特大城市地表水环境溶解氧时空分布特征探究

王话翔 初晓冶 陈莹 徐露 杨凯

摘要：通过溶解氧（Dissolved oxygen，DO）分布区域划分方法对2016年上海市259个河道监测点位溶解氧进行时空分析得出：①DO均值为冬季>春季>秋季>夏季，非汛期>汛期：②DO呈明显的空间分布差异，低DO区（DO<2mg/L）主要分布在城市化程度高的中心城区及附近城郊区域，随季节、汛期发生变化，受地表径流与泵站放江影响明显，高DO区（DO>6mg/L）集中在水生态环境要求较高的区域，变化幅度较小，部分时段出现于郊区，全年DO含量分布多处于4～6mg/L，受工业、农业等影响发生变化;③水质因子相关性分析中DO与水温（-0.434）、pH值（0.332）、高锰酸盐指数（-0.219）、化学需氧量（-0.234）、五日生化需氧量（-0.197）、氨氮（-0.299）、总磷（-0.370）、总氮（-0.191）、挥发酚（-0.159）、石油类（-0.207）呈显著相关，逐步回归分析DO受水温、pH、氨氮、总磷和石油类影响显著，不同季节受制因子有所不同.

关键词：溶解氧;时空分布;低氧区;上海市

中图分类号：X832

文献标志码：A

文章编号：1000-5641（2020）06-0154-10

0引言

溶解氧（Dissolved oxygen，DO）是指水体中所溶解的分子态氧，是表征水体质量、河流生态系统健康的重要因子，其在水产养殖、“水华”以及“赤潮”的预警、水生动植物的生存迁移行为等方面均有较为深刻的影响，中国在常规水质监测以及黑臭水体的判别中均将DO列为密切关注的水质指标之一.天然水体中DO过低会造成水体的黑臭、动植物的死亡及腐败等现象，目前学界以及《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）一般将DO含量<2mg/L作为低氧条件，而从河流生态系统健康角度来看，适宜多数鱼类生存的DO含量一般在4mg/L或5mg/L.影响DO的因子复杂多样，不仅与水体中的pH值、温度、氨氮等环境因子存在一定的相关性，还受气象条件、水体流速、水体深度等因素影响.

特大城市由于人口密集、产业集中、建设用地面积较广等因素，易使城市地表水环境受损，尤其是受季节性影响以及泵站放江污染等人为因素影响的传统合流制中心城区，低溶解氧情况较为普遍，日益成为影响特大型城市水功能区达标及河流生态健康管理的主要影响因素.目前对DO的研究多集中在海域、湖泊水库及沿海陆地水体.部分研究集中在河段水体，对于城市区域大范围河网的D0分布以及变化规律相关研究有待深入.城市地区水体DO的变化规律较为复杂，关于城市化对溶解氧变化规律特征的研究依然存在不足，文章对特大城市DO总体的时空分布特征及影响因素进行了探讨，以期为城市水環境的评价及适应性管理提供相应的基础依据.

1研究区域与数据来源

上海市位于太湖流域东部平原感潮河网地带，全年降水较为丰沛，平均海拔在4m左右，城市化进程较快，城市化区域河网水系结构趋于简单，河网连通性下降.近年来上海对于黑臭河道整治力度加大，但在局部区域仍出现黑臭或低氧河道，DO总体水平还需提高，并逐渐由消除黑臭转向进一步提升水质.

研究数据依托上海市生态环境局环保科研项目及“水体污染控制与治理”科技重大专项，来源于上海市环境监测中心2016年259个河道监测点位12个月的水质数据，涵盖上海市所有行政区域，空间分布如图1所示.监测涉及的指标有溶解氧（DO）、水温（T）、pH值、高锰酸盐指数（COD_Mn）、化学需氧量（COD_Cr）、五日生化需氧量（BOD₅）、氨氮（NH₃-N）、总磷（TP，以P计）、总氮（TN）、挥发酚（Vol-P）、石油类.

2研究方法

2.1环境因子对DO影响分析方法

运用IBM SPSS Statistics 23.0对数据进行标准化，并求得指标间的Pearson相关性.

运用灰色关联分析得出各个环境因子与DO的关联度，确定引入回归模型的环境因子，避免多余的自变量对回归模型结果产生影响.灰色关联分析是由邓聚龙教授提出的多用于判别序列间紧密程度的模型，首先建立序列矩阵，选取DO系列数据为参照数列：

2.2DO时空分布分析方法

运用Excel 2016、IBM SPSS Statistics 23.0等数理统计软件对原始数据进行统计核算，得出DO在不同时间尺度上的变化特征，运用ArcGIS 10.2地理处理软件中Kriging插值对DO的空间差异进行表征.

2.3DO划分探讨

为便于研究，根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中水质等级划分，劣于V类水质中DO<2mg/L是被广泛定义的低氧条件，DO<2mg/L时会导致大量水生生物死亡，而适宜多数鱼类生存的DO值一般为4mg/L（Ⅳ类水），也有部分学者把DO为5mg/L作为适宜大多数鱼类生存的条件，哈希公司针对DO监测仪器手册中，将保障水生生物生存的最低DO范围设置为4～5mg/L，本文选择临界值4mg/L进行分析探讨，将优于I、Ⅱ类水，即DO>6mg/L的区域划为高DO区.

3结果分析

DO年均值为4.48mg/L，空间分布如图2，由低DO区域呈边缘扩散逐渐升高，浦东新区沿海部分可达到5mg/L左右.DO年均值<2mg/L的情况占比较低，分布在黄浦江中下游，DO年均值<4mg/L主要分布在中心城区、浦东新区北部、宝山区和闵行区等城市化较高区域或集建区，约占38.37%;高DO区主要分布在崇明区与青浦区西南部;其他区域DO值多分布在4～6mg/L.

DO分布呈季节性差异（见图3）.冬季（5.82mg/L）>春季（5.11mg/L）>秋季（3.64mg/L）>夏季（3.42mg/L），非汛期（4.95mg/L）>汛期（3.51mg/L），各季节DO值分布范围差值差异不明显，DO总体分布阈值春、冬季较夏、秋季高.DO季节空间分布特征变化明显（见图4），夏、秋季除青浦区西南部和崇明区的DO含量在6mg/L左右，其他区域基本处于DO<4mg/L范围，分别占72.96%、66.37%，主要在浦东新区、闵行区、宝山区、松江区东部以及工业区相对密集、城市化程度较高的奉贤区西部和金山区东部，秋季基于夏季范围“收缩”;春季、冬季DO空间分区明显，DO值明显改善，冬季奉贤区东部以及浦东新区南部由夏季的低DO区域转向高DO区域.

DO含量在月份变化中2月均值（7.47mg/L）最高，而水温（6.06℃）最低，没有明显DO<2mg/L的区域，之后T逐渐升高，DO含量慢慢降低，T降低后，DO含量又缓慢上升（见图5和图6）.DO<2mg/L区域以夏、秋季为主，从5月起，中心城区、闵行区和宝山区南部开始集中出现DO<2mg/L区域，并逐渐变化转移，8、9月逐渐减少，10、11月集中出现DO<2mg/L区域;5-10月份大部分区域处于DO<4mg/L，主要分布在中心城区绝大部分区域、闵行区、宝山区以及金山区、嘉定区、奉贤区及松江区部分区域.DO>6mg/L主要集中在青浦区西南部（1-5、12月）、崇明区（1-5、12月及6-11月部分区域），同时奉贤区（2、3月）、浦东新区2月、嘉定区（2、3月）也有高DO区.

4讨论

4.1溶解氧总体变化影响因素

对水质数据进行分析，DO的总体变化与各水质指标的相关性、关联度以及不同时间段的主要影响指标如表1和表2.水体中DO的产生主要通过水体复氧及水生植物的光合作用两种方式，而T、pH值以及TP、TN是植物生长与影响水面氧分子溶解度的重要因素.

DO的总体变化趋势主要受T（水温）与pH值影响明显，与两者的相关系数分别为-0.434和0.332，这与多数文献研究结果相同，关联度排序与逐步回归分析中T和pH值均是主要的影响指标，且分别在3个季节中成为影响DO的主要因素之一.TP、TN是水生植物的主要营养来源，也是出现富营养化现象的主要指标，DO与TP、TN均呈显著的负相关关系，相关系数为-0.370、-0.191.一般情况下，厌氧环境会促使沉积物中磷的释放，导致水体中TP升高，而氮物质的转化需要氧的参与，消耗水中的DO.

逐步回归分析中，全年DO主要受T、pH值、NH₃-N、TP和石油类影响明显，四季中T、pH和NH₃-N三者影响相对显著.夏季T影响不显著，可能是夏季T升高，提高了微生物活性，内源污染从底泥中被释放，影响程度被相对削弱;冬季pH值影响程度下降，可能由于冬季pH值变化范围减小（春季pH值为6.65～8.49，冬季pH值为7.11～8.28），水生植物发育迟缓或停滞，同时TP、TN消耗降低，对DO影响程度也不显著.春季气温回暖，藻类开始繁殖，水体pH值出现升高趋势，TP、TN作为水生植物的营养物质影响显著，同时春季有机耗氧污染较高，其通过生化降解中氧化反应消耗DO;秋季与春季的影响因素主要区别在于秋季的NH₃-N影响显著，主要受径流污染影响，其他指标在受T的影响下与春季的影响程度基本相同.

4.2中心城区溶解氧变化特征

中心城区整体DO<2mg/L的比例较其他区域大，占20.1%，汛期占51.8%，汛期季节响应程度较低，通过上海市监测中心提供的2015年苏州河武宁路断面在线监测数据中DO<2mg/L的时长为4869h，约占总监测时长的55.6%，5-11月DO均值在3mg/L左右，主要分布在中心城区与浦东新区交界处、黄浦江中下游片区，受高度城市化以及合流制系统雨天溢流放江、分流制雨污水管网混接影响比较大.而在2、3月DO部分区域均值略高，可能由于非汛期人工曝气等设施作用影响，或是春季营养盐丰富，藻类生长旺盛，前期产氧能力较大.

上海市生态环境局在对《上海市防汛泵站污染物放江监管办法（暂行）》的政策解读中提到，中心城区降雨前后河道出现黑臭现象，主要由于合流制排水系统雨天泵站的溢流污染及分流制排水系统雨污水管道混接带来的初期雨水污染造成的，如在静安区有5条河被列为黑臭河道，2016年仅完成了徐家宅河的整治，所以在夏季温度上升与泵站放江时导致严重淤积的底泥上浮，加重并延长了水质恶化时间，大面积低DO区产生，放江直接导致了较为明显的DO降低;而分流制初期雨水污染较严重与中心城区的高度城市化有关，早期城市化过程中河网大多被填堵、裁弯取直而成结构简单的“井”字型河道，河道数量极少，连通性较差，平均河网密度远低于其他区域（2016年为1.02km/km²），水文与水动力条件的欠缺导致河道生态循环过程及自净能力变差，污染物的降解速率减缓，由于其点源污染控制率已超过85%，所以水体自然污染来源主要是湿沉降、高污染及大流量的地表径流，其与河道底泥沉积物共同影响水生植物光合作用以及水面复氧.

4.3城郊溶解氧变化特征

（1）远郊區域溶解氧特征

如图7，崇明区与青浦区区域内以高DO区为主，春、冬季DO含量高于夏、秋季，多数月份处于DO>6mg/L或略低于6mg/L，而其他月份DO均值虽处于4～6mg/L.但空间上部分区域处于高DO区，DO总体变化幅度较小，其中青浦区DO>6mg/L区主要集中在西南区域，东北区域受城市化影响，工业与生活污染较重.

崇明区与青浦区DO含量较高，一方面由于两者为重点环境保护区域，崇明区为国家级生态岛所在地，《崇明世界级生态岛发展“十三五”规划》（沪府发[2016]102号）中将崇明列为环境重点保护地区，而青浦区境内含有上海最大的淡水湖——淀山湖以及金泽水库，该区被设立为水源保护区，截止2017年9月，保护区内就有358家涉污企业被清退、清拆，确保区域水质安全;另一方面由于区域内水体规模较大，水系相对发达，连通性较高，水系支链相对较多，纳污能力以及水体净化能力较强，主要河道治理与保护力度较大.两区城市化程度较低，而夏、秋季雨水丰富，DO含量降低主要由于：①农业用地较多，养殖业发达，农田种植业带来的雨水径流面源污染与区域内水产养殖影带来的养殖废水影响明显;②区域内农户居多，居住分散，如崇明区居民区多沿河而建，部分地区污水管网建设空白，农村生活污水无组织排放.

奉贤区和松江区DO含量变化幅度较大（见图8），在部分时间段如松江区6～9月的DO均值处于2～3mg/L区，多处在松江区东部与松江区北部，以集建区为主，但在冬季两区DO均值较高，部分区域为DO>6mg/L区，以农村区域为主.

奉贤区和松江区受农业径流污染影响明显，其中奉贤区农业污染以畜禽污染为主，汛期径流导致农业用地土壤可溶态组分大量溶解，氮、磷物质流失，病原体、矿物质甚至毒素进入水体，底泥沉积物中TP、TN以及有机物释放，区域内污染加重，非汛期时段，降水以下渗为主，对河道污染减小，DO含量升高，为减少农业径流污染，应在汛期减少翻作，增加绿肥用量，减少化肥、农药用量.

（2）近郊区域溶解氧变化特征

在中心城区周围区域如闵行区、嘉定区、宝山区和浦东新区等区部分区域出现低DO现象，以集建区为主.其中闵行区由于高度的城市化水平，DO分布变化特征与中心城区类似;其他区域的DO含量则随着时间变化出现升降，且低DO区会发生明显的迁移变化，主要表现为温度较低、雨水较少的季节低DO区范围小，多集中在近中心城区部分，且其他部分区域的DO含量会显著升高甚至出现大面积高氧区，而温度升高、雨水较多的季节DO<2mg/L的区域以中心城区向外扩延.近郊区城市化相对较高，农业用地密度小于远郊，主要影响DO含量变化的因素可能是相对密集的工业以及集建区的城市生活污水直排等现象.

5结论与建议

本文对2016年上海市259个河道监测点位12个月的数据进行时空及数理统计分析，对特大城市的DO时空分布进行了探讨，得出以下结论.

（1）上海市2016年地表水DO呈季节分布：冬季>春季>秋季>夏季，非汛期>汛期;各指标与DO关联度排序为：pH>T>COD_Mn>COD_Cr>BOD₅>TN>TP>NH₃-N>Vol-P>石油类，且与DO呈显著相关关系，全年DO主要影响因子为T、pH、NH₃-N、TP和石油类，四季主要影响因子有差异，其中T与pH值对DO的变化有重要影响.

（2）中心城区DO值一般较低，区域内城市化程度高，受面源污染、泵站溢流放江及雨污水管网混接影响明显;远郊区DO值较高区域（崇明区、青浦区）主要由于境内水系发达，环境功能定位较高，保护力度大，DO值的波动主要受农村生活污染以及农业地表径流影响，DO值变化较大的区域（奉贤区、松江区）则受农业径流污染影响明显，DO值较低区域以集建区为主;近郊区排布于中心城区周围，随雨量增加、溫度上升，从中心城区向周围延伸，DO值在不同区域出现不同程度的下降，主要受集建区的城市化发展以及相对密集的工业点影响.

（3）针对DO含量的管理可设立DO预警平台，根据区域污染特征，及时对局部水质进行防控与处置;改造老旧管道，提升河道纳污能力，根据区域性与季节性划分DO含量变化敏感区及敏感时段;农田比例较大区域应注重调整农业种植面积与结构，增加绿肥用量，减少化肥、农药用量，汛期减少农事翻作、合理灌溉.

本文DO区带划分以DO水质分类为标准，影响因素主要从区域、片区角度考虑并结合相关水质因子影响展开研究，还存在一定不足，在之后研究中可以从河流、生物健康角度进行DO区带划分，影响因素可从耗氧污染机理等方面展开更为细致的探讨.