北盘江支流打帮河溶解氧分布特征及影响因素分析

谭 宏 王从锋，2 莫伟均

(1. 三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌 443002；2. 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心， 湖北 宜昌 443002；3. 珠江水利科学研究院，广州 510611)

水库建成蓄水后，水动力条件改变，天然流水河段减少，上下游的水环境现状遭到破坏[1-2]．河流梯级电站的开发与建设，将进一步加剧河流片段化，使得河流水环境问题更加严重[3]．溶解氧作为研究湖库水生态系统的重要敏感理化指标，在整个生态系统中起着重要作用[4-5]．水体进入厌氧状态时，水生生物会死亡，沉积物释放还原性污染物使得水质恶化[6-9]．通过分析溶解氧的时空分布状况及其影响因素可以有效地反映出河流的水质状况，对保护流域生态环境具有重要的意义．

打帮河属于北盘江下游北岸一级支流．董箐水电站是北盘江流域梯级规划开发的第6个水电站，电站以发电为主，兼有通航、防洪、供水、养殖和改善生态环境等综合效益．电站建成后打帮河的生态环境受到了严重的破坏，使得鱼类种群数量不断减少．如今花鱼骨、白甲鱼、光倒刺鲃、长臀鮠等都是北盘江中长期增殖放流对象[10-12]，因此在库区形成后如何更好地保护打帮河鱼类现状和改善生态环境是北盘江流域梯级开发生态保护面临的最大问题．本文通过对打帮河现场水质监测，分析了打帮河流域溶解氧的季节变化及空间分布特征，探讨了流域内溶解氧与其他水质因子的相关关系，为有效评价打帮河鱼类栖息地水环境现状，改善打帮河水质状况，保护河流生态环境提供参考依据．

1 材料与方法

1.1 样点布置及监测方法

打帮河与北盘江干流汇流口距坝址5 km，大坝建成蓄水后，汇流口至打帮河上游6 km常处于回水状态，干、支流之间水体交互作用显著．本文选取汇流口至打帮河上游11 km河段作为研究河段，于2014年分别在春、夏、秋、冬4个季节的3月、7月、9月、12月对研究河段进行了主要水质因子的监测，监测点的布置如图1所示，将DB1～DB4定义为上游河段，DB5～DB12定义为中游河段，DB13～DB15定义为下游河段．本次监测采用的仪器为hydrolab DS5，监测的主要指标有水温、pH、溶解氧、浊度、叶绿素a．测量采用hydrolab DS5离线测量，监测点位置通过手持GPS定位，误差控制在±5 m．

图1 打帮河研究河段及监测点布置

1.2 数据处理方法

数据连续测量3次后取平均值的方法得到最终的监测数据．采用软件Arcgis10.0绘制打帮河流域监测点布置图，软件Microsoft Excell 2010导出和处理数据，软件surfer12.0作图，软件SPASS19.0对监测数据进行统计分析．

2 结果与分析

2.1 溶解氧时空分布特性

2.1.1 季节变化

如图2所示，为了清晰反映打帮河的溶解氧季节变化和垂向分布状况，本文选取打帮河上游DB1、中游DB6和DB10、下游DB13这4个监测点在2014年3月、7月、9月、12月4个典型月份的垂向水质监测数据进行了分析．

图2 打帮河4个测点不同月份的溶解氧垂直分布(单位：mg/L)

结果显示，4个监测点溶解氧浓度均呈现显著季节性变化．水面以下10 m左右，夏秋两季相较于其他两个季节浓度变化明显．全年(春、夏、秋、冬)最大平均溶解氧浓度分别为9.87 mg/L、11.58 mg/L、12.63 mg/L、7.80 mg/L．冬春两季呈现从上到下逐渐降低的趋势；夏秋两季在水面以下10 m和5 m左右出现明显跃层，上下层平均浓度差分别为5.03 mg/L、4.49 mg/L．

2.1.2 空间变化

结合图2、图3可知，打帮河春季沿程各监测点在垂向上逐渐降低，夏季整个河段出现明显的跃层现象，表层呈富氧状态．在水下10 m左右出现拐点，浓度在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．秋季中上游河段表层浓度升高，下游河段变化不大．整个河段呈现显著分层现象，在靠近河口段，整体浓度水平在垂向分布上变化不大．冬季在中、上游河段最低溶解氧水平较低，平均值为4.70 mg/L，下游河段相对升高．

图3 不同季节打帮河所有监测点的溶解氧空间分布(单位：mg/L)

综上所述，整个研究河段溶解氧浓度分布呈现出“两端高，中间低”的现象．其中夏秋两季分层现象明显，在垂向上均呈现浓度依次降低的趋势，而且冬季整体溶解氧水平比春季低．

2.2 其他水质因子时空分布特性

2.2.1 水温分布

如图4所示，整个研究河段春季水温在纵向分布上从上游到河口处温度逐渐降低，降低幅度为2.8℃；垂向上均沿水深方向逐渐降低，有轻微的分层现象且拐点大致在水下10 m左右，平均温度差为4.05℃．河段最大平均温度21.37℃，最低平均温度17.32℃．其中河段中、上游温度偏高，靠近河口处温度相对较低，最大平均温度分别为21.76℃、19.82℃，最低平均温度分别为17.66℃、15.98℃．夏季呈明显温度分层状态，但是底层水体温度依然较高．最大平均温度在中下游河段水面以下30 m左右再次出现拐点，出现“双温跃”现象．秋季整个研究河段上层温度水平降低，垂向上依然显著分层，跃层拐点提升至水面以下5 m左右，“双温跃”现象消失．冬季河段水温在时空分布上变化不大．

总体上看，整个研究河段温度在夏秋季节的垂向变化明显显著与冬春季节，其中夏季最为明显．纵向分布上四季均呈现出中上游平均温度高于中下游平均温度，其中在中游河段变化最为显著．

图4 不同季节打帮河所有监测点的水温空间分布(单位：℃)

2.2.2 pH分布

通过不同季节打帮河所有监测点的pH空间分布可知，整条河段在春季pH值沿程变化不大且由上游至下游逐渐降低．夏季河段pH值在纵向上没有明显差异性；垂向上存在明显的分层，且拐点在水面以下10 m左右．秋季在纵向分布上没有明显差异性，但整体水平相对于夏季升高．河段在垂向上依然存在明显分层现象，且分层拐点上升至水面以下5 m．冬季中、上游河段水平稍大于下游，整体水平略有下降．在垂向分布上逐渐降低．

总体来看，整个河段pH值在纵向变化上差异性不大且秋季相对其他季节变化明显．在垂向分布上季节性差异显著．夏秋两季有明显分层，且秋季跃层位置相对于夏季明显上升，整体水平相对提高．

图5 不同季节打帮河所有监测点的pH空间分布

2.2.3 叶绿素a分布

由图6可知，整个河段的春季叶绿素a浓度在垂向分布上有显著的分层现象且拐点出现在水下10 m左右，靠近河口的平均浓度差为0.46 mg/L，其他区域的平均浓度差为1.41 mg/L．夏季整个河段叶绿素a浓度水平大幅升高．在垂向分布上分层更加显著，在水下10 m左右出现跃层，浓度值瞬间下降．秋季在垂向分布上分层现象依然显著且跃层深度上升至水下5 m左右，整个河段平均浓度差为8.29 mg/L．冬季河段整体叶绿素a浓度水平下降．在纵向分布上仍然是中、上游河段高于靠近河口段．在垂向分布上，虽然浓度水平大幅降低，但是分层现象依然明显．

图6 不同季节打帮河所有监测点的叶绿素a空间分布(单位：mg/L)

通过以上分析可知，打帮河研究河段的叶绿素a浓度在四季均存在不同程度的分层现象，其中秋季最为显著，秋冬两季的跃层深度相比与春夏两季提高了5 m左右．随着不同季节的变化，河段的最大与最低叶绿素a浓度水平变化明显．在纵向分布上，中、上游主河段整体水平大于靠近河口段．

综上所述，在打帮河整个研究河段中，溶解氧浓度、水温、pH、叶绿素a浓度在时空分布上均存在显著的季节性变化特征．在夏秋季节，各水质因子均存在明显的分层现象，而且秋季的跃层深度相比于夏季均上升5m左右．冬春两季除叶绿素a外，其他水质因子均处于相对混合且在垂向上依次降低．在整个河段纵向分布上，各水质因子均表现出中、上游河段整体浓度水平大于靠近河口段．

2.3 溶解氧时空分布的主要影响因素分析

通过对4个典型监测点不同季节的溶解氧浓度与水温、pH、叶绿素a浓度进行多项式回归分析，取最优拟合探讨打帮河研究河段影响溶解氧分布的主要因素，分析结果见表1．

表1 溶解氧与水质因子之间的相关性

**.在0.01水平(双侧)上显著相关．

2.3.1 大气复氧

由表1可以看出，河段全年水体温度与溶解氧分布呈极显著相关关系，其相关系数均大于pH、叶绿素a对溶解氧分布的影响．由溶解氧与水温的时空分布可以看出，夏秋季节在垂向分布上均出现相同的分层状况且基本在同一水深产生跃层现象．整个河段表层处于复氧状态，底层没有出现低氧现象．冬春两季在垂向分布上均逐渐下降，没有出现明显的对流混合．

大气复氧速率与水温有关，不同的水温条件下，水体溶解氧的传质系数和饱和溶解氧浓度会发生变化．

根据打帮河垂向不同的水温分布算出饱和溶解氧浓度和大气复氧速率，然后将大气复氧速率与溶解氧的关系进行拟合，得到的结果见表2．

表2 溶解氧浓度(y)与大气复氧速率(x)的回归分析

由表2可知，打帮河大气复氧速率与溶解氧浓度分布在不同季节均呈现极显著的线性相关．贵州北盘江流域属于亚热带季风气候[13]，全年整体水温本体值偏高．夏秋两季气候炎热导致水体表层温度升高，水体本身饱和溶解氧浓度低，但是由于水面直接与大气接触，同时在高强度的光照条件下，水生植物的光合作用增加使得表层出现过饱和现象；冬春季节表层水温相对降低，水体饱和溶解氧浓度升高，大气复氧速率相对提高．可见，受水温影响的大气复氧能力是影响打帮河水体溶解氧时空分布的主要因素之一．

2.3.2 浮游植物生长

通过对打帮河溶解氧与叶绿素a和pH的相关性分析并结合叶绿素a和pH的时空分布特征可知，打帮河溶解氧分布与叶绿素a在春季和秋季呈显著相关关系；夏季在河段中下游靠近河口段没有表现出相关性，冬季在中游河段没有表现出相关性．打帮河溶解氧分布与pH四季均呈现极显著的相关关系，四季均出现相同的变化趋势．

水生植物的光合作用是水体复氧的另一个重要来源．叶绿素a是反应藻类数量的重要指标，当藻类数量增加到一定数量级时，其数量的多少和生命活动的旺盛程度控制了水体溶解氧浓度的变化[14]．水体pH值是反映水体化学的一个重要指标．水体pH与溶解氧的变化一方面受藻类光合作用的影响，另一方面受鱼类代谢物等有机污染物质以及大面积网箱养殖引入的饵料残渣的影响从而抑制了水生植物的生长[15]．

随着水深增大，水生植物的光合作用减弱，生产的氧气含量不足以满足水体有机物和底泥有机质的氧化分解以及水生生物呼吸作用和其他存在的氧化还原反应的需求从而出现溶解氧分层现象．可见，浮游植物的生长同样也是影响打帮河水体溶解氧时空分布的主要因素．

2.3.3 上游泄水

在天然水体中，物理因素对缺氧现象的发生也起着主导性的作用，在海湾、湖泊、水库等水域，由于年度季节性气候变化会导致不同程度的温度分层．在分层时期，跃层的存在削弱了底层氧气的更替，是低氧现象形成的必要条件，充分混合和流动的水体不会导致缺氧现象的出现[16]．通过对北盘江流域水文调查发现，董箐库区每年的丰水期为7月～9月，北盘江干流上游马马崖一级水电站泄水量增大，水体间的对流交换作用增强，同时受打帮河上游来流的影响导致整个研究河段的上、下游与中游河段在水质因子的时空分布上出现明显的差异性．

3 结 论

打帮河研究河段的水质因子时空分布差异显著．水面以下10 m左右，夏秋两季相较于其他两个季节浓度变化明显．全年(春、夏、秋、冬)最大平均溶解氧浓度分别为9.87 mg/L、11.58 mg/L、12.63 mg/L、7.80 mg/L．冬春两季上下层平均浓度差分别为2.71 mg/L、3.35 mg/L；夏秋两季在水面以下10 m和5 m左右出现明显跃层，上下层平均浓度差分别为5.03 mg/L、4.49 mg/L．整个研究河段全年溶解氧浓度分布呈现出“两端高，中间低”的现象，河段最低溶解氧浓度均大于5 mg/L，河段底层没有出现缺氧现象．

溶解氧的分布状况与温度、pH和叶绿素a均呈现出不同程度的相关关系．受水温影响的大气复氧能力直接影响溶解氧的垂向分布状况，在其他因素影响下，打帮河大气复氧速率与溶解氧浓度成反比．水体叶绿素a与pH综合反映了浮游植物的生长对溶解氧分布的影响，随着水深增大，浮游植物光合作用降低，水中溶解氧含量供需不足．上游泄水也是影响溶解氧时空变化的主要原因，丰水期打帮河支流上游来水以及北盘江主河道的上游水库泄水导致打帮河研究河段上、下游溶解氧分布状况与中游河段存在显著差异．

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