特大城市地表水環(huán)境溶解氧時空分布特征探究

王話翔 初曉冶 陳瑩 徐露 楊凱

摘要：通過溶解氧（Dissolved oxygen，DO）分布區(qū)域劃分方法對2016年上海市259個河道監(jiān)測點位溶解氧進(jìn)行時空分析得出：①DO均值為冬季>春季>秋季>夏季，非汛期>汛期：②DO呈明顯的空間分布差異，低DO區(qū)（DO<2mg/L）主要分布在城市化程度高的中心城區(qū)及附近城郊區(qū)域，隨季節(jié)、汛期發(fā)生變化，受地表徑流與泵站放江影響明顯，高DO區(qū)（DO>6mg/L）集中在水生態(tài)環(huán)境要求較高的區(qū)域，變化幅度較小，部分時段出現(xiàn)于郊區(qū)，全年DO含量分布多處于4～6mg/L，受工業(yè)、農(nóng)業(yè)等影響發(fā)生變化;③水質(zhì)因子相關(guān)性分析中DO與水溫（-0.434）、pH值（0.332）、高錳酸鹽指數(shù)（-0.219）、化學(xué)需氧量（-0.234）、五日生化需氧量（-0.197）、氨氮（-0.299）、總磷（-0.370）、總氮（-0.191）、揮發(fā)酚（-0.159）、石油類（-0.207）呈顯著相關(guān)，逐步回歸分析DO受水溫、pH、氨氮、總磷和石油類影響顯著，不同季節(jié)受制因子有所不同.

關(guān)鍵詞：溶解氧;時空分布;低氧區(qū);上海市

中圖分類號：X832

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-5641（2020）06-0154-10

0引言

溶解氧（Dissolved oxygen，DO）是指水體中所溶解的分子態(tài)氧，是表征水體質(zhì)量、河流生態(tài)系統(tǒng)健康的重要因子，其在水產(chǎn)養(yǎng)殖、“水華”以及“赤潮”的預(yù)警、水生動植物的生存遷移行為等方面均有較為深刻的影響，中國在常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測以及黑臭水體的判別中均將DO列為密切關(guān)注的水質(zhì)指標(biāo)之一.天然水體中DO過低會造成水體的黑臭、動植物的死亡及腐敗等現(xiàn)象，目前學(xué)界以及《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）一般將DO含量<2mg/L作為低氧條件，而從河流生態(tài)系統(tǒng)健康角度來看，適宜多數(shù)魚類生存的DO含量一般在4mg/L或5mg/L.影響DO的因子復(fù)雜多樣，不僅與水體中的pH值、溫度、氨氮等環(huán)境因子存在一定的相關(guān)性，還受氣象條件、水體流速、水體深度等因素影響.

特大城市由于人口密集、產(chǎn)業(yè)集中、建設(shè)用地面積較廣等因素，易使城市地表水環(huán)境受損，尤其是受季節(jié)性影響以及泵站放江污染等人為因素影響的傳統(tǒng)合流制中心城區(qū)，低溶解氧情況較為普遍，日益成為影響特大型城市水功能區(qū)達(dá)標(biāo)及河流生態(tài)健康管理的主要影響因素.目前對DO的研究多集中在海域、湖泊水庫及沿海陸地水體.部分研究集中在河段水體，對于城市區(qū)域大范圍河網(wǎng)的D0分布以及變化規(guī)律相關(guān)研究有待深入.城市地區(qū)水體DO的變化規(guī)律較為復(fù)雜，關(guān)于城市化對溶解氧變化規(guī)律特征的研究依然存在不足，文章對特大城市DO總體的時空分布特征及影響因素進(jìn)行了探討，以期為城市水環(huán)境的評價及適應(yīng)性管理提供相應(yīng)的基礎(chǔ)依據(jù).

1研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

上海市位于太湖流域東部平原感潮河網(wǎng)地帶，全年降水較為豐沛，平均海拔在4m左右，城市化進(jìn)程較快，城市化區(qū)域河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)趨于簡單，河網(wǎng)連通性下降.近年來上海對于黑臭河道整治力度加大，但在局部區(qū)域仍出現(xiàn)黑臭或低氧河道，DO總體水平還需提高，并逐漸由消除黑臭轉(zhuǎn)向進(jìn)一步提升水質(zhì).

研究數(shù)據(jù)依托上海市生態(tài)環(huán)境局環(huán)?？蒲许椖考啊八w污染控制與治理”科技重大專項，來源于上海市環(huán)境監(jiān)測中心2016年259個河道監(jiān)測點位12個月的水質(zhì)數(shù)據(jù)，涵蓋上海市所有行政區(qū)域，空間分布如圖1所示.監(jiān)測涉及的指標(biāo)有溶解氧（DO）、水溫（T）、pH值、高錳酸鹽指數(shù)（COD_Mn）、化學(xué)需氧量（COD_Cr）、五日生化需氧量（BOD₅）、氨氮（NH₃-N）、總磷（TP，以P計）、總氮（TN）、揮發(fā)酚（Vol-P）、石油類.

2研究方法

2.1環(huán)境因子對DO影響分析方法

運用IBM SPSS Statistics 23.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并求得指標(biāo)間的Pearson相關(guān)性.

運用灰色關(guān)聯(lián)分析得出各個環(huán)境因子與DO的關(guān)聯(lián)度，確定引入回歸模型的環(huán)境因子，避免多余的自變量對回歸模型結(jié)果產(chǎn)生影響.灰色關(guān)聯(lián)分析是由鄧聚龍教授提出的多用于判別序列間緊密程度的模型，首先建立序列矩陣，選取DO系列數(shù)據(jù)為參照數(shù)列：

2.2DO時空分布分析方法

運用Excel 2016、IBM SPSS Statistics 23.0等數(shù)理統(tǒng)計軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計核算，得出DO在不同時間尺度上的變化特征，運用ArcGIS 10.2地理處理軟件中Kriging插值對DO的空間差異進(jìn)行表征.

2.3DO劃分探討

為便于研究，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中水質(zhì)等級劃分，劣于V類水質(zhì)中DO<2mg/L是被廣泛定義的低氧條件，DO<2mg/L時會導(dǎo)致大量水生生物死亡，而適宜多數(shù)魚類生存的DO值一般為4mg/L（Ⅳ類水），也有部分學(xué)者把DO為5mg/L作為適宜大多數(shù)魚類生存的條件，哈希公司針對DO監(jiān)測儀器手冊中，將保障水生生物生存的最低DO范圍設(shè)置為4～5mg/L，本文選擇臨界值4mg/L進(jìn)行分析探討，將優(yōu)于I、Ⅱ類水，即DO>6mg/L的區(qū)域劃為高DO區(qū).

3結(jié)果分析

DO年均值為4.48mg/L，空間分布如圖2，由低DO區(qū)域呈邊緣擴(kuò)散逐漸升高，浦東新區(qū)沿海部分可達(dá)到5mg/L左右.DO年均值<2mg/L的情況占比較低，分布在黃浦江中下游，DO年均值<4mg/L主要分布在中心城區(qū)、浦東新區(qū)北部、寶山區(qū)和閔行區(qū)等城市化較高區(qū)域或集建區(qū)，約占38.37%;高DO區(qū)主要分布在崇明區(qū)與青浦區(qū)西南部;其他區(qū)域DO值多分布在4～6mg/L.

DO分布呈季節(jié)性差異（見圖3）.冬季（5.82mg/L）>春季（5.11mg/L）>秋季（3.64mg/L）>夏季（3.42mg/L），非汛期（4.95mg/L）>汛期（3.51mg/L），各季節(jié)DO值分布范圍差值差異不明顯，DO總體分布閾值春、冬季較夏、秋季高.DO季節(jié)空間分布特征變化明顯（見圖4），夏、秋季除青浦區(qū)西南部和崇明區(qū)的DO含量在6mg/L左右，其他區(qū)域基本處于DO<4mg/L范圍，分別占72.96%、66.37%，主要在浦東新區(qū)、閔行區(qū)、寶山區(qū)、松江區(qū)東部以及工業(yè)區(qū)相對密集、城市化程度較高的奉賢區(qū)西部和金山區(qū)東部，秋季基于夏季范圍“收縮”;春季、冬季DO空間分區(qū)明顯，DO值明顯改善，冬季奉賢區(qū)東部以及浦東新區(qū)南部由夏季的低DO區(qū)域轉(zhuǎn)向高DO區(qū)域.

DO含量在月份變化中2月均值（7.47mg/L）最高，而水溫（6.06℃）最低，沒有明顯DO<2mg/L的區(qū)域，之后T逐漸升高，DO含量慢慢降低，T降低后，DO含量又緩慢上升（見圖5和圖6）.DO<2mg/L區(qū)域以夏、秋季為主，從5月起，中心城區(qū)、閔行區(qū)和寶山區(qū)南部開始集中出現(xiàn)DO<2mg/L區(qū)域，并逐漸變化轉(zhuǎn)移，8、9月逐漸減少，10、11月集中出現(xiàn)DO<2mg/L區(qū)域;5-10月份大部分區(qū)域處于DO<4mg/L，主要分布在中心城區(qū)絕大部分區(qū)域、閔行區(qū)、寶山區(qū)以及金山區(qū)、嘉定區(qū)、奉賢區(qū)及松江區(qū)部分區(qū)域.DO>6mg/L主要集中在青浦區(qū)西南部（1-5、12月）、崇明區(qū)（1-5、12月及6-11月部分區(qū)域），同時奉賢區(qū)（2、3月）、浦東新區(qū)2月、嘉定區(qū)（2、3月）也有高DO區(qū).

4討論

4.1溶解氧總體變化影響因素

對水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，DO的總體變化與各水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性、關(guān)聯(lián)度以及不同時間段的主要影響指標(biāo)如表1和表2.水體中DO的產(chǎn)生主要通過水體復(fù)氧及水生植物的光合作用兩種方式，而T、pH值以及TP、TN是植物生長與影響水面氧分子溶解度的重要因素.

DO的總體變化趨勢主要受T（水溫）與pH值影響明顯，與兩者的相關(guān)系數(shù)分別為-0.434和0.332，這與多數(shù)文獻(xiàn)研究結(jié)果相同，關(guān)聯(lián)度排序與逐步回歸分析中T和pH值均是主要的影響指標(biāo)，且分別在3個季節(jié)中成為影響DO的主要因素之一.TP、TN是水生植物的主要營養(yǎng)來源，也是出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象的主要指標(biāo)，DO與TP、TN均呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.370、-0.191.一般情況下，厭氧環(huán)境會促使沉積物中磷的釋放，導(dǎo)致水體中TP升高，而氮物質(zhì)的轉(zhuǎn)化需要氧的參與，消耗水中的DO.

逐步回歸分析中，全年DO主要受T、pH值、NH₃-N、TP和石油類影響明顯，四季中T、pH和NH₃-N三者影響相對顯著.夏季T影響不顯著，可能是夏季T升高，提高了微生物活性，內(nèi)源污染從底泥中被釋放，影響程度被相對削弱;冬季pH值影響程度下降，可能由于冬季pH值變化范圍減?。ù杭緋H值為6.65～8.49，冬季pH值為7.11～8.28），水生植物發(fā)育遲緩或停滯，同時TP、TN消耗降低，對DO影響程度也不顯著.春季氣溫回暖，藻類開始繁殖，水體pH值出現(xiàn)升高趨勢，TP、TN作為水生植物的營養(yǎng)物質(zhì)影響顯著，同時春季有機(jī)耗氧污染較高，其通過生化降解中氧化反應(yīng)消耗DO;秋季與春季的影響因素主要區(qū)別在于秋季的NH₃-N影響顯著，主要受徑流污染影響，其他指標(biāo)在受T的影響下與春季的影響程度基本相同.

4.2中心城區(qū)溶解氧變化特征

中心城區(qū)整體DO<2mg/L的比例較其他區(qū)域大，占20.1%，汛期占51.8%，汛期季節(jié)響應(yīng)程度較低，通過上海市監(jiān)測中心提供的2015年蘇州河武寧路斷面在線監(jiān)測數(shù)據(jù)中DO<2mg/L的時長為4869h，約占總監(jiān)測時長的55.6%，5-11月DO均值在3mg/L左右，主要分布在中心城區(qū)與浦東新區(qū)交界處、黃浦江中下游片區(qū)，受高度城市化以及合流制系統(tǒng)雨天溢流放江、分流制雨污水管網(wǎng)混接影響比較大.而在2、3月DO部分區(qū)域均值略高，可能由于非汛期人工曝氣等設(shè)施作用影響，或是春季營養(yǎng)鹽豐富，藻類生長旺盛，前期產(chǎn)氧能力較大.

上海市生態(tài)環(huán)境局在對《上海市防汛泵站污染物放江監(jiān)管辦法（暫行）》的政策解讀中提到，中心城區(qū)降雨前后河道出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象，主要由于合流制排水系統(tǒng)雨天泵站的溢流污染及分流制排水系統(tǒng)雨污水管道混接帶來的初期雨水污染造成的，如在靜安區(qū)有5條河被列為黑臭河道，2016年僅完成了徐家宅河的整治，所以在夏季溫度上升與泵站放江時導(dǎo)致嚴(yán)重淤積的底泥上浮，加重并延長了水質(zhì)惡化時間，大面積低DO區(qū)產(chǎn)生，放江直接導(dǎo)致了較為明顯的DO降低;而分流制初期雨水污染較嚴(yán)重與中心城區(qū)的高度城市化有關(guān)，早期城市化過程中河網(wǎng)大多被填堵、裁彎取直而成結(jié)構(gòu)簡單的“井”字型河道，河道數(shù)量極少，連通性較差，平均河網(wǎng)密度遠(yuǎn)低于其他區(qū)域（2016年為1.02km/km²），水文與水動力條件的欠缺導(dǎo)致河道生態(tài)循環(huán)過程及自凈能力變差，污染物的降解速率減緩，由于其點源污染控制率已超過85%，所以水體自然污染來源主要是濕沉降、高污染及大流量的地表徑流，其與河道底泥沉積物共同影響水生植物光合作用以及水面復(fù)氧.

4.3城郊溶解氧變化特征

（1）遠(yuǎn)郊區(qū)域溶解氧特征

如圖7，崇明區(qū)與青浦區(qū)區(qū)域內(nèi)以高DO區(qū)為主，春、冬季DO含量高于夏、秋季，多數(shù)月份處于DO>6mg/L或略低于6mg/L，而其他月份DO均值雖處于4～6mg/L.但空間上部分區(qū)域處于高DO區(qū)，DO總體變化幅度較小，其中青浦區(qū)DO>6mg/L區(qū)主要集中在西南區(qū)域，東北區(qū)域受城市化影響，工業(yè)與生活污染較重.

崇明區(qū)與青浦區(qū)DO含量較高，一方面由于兩者為重點環(huán)境保護(hù)區(qū)域，崇明區(qū)為國家級生態(tài)島所在地，《崇明世界級生態(tài)島發(fā)展“十三五”規(guī)劃》（滬府發(fā)[2016]102號）中將崇明列為環(huán)境重點保護(hù)地區(qū)，而青浦區(qū)境內(nèi)含有上海最大的淡水湖——淀山湖以及金澤水庫，該區(qū)被設(shè)立為水源保護(hù)區(qū)，截止2017年9月，保護(hù)區(qū)內(nèi)就有358家涉污企業(yè)被清退、清拆，確保區(qū)域水質(zhì)安全;另一方面由于區(qū)域內(nèi)水體規(guī)模較大，水系相對發(fā)達(dá)，連通性較高，水系支鏈相對較多，納污能力以及水體凈化能力較強(qiáng)，主要河道治理與保護(hù)力度較大.兩區(qū)城市化程度較低，而夏、秋季雨水豐富，DO含量降低主要由于：①農(nóng)業(yè)用地較多，養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，農(nóng)田種植業(yè)帶來的雨水徑流面源污染與區(qū)域內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖影帶來的養(yǎng)殖廢水影響明顯;②區(qū)域內(nèi)農(nóng)戶居多，居住分散，如崇明區(qū)居民區(qū)多沿河而建，部分地區(qū)污水管網(wǎng)建設(shè)空白，農(nóng)村生活污水無組織排放.

奉賢區(qū)和松江區(qū)DO含量變化幅度較大（見圖8），在部分時間段如松江區(qū)6～9月的DO均值處于2～3mg/L區(qū)，多處在松江區(qū)東部與松江區(qū)北部，以集建區(qū)為主，但在冬季兩區(qū)DO均值較高，部分區(qū)域為DO>6mg/L區(qū)，以農(nóng)村區(qū)域為主.

奉賢區(qū)和松江區(qū)受農(nóng)業(yè)徑流污染影響明顯，其中奉賢區(qū)農(nóng)業(yè)污染以畜禽污染為主，汛期徑流導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用地土壤可溶態(tài)組分大量溶解，氮、磷物質(zhì)流失，病原體、礦物質(zhì)甚至毒素進(jìn)入水體，底泥沉積物中TP、TN以及有機(jī)物釋放，區(qū)域內(nèi)污染加重，非汛期時段，降水以下滲為主，對河道污染減小，DO含量升高，為減少農(nóng)業(yè)徑流污染，應(yīng)在汛期減少翻作，增加綠肥用量，減少化肥、農(nóng)藥用量.

（2）近郊區(qū)域溶解氧變化特征

在中心城區(qū)周圍區(qū)域如閔行區(qū)、嘉定區(qū)、寶山區(qū)和浦東新區(qū)等區(qū)部分區(qū)域出現(xiàn)低DO現(xiàn)象，以集建區(qū)為主.其中閔行區(qū)由于高度的城市化水平，DO分布變化特征與中心城區(qū)類似;其他區(qū)域的DO含量則隨著時間變化出現(xiàn)升降，且低DO區(qū)會發(fā)生明顯的遷移變化，主要表現(xiàn)為溫度較低、雨水較少的季節(jié)低DO區(qū)范圍小，多集中在近中心城區(qū)部分，且其他部分區(qū)域的DO含量會顯著升高甚至出現(xiàn)大面積高氧區(qū)，而溫度升高、雨水較多的季節(jié)DO<2mg/L的區(qū)域以中心城區(qū)向外擴(kuò)延.近郊區(qū)城市化相對較高，農(nóng)業(yè)用地密度小于遠(yuǎn)郊，主要影響DO含量變化的因素可能是相對密集的工業(yè)以及集建區(qū)的城市生活污水直排等現(xiàn)象.

5結(jié)論與建議

本文對2016年上海市259個河道監(jiān)測點位12個月的數(shù)據(jù)進(jìn)行時空及數(shù)理統(tǒng)計分析，對特大城市的DO時空分布進(jìn)行了探討，得出以下結(jié)論.

（1）上海市2016年地表水DO呈季節(jié)分布：冬季>春季>秋季>夏季，非汛期>汛期;各指標(biāo)與DO關(guān)聯(lián)度排序為：pH>T>COD_Mn>COD_Cr>BOD₅>TN>TP>NH₃-N>Vol-P>石油類，且與DO呈顯著相關(guān)關(guān)系，全年DO主要影響因子為T、pH、NH₃-N、TP和石油類，四季主要影響因子有差異，其中T與pH值對DO的變化有重要影響.

（2）中心城區(qū)DO值一般較低，區(qū)域內(nèi)城市化程度高，受面源污染、泵站溢流放江及雨污水管網(wǎng)混接影響明顯;遠(yuǎn)郊區(qū)DO值較高區(qū)域（崇明區(qū)、青浦區(qū)）主要由于境內(nèi)水系發(fā)達(dá)，環(huán)境功能定位較高，保護(hù)力度大，DO值的波動主要受農(nóng)村生活污染以及農(nóng)業(yè)地表徑流影響，DO值變化較大的區(qū)域（奉賢區(qū)、松江區(qū)）則受農(nóng)業(yè)徑流污染影響明顯，DO值較低區(qū)域以集建區(qū)為主;近郊區(qū)排布于中心城區(qū)周圍，隨雨量增加、溫度上升，從中心城區(qū)向周圍延伸，DO值在不同區(qū)域出現(xiàn)不同程度的下降，主要受集建區(qū)的城市化發(fā)展以及相對密集的工業(yè)點影響.

（3）針對DO含量的管理可設(shè)立DO預(yù)警平臺，根據(jù)區(qū)域污染特征，及時對局部水質(zhì)進(jìn)行防控與處置;改造老舊管道，提升河道納污能力，根據(jù)區(qū)域性與季節(jié)性劃分DO含量變化敏感區(qū)及敏感時段;農(nóng)田比例較大區(qū)域應(yīng)注重調(diào)整農(nóng)業(yè)種植面積與結(jié)構(gòu)，增加綠肥用量，減少化肥、農(nóng)藥用量，汛期減少農(nóng)事翻作、合理灌溉.

本文DO區(qū)帶劃分以DO水質(zhì)分類為標(biāo)準(zhǔn)，影響因素主要從區(qū)域、片區(qū)角度考慮并結(jié)合相關(guān)水質(zhì)因子影響展開研究，還存在一定不足，在之后研究中可以從河流、生物健康角度進(jìn)行DO區(qū)帶劃分，影響因素可從耗氧污染機(jī)理等方面展開更為細(xì)致的探討.