东江北干流溶解氧时空分布特征及影响因素探讨

2024-03-12孙玲玲何颖清

长江科学院院报 2024年3期

王菊,吴琼,罗欢,3,4,孙玲玲,李宁,何颖清

(1.河海大学港口海岸与近海工程学院,南京 210098; 2.珠江水利科学研究院,广州 510610;3.水利部粤港澳大湾区水安全保障重点实验室,广州 510610; 4.广东省河湖生命健康工程技术研究中心,广州 510610)

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、生态健康的重要因子,衡量水体自净能力的重要因素[1-3]。同时,溶解氧也是水生生物生存的必要条件,多数水生动物对溶解氧的变化较为敏感,低溶解氧会威胁到物种竞争发展的空间,严重会导致物种的消亡,同时溶解氧也是各种氧化-还原反应的参与者,可以促进水体中污染物降解。自然河流中溶解氧的主要来源为大气中氧气的溶解和浮游植物的光合作用,主要的消耗途径可分为物理消耗、化学消耗和生物消耗[4-5]。

随着水环境保护与治理愈发严格,越来越多的学者重视对水体中溶解氧影响因素的研究,并取得了大量有益的成果。陈永灿等[6]探讨了水位、流量因素对三峡大坝下游水体溶解氧量的影响,研究表明下游溶解氧量随流量的增加和下游水位的升高而增大。高锐等[7]指出夏季潘家口水库热分层是导致溶解氧出现极小值的关键物理因素。孙毅等[8]基于2018年早春和夏季长江口邻近海域的调查数据发现浮游生物光合作用产生的DO是夏季表层水体过饱和的主要因素。李照等[9]研究发现低氧现象与表层浮游植物的生长和现存量密切相关。魏鹏等[10]指出水体中氨氮的硝化与反硝化、有机物的分解过程均会消耗溶解氧。基于上述分析,影响DO的因素众多,对此应该针对研究区域特征,甄选主要因素,实现精细化管控。

东江北干流位于东江下游河段,两侧城市化程度较高,人口密集工业发达。沿岸大量生产及生活污水排入东江支流后再汇入东江北干流,使得东江北干流水环境有恶化趋势,还原性污染物引发的水质缺氧现象频繁出现[11]。近年来随着水环境整治力度的加大,河流水质有了一定的提升,但溶解氧偏低问题依然突出,因此需要探究东江北干流溶解氧的分布规律,揭示溶解氧变化的主要驱动因子。本文通过收集2018—2022年东江北干流主要监测断面的水质资料,分析DO总体的时空分布特征,评价DO浓度对环境影响因子的敏感性,旨在为东江北干流的水质提升以及重点断面溶解氧达标提供理论依据。

1 研究区域和方法

1.1 研究区域概况

东江发源于江西省寻邬县娅鬓岭,干流由东北向西南流经龙川、河源、紫金、惠州至东莞石龙,石龙以下进入北干流和南支流两大水道之间的三角洲河网区,然后经多个口门汇入狮子洋,经虎门出海,流域总面积为35 340 km2。东江北干流从增城区东南与博罗石湾镇交界处自东向西经新塘流入广州市黄埔区,全河段流程约41 km,河宽约为250～800 m,是区域最大的客水河流。东江北干流饮用水源保护区是广州中心区东部和增城南部以及东莞中堂镇的主要供水水源,位于珠江流域东江水系北干流新塘段。现有取水口6个,自来水厂3个,总供水能力6.2亿m3/a,供水人口272万人。研究区域河流水系及监测断面位置如图1所示,其中大墩断面是国家在东江北干流所设的最后一个考核断面,是东江北干流入狮子洋的入海口断面,其水质状况对东江北干流及东江水环境整体评价具有重要意义。

图1 研究区域及监测断面示意图

1.2 监测项目与数据处理方法

本文选取东江北干流沙河口、江龙桥、增江口、大墩、墩头基、莲花山断面的水质数据进行实例研究,数据来源于广东省地表水水质监控平台,监测项目主要有溶解氧(DO)、水温、pH值、高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、总氮(TN)等。降雨数据由广州市增城区气象局提供。遥感数据源为哨兵二号多光谱影像,空间分辨率为10 m,进行水陆分离运算后提取出叶绿素浓度图,然后采用卫星同步水面监测数据对遥感结果进行精度验证,结果精度可达76%[12]。

采用Excel 2016、Origin 2018数据处理软件分析指标变化特征,使用SPSS26软件对DO与水环境影响因子进行皮尔逊相关性分析以及多元线性回归分析。根据上游控制断面流量以及外海潮汐边界,利用Mike软件建立二维水动力数学模型计算东江北干流水动力情况,分析水动力变化与DO的相关关系。

2 结果与讨论

2.1 东江北干流DO时空变化特征

分析图2可得,与2019年相比,2021年沙河口、江龙桥、增江口、大墩、墩头基、莲花山6个断面的DO浓度都有了显著提升,年均值分别提高了53.33%、11.42%、7.30%、20.95%、62.91%、38.23%。2019—2021年各断面DO达标率逐年升高,可见东江北干流水质整体有好转的趋势。从年内变化来看,各断面DO浓度变化趋势约有两涨两落,一般而言DO浓度在1—2月份开始下降,后在5、6月份有第一次回升,随后在7月份左右明显下降,10月份以后有再次回升的趋势。DO浓度变化呈现出季节性差异,一年中表现为冬季最高,夏秋季最低。夏秋两季较高的水温将导致水体中DO的饱和度降低以及水中污染物生化降解速率加快,同时增大了DO的消耗速率。

图2 2019—2021年各监测断面DO变化趋势

在空间上,东江北干流DO分布不均匀。2019年,中游增江口、江龙桥、大墩断面DO浓度明显高于上、下游断面,DO浓度年均值为5 mg/L左右,而下游莲花山、墩头基断面DO浓度全年低于Ⅱ类水标准。2020年下游断面DO浓度与其他断面差值缩小,6个断面DO变化趋势大致相同。2021年江龙桥断面DO浓度下降最为剧烈,在8月份达到全年最低值。综合历年结果来看,东江北干流上游断面(沙河口、江龙桥)DO浓度与中游(增江口、大墩)相比稍低,下游断面(墩头基、莲花山)则明显低于上中游断面。

2.2 大墩断面DO变化特征

2.2.1 DO逐月变化特征

收集2018年1月—2022年7月大墩断面溶解氧逐月数据,其变化趋势见图3。大墩断面DO浓度月均值变化范围为2.14～11.00 mg/L,全年DO不达标的时段呈现出集中性、连续性,主要集中在4—10月份,2018年10月DO浓度最低,为2.14 mg/L,低于Ⅳ类水标准。每年的1—3月、11—12月DO浓度较高,峰值出现在2021年1月,达到了11 mg/L。

图3 2018年1月—2022年7月大墩断面DO逐月变化

从2018—2021年历年结果来看,大墩断面DO浓度整体有了明显的上升趋势,2018—2021年达标月的数量分别为3、4、6、7,达标率逐年提高。分析2022年1—7月大墩断面DO数据,大墩断面的平均水质为Ⅱ类,其中1—3月份均为Ⅱ类,4—7月份均为Ⅲ类。

2.2.2 DO丰-枯水期变化规律

统计2018—2021年大墩断面DO浓度月均值,不同水期DO分布情况如图4所示,其中丰水期为每年的5—8月,枯水期为1—2月和11—12月,平水期为3—4月和9—10月。DO数据在平水期较为分散,而在丰水期分布最为密集,分别介于3.12～5.45、3.98～6.32、4.72～5.63、4.50～6.30 mg/L之间,该时期DO不达标情况明显。此外,枯水期DO具有逐年上升的趋势,表明枯水期水质在不断好转。2018—2021年,丰水期DO浓度均值比枯水期分别低0.05、1.62、2.52、2.58 mg/L。整体而言,DO呈现出明显的丰枯季变化,即枯水期>平水期>丰水期。这一规律在东江南支流(东莞段)、珠江口等区域也有发现[13-14]。造成这一现象的原因一方面是由于丰水期水温较高,致使氧气在水中的溶解度变低;另一方面丰水期降雨量远大于枯水期,排涝站及涵闸打开将导致该流域内大量生活污水、养殖水体的汇入,非点源污染加重,使得水体中增加大量耗氧物质[15]。

图4 2018—2021年丰-枯水期大墩断面DO分布情况

2.3 大墩断面低氧成因分析

2.3.1 水质因子的影响

对2018—2022年大墩断面水质自动站逐月数据进行Pearson相关性分析,结果见表1。在各项水质物化指标中,DO与水温呈显著的负相关关系,其次是与pH值、TP的相关性较高,相关系数分别为0.435、-0.315,说明水温是影响DO浓度的主要因素,这与多数文献研究结果相同[15-16]。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,当浮游植物生长旺盛时,光合作用消耗水中的二氧化碳使水体pH值升高,同时释放氧气。DO与浊度呈负相关关系,相关性系数为-0.222,水体浊度增加在一定程度上会阻碍水生生物的光合作用,减少了DO补充的来源[17]。

表1 大墩断面DO与水质因子的相关性

此外,DO与污染物指标TN、CODMn、NH3-N的相关性系数分别仅为-0.074、-0.190、0.002,线性相关性不明显,因此考虑DO与多重因素的复合影响。

根据Pearson相关性计算结果由大到小将影响因子逐步纳入多元线性回归分析,结合表2中多元线性回归分析结果可知,对于大墩断面,水温可以解释DO整体变化的62.1%,叠加pH值和TP两个变量后,相关性系数提升至74.5%。在此基础上依次叠加CODMn、浊度以及TN、NH3-N,对大墩断面DO的解释度分别提高了2.3%和1.7%。事实上,氮、磷元素是水生植物的主要营养来源,也是河流出现富营养化的主要指标。氮物质的转化需要氧的参与,会消耗水体中的氧。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[10,18]。

表2 大墩断面DO多元线性回归结果

综合考虑除水温外的以上几项影响因素,可将相关系数提升16.4%,仍说明水温是影响该断面DO变化的主要原因。

大墩断面DO浓度与水温变化关系如图5所示。水温与溶解氧呈明显的反向波动趋势,2021年9月—2022年8月大墩水质自动站水温为14.3～33.2 ℃。从数据分布来看,当DO浓度<6 mg/L时,水温为20.7～33.2 ℃,一年中水温在25 ℃以上的分布比例较高,该温度区间DO超Ⅱ类占比也较高(85.9%)。

图5 大墩断面DO浓度与水温变化关系

2.3.2 浮游植物的影响

由于缺少实测藻类数据,本节通过基于大气、水体辐射传输机理构建的水质反演模型,获取空间分辨率优于10 m的叶绿素a浓度反演结果。叶绿素a浓度是反映水体初级生产者(浮游植物)生物量的重要指标,其分布特征反映水体中浮游植物丰度及变化规律[19],因此通过分析DO浓度与叶绿素a浓度的相关性来讨论浮游植物对东江北干流DO浓度分布的影响。

由图6可知,2022年3个遥感监测时刻的叶绿素a浓度均表现出明显的空间分布特征,即上游至下游呈现逐步递减的趋势。且该趋势与自动监测站点获取的DO空间分布基本吻合(图7),进一步说明叶绿素a浓度可以在一定程度上指示干流的DO状况,该时段DO浓度与叶绿素a浓度存在一定的相关性。水体中的DO含量往往是反映生物生长状况和污染状态的重要指标,研究表明浮游植物生长吸收水体氮、磷营养盐,同时光合作用释放氧气,使水体中DO含量提高,而浮游植物死亡时,有机质降解则会消耗水体中的DO[19]。

图6 哨兵二号叶绿素a浓度遥感反演结果

图7 正午时刻(对应卫星影像成像时刻)的DO分布

对于单个自动监测站点,受沿岸支流的汇入,DO分布与水表叶绿素a浓度可能出现偏差。例如4月4日的增江口断面,DO浓度显著高于上游的江龙桥、下游的大墩断面;而此时的叶绿素a浓度遥感反演结果显示,增江口的叶绿素a浓度普遍低于上下游。说明在具体的支流汇入口,叶绿素a浓度并不能完全反映水体的DO分布,还需进一步结合其他理化参数进行分析。

2.3.3 降雨的影响

2022年5月15日—8月18日大墩断面的降雨量、NH3-N、TP、DO逐日变化见图8。该时段日均降雨量在8 mm以上,为汛期主要时段。由图8可知,NH3-N、TP与降雨量呈显著的正相关关系,浓度伴随着降雨量的增加而增加,在日降雨量>40 mm时,NH3-N浓度显著升高至0.3～0.4 mg/L,TP浓度升高至0.1 mg/L,无降雨时又下降至0.1 mg/L以下。与之相反,DO与二者总体呈负相关关系,且这种趋势随着降雨量的增加而加剧。相关研究[17,20-21]表明,汛期带来的降水及河流径流会将上游及支流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,DO浓度下降。东江北干流整个流域降雨持续时间长,降水量大,导致面源污染突出,大墩断面受降雨带来的面源及农业等污染影响,水质污染物指标出现明显的上升。

图8 典型时段降雨量与DO、NH3-N、TP浓度的关系

2.3.4 水动力的影响

东江北干流最终在东莞麻涌涌口汇入狮子洋,下游受潮汐影响显著。为研究潮汐水动力过程对大墩断面DO浓度的影响,将距离大墩断面较近的增江口断面纳入分析,比较涨潮、落潮时刻两个断面的水动力情况,如图9所示。涨潮期间,大墩断面附近流速约为0.6～0.9 m/s,下游流速明显高于增江口断面。退潮期间,大墩断面与增江口断面流速整体相差不大,流速基本在0.2～0.5 m/s之间。各断面流速随潮汐变化规律明显,均是涨潮流速大于落潮流速。

注:图中采用北京54坐标系。

图10为2022年枯水期东江北干流潮位过程以及对应时刻大墩断面和增江口断面DO变化情况。由图10可知,DO变化趋势与潮汐过程有一定的对应关系,即涨潮时DO浓度升高速度较快,而落潮历时较长,流速较小,导致水体充氧速度较慢。比较2个断面可知,增江口断面DO浓度总体较高,随潮汐波动幅度在7.96～8.59 mg/L之间;大墩断面DO浓度随潮汐波动较大,波动幅度在6.86～8.34 mg/L之间,其波动变化与潮汐相关性明显。大墩断面距离入海口较近,在整个涨落潮期间,下游水动力情况良好,水面波动越剧烈,一定时间内水体中的溶氧速度越快。实际上潮汐可促进水体交换[22],改善河道水动力条件,恢复水体自净能力,进而可缓解水体低氧的现象。

图10 潮位过程曲线和潮周期DO变化情况

2.3.5 其他影响因素

此外,剑潭大坝下泄底层水会对干流水质造成明显扰动。剑潭大坝位于大墩断面上游大约83 km,大坝下泄将提高东江水位5 m多且放水多为底层水,底层水溶解氧含量低,与空气接触时间短,大坝排放水溶解氧含量低。流速大约0.63～1.00 m/s,传播时间约为24～36 h。

2022年8月上旬,东江流域博罗城下—大墩段出现一次全流域水质整体异常下降现象,如图11所示。后经了解,剑潭大坝枢纽工程因“木兰”台风来袭,存在加大下泄(由原1 100 m3/s左右提升到1 600～1 700 m3/s)、腾空库容的水利调度行为。初步推断,由于事前东江流域降雨偏少,加大下泄的水可能非表层水,底层水体中N、P、Fe、Mn等耗氧物质浓度较高,加上沿程沙河口、紧水河等支流污染物浓度较高水体汇入,从而对干流水质造成异常扰动,进一步降低了下游大墩断面DO浓度。相较于水量增加的动力充氧,水体中营养物质和有机物耗氧占据了主导地位,导致大墩断面DO无法得到及时补充,复氧速率小于耗氧速率,进而引起了DO浓度持续下降这一现象。