廣州市地表水環(huán)境溶解氧時空分布特征分析

解學(xué)慧，彭 林

(廣州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,廣州 510620)

引 言

地表水體中溶解氧影響因素極其復(fù)雜，溶解氧能夠在氣、液相中不斷轉(zhuǎn)換，處于不斷消耗與恢復(fù)的動態(tài)平衡中。其恢復(fù)的過程(源)包括復(fù)氧、光合作用和外部負(fù)荷，消耗的過程(匯)包括有機物的生物氧化、硝化作用、水生植物的呼吸作用、水沉底泥上浮或分解和無機還原性物質(zhì)的影響等物理、化學(xué)、生物過程[1-2]。

廣州市位于珠江感潮河網(wǎng)區(qū)，境內(nèi)河流水系發(fā)達(dá)、縱橫交錯，水網(wǎng)密布。廣州作為超大城市，人口集聚態(tài)勢不變，自中心城區(qū)向外圍擴展，總量穩(wěn)步增長，且基于粵港澳大灣區(qū)中國際大都市的定位，廣州市人口發(fā)展空間較大，其帶來的污染物對水環(huán)境也產(chǎn)生較大壓力，成為廣州市多個考核斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的主要影響指標(biāo)，而溶解氧具有影響因素復(fù)雜、多種因素疊加效應(yīng)的明顯特點，且關(guān)于廣州市溶解氧分布及變化規(guī)律的研究仍有不足，因此，文章通過分析廣州市溶解氧的月度變化趨勢、時空分布特征及其主要影響因素等，為相關(guān)部門更有方向性的進(jìn)行水環(huán)境管理提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

廣州市位于廣東省中南部，地處珠江三角洲邊緣，范圍是東經(jīng)112°57′至114°03′、北緯22°26′至23°56′之間。其東連惠州市博羅、龍門兩縣，西鄰佛山市的三水、南海和順德市，北靠清遠(yuǎn)市市區(qū)和佛岡縣及韶關(guān)市的新豐縣，南接?xùn)|莞和中山市，隔伶仃洋與香港、澳門相望。廣州市廣州雨量充沛，常年降雨量在1 612～1 909mm之間，研究數(shù)據(jù)來源于廣東省廣州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站2020年40個廣州市地表水環(huán)境市控以上斷面溶解氧監(jiān)測數(shù)據(jù)，分布在廣州市11個行政區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

基于基礎(chǔ)水質(zhì)數(shù)據(jù)，運用Excel和origin軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出廣州市中心城區(qū)、郊區(qū)和近海區(qū)溶解氧的分布特征[3～6]。

2 結(jié)果與討論

2.1 總體時空分布特征

按照中心城區(qū)、郊區(qū)和近海區(qū)劃分不同區(qū)域，基于廣州市40個斷面溶解氧數(shù)據(jù)，分析不同區(qū)域的溶解氧分布特征(表1和圖1)可知：廣州市中心城區(qū)溶解氧最低，為4.25mg/L，郊區(qū)相對較低，溶解氧為5.79mg/L，近海區(qū)溶解氧最高，為6.30mL，溶解氧偏低區(qū)域集中在中心城區(qū)，向外擴延，溶解氧含量會顯著升高，主要受中心城區(qū)人口眾多，污染物排放量較多等影響導(dǎo)致中心城區(qū)溶解氧含量偏低。

表1 廣州市2020年空間區(qū)域分布溶解氧結(jié)果表Tab.1 Spatial distribution of dissolved oxygen in Guangzhou in 2020 (mg/L)

圖1 廣州市溶解氧空間變化箱形圖Fig.1 Box chart of spatial variation of dissolved oxygen in Guangzhou

2.2 中心城區(qū)時空變化特征

依據(jù)廣州市中心城區(qū)(越秀、海珠、荔灣和天河)4個斷面水質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(其中越秀區(qū)和天河區(qū)考核斷面均為獵德斷面)知廣州市中心城區(qū)溶解氧含量范圍為2.81～5.90mg/L；中心城區(qū)各區(qū)溶解氧含量在在空間分布上為越秀(天河)(3.74mg/L)<海珠(4.43mg/L)<荔灣(5.06mg/L)(圖2)；2020年中心城區(qū)各區(qū)溶解氧月度變化趨勢基本保持一致(圖3)，在7、8月份部分區(qū)域溶解氧略低，主要由于氣溫高、水體飽和溶解氧低，且雨水期合流制管網(wǎng)污水溢流等因素影響。

圖2 廣州市中心城區(qū)各區(qū)溶解氧箱形圖Fig.2 Box chart of dissolved oxygen in central urban area of Guangzhou

注：越秀和天河區(qū)均采用獵德斷面圖3 廣州市中心城區(qū)各區(qū)2020年溶解氧月度變化趨勢圖Fig.3 Monthly variation trend of dissolved oxygen in Guangzhou urban area in 2020

2.3 郊區(qū)時空變化特征

依據(jù)廣州市郊區(qū)城區(qū)(白云、花都、黃埔、增城和從化)18個斷面水質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)知，2020年廣州郊區(qū)各區(qū)溶解氧年均值大小排序為花都(4.66mg/L)<黃埔(4.89mg/L)<白云(5.10mg/L)<增城(6.74mg/L)<從化(7.63mg/L)(圖4)；白云區(qū)最低月份為8月(4.17mg/L)，花都、黃埔、增城和從化區(qū)最低月份均為9月，最低月份溶解氧分別為3.39mg/L，3.71mg/L，4.76mg/L和6.43mg/L(圖5)。溶解氧偏低的月份集中在第三季度，此時南方溫度較高，飽和溶解氧偏低，且水溫越高時，微生物生長時間減少，污染物耗氧速度越快。因此，若水體中污染物濃度較高時，在微生物快速耗氧和低飽和溶解氧的雙重影響下，易出現(xiàn)低氧區(qū)。

廣州市郊區(qū)區(qū)溶解氧含量范圍為3.39～9.35mg/L；白云區(qū)溶解氧月度變化較為集中，增城區(qū)較為分散。從化區(qū)流溪河作為廣州的母親河，是廣州唯一一條能夠全流域控制生態(tài)完整的內(nèi)河，也是廣州市區(qū)主要飲用水源水水源地之一，其水質(zhì)狀況優(yōu)良，溶解氧含量相對其他區(qū)較高。

圖4 廣州市郊區(qū)各區(qū)溶解氧箱形圖Fig.4 Box chart of dissolved oxygen in Guangzhou suburbs

圖5 廣州市郊區(qū)各區(qū)2020年溶解氧月度變化趨勢圖Fig.5 Monthly variation trend of dissolved oxygen in Guangzhou suburbs in 2020

2.4 近海區(qū)時空變化特征

依據(jù)廣州市近海區(qū)(番禺和南沙)18個斷面水質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)知廣州市近海區(qū)溶解氧含量范圍為5.29～8.03mg/L；2020年廣州郊區(qū)各區(qū)溶解氧年均值大小排序為番禺(5.96mg/L)<南沙(6.64mg/L)(圖6)，基本呈珠江口內(nèi)向外近海逐漸遞增的總趨勢，這可能是由于海水的稀釋作用使得水體透明度較高，浮游植物光合作用產(chǎn)生氧氣，使得水體溶解氧含量較高。番禺區(qū)最低月份為8月(5.29mg/L)，南沙區(qū)最低月份為9月(5.53mg/L)(圖7)，主要處于降雨豐富期時，雨水徑流面源污染影響明顯。

圖6 廣州市近海區(qū)各區(qū)溶解氧箱形圖Fig.6 Box chart of dissolved oxygen in coastal areas of Guangzhou City

圖7 廣州市近海區(qū)各區(qū)2020年溶解氧月度變化趨勢圖Fig.7 Monthly variation trend of dissolved oxygen in Guangzhou coastal areas in 2020

2.5 溶解氧的主要影響因素

“十三五”期間，廣州市水環(huán)境治理力度加大、治理效果明顯，但是廣州市雖然加快城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)進(jìn)度，但因歷史原因仍存在管網(wǎng)建設(shè)管理不完善，較多區(qū)域未實現(xiàn)雨污分流，現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水污染物濃度偏低等問題，集中式污水處理設(shè)施的污染物削減效能有待加強；另在雨污合流區(qū)域，暴雨時污水溢流問題較為突出，污水直排水環(huán)境，增加了入河污染負(fù)荷，局部區(qū)域溶解氧偏低現(xiàn)象逐漸突出，成為制約水質(zhì)達(dá)標(biāo)的主要影響因素[7～10]。

廣州市地處熱帶、亞熱帶區(qū)域氣溫相對較高，加上感潮河網(wǎng)區(qū)咸潮作用，決定了廣州市地表水體中飽和溶解氧較低；潮汐作用導(dǎo)致河口區(qū)域水體分層，形成低溶解氧區(qū)，加上漲憩、落憩流速慢共同限制了感潮河網(wǎng)區(qū)的復(fù)氧速率；潮汐作用也同時增加了耗氧物質(zhì)停留時間，增加耗氧；廣州市地表水中耗氧物質(zhì)如氨氮濃度相對較高，加速了水體溶解氧的消耗；廣州市部分區(qū)域的上游界外來水中溶解氧含量低，也影響著其下游水體的溶解氧含量；上述不利因素疊加造成了廣州市地表水體中溶解氧相對非感潮河段以及北方區(qū)域明顯偏低。

3 結(jié) 論

3.1 廣州市2020年溶解氧空間分布特征(即水體溶解氧含量)：中心城區(qū)<郊區(qū)<近海區(qū)。中心城區(qū)溶解氧較低，與雨污混流、管網(wǎng)混接、溢流等因素有關(guān)，因此，中心城區(qū)應(yīng)加快推進(jìn)排水單元達(dá)標(biāo)建設(shè)工作，完成雨污分流，減少雨水徑流污染對水環(huán)境質(zhì)量的影響。

3.2 2020年廣州市各區(qū)溶解氧偏低的月份集中在7～9月，即為第三季度溶解氧偏低。此時南方溫度較高，飽和溶解氧偏低，且水溫越高時，微生物生長時間減少，污染物耗氧速度越快。因此，若水體中污染物濃度較高時，在微生物快速耗氧和低飽和溶解氧的雙重影響下，易出現(xiàn)低氧區(qū)。

3.3 溶解氧與溫度、光合作用、外部負(fù)荷、有機物氧化、底泥上浮、污染物釋放耗氧等各種因素有關(guān)，影響因素極其復(fù)雜。既受到自然因素的影響，也同時受到人類活動帶來的耗氧物質(zhì)輸入的影響，影響因素多，耗氧復(fù)氧過程復(fù)雜，氧垂點與污染源排放點在空間上有很大的差異性，在時間上和位置上有明顯的滯后性。因此，若出現(xiàn)大量污染物入河時，應(yīng)重點關(guān)注下游及后續(xù)一段時間內(nèi)水體的溶解氧變化。

本文從區(qū)域分布和月度變化分析了廣州市溶解氧含量情況，從區(qū)域特征考慮分析了溶解氧主要影響因素，還存在一定的不足之處，為解決廣州市溶解氧不達(dá)標(biāo)問題，建議后續(xù)深入研究感潮河網(wǎng)區(qū)物理-化學(xué)-生物過程溶解氧平衡機理。