6.22～6.87mg/L之间，竹岐自动站溶解氧年均值近年来大致呈下降趋势，原厝自动站溶解氧年均值则是在6～7mg/L之间波动。2009年～2012年年均溶解氧值为竹岐站位＞原厝站位，2013年～2014年年均溶解氧值为原厝站位高于竹岐站位（见图3）。

图3　竹岐和原厝站位溶解氧年变化

2.2.2溶解氧季节变化

两个站位溶解氧变化均有显著的季节性差异，竹岐站位溶解氧随季节变化的顺序依次为：冬季＞春季＞夏季＞秋季，原厝站位溶解氧随季节变化的顺序依次为：冬季＞春季＞秋季＞夏季。大体上，溶解氧呈现冬春季大于夏秋季的趋势，如表1所示。

表1　溶解氧季节变化一览表　（单位：mg/L）

2.2.3溶解氧超标情况分析

近年来，溶解氧超标情况较为明显，2013年以前溶解氧超标天数均为原厝站位多于竹岐站位，2013年以后则相反。2011年以来，溶解氧超标现象愈加明显，出现一个月内溶解氧超标天数超过15天的情况， 主要集中在5～9月份，这也导致这些月份容易出现溶解氧月均值超标，详见图4～图6。

图4　竹岐和原厝站位溶解氧超标天数

图5　竹岐站位溶解氧月变化

图6　原厝站位溶解氧月变化

2.2.4其它水质指标分析

统计结果表明：竹岐和原厝自动站近年来水温和pH年均值变化不大，分别在21.3℃～21.8℃和20.4℃～22.3℃、6.46～7.03和6.81～7.14之间波动；浊度和电导率变幅相对较大，分别在 7～51NTU和 24～64NTU、68～115μS/cm和86～106μS/cm之间波动，原厝站位的浊度略大于同期竹岐站位的浊度；高锰酸盐指数分别在1.8～2.5mg/L和1.4～2.4mg/L之间，两站位高锰酸盐指数均呈现先下降后上升的趋势；竹岐站位总磷含量在0.05～0.13mg/L之间，大致呈升高趋势，原厝站位总磷含量则在0.06～0.09mg/L之间波动；竹岐站位氨氮在0.06～0.39mg/L之间，大致呈现先降低后升高的趋势，原厝站位氨氮在0.15～0.23mg/L之间波动，大致呈上升趋势（见图7）。

图7　竹岐和原厝自动站近年部分水质指标变化趋势

2.3溶解氧变化的环境影响因素分析与讨论

不少研究表明，水体中溶解氧的变化受水温、pH、高锰酸盐、悬浮物、营养物质、径流量等多种因素影响［1-4］。本文就溶解氧与水温、pH、高锰酸盐、浊度、电导率、氨氮、总磷、水口水库下泄流量及降雨量间关系进行相关性分析，结果见表2。

表2　竹岐和原厝自动站溶解氧与影响因素的相关性

注：**表示在0.01水平上显著相关，ns表示无显著相关关系。

2.3.1水温

竹岐和原厝自动站水温与溶解氧含量均呈现极显著的线性负相关，相关系数r分别为-0.545（n=2053）和-0.565（n=2034），即溶解氧随着水温的升高而下降。这是因为，一方面，水温升高，水中氧的溶解能力降低，另一方面，温度越高，水体中有机物质分解消耗水中氧气的速率越大。

2.3.2下泄流量

水口水库下泄流量与竹岐站位溶解氧呈极显著的线性正相关，相关系数r为0.116（n=1398）。一般认为，水口水库水体溶解氧很低，但水体中污染物浓度也很低，污染物耗氧量远小于大气复氧，当水体从水电闸门流出后，水体经过大气复氧，溶解氧迅速升高。因此，水口水库下泄流量越大，竹岐站位的溶解氧越高。水口水库下泄流量与原厝站位溶解氧则呈现极显著负相关。进一步分析原厝站位溶解氧月均值与对应水口水库下泄流量的关系时发现，水口水库下泄流量较小时（＜3000m3/s），原厝站位溶解氧随着下泄流量的增加而降低，水口水库下泄流量较大时（＞3000m3/s），原厝站位溶解氧随着下泄流量的增加而增大。这可能是因为闽江干流来水在淮安头处分流后，原厝断面径流量小于竹岐断面径流量，加之北港水体受福州市区污染物的影响，导致下泄流量较小时，水体中污染物耗氧速率大于复氧速率，当下泄流量足够大时，水体中复氧速率才能大于污染物耗氧速率，水中溶解氧含量得以迅速回升。水口水库下泄流量较大时主要集中在2012年和2014年的丰水期，导致近年来水口水库下泄流量与原厝站位溶解氧大体上呈现负相关关系（见图8）。

图8　原厝2011年～2014年溶解氧月均值与水口水库下泄流量的关系

2.3.3降雨量

降雨量与竹岐和原厝自动站溶解氧均呈现极显著的线性负相关，相关系数r分别为-0.159（n=436）和-0.213（n=440）。降雨过程将面源污染物带入水体，水体污染物浓度增高，加快污染物分解消耗水中氧气的速率，造成水中溶解氧降低，且这种趋势随着降雨量的增加而加剧。

2.3.4浊度

竹岐和原厝自动站浊度与溶解氧均无相关性。水的浊度不仅与水中悬浮物质的含量有关，而且与它们的大小、形状及折射系数等有关。水中含有泥土、粉砂、微细有机物、无机物、浮游生物等悬浮物和胶体物都可以使水质变得浑浊而呈现一定浊度。所以，多方面因素影响弱化了浊度与溶解氧间的关系。

2.3.5电导率

竹岐和原厝自动站电导率与溶解氧均呈极显著的线性正相关，相关系数r分别为0.087（n=2033）和0.209（n=2033）。一方面，冬季枯水期水体中各种离子浓度相对夏季丰水期要高，水体中的电阻随着离子数量的增加而减少，电导率随之增加；另一方面，水体中无机酸、碱、盐等离子的多少影响电导率，这些离子中有些要参与氧化还原反应，会消耗水体中的氧，使水体中的溶解氧降低［5］。因此，电导率与溶解氧所呈现的关系是这两方面因素综合作用的结果。

2.3.6pH值

竹岐站位pH值与溶解氧呈极显著的线性正相关，相关系数r为0.223（n=2053）。即水体中溶解氧随着水体pH值的增加有上升的趋势，这与潘向忠等［6］的研究相符。说明pH值与溶解氧的变化可能存在的内在联系，反映出浮游植物活动对溶解氧变化有较大影响，浮游植物大量生长时，往往提高pH值，同步因植物光合作用而释放氧气［7］。

2.3.7高锰酸盐指数

竹岐站位高锰酸盐指数与溶解氧存在极显著的线性负相关，相关系数r为-0.119（n=2049），即水中溶解氧含量随着高锰酸盐指数的上升而下降。高锰酸盐指数常被作为水体受还原性有机物和无机物污染程度的综合标志。水体中存在的还原性物质能消耗溶解在水中的氧，从而降低水中的溶解氧含量。

2.3.8总磷

竹岐站位总磷与溶解氧存在极显著的线性负相关，相关系数r为-0.087（n=2014），即溶解氧含量随着总磷含量的升高而降低。营养盐分解会消耗水中的氧气，夏季底质中的磷通过厌氧释放进入水体，造成整个水体中总磷浓度升高，加速了水中氧的消耗，导致溶解氧降低。

2.3.9氨氮

原厝站位氨氮与溶解氧存在极显著的线性正相关，相关系数r为0.151（n=1603）。这可能是因为冬季枯水期河流径流量全年最小，城区排放的生活污水和工业废水进入水体后导致氨氮浓度相对较高，夏季丰水期河流径流量大，水体自净能力强，经稀释混合及降解作用，水体中氨氮浓度相对较低，因此呈现出溶解氧含量随着氨氮浓度降低而减少的趋势。

2.4溶解氧超标原因分析

统计分析结果表明，近年竹岐和原厝自动站溶解氧超标多集中在水温20℃以上，水口水库下泄流量小于3000m3/s的夏秋季。这也是福州降雨量较多的时期，即5～6月的雨季和7～9月的台风季。竹岐和原厝自动站溶解氧超标时水温达到20℃以上的分别占各自超标总数的93.0%和89.5%，溶解氧超标时水口水库下泄流量小于3000m3/s的分别占各自超标总数的91.5%和94.9%。竹岐和原厝站位分别有79.2%和79.1%的溶解氧超标情况出现在降雨的当天或者第二天，而且超标持续时间长短与降雨量大小有着较为密切的关系。

可见，水温是影响溶解氧的关键因素。夏秋季的高水温降低了水中氧的溶解度，增大了水体中有机物质分解消耗水中氧气的速率，另一方面使底质在厌氧状态下释放出氮、磷等物质，这些物质在水体中分解，更加速了水中氧的消耗，造成水体中溶解氧急剧下降，甚至超标。而城区及其上游的面源污染则是导致溶解氧超标的另一重要原因。雨季、台风季带来的降水及河流径流，将城区及其上游的大量污染物带入水体，当来水量小于一定量时，大量污染物分解迅速消耗水中的氧，耗氧速率大于复氧速率，溶解氧急剧下降。持续的高水温和随着降水及河流径流带入的面源污染物导致竹岐和原厝站位溶解氧在一段时期内持续处于较低水平。

3　结论

（1）7个省控断面历年溶解氧受闽江径流量和污染物的影响上下起伏不定，但总体呈现下降趋势，从溶解氧的沿程变化情况来看，水口水库底层低溶解氧的水通过水库闸门，水体溶解氧瞬时增大很多，到格洋口断面，水体复氧基本达到地表水Ⅲ类水标准，到此后的下西园和竹岐断面，溶解氧持续升高，进入福州市区后，由于北港工业及生活污染物的排入，魁岐断面溶解氧下降，至闽安断面，经过复氧过程及下游高溶解氧海水的稀释，溶解氧恢复至竹岐断面的水平。

（2）竹岐自动站溶解氧年均值近年来大致呈下降趋势，原厝自动站溶解氧年均值则是在6～7mg/L之间波动。两个站位溶解氧变化均有显著的季节性差异，大体上冬春季大于夏秋季。近年来两个站位溶解氧超标情况较为明显，主要集中在5～9月。

（3）相关分析表明，水温、pH、高锰酸盐指数、电导率、氨氮、总磷、水口水库下泄流量及降雨量等因素均对溶解氧有不同程度的影响。结合统计分析，高水温和降水及河流径流带来的面源污染物是竹岐和原厝站位溶解氧超标的主要原因。

（4）影响水体溶解氧含量的因素复杂多变，各种因素间还存在协同作用。限于本次收集数据的局限性，对影响闽江下游溶解氧变化的它其因素，还有待进一步的探讨和研究。

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