袁河袁州区段溶解氧过饱和成因分析及防治

陈文洪，李 林，龙 彪，温 巍，钟裕柱，陈 璐，陈慧珍，陈怀民

1.江西师范大学，鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室,江西 南昌 330022 2.江西省宜春水文局,江西 宜春 336000 3.宜春市生态环境局,江西 宜春 336000 4.常州工业职业技术学院 材料工程学院(环境工程学院),江苏 常州 213164

溶解氧是保障河流中水生生物生存不可缺少的条件，是反映天然河流水体是否具有自净能力的一个重要指标，也是衡量水质的综合指标，在地表水环境质量标准中溶解氧被列为评价水质的重要因子[1-2]。水体中的溶解氧含量与多种因素有关，如气压、水温、水深、光照强度、水生生物、水生植物及好氧有机物含量等，水体中溶解氧主要补给则是依靠空气中氧的溶解、水生植物或浮游植物的光合作用产氧[3]。

水体溶解氧过低会导致水体发黑发臭，对水生生物、鱼类等产生危害[4-5]。水体溶解氧过低导致的生态影响已有诸多报道，如福建尤溪河出现溶解氧过低造成大量鱼类死亡等[6-7]；但水体中溶解氧过饱和也同样具有一定程度的危害，如使鱼类(如鳍)患气泡病出现慢性中毒等。RAYMOND等研究报道，斯内克河在1966—1975年降河内迁移的鲑鳍幼鱼因气体过饱和死亡40%～95%[7]；CRUNKILTON等[8]研究报道，Osage河在1978—1979年4—6月因过饱和气体导致死鱼50万尾，幼鱼还未计数。也有学者对高原河流溶解氧或平原河流溶解氧分布规律及影响因素开展调查研究[9-11]；国内外河道溶解氧过饱成因及快速处理研究却鲜见报道。近年来，江西省内在部分河流夏季出现溶解氧过饱和现象。赣江一级支流袁河从上游萍乡市芦溪县入境点至下游宜春市城区段，在2020年8月中旬出现溶解氧过饱和现象，并在下旬通过水利调节使河道溶解氧恢复正常。因此，本研究选择该时间段内袁河袁州区段溶解氧开展连续监测，掌握袁河袁州区段溶解氧分布特征及溶解氧过饱和的应急应对措施，为揭示河流溶解氧过饱和提供基础数据，对保护河流生态健康具有重要的意义。

1 调查区概况及研究方法

1.1 调查区域概况

袁河又称袁水，系赣江下游左岸一级支流，发源于萍乡市麻田乡武功山脉西北麓蛤蟆塘，河源位于东经114°10′、北纬27°27′，自西南向东北流经萍乡、宜春、分宜、新余以及樟树部分地区，在樟树市张家山镇荷湖馆汇入赣江。全长约110 km，流域面积约776 km2，河面宽一般小于20 m。此次研究调查河段为萍乡市芦溪县入宜春市棚下张坊桥至宜春市袁河取水口段(以下简称“袁河袁州区段”)，全长21.9 km，上下落差(15±0.5)m，断面监测点(图1)从上游到下游分别为棚下张坊桥(Y01)、西村镇大桥(Y02)、南山口村桥(Y03)、铲口村桥(Y04)、袁州机场大桥(Y05)和宜春市水厂袁河取水口对面(Y06)。

图1 袁河监测断面布点示意图Fig.1 Distribution points of Yuanhe River monitoring section

1.2 样品采集与测定

于2020年8月16—24日时间段内每隔2 d在每个监测点采集水面下0.5 m的混合水样，放入4 ℃冷藏箱内保存，8 h内进行总氮(TN)、总磷(TP)和高锰酸盐指数(CODMn)等指标的测定，具体测定方法参照《水和废水监测分析方法》(第四版)[12]；溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N)和pH采用美国YSI Pro Plus多参数水质分析仪现场直接测定；流速采用美国YSI Flow Tracker1型声学多普勒流速仪测定；气象数据通过中国气象网下载历史气象数据。

在野外现场使用2 L采水器取水面下0.5 m水样过浮游植物网，将过滤后的水样装入样品瓶，并添加鲁哥试剂固定，用于实验室定量计数。在实验室内用胶头滴管吸取藻液后滴0.1 mL到血球计数板上，在双目光学显微镜(OLYMPUS CX31型)下计数，每个样品计数3次，差异大于10%再取样本进行计数，直到3次计数数据的差值在10%以内。

1.3 数据分析

现场调查和室内测试所得数据使用SPSS 19.0 软件(IBM,Armonk,NY,USA)进行数据差异性和相关性分析。所有统计结果中当P<0.05时则认为具有显著性。

2 结果与分析

2.1 水量和溶解氧的变化

袁河宜春水文站流量数据显示(图2)，从8月11日20：30出现一次流量为173.68 m3/s的洪水及在8月12日09：00出现了111.8 m3/s的次峰流量后，连续7 d左右未出现大的流量。8月13—18日的流量变化范围为28.38～84.80 m3/s，均值为61.40 m3/s。在线监测发现2020年8月15日袁河袁州区段出现溶解氧过饱和现象。基于此，在8月20日11：00通过上游调水，提高河道流量，下泄流量采用先大后小的方式，初期河道最大流量为107.72 m3/s，调水末期河道流量为71.00 m3/s。整个调水持续时长10 h，河道流量均值达到85.39 m3/s，提高了40%左右。随后的21—23日河道流量均值为57.84 m3/s。结合浮游植物生长周期、气温等因素，在8月24日03：00再从上游采用先大后小的方式进行调水，下泄河道最大流量从119.8 m3/s降低到71.00 m3/s。整个调水持续时间为6 h，河道流量均值为84.36 m3/s，流量提高了约47%。

图2 袁河宜春水文站流量Fig.2 Discharge variation of Yichunhydrological station on Yuanhe River

从图3可以看出，袁河袁州区段溶解氧出现过饱和现象，在8月16—18日沿袁河流向溶解氧从6.8 mg/L逐渐增加到12.5 mg/L，在Y05号点已超过10 mg/L。当地最高气温在(32±3)℃，此温度下水体正常溶解氧应为7.3 mg/L，袁河袁州区段溶解氧过饱和度为10%～70%。其中，宜春市取水口对面(Y06号点)溶解氧饱和度最高。8月20日和24日通过袁河上游水库调水增加河道流量(见图2)，袁河袁州区段溶解氧发生明显改变，8月20—24日该河段上游Y01溶解氧较调水前增加，而下游河段Y05和Y06溶解氧降低，8月20日袁河下游段溶解氧9.9 mg/L仍高于上游河段溶解氧8.4 mg/L，到8月24日袁河上下游河段溶解氧则趋于相同，溶解氧恢复正常水平。

图3 溶解氧变化Fig.3 Change of dissolved oxygen

2.2 常规水质的变化

从图4可以看出，袁河袁州区段水质pH大于7呈弱碱性，在8月16—18日该河段水体pH由上游到下游呈逐渐增加的趋势，8月18日河道水体pH最高，从7.6增加到8.7；在8月20日和24日从袁河上游水库加大下泄流量，使得8月20日和8月24日该河段水体pH降低到7.5～7.9，恢复平常值，且整个调查河段各点位水体之间的pH相差较小。

图4 pH变化Fig.4 Change of pH

8月16—24日对该袁河段进行连续监测得到的常规水质氨氮、CODMn、总氮和总磷数据绘图(如图5和图6)。从图5、图6可以看出，在调水前后的各监测断面中的各项常规水质指标未出现显著的变化。总磷质量浓度从袁河上游到下游由0.060 mg/L逐渐降至0.035 mg/L，总氮质量浓度同样呈下降趋势，沿河流方向从0.7 mg/L降至0.4 mg/L。氨氮质量浓度的变化范围在0.1～0.4 mg/L之间，CODMn浓度的变化范围在2.3～3.1 mg/L之间，在地表水环境质量标准的Ⅱ类内[1]。

2.3 浮游植物变化及分析

选取8月18日和8月24日分别代表自然和增加下泄流量后浮游植物种类及浮游植物总密度统计分析(表1)。

图5 袁河袁州区总氮和氨氮质量浓度Fig.5 Content of total nitrogen andammonia nitrogen in Yuanzhoudistrict of Yuanhe River

图6 袁河袁州区段总磷和CODMn质量浓度Fig.6 Content of total phosphorus and CODMnin Yuanzhou section of Yuanhe River

表1 调水前后袁河各断面浮游植物种类分布Table 1 Distribution of phytoplankton species in each section of Yuanhe River before and after water diversion

从表1可以看出，增加袁河流量后各断面浮游植物种类和数量与自然状态下浮游植物种类和数量发生显著变化；自然状态下袁河浮游植物有裸藻、绿藻、蓝藻和硅藻，优势藻类为裸藻门>蓝藻门；囊裸藻和水华微囊藻在调查河段内均出现；上游增加下泄流量后河道浮游植物优势种类发现较大变化，优势浮游植物变为蓝藻门>硅藻门，裸藻属和绿藻属较少，蓝藻门中主要以铜绿微囊藻和水华微囊藻为优势藻种。

从图7可以看出自然状态下袁河袁州区段各断面浮游植物总密度大于下泄调水后浮游植物总密度；自然状态下浮游植物总密度沿袁河水流方向呈逐渐增加的趋势，通过人为增加流量后袁河各监测断面的浮游植物总密度差异减小，在最下游断面浮游植物总密度最高。通过水利调控袁河流量后河流浮游植物种类及数量显著改变(P<0.05)，这主要是上游调用清澈水体后，增加河流流量、加快水体流速，增加水流对河道的冲刷和水体的稀释所致；河流冲刷和携带作用使上游浮游植物流向下游，Y05号点河道积水面积小且较浅易被稀释使总藻密度最低；Y06处于袁河拦河坝尾水缓冲区水体交换较慢使浮游植物产生一定的积累。

图7 调水前后袁河浮游植物总密度变化Fig.7 Changes of total phytoplanktondensity in Yuanhe River beforeand after water diversion

3 讨论

取调水前的8月18日和调水后8月24日的各监测断面的pH、溶解氧和不同藻种的藻密度数据进行皮尔逊相关性分析，结果见表2。从表2可知，pH与裸藻、蓝藻和浮游植物总密度呈显著正相关(P<0.01)。同样地，溶解氧与裸藻、蓝藻和浮游植物总密度也呈显著正相关(P<0.01)。

表2 pH和溶解氧与藻密度的皮尔逊相关性分析Table 2 Pearson correlation analysis of pH,DO and algal density

由图2可知，8月11日和8月12日洪峰过后，在长达一周的时间内未出现大流量。河道中的积水区换水速率下降，且调查河段最高气温和最低温度分别为35 ℃和25 ℃，河道水体流速为(25±5)cm/s，流速缓慢均适合浮游植物的生长[13-14]，袁河袁州区段水质营养盐为浮游植物生长提供物质基础，且各监测断面的氮磷比均在11～12之间(图5和图6)，适合藻类的生长[15]。因此，浮游植物大量繁殖并在部分河段区域内出现浮游植物聚集现象。浮游植物光合作用利用太阳辐射能将水中的CO2、HCO3-转化为有机物，使水体pH增加呈碱性，也可使水体溶解氧增加呈过饱和状态。可见，袁河袁州区段溶解氧过饱和受浮游植物密度的影响显著(P<0.01)，尤其与裸藻属和蓝藻属藻密度显著正相关(P<0.01)。其他研究亦表明，浮游植物光合作用是导致河道溶解氧过饱和的主要因素，浮游植物聚集水域pH也较高[16-17]。本研究中通过上游调水增加河道滞留水体的换水速率，河道水体中浮游植物被冲淡稀释，采取流量科学控制“先大后小”的调水方式，使河道溶解氧和pH快速恢复正常。该研究为保护河流水环境健康提供基础数据和技术支撑。

4 结论

在自然状态与调水增流状态下，通过对袁河袁州区段河流的水环境、溶解氧和浮游植物等指标的连续监测数据进行分析讨论，得到以下结论：

1) 当出现连续高温无降雨天气时，袁河流量减少，袁河袁州区段溶解氧含量随时间增加，并沿水流方向呈增加的趋势，溶解氧质量浓度最高达到12.48 mg/L。

2) 袁河袁州区段溶解氧浓度增加主要是由水体中浮游植物光合作用产氧所致，袁河袁州区段溶解氧浓度与浮游植物总密度呈显著正相关(P<0.01)，其中生物量占比大的裸藻属和蓝藻属对溶解氧的贡献最高。

3) 采取科学的水利调控方法可高效、快速地改善河道水环境健康状况，用“先大后小”的调水方式增加河道流量，持续6～10 h，平均河道流量增加40%～47%。调水频率应根据浮游植物的生长繁殖周期进行制定。