闽江水口水库溶解氧演变机制研究

林秋红

(福建省水利水电勘测设计研究院有限公司,福建 福州 350001)

1 概述

水口水库位于闽江中下游,是闽江干流的最后一级径流式电站,坝址控制流域面积52438km2,占闽江全流域面积的86%。水库库区呈狭长形,库尾到坝址河段长近100km,属典型的河道型水库。坝址处年径流总量548.7亿m3,水库总库容26.0亿m3,调节库容8.4亿m3,具有季调节性能。近年来,水口电站常出现季节性氧亏现象,最低溶解氧不足1mg/L,水体发黑,鱼类因缺氧死亡,对生态环境造成严重影响［1］。本文分析了溶解氧层化结构演变、溶解氧—水质响应情况及水库耗氧机制,以期为水库氧亏现象机制研究提供参考。

2 数据来源和分析方法

2.1 数据来源

分别于2021年4月、6月、8—10月、12月对水口水库坝前断面的不同水深进行分层水质监测,监测指标包括溶解氧、水温、氨氮、高锰酸盐指数和叶绿素a。同时,收集十里庵、雄江断面2005—2022年溶解氧的监测资料,资料来源于生态环境部门。监测断面布设如图1所示。

图1 水口水库监测断面布设图

2.2 数据分析

采用实验室分析,方法依照《地表水环境质量监测技术规范》(HJ 91.2—2022)中相关要求进行操作。

3 结果与分析

3.1 溶解氧和水温层化结构演变

如图2所示,4—9月,水口库区内的溶解氧层化结构明显,表层水体的溶解氧浓度普遍较高,其主要来自大气复氧和藻类等初级生产力产氧。

(a)溶解氧

氧跃层主要位于表层至水深10m处,溶解氧浓度随着水深增加而大幅度降低。一般而言,氧跃层出现的原因主要包括：①温跃层的温度梯度限值垂向混合,导致上层水体对氧跃层的溶解氧补给少;②氧跃层内的浮游动物呼吸耗氧,同时浮游动物捕食浮游植物,导致浮游植物减少,使光合作用产氧量减少;③进入氧跃层的有机体颗粒物氧化分解［2］。虽然水口水库的水温分层现象不明显,但水深10m处与表层水体水温仍存在一定差异,温跃层和氧跃层都出现在水深10m处,且在水深10m 处的叶绿素a浓度也发生明显下降(表1),6—9月的平均浓度仅有库表的50%,显然溶解氧浓度与叶绿素a浓度都发生了同步降低。

表1 叶绿素a的分层浓度 单位：μg/L

氧亏层主要出现在水深30m以下,并且在8—9月的水深30m以下才逐渐出现氧亏现象,4月和6月该水层的溶解氧浓度仍高于4mg/L。这可能是源于入汛后,此上游来水对水口水库各水层的扰动明显,富氧水体经横向对流扩散进入中下层,使中下层的溶解氧含量升高。8—9月水温升高,加速水库底层沉积物界面的氧化还原反应,使库底氧气进一步消耗,出现氧亏现象［3-4］。虽然8月库表的溶解氧为7.1mg/L,但到水深10m以下的氧跃层便不足4mg/L,同时,表层的叶绿素a浓度高达49μg/L,说明此时表层溶解氧浓度较高主要是由藻类密度高引起的。当9月库表藻类浓度较低时,库内溶解氧浓度整体较低,从库表至库底均出现氧亏现象。10月,水深0～10m的水体出现逆温分层,5m水深处水温略高于表层水体,使得水深0～10m处的水团发生垂向对流,表层水沉降,下层水温较高的水团上浮,而水深0～10m处恰好也是氧跃层。氧亏时期,表层溶解氧也出现了下沉现象,水深5m处的溶解氧浓度略高于表层水体,说明表层水体与氧跃层水体发生了充分混合,使表层水体溶解氧进一步降低,水库整体出现氧亏现象。12月,库区溶解氧基本恢复,无分层现象出现,各水层溶解氧浓度基本处于4mg/L左右,仍处于偏低的水平。

3.2 水质—溶解氧响应分析

水温分层使垂向各层水体内的水动力条件差异显著。一般而言,较大的温度梯度会导致较大的密度梯度,可抑制水体的垂向混合［4-5］,特别是能有效阻止风浪水流对沉积物—水界面的扰动,一般不会发生强烈的混合作用。但水口水库不属于稳定分层型水库,沉积物—水界面易受到扰动,并且水库可形成循环水体,表层富氧水体和中下层缺氧水体会发生混合。通过分子扩散和水团交换,上层溶解氧向下层运移,同时,由于库底水温升高和湍流作用,沉积物和上覆水体的交界区域(沉积物—水界面)发生扰动,促进有机物的释放和微生物的耗氧分解,以致表层溶解氧逐渐被消耗降低。

从水深50m处的水质变化情况(图3)可以看出,6—10月,下层溶解氧逐渐降低,总磷、氨氮、总氮浓度增加,高锰酸盐指数浓度下降,说明底层溶解氧消耗的首要途径是有机物分解。12月,下层水温下降,沉积物的氧化还原反应受抑制,溶解氧的消耗速率降低,底层溶解氧升高,但仍处于较低的浓度水平。此时,高锰酸盐指数和氨氮浓度都有一定程度的下降,氨氮的下降幅度最明显,说明高锰酸盐指数的氧化还原基本达到平衡,溶解氧更多消耗于氨氮的氧化降解过程中。

(a)氨氮与溶解氧 (b)高锰酸盐与溶解氧 (c)总磷与溶解氧 (d)总氮与溶解氧

温跃层(水深10m)处,高锰酸盐指数浓度与溶解氧浓度呈反比,而氨氮与溶解氧的相关性不强,如图4所示,说明在温跃层的溶解氧主要也是在有机物的降解过程中被消耗。12月,温跃层的溶解氧升高,氨氮出现大幅度下降,此时高锰酸盐指数的浓度虽也降低,但总体幅度不大,说明此时溶解氧在温跃层更多是在氨氮的氧化降解过程中被消耗。

(a)氨氮与溶解氧 (b)高锰酸盐与溶解氧 (c)总磷与溶解氧 (d)总氮与溶解氧

3.3 溶解氧产生—消耗机制分析

水库中溶解氧的含量取决于溶解氧消耗与补充两种过程的强弱关系。一般来说,溶解氧的补充主要来自大气复氧、浮游植物光合作用,溶解氧的消耗包括有机质分解、生物呼吸作用、硝化作用和还原物质的氧化作用。当持续的溶解氧消耗大于外环境补充,就会导致溶解氧下降,最终出现氧亏状态。

水库的大气复氧速率受水深和流速影响,水口水库的平均水深超过50m,大气复氧速率受到明显限制。此外,大气复氧也与光照、库面辐射等因素有关,水口水库属狭长山谷河道型水库,从坝址到库尾有近100km的长度,且两岸山高坡陡,对日照的遮挡时间长,太阳的辐射能和光照时间都短于湖泊型水库,进一步限制了大气复氧的速度。

光合作用产氧主要来自库表的浮游植物。根据本次在坝址断面的分层水质监测结果,在水库溶解氧较低的时间段,其表层水体叶绿素a的浓度也发生明显下降,藻密度低;溶解氧浓度较高的时段,表层叶绿素a的浓度相对较高,如图5所示。说明初级生产力的产氧作用对水库溶解氧含量有较大的贡献。

图5 表层溶解氧与叶绿素a关系

溶解氧的消耗主要与污染物分解和生物呼吸作用等有关,但主要的影响因素仍是污染物分解。如图6所示,水口水库库尾十里庵断面的溶解氧浓度在大多数情况下比坝前的雄江断面高,说明水库从库尾到坝址长近100km的河段无法复氧,水库整体处于持续耗氧的状态。这与尤溪、古田溪两条大型支流及迪口溪、武步溪、新岭溪、高洲溪等直流入库的小型支流的污染输入有关,同时,库湾高密度的水产养殖对水口库区水体也有一定污染。

水库沉积物中初级生产力的残体也将消耗溶解氧。一般认为,水库沉积物的氧亏机制主要是由富营养水库表层初级生产形成的大量有机体(藻类),其衰亡沉降至库底后,沉积物中的微生物耗氧分解有机体而导致氧亏。水口库区的库湾区域,从建库后就是网箱养殖密集的区域,网箱养殖投加的饵料有60%～80%的氮、磷排入水体中［1］,营养盐丰富,藻类密度大。虽然近几年网箱养殖清理整顿力度加大,但历年养殖产生的污染仍沉积在库底,这就导致水口水库库底呈现缺氧的状态。同时,库表的凤眼莲在生长、衰亡过程中的凋落物和残体也有一部分沉降到水底,异养生物的食物链有所发展,水体耗氧量大大增加［2,6］。

4 结论

综上所述,水口库区内的溶解氧4—9月层化结构明显,氧亏层主要出现在水库深水区,并且随着汛期—平水期—枯水期的周期变化,出现氧亏层逐渐上移的趋势。10月,随着逆温分层出现,水库各个水深处都出现了氧亏的情况。出现氧亏现象的主要原因包括：

①季节变化,浮游植物死亡,初级生产力的产氧速率受限,水库中溶解氧补给不足。

②受地理条件及水库特性影响,库区大气复氧能力弱,且库区周边污染持续输入,水库整体处于耗氧的状态,从库尾到坝址近100km的河段溶解氧逐渐降低,无法复氧。

③夏季水温高,沉积物耗氧速率快,库底逐渐出现氧亏现象。

④当秋季气温下降水库出现逆温分层时,氧跃层、氧亏层水体发生完全混合,使表层水体溶解氧进一步降低,水库整体出现氧亏现象。

⑤冬季水温降低,库底沉积物的氧化还原反应受到抑制,溶解氧逐渐恢复,但仍处于比较低的浓度水平。

⑥溶解氧的消耗作用主要体现在有机物的氧化降解过程中,但在冬季受低温影响,有机物的氧化反应动力不足,溶解氧转而用于更易发生的氨氮氧化反应中达到平衡。