南京市地表水溶解氧分布特征及低氧成因初探——以外秦淮河七桥瓮为例

王春，刘军，谢鑫苗，柏松，邢学珂

(江苏省南京环境监测中心，江苏 南京 210013)

溶解氧(DO)是保持水体良好生态环境，衡量水环境质量的重要指标之一[1-2]。DO不仅是大多数水生动植物生存的必要条件，也是水体中污染物降解的关键参与者。一般情况下，适合大部分鱼类生存活动的DO含量为5 mg/L以上[3]，当DO含量低于4 mg/L为低氧，低于3 mg/L为缺氧，低于0.2 mg/L为厌氧。水体如果长期处于低氧状态将会影响水生生态系统，进而可能引起鱼类死亡、多数藻类无法存活、水体黑臭等现象。伴随城市化进程的不断加快，生活污水、工业废水的大量排放对地表水环境造成负担[4]，受外源污染物的排放及季节性影响，一些重点监测断面低氧现象时有发生，并逐渐成为影响考核断面达标及水生态健康的主要因素。现通过收集2018—2021年来南京市地表水以及外秦淮河七桥瓮国考断面水质资料，初步分析南京市地表水和外秦淮河七桥瓮断面溶解氧变化规律及其低氧成因，以期为外秦淮河的水质提升、污染溯源以及重点断面溶解氧达标提供有效的技术支撑。

1 研究方法

1.1 研究区域

外秦淮河全长23.6 km,区间流域面积208 km2，是秦淮河水系洪水外排入江的主要通道，也是南京市重要的景观河道[5]。外秦淮河、秦淮河上游及秦淮新河水系见图1。

图1 外秦淮河、秦淮河上游及秦淮新河水系示意

1.2 数据来源

数据来源于江苏省南京环境监测中心2018—2020年例行83个手工监测断面单月水质数据，以及2018年1月—2021年6月外秦淮河七桥瓮水质自动站小时值，并以自动站小时值为基础，加权平均得到七桥瓮水质自动站各指标日均值及月均值数据。南京市江宁气象局2019—2021年6月降雨及气压数据。

1.3 监测项目与方法

监测项目有DO、水温、pH值、高锰酸盐指数(CODMn)、化学需氧量(CODCr)、五日生化需氧量 (BOD5)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)。评价标准采用《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，采用Microsoft Office Excel 2016、ArcGIS和SPSS 23.0数据处理软件分析指标变化特征，采用水质水量联合评价、皮尔逊(Person)相关分析法，探讨DO的影响因素。

2 结果与讨论

2.1 南京市ρ(DO)时空变化特征

2018—2020年南京市地表水DO年均值空间分布特征见图2。

图2 2018—2020年南京市地表水DO年均值空间分布特征

由图2可见，ρ(DO)年均值变化范围为7.7～8.2 mg/L。在空间上总体呈现外高中低的“收缩”趋势，中心主城区及附近区域DO逐年升高明显，2018—2020年监测点位ρ(DO)年均值达Ⅲ类(5 mg/L)以上的占比分别为87%，90%，94%。

2018—2020年南京市地表水DO季节性分布特征见图3。由图3可见，冬季ρ(DO)(9.80～10.05 mg/L)﹥秋季(7.42～8.55 mg/L)﹥春季(7.10～8.53 mg/L)>夏季(6.14～6.48 mg/L)。春、夏、秋、冬各季节ρ(DO)呈逐年上升趋势，季节性变化特征与温度呈反向变化，冬季水温低，其ρ(DO)整体高于其他季节，夏季水温较高，ρ(DO)下降，低氧区主要出现在夏季，主要分布于南京市主城区。

图3 2018—2020年南京市地表水DO季节分布特征

2.2 外秦淮河七桥瓮水质自动站ρ(DO)变化特征

2.2.1ρ(DO)逐月变化特征

2018年1月—2021年6月七桥瓮ρ(DO)逐月及每月超标率变化见图4、5。由图4可见，七桥瓮断面DO月均值在2.25～11.07 mg/L，平均值为6.63 mg/L，全年ρ(DO)较低时段主要出现在5—9月，浓度范围为2.25～6.57 mg/L。由图5可见，5—9月的DO日均值超标频率较高，达到79.8%(435 d中347 d超标)，超标时间分布呈现出集中性和连续性(图5)。每年的1—4月、11—12月均未出现超标现象。

图4 2018年1月—2021年6月七桥瓮ρ(DO)逐月变化

图5 2018年7月—2021年6月七桥瓮ρ(DO)每月超标率变化

2.2.2ρ(DO)昼夜变化特征

2020年1月—2021年6月小时数据观测ρ(DO)昼夜变化特征见图6。以08：00—20：00为昼，20：00—次日08:00为夜。

图6 七桥瓮水质自动站2020年1月—2021年6月ρ(DO)昼夜变化情况

由图6可见，2020年1月—2021年6月同一时次DO平均质量浓度最大值为7.70 mg/L，出现在16：00；最小值为6.95 mg/L，出现在04：00。七桥瓮昼间DO超Ⅲ类标准限值410次，昼间DO平均浓度为7.36 mg/L，其中昼间同一时次DO平均浓度最大值与最小值间浓度差为0.72 mg/L；夜间DO超Ⅲ类标准限值429次，夜间DO平均浓度为7.13 mg/L，夜间DO平均浓度最大值与最小值间浓度差为0.42 mg/L，DO的昼夜变化中存在昼大于夜的特征，与文献研究结果相符[6]。

3 低氧成因分析

3.1 水质因子影响分析

水体中DO含量受温度、pH值、耗氧有机物等多种因素影响[7-8]。对2018—2020年七桥瓮水质自动站数据进行Person相关性分析(表1)。由表1可见，DO除与pH值呈正相关外，与其他指标均呈负相关。pH值通过反映水生生物的活动强度，与DO变化存在内在联系。研究发现当浮游植物生长旺盛时，水体pH值升高，同时光合作用释放氧气[7]。而有机物的降解、含氮物质的转化都会消耗DO，同时厌氧环境将加速底泥中磷的释放[9]，因此水中营养盐及耗氧污染物会消耗水中DO，使DO浓度降低。

表1 2018—2021年七桥瓮DO与其他水质因子的相关性①

七桥瓮水质自动站ρ(DO)与水温变化关系见图7。由图7可见，水温与ρ(DO)呈明显反向波动趋势，2018年7月—2021年6月七桥瓮水质自动站水温在5.3～34.3℃，平均值为19.6℃；当ρ(DO)<5.0 mg/L时，水温在18.7～33.7℃，平均温度为27.8℃。水温在20℃以下时，ρ(DO)基本保持在Ⅲ类以上水平，随着水温上升ρ(DO)超Ⅲ类频率开始逐渐增加。不同水温区间ρ(DO)超Ⅲ类分布特征见图8。DO数据为自动站小时值，监测频次为4 h一次。由图8可见，20～25，25～30和30～35 ℃各温度区间ρ(DO)超Ⅲ类占比分别为18%,85%和72%。从数据分布看，一年中，水温在25～30 ℃的分布比例较高，而该温度区间ρ(DO)超Ⅲ类占比也最高(85%)。

图7 2018年7月—2021年6月七桥瓮水质自动站ρ(DO)与水温变化关系(小时值)

图8 七桥瓮水质自动站不同水温区间DO超Ⅲ类分布特征

3.2 水体复氧与耗氧分析

自然河流DO的主要来源有大气复氧，光合作用生产氧，上游来水及支流充氧。消耗途径主要是水中可降解物质的氧化，生物呼吸耗氧，底泥耗氧[10]。一般情况下,清洁地表水中DO浓度接近饱和状态，水体中饱和DO和现有DO的差值即缺氧，耗氧越多，缺氧量越大，而此时如果没有及时且充分的复氧补充，水体DO浓度将保持较低水平。

3.2.1 七桥瓮复氧因素分析

外秦淮河七桥瓮断面地处七桥瓮湿地公园内，无支流汇入，周边也无水工增氧建筑物，其复氧途径来源于大气复氧，水生生物光合作用产氧及上游来水动力充氧。

3.2.1.1 大气复氧

大气复氧过程受气压、水温等因素影响。一般情况下，气压高水温低时，复氧条件较好，此时水体中饱和DO含量高；而气压低水温高时，水体中DO含量低。

七桥瓮溶解氧复氧条件变化见图9。由图9可见，每年5—9月，随着梅雨期和夏季汛期的到来，水温开始逐渐升高，温度在25～30 ℃，高于年均值19.8 ℃，且在25～30 ℃时大气压相对较低(1 000～1 005 hPa)，低于年均值1 012 hPa，就此形成一段高温低压的闭合区间，该区间大气复氧条件较为不利，同时与南京市全市地表水ρ(DO)夏季最低，外秦淮河七桥瓮断面ρ(DO)易波动时间段结果相吻合。

图9 七桥瓮溶解氧复氧条件变化

3.2.1.2 光合作用产氧

光合作用主要与光照强度、水温、营养物质浓度及具备光合作用功能的生物量有关[11]。研究表明沉水植物可大量吸收水体中的氮、磷等营养物质，同时通过光合作用快速提高水体中的DO浓度；挺水植物—浮水植物—漂浮植物—沉水植物的组合模式比单种植物有更好的生态效果[12]。

七桥瓮断面位于外秦淮河干流，河道宽度约110 m，为保证河道的行洪与通航能力，两岸大多采用硬质驳岸且岸坡较陡，使得挺水植物丧失了生长空间；同时河流深度较大(>4 m)，水体透明度有限，沉水植物的生长受到限制，水质净化效果减弱。当夏季汛期来临，伴随上游来水中营养物质的增加，使七桥瓮断面水质受到影响，出现ρ(DO)下降现象，且无法及时得以恢复。

3.2.1.3 上游来水动力充氧

上坊门桥位于七桥瓮上游3 km处，2个点位均位于外秦淮河干流，水文条件接近，因此以上坊门桥作为七桥瓮上游来水参照点分析上游来水对DO指标的影响(图10)。由图10可见，从上坊门桥—七桥瓮水量变化情况，夏季汛期时段，上游来水水量增大后，七桥瓮ρ(DO)往往会出现下降，说明相较于水量增加的动力充氧，该时段上游来水输入的污染物对ρ(DO)的影响较大。

图10 上坊门桥来水流量和七桥瓮ρ(DO)变化关系

3.2.2 七桥瓮耗氧因素分析

3.2.2.1 降雨及泵站排放的影响

2018—2021年南京市降雨量逐月变化见图11。由图11可见，南京市近年来5—9月月降雨量均在50 mm以上，该时段为汛期主要时段，其降雨量占全年降雨总量的45%～69%。汛期带来的降水及河流径流将城区及上游大量污染物带入水体，水中污染物浓度升高，污染物降解消耗DO的速率随之加快，从而造成降雨前后河道水质波动较大，ρ(DO)下降。殷伟庆[13]分析了梅雨季节对京杭运河镇江段水体污染的影响，研究发现梅雨初期对水质有一定影响，同时受降雨影响，大量污染物因排涝站及涵闸的打开而汇入运河，使其水质受到影响。

图11 2018—2021年南京市降雨量逐月变化

根据南京市秦淮河流域入河排污口初步排查结果，目前秦淮河干流及一级支流共有各类入河排污口266个，其中约240个位于七桥瓮断面上游。以七桥瓮断面上游5 km的某泵站为例，该泵站前池汇集周边雨水和未接管的生活污水，水质长期处于Ⅴ—劣Ⅴ类水平。典型时段泵站排水量和水质与降雨量之间的关系见图12(a)(b)。由图12(a)可见，在降雨量超过50 mm时，泵站排水量显著增多，ρ(NH3-N)显著降低至2～4 mg/L左右，降雨结束后，ρ(NH3-N)又逐渐上升。ρ(NH3-N)平均值在9.5 mg/L左右。由图12(b)可见，ρ(DO)在降雨期间显著上升，但几乎不超过5 mg/L。ρ(DO)平均值在1.5 mg/L左右。虽然排水量增多起到了稀释作用，使ρ(NH3-N)下降，但由于该泵站前池水质较差，伴随排放水量的增多，势必造成排入河中的污染物负荷增大，从而对下游七桥瓮断面水质带来冲击。

图12 典型时段降雨与上游某泵站排水水量水质的关系

3.2.2.2 上游来水水质影响

2019—2021年1—6月上坊门桥和七桥瓮各指标同比变化情况见图13(a)(b)。

由图13(a)(b)可见，上坊门桥各指标2019—2021年变化趋势和七桥瓮基本一致，其中ρ(CODMn)和ρ(CODCr)等指标呈逐年上升趋势。耗氧物质降解的生化过程是水体中ρ(DO)消耗的主要途径，同时水中化学耗氧也是重要耗氧源，当含硫化氢、羟胺等强还原性物质进入水体时，ρ(DO)可瞬间趋于0[14]。

图13 2019—2021年1—6月上坊门桥和七桥瓮各指标浓度同比变化

DO浓度差与七桥瓮断面DO超标浓度比较见图14。DO浓度差为每日上坊门桥与七桥瓮断面ρ(DO)之差。由图14可见，七桥瓮断面ρ(DO)超标(地表水III类标准)集中在汛期，根据超标程度分为2个时段：第1个时段为5—8月，此阶段七桥瓮ρ(DO)超标程度较严重，超标ρ(DO)主要集中在2～4 mg/L，为Ⅳ—Ⅴ类水平，此阶段降雨密集，温度较高，且由于上游来水携带污染物过多，导致耗氧升高；第2个时段为9—10月，此阶段七桥瓮ρ(DO)超标程度相对较轻，ρ(DO)主要集中在3.5～5 mg/L,为Ⅲ—Ⅳ类水平，且此阶段七桥瓮与上坊门桥ρ(DO)相差无几。因此，汛期上游来水对七桥瓮断面ρ(DO)超标影响较大。

图14 DO浓度差与七桥瓮断面ρ(DO)比较

综上所述，DO除与pH值呈正相关，与水温、CODMn等因子均呈负相关，且超标时段主要在夏季，多集中在水温25～30 ℃区间内。从复氧因素看，在水温较高的夏季，由于七桥瓮断面所在河道的行洪及通航的功能要求，使其并不具备先天的复氧优势。从耗氧因素看，当夏季汛期来临，伴随上游来水中耗氧有机物及营养物质的增加，污染物的氧化分解加快了DO的消耗，此时不利的复氧条件，使七桥瓮断面DO无法得到及时补充，从而使七桥瓮断面水质受到影响。

因此，夏季水温较高，水体DO饱和度降低，但水中污染物生化降解速率会随水温升高而加快，从而增大DO消耗速率。同时位于外秦淮河下游的七桥瓮断面，受上游来水因夏季汛期降雨及泵站排放等影响，将大量营养物质及耗氧有机物带入水体，当水量在一定范围内时，污染物降解会迅速消耗DO，水体复氧速率小于耗氧速率，DO含量持续下降。

4 结论与建议

(1) 2018—2020年，南京市DO年均值为7.7～8.2 mg/L, 在空间上中心主城区及附近区域ρ(DO)相对较低。ρ(DO)季节性分布特征明显，呈秋、冬季大于春、夏季的趋势，夏季ρ(DO)最低。

(2)2018年1月—2021年6月，七桥瓮水质自动站DO月均值为2.25～11.07 mg/L，DO波动超标时间连续集中，主要集中在5—9月，存在昼大于夜的特征，DO变化在昼间16：00(最大值)和夜间04:00 (最小值)2个时段体现的相对明显。

(3)ρ(DO)除与pH值呈正相关，与水温、ρ(CODMn)、ρ(NH3-N)、ρ(TP)均呈负相关关系。水温和上游来水带入的耗氧污染物是七桥瓮断面ρ(DO)偏低的主要成因。其中，ρ(DO)与水温相关性最显著。夏季由于水温较高，水中DO饱和度降低，同时对七桥瓮断面而言因夏季汛期降雨及泵站排放等影响使径流污染增加，水中污染物降解耗氧增加使ρ(DO)超标频率增加。

(4)ρ(DO)影响因素及机理复杂且存在多种机制共同作用，限于本次数据及分析的局限性，对ρ(DO)偏低的其他影响因素以及上游来水的影响机制都有待进一步探究。