閩江下游水體溶解氧變化及其成因初探

福州市環(huán)境科學(xué)研究院　羅　丹

閩江下游水體溶解氧變化及其成因初探

福州市環(huán)境科學(xué)研究院羅丹

該文對(duì)閩江下游多個(gè)斷面水質(zhì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：閩江下游歷年溶解氧受閩江徑流量和污染物的影響而上下起伏，但總體呈現(xiàn)下降趨勢；水溫、pH、高錳酸鹽指數(shù)、電導(dǎo)率、氨氮、總磷、水口水庫下泄流量及降雨量等因素均對(duì)溶解氧有不同程度的影響，其中水溫和面源污染是影響閩江下游水體溶解氧的主要因素。

閩江下游溶解氧影響因素

表征水體自凈能力的溶解氧是衡量河流、水庫等水體環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，對(duì)于維持健康的水生生態(tài)系統(tǒng)有著重要的意義［1］。閩江是福建省內(nèi)最大的河流，具有供水、防洪抗旱、養(yǎng)殖、航運(yùn)等多種功能，也是海峽西岸沿海一帶的重要飲用水源地。近年來，由于閩江流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，閩江流域污染物排放量逐年增大，而污染治理設(shè)施相對(duì)滯后，并且受漲落潮這一特殊水動(dòng)力條件的影響，閩江下游竹岐以下水體頻頻出現(xiàn)溶解氧偏低現(xiàn)象。因此，研究閩江下游水體溶解氧變化規(guī)律及溶解氧偏低的成因，有利于提出有效保障閩江下游水體溶解氧達(dá)標(biāo)及水質(zhì)改善的措施和建議。本文根據(jù)收集到的近年來閩江下游多個(gè)斷面水質(zhì)資料，對(duì)閩江下游水體溶解氧變化及其成因進(jìn)行初步分析。

1　材料與方法

1.1數(shù)據(jù)收集

本研究收集了1993年～2011年閩江下游7個(gè)省控?cái)嗝嫠|(zhì)數(shù)據(jù)，2009年～2014年竹岐和原厝自動(dòng)站水質(zhì)數(shù)據(jù)，2011年～2014年水口水庫日下泄流量數(shù)據(jù)以及2011年～2013年福州市赤橋水文站的降雨量數(shù)據(jù)。

1.2數(shù)據(jù)處理和分析方法

采用MicrosoftOfficeExcel2003和SPSS17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

2　分析與討論

2.1閩江下游溶解氧歷年資料分析

自1993年水口水庫蓄水以來，閩江下游水體溶解氧整體較好，7個(gè)斷面平均值均達(dá)到地表水Ⅲ類，僅有格洋口斷面溶解氧偶爾出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象。格洋口、下西園溶解氧均值相對(duì)較低，主要是由于水口水庫下泄低溶解氧水復(fù)氧未及時(shí)導(dǎo)致，而魁岐溶解氧相對(duì)較低主要是福州市區(qū)工業(yè)、生活污染物排入北港污染所致。7個(gè)省控?cái)嗝鏆v年溶解氧受閩江徑流量和污染物的影響上下起伏不定，但總體呈現(xiàn)下降趨勢：其中竹岐、魁岐斷面溶解氧下降最明顯；其次是下西園、格洋口和灣邊，溶解氧稍有下降；而閩安和琯頭斷面水體受下游高溶解氧的海水稀釋，溶解氧基本無變化，如圖1所示。

圖1　閩江下游省控?cái)嗝鏆v年溶解氧變化

從歷年閩江下游溶解氧的沿程變化情況來看，水口水庫底層低溶解氧（一般在2.0mg/L以下）的水通過水庫閘門，水體溶解氧瞬時(shí)增大很多，經(jīng)過9.1km到格洋口斷面，水體平均復(fù)氧到6.13mg/L，溶解氧平均增大約4mg/L左右，但是仍有部分月份溶解氧達(dá)不到地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)（5mg/L），到20.5km的下西園斷面，溶解氧進(jìn)一步增加，平均增大至6.51mg/L，至45.4km的竹岐斷面，溶解氧繼續(xù)增大至平均7.27mg/L，進(jìn)入福州市區(qū)后，由于北港工業(yè)及生活污染物的排入，魁岐斷面溶解氧平均下降了近0.5mg/L，至閩安斷面，經(jīng)過20多千米的復(fù)氧過程及下游高溶解氧海水的稀釋，溶解氧恢復(fù)至竹岐斷面的水平，見圖2。

圖2　各斷面溶解氧沿程變化

2.2自動(dòng)站水質(zhì)變化分析

2.2.1溶解氧年際變化

竹岐自動(dòng)站和原厝自動(dòng)站2009年～2014年溶解氧監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：兩自動(dòng)站溶解氧年均值分別在5.88～7.08mg/L和6.22～6.87mg/L之間，竹岐自動(dòng)站溶解氧年均值近年來大致呈下降趨勢，原厝自動(dòng)站溶解氧年均值則是在6～7mg/L之間波動(dòng)。2009年～2012年年均溶解氧值為竹岐站位＞原厝站位，2013年～2014年年均溶解氧值為原厝站位高于竹岐站位（見圖3）。

圖3　竹岐和原厝站位溶解氧年變化

2.2.2溶解氧季節(jié)變化

兩個(gè)站位溶解氧變化均有顯著的季節(jié)性差異，竹岐站位溶解氧隨季節(jié)變化的順序依次為：冬季＞春季＞夏季＞秋季，原厝站位溶解氧隨季節(jié)變化的順序依次為：冬季＞春季＞秋季＞夏季。大體上，溶解氧呈現(xiàn)冬春季大于夏秋季的趨勢，如表1所示。

表1　溶解氧季節(jié)變化一覽表?。▎挝唬簃g/L）

2.2.3溶解氧超標(biāo)情況分析

近年來，溶解氧超標(biāo)情況較為明顯，2013年以前溶解氧超標(biāo)天數(shù)均為原厝站位多于竹岐站位，2013年以后則相反。2011年以來，溶解氧超標(biāo)現(xiàn)象愈加明顯，出現(xiàn)一個(gè)月內(nèi)溶解氧超標(biāo)天數(shù)超過15天的情況， 主要集中在5～9月份，這也導(dǎo)致這些月份容易出現(xiàn)溶解氧月均值超標(biāo)，詳見圖4～圖6。

圖4　竹岐和原厝站位溶解氧超標(biāo)天數(shù)

圖5　竹岐站位溶解氧月變化

圖6　原厝站位溶解氧月變化

2.2.4其它水質(zhì)指標(biāo)分析

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：竹岐和原厝自動(dòng)站近年來水溫和pH年均值變化不大，分別在21.3℃～21.8℃和20.4℃～22.3℃、6.46～7.03和6.81～7.14之間波動(dòng)；濁度和電導(dǎo)率變幅相對(duì)較大，分別在 7～51NTU和 24～64NTU、68～115μS/cm和86～106μS/cm之間波動(dòng)，原厝站位的濁度略大于同期竹岐站位的濁度；高錳酸鹽指數(shù)分別在1.8～2.5mg/L和1.4～2.4mg/L之間，兩站位高錳酸鹽指數(shù)均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢；竹岐站位總磷含量在0.05～0.13mg/L之間，大致呈升高趨勢，原厝站位總磷含量則在0.06～0.09mg/L之間波動(dòng)；竹岐站位氨氮在0.06～0.39mg/L之間，大致呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，原厝站位氨氮在0.15～0.23mg/L之間波動(dòng)，大致呈上升趨勢（見圖7）。

圖7　竹岐和原厝自動(dòng)站近年部分水質(zhì)指標(biāo)變化趨勢

2.3溶解氧變化的環(huán)境影響因素分析與討論

不少研究表明，水體中溶解氧的變化受水溫、pH、高錳酸鹽、懸浮物、營養(yǎng)物質(zhì)、徑流量等多種因素影響［1-4］。本文就溶解氧與水溫、pH、高錳酸鹽、濁度、電導(dǎo)率、氨氮、總磷、水口水庫下泄流量及降雨量間關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。

表2　竹岐和原厝自動(dòng)站溶解氧與影響因素的相關(guān)性

注：**表示在0.01水平上顯著相關(guān)，ns表示無顯著相關(guān)關(guān)系。

2.3.1水溫

竹岐和原厝自動(dòng)站水溫與溶解氧含量均呈現(xiàn)極顯著的線性負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r分別為-0.545（n=2053）和-0.565（n=2034），即溶解氧隨著水溫的升高而下降。這是因?yàn)?，一方面，水溫升高，水中氧的溶解能力降低，另一方面，溫度越高，水體中有機(jī)物質(zhì)分解消耗水中氧氣的速率越大。

2.3.2下泄流量

水口水庫下泄流量與竹岐站位溶解氧呈極顯著的線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r為0.116（n=1398）。一般認(rèn)為，水口水庫水體溶解氧很低，但水體中污染物濃度也很低，污染物耗氧量遠(yuǎn)小于大氣復(fù)氧，當(dāng)水體從水電閘門流出后，水體經(jīng)過大氣復(fù)氧，溶解氧迅速升高。因此，水口水庫下泄流量越大，竹岐站位的溶解氧越高。水口水庫下泄流量與原厝站位溶解氧則呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)。進(jìn)一步分析原厝站位溶解氧月均值與對(duì)應(yīng)水口水庫下泄流量的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，水口水庫下泄流量較小時(shí)（＜3000m3/s），原厝站位溶解氧隨著下泄流量的增加而降低，水口水庫下泄流量較大時(shí)（＞3000m3/s），原厝站位溶解氧隨著下泄流量的增加而增大。這可能是因?yàn)殚}江干流來水在淮安頭處分流后，原厝斷面徑流量小于竹岐斷面徑流量，加之北港水體受福州市區(qū)污染物的影響，導(dǎo)致下泄流量較小時(shí)，水體中污染物耗氧速率大于復(fù)氧速率，當(dāng)下泄流量足夠大時(shí)，水體中復(fù)氧速率才能大于污染物耗氧速率，水中溶解氧含量得以迅速回升。水口水庫下泄流量較大時(shí)主要集中在2012年和2014年的豐水期，導(dǎo)致近年來水口水庫下泄流量與原厝站位溶解氧大體上呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系（見圖8）。

圖8　原厝2011年～2014年溶解氧月均值與水口水庫下泄流量的關(guān)系

2.3.3降雨量

降雨量與竹岐和原厝自動(dòng)站溶解氧均呈現(xiàn)極顯著的線性負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r分別為-0.159（n=436）和-0.213（n=440）。降雨過程將面源污染物帶入水體，水體污染物濃度增高，加快污染物分解消耗水中氧氣的速率，造成水中溶解氧降低，且這種趨勢隨著降雨量的增加而加劇。

2.3.4濁度

竹岐和原厝自動(dòng)站濁度與溶解氧均無相關(guān)性。水的濁度不僅與水中懸浮物質(zhì)的含量有關(guān)，而且與它們的大小、形狀及折射系數(shù)等有關(guān)。水中含有泥土、粉砂、微細(xì)有機(jī)物、無機(jī)物、浮游生物等懸浮物和膠體物都可以使水質(zhì)變得渾濁而呈現(xiàn)一定濁度。所以，多方面因素影響弱化了濁度與溶解氧間的關(guān)系。

2.3.5電導(dǎo)率

竹岐和原厝自動(dòng)站電導(dǎo)率與溶解氧均呈極顯著的線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r分別為0.087（n=2033）和0.209（n=2033）。一方面，冬季枯水期水體中各種離子濃度相對(duì)夏季豐水期要高，水體中的電阻隨著離子數(shù)量的增加而減少，電導(dǎo)率隨之增加；另一方面，水體中無機(jī)酸、堿、鹽等離子的多少影響電導(dǎo)率，這些離子中有些要參與氧化還原反應(yīng)，會(huì)消耗水體中的氧，使水體中的溶解氧降低［5］。因此，電導(dǎo)率與溶解氧所呈現(xiàn)的關(guān)系是這兩方面因素綜合作用的結(jié)果。

2.3.6pH值

竹岐站位pH值與溶解氧呈極顯著的線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r為0.223（n=2053）。即水體中溶解氧隨著水體pH值的增加有上升的趨勢，這與潘向忠等［6］的研究相符。說明pH值與溶解氧的變化可能存在的內(nèi)在聯(lián)系，反映出浮游植物活動(dòng)對(duì)溶解氧變化有較大影響，浮游植物大量生長時(shí)，往往提高pH值，同步因植物光合作用而釋放氧氣［7］。

2.3.7高錳酸鹽指數(shù)

竹岐站位高錳酸鹽指數(shù)與溶解氧存在極顯著的線性負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r為-0.119（n=2049），即水中溶解氧含量隨著高錳酸鹽指數(shù)的上升而下降。高錳酸鹽指數(shù)常被作為水體受還原性有機(jī)物和無機(jī)物污染程度的綜合標(biāo)志。水體中存在的還原性物質(zhì)能消耗溶解在水中的氧，從而降低水中的溶解氧含量。

2.3.8總磷

竹岐站位總磷與溶解氧存在極顯著的線性負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r為-0.087（n=2014），即溶解氧含量隨著總磷含量的升高而降低。營養(yǎng)鹽分解會(huì)消耗水中的氧氣，夏季底質(zhì)中的磷通過厭氧釋放進(jìn)入水體，造成整個(gè)水體中總磷濃度升高，加速了水中氧的消耗，導(dǎo)致溶解氧降低。

2.3.9氨氮

原厝站位氨氮與溶解氧存在極顯著的線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r為0.151（n=1603）。這可能是因?yàn)槎究菟诤恿鲝搅髁咳曜钚。菂^(qū)排放的生活污水和工業(yè)廢水進(jìn)入水體后導(dǎo)致氨氮濃度相對(duì)較高，夏季豐水期河流徑流量大，水體自凈能力強(qiáng)，經(jīng)稀釋混合及降解作用，水體中氨氮濃度相對(duì)較低，因此呈現(xiàn)出溶解氧含量隨著氨氮濃度降低而減少的趨勢。

2.4溶解氧超標(biāo)原因分析

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，近年竹岐和原厝自動(dòng)站溶解氧超標(biāo)多集中在水溫20℃以上，水口水庫下泄流量小于3000m3/s的夏秋季。這也是福州降雨量較多的時(shí)期，即5～6月的雨季和7～9月的臺(tái)風(fēng)季。竹岐和原厝自動(dòng)站溶解氧超標(biāo)時(shí)水溫達(dá)到20℃以上的分別占各自超標(biāo)總數(shù)的93.0%和89.5%，溶解氧超標(biāo)時(shí)水口水庫下泄流量小于3000m3/s的分別占各自超標(biāo)總數(shù)的91.5%和94.9%。竹岐和原厝站位分別有79.2%和79.1%的溶解氧超標(biāo)情況出現(xiàn)在降雨的當(dāng)天或者第二天，而且超標(biāo)持續(xù)時(shí)間長短與降雨量大小有著較為密切的關(guān)系。

可見，水溫是影響溶解氧的關(guān)鍵因素。夏秋季的高水溫降低了水中氧的溶解度，增大了水體中有機(jī)物質(zhì)分解消耗水中氧氣的速率，另一方面使底質(zhì)在厭氧狀態(tài)下釋放出氮、磷等物質(zhì)，這些物質(zhì)在水體中分解，更加速了水中氧的消耗，造成水體中溶解氧急劇下降，甚至超標(biāo)。而城區(qū)及其上游的面源污染則是導(dǎo)致溶解氧超標(biāo)的另一重要原因。雨季、臺(tái)風(fēng)季帶來的降水及河流徑流，將城區(qū)及其上游的大量污染物帶入水體，當(dāng)來水量小于一定量時(shí)，大量污染物分解迅速消耗水中的氧，耗氧速率大于復(fù)氧速率，溶解氧急劇下降。持續(xù)的高水溫和隨著降水及河流徑流帶入的面源污染物導(dǎo)致竹岐和原厝站位溶解氧在一段時(shí)期內(nèi)持續(xù)處于較低水平。

3　結(jié)論

（1）7個(gè)省控?cái)嗝鏆v年溶解氧受閩江徑流量和污染物的影響上下起伏不定，但總體呈現(xiàn)下降趨勢，從溶解氧的沿程變化情況來看，水口水庫底層低溶解氧的水通過水庫閘門，水體溶解氧瞬時(shí)增大很多，到格洋口斷面，水體復(fù)氧基本達(dá)到地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，到此后的下西園和竹岐斷面，溶解氧持續(xù)升高，進(jìn)入福州市區(qū)后，由于北港工業(yè)及生活污染物的排入，魁岐斷面溶解氧下降，至閩安斷面，經(jīng)過復(fù)氧過程及下游高溶解氧海水的稀釋，溶解氧恢復(fù)至竹岐斷面的水平。

（2）竹岐自動(dòng)站溶解氧年均值近年來大致呈下降趨勢，原厝自動(dòng)站溶解氧年均值則是在6～7mg/L之間波動(dòng)。兩個(gè)站位溶解氧變化均有顯著的季節(jié)性差異，大體上冬春季大于夏秋季。近年來兩個(gè)站位溶解氧超標(biāo)情況較為明顯，主要集中在5～9月。

（3）相關(guān)分析表明，水溫、pH、高錳酸鹽指數(shù)、電導(dǎo)率、氨氮、總磷、水口水庫下泄流量及降雨量等因素均對(duì)溶解氧有不同程度的影響。結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析，高水溫和降水及河流徑流帶來的面源污染物是竹岐和原厝站位溶解氧超標(biāo)的主要原因。

（4）影響水體溶解氧含量的因素復(fù)雜多變，各種因素間還存在協(xié)同作用。限于本次收集數(shù)據(jù)的局限性，對(duì)影響閩江下游溶解氧變化的它其因素，還有待進(jìn)一步的探討和研究。

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