袁河袁州區(qū)段溶解氧過飽和成因分析及防治

陳文洪，李 林，龍 彪，溫 巍，鐘裕柱，陳 璐，陳慧珍，陳懷民

1.江西師范大學，鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室,江西 南昌 330022 2.江西省宜春水文局,江西 宜春 336000 3.宜春市生態(tài)環(huán)境局,江西 宜春 336000 4.常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 材料工程學院(環(huán)境工程學院),江蘇 常州 213164

溶解氧是保障河流中水生生物生存不可缺少的條件，是反映天然河流水體是否具有自凈能力的一個重要指標，也是衡量水質(zhì)的綜合指標，在地表水環(huán)境質(zhì)量標準中溶解氧被列為評價水質(zhì)的重要因子[1-2]。水體中的溶解氧含量與多種因素有關(guān)，如氣壓、水溫、水深、光照強度、水生生物、水生植物及好氧有機物含量等，水體中溶解氧主要補給則是依靠空氣中氧的溶解、水生植物或浮游植物的光合作用產(chǎn)氧[3]。

水體溶解氧過低會導(dǎo)致水體發(fā)黑發(fā)臭，對水生生物、魚類等產(chǎn)生危害[4-5]。水體溶解氧過低導(dǎo)致的生態(tài)影響已有諸多報道，如福建尤溪河出現(xiàn)溶解氧過低造成大量魚類死亡等[6-7]；但水體中溶解氧過飽和也同樣具有一定程度的危害，如使魚類(如鰭)患氣泡病出現(xiàn)慢性中毒等。RAYMOND等研究報道，斯內(nèi)克河在1966—1975年降河內(nèi)遷移的鮭鰭幼魚因氣體過飽和死亡40%～95%[7]；CRUNKILTON等[8]研究報道，Osage河在1978—1979年4—6月因過飽和氣體導(dǎo)致死魚50萬尾，幼魚還未計數(shù)。也有學者對高原河流溶解氧或平原河流溶解氧分布規(guī)律及影響因素開展調(diào)查研究[9-11]；國內(nèi)外河道溶解氧過飽成因及快速處理研究卻鮮見報道。近年來，江西省內(nèi)在部分河流夏季出現(xiàn)溶解氧過飽和現(xiàn)象。贛江一級支流袁河從上游萍鄉(xiāng)市蘆溪縣入境點至下游宜春市城區(qū)段，在2020年8月中旬出現(xiàn)溶解氧過飽和現(xiàn)象，并在下旬通過水利調(diào)節(jié)使河道溶解氧恢復(fù)正常。因此，本研究選擇該時間段內(nèi)袁河袁州區(qū)段溶解氧開展連續(xù)監(jiān)測，掌握袁河袁州區(qū)段溶解氧分布特征及溶解氧過飽和的應(yīng)急應(yīng)對措施，為揭示河流溶解氧過飽和提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對保護河流生態(tài)健康具有重要的意義。

1 調(diào)查區(qū)概況及研究方法

1.1 調(diào)查區(qū)域概況

袁河又稱袁水，系贛江下游左岸一級支流，發(fā)源于萍鄉(xiāng)市麻田鄉(xiāng)武功山脈西北麓蛤蟆塘，河源位于東經(jīng)114°10′、北緯27°27′，自西南向東北流經(jīng)萍鄉(xiāng)、宜春、分宜、新余以及樟樹部分地區(qū)，在樟樹市張家山鎮(zhèn)荷湖館匯入贛江。全長約110 km，流域面積約776 km2，河面寬一般小于20 m。此次研究調(diào)查河段為萍鄉(xiāng)市蘆溪縣入宜春市棚下張坊橋至宜春市袁河取水口段(以下簡稱“袁河袁州區(qū)段”)，全長21.9 km，上下落差(15±0.5)m，斷面監(jiān)測點(圖1)從上游到下游分別為棚下張坊橋(Y01)、西村鎮(zhèn)大橋(Y02)、南山口村橋(Y03)、鏟口村橋(Y04)、袁州機場大橋(Y05)和宜春市水廠袁河取水口對面(Y06)。

圖1 袁河監(jiān)測斷面布點示意圖Fig.1 Distribution points of Yuanhe River monitoring section

1.2 樣品采集與測定

于2020年8月16—24日時間段內(nèi)每隔2 d在每個監(jiān)測點采集水面下0.5 m的混合水樣，放入4 ℃冷藏箱內(nèi)保存，8 h內(nèi)進行總氮(TN)、總磷(TP)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)等指標的測定，具體測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)[12]；溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N)和pH采用美國YSI Pro Plus多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場直接測定；流速采用美國YSI Flow Tracker1型聲學多普勒流速儀測定；氣象數(shù)據(jù)通過中國氣象網(wǎng)下載歷史氣象數(shù)據(jù)。

在野外現(xiàn)場使用2 L采水器取水面下0.5 m水樣過浮游植物網(wǎng)，將過濾后的水樣裝入樣品瓶，并添加魯哥試劑固定，用于實驗室定量計數(shù)。在實驗室內(nèi)用膠頭滴管吸取藻液后滴0.1 mL到血球計數(shù)板上，在雙目光學顯微鏡(OLYMPUS CX31型)下計數(shù)，每個樣品計數(shù)3次，差異大于10%再取樣本進行計數(shù)，直到3次計數(shù)數(shù)據(jù)的差值在10%以內(nèi)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)測試所得數(shù)據(jù)使用SPSS 19.0 軟件(IBM,Armonk,NY,USA)進行數(shù)據(jù)差異性和相關(guān)性分析。所有統(tǒng)計結(jié)果中當P<0.05時則認為具有顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 水量和溶解氧的變化

袁河宜春水文站流量數(shù)據(jù)顯示(圖2)，從8月11日20：30出現(xiàn)一次流量為173.68 m3/s的洪水及在8月12日09：00出現(xiàn)了111.8 m3/s的次峰流量后，連續(xù)7 d左右未出現(xiàn)大的流量。8月13—18日的流量變化范圍為28.38～84.80 m3/s，均值為61.40 m3/s。在線監(jiān)測發(fā)現(xiàn)2020年8月15日袁河袁州區(qū)段出現(xiàn)溶解氧過飽和現(xiàn)象?；诖?，在8月20日11：00通過上游調(diào)水，提高河道流量，下泄流量采用先大后小的方式，初期河道最大流量為107.72 m3/s，調(diào)水末期河道流量為71.00 m3/s。整個調(diào)水持續(xù)時長10 h，河道流量均值達到85.39 m3/s，提高了40%左右。隨后的21—23日河道流量均值為57.84 m3/s。結(jié)合浮游植物生長周期、氣溫等因素，在8月24日03：00再從上游采用先大后小的方式進行調(diào)水，下泄河道最大流量從119.8 m3/s降低到71.00 m3/s。整個調(diào)水持續(xù)時間為6 h，河道流量均值為84.36 m3/s，流量提高了約47%。

圖2 袁河宜春水文站流量Fig.2 Discharge variation of Yichunhydrological station on Yuanhe River

從圖3可以看出，袁河袁州區(qū)段溶解氧出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象，在8月16—18日沿袁河流向溶解氧從6.8 mg/L逐漸增加到12.5 mg/L，在Y05號點已超過10 mg/L。當?shù)刈罡邭鉁卦?32±3)℃，此溫度下水體正常溶解氧應(yīng)為7.3 mg/L，袁河袁州區(qū)段溶解氧過飽和度為10%～70%。其中，宜春市取水口對面(Y06號點)溶解氧飽和度最高。8月20日和24日通過袁河上游水庫調(diào)水增加河道流量(見圖2)，袁河袁州區(qū)段溶解氧發(fā)生明顯改變，8月20—24日該河段上游Y01溶解氧較調(diào)水前增加，而下游河段Y05和Y06溶解氧降低，8月20日袁河下游段溶解氧9.9 mg/L仍高于上游河段溶解氧8.4 mg/L，到8月24日袁河上下游河段溶解氧則趨于相同，溶解氧恢復(fù)正常水平。

圖3 溶解氧變化Fig.3 Change of dissolved oxygen

2.2 常規(guī)水質(zhì)的變化

從圖4可以看出，袁河袁州區(qū)段水質(zhì)pH大于7呈弱堿性，在8月16—18日該河段水體pH由上游到下游呈逐漸增加的趨勢，8月18日河道水體pH最高，從7.6增加到8.7；在8月20日和24日從袁河上游水庫加大下泄流量，使得8月20日和8月24日該河段水體pH降低到7.5～7.9，恢復(fù)平常值，且整個調(diào)查河段各點位水體之間的pH相差較小。

圖4 pH變化Fig.4 Change of pH

8月16—24日對該袁河段進行連續(xù)監(jiān)測得到的常規(guī)水質(zhì)氨氮、CODMn、總氮和總磷數(shù)據(jù)繪圖(如圖5和圖6)。從圖5、圖6可以看出，在調(diào)水前后的各監(jiān)測斷面中的各項常規(guī)水質(zhì)指標未出現(xiàn)顯著的變化?？偭踪|(zhì)量濃度從袁河上游到下游由0.060 mg/L逐漸降至0.035 mg/L，總氮質(zhì)量濃度同樣呈下降趨勢，沿河流方向從0.7 mg/L降至0.4 mg/L。氨氮質(zhì)量濃度的變化范圍在0.1～0.4 mg/L之間，CODMn濃度的變化范圍在2.3～3.1 mg/L之間，在地表水環(huán)境質(zhì)量標準的Ⅱ類內(nèi)[1]。

2.3 浮游植物變化及分析

選取8月18日和8月24日分別代表自然和增加下泄流量后浮游植物種類及浮游植物總密度統(tǒng)計分析(表1)。

圖5 袁河袁州區(qū)總氮和氨氮質(zhì)量濃度Fig.5 Content of total nitrogen andammonia nitrogen in Yuanzhoudistrict of Yuanhe River

圖6 袁河袁州區(qū)段總磷和CODMn質(zhì)量濃度Fig.6 Content of total phosphorus and CODMnin Yuanzhou section of Yuanhe River

表1 調(diào)水前后袁河各斷面浮游植物種類分布Table 1 Distribution of phytoplankton species in each section of Yuanhe River before and after water diversion

從表1可以看出，增加袁河流量后各斷面浮游植物種類和數(shù)量與自然狀態(tài)下浮游植物種類和數(shù)量發(fā)生顯著變化；自然狀態(tài)下袁河浮游植物有裸藻、綠藻、藍藻和硅藻，優(yōu)勢藻類為裸藻門>藍藻門；囊裸藻和水華微囊藻在調(diào)查河段內(nèi)均出現(xiàn)；上游增加下泄流量后河道浮游植物優(yōu)勢種類發(fā)現(xiàn)較大變化，優(yōu)勢浮游植物變?yōu)樗{藻門>硅藻門，裸藻屬和綠藻屬較少，藍藻門中主要以銅綠微囊藻和水華微囊藻為優(yōu)勢藻種。

從圖7可以看出自然狀態(tài)下袁河袁州區(qū)段各斷面浮游植物總密度大于下泄調(diào)水后浮游植物總密度；自然狀態(tài)下浮游植物總密度沿袁河水流方向呈逐漸增加的趨勢，通過人為增加流量后袁河各監(jiān)測斷面的浮游植物總密度差異減小，在最下游斷面浮游植物總密度最高。通過水利調(diào)控袁河流量后河流浮游植物種類及數(shù)量顯著改變(P<0.05)，這主要是上游調(diào)用清澈水體后，增加河流流量、加快水體流速，增加水流對河道的沖刷和水體的稀釋所致；河流沖刷和攜帶作用使上游浮游植物流向下游，Y05號點河道積水面積小且較淺易被稀釋使總藻密度最低；Y06處于袁河攔河壩尾水緩沖區(qū)水體交換較慢使浮游植物產(chǎn)生一定的積累。

圖7 調(diào)水前后袁河浮游植物總密度變化Fig.7 Changes of total phytoplanktondensity in Yuanhe River beforeand after water diversion

3 討論

取調(diào)水前的8月18日和調(diào)水后8月24日的各監(jiān)測斷面的pH、溶解氧和不同藻種的藻密度數(shù)據(jù)進行皮爾遜相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。從表2可知，pH與裸藻、藍藻和浮游植物總密度呈顯著正相關(guān)(P<0.01)。同樣地，溶解氧與裸藻、藍藻和浮游植物總密度也呈顯著正相關(guān)(P<0.01)。

表2 pH和溶解氧與藻密度的皮爾遜相關(guān)性分析Table 2 Pearson correlation analysis of pH,DO and algal density

由圖2可知，8月11日和8月12日洪峰過后，在長達一周的時間內(nèi)未出現(xiàn)大流量。河道中的積水區(qū)換水速率下降，且調(diào)查河段最高氣溫和最低溫度分別為35 ℃和25 ℃，河道水體流速為(25±5)cm/s，流速緩慢均適合浮游植物的生長[13-14]，袁河袁州區(qū)段水質(zhì)營養(yǎng)鹽為浮游植物生長提供物質(zhì)基礎(chǔ)，且各監(jiān)測斷面的氮磷比均在11～12之間(圖5和圖6)，適合藻類的生長[15]。因此，浮游植物大量繁殖并在部分河段區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)浮游植物聚集現(xiàn)象。浮游植物光合作用利用太陽輻射能將水中的CO2、HCO3-轉(zhuǎn)化為有機物，使水體pH增加呈堿性，也可使水體溶解氧增加呈過飽和狀態(tài)?？梢?，袁河袁州區(qū)段溶解氧過飽和受浮游植物密度的影響顯著(P<0.01)，尤其與裸藻屬和藍藻屬藻密度顯著正相關(guān)(P<0.01)。其他研究亦表明，浮游植物光合作用是導(dǎo)致河道溶解氧過飽和的主要因素，浮游植物聚集水域pH也較高[16-17]。本研究中通過上游調(diào)水增加河道滯留水體的換水速率，河道水體中浮游植物被沖淡稀釋，采取流量科學控制“先大后小”的調(diào)水方式，使河道溶解氧和pH快速恢復(fù)正常。該研究為保護河流水環(huán)境健康提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

在自然狀態(tài)與調(diào)水增流狀態(tài)下，通過對袁河袁州區(qū)段河流的水環(huán)境、溶解氧和浮游植物等指標的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析討論，得到以下結(jié)論：

1) 當出現(xiàn)連續(xù)高溫無降雨天氣時，袁河流量減少，袁河袁州區(qū)段溶解氧含量隨時間增加，并沿水流方向呈增加的趨勢，溶解氧質(zhì)量濃度最高達到12.48 mg/L。

2) 袁河袁州區(qū)段溶解氧濃度增加主要是由水體中浮游植物光合作用產(chǎn)氧所致，袁河袁州區(qū)段溶解氧濃度與浮游植物總密度呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，其中生物量占比大的裸藻屬和藍藻屬對溶解氧的貢獻最高。

3) 采取科學的水利調(diào)控方法可高效、快速地改善河道水環(huán)境健康狀況，用“先大后小”的調(diào)水方式增加河道流量，持續(xù)6～10 h，平均河道流量增加40%～47%。調(diào)水頻率應(yīng)根據(jù)浮游植物的生長繁殖周期進行制定。