閩江水口水庫溶解氧演變機制研究

林秋紅

(福建省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司,福建 福州 350001)

1 概述

水口水庫位于閩江中下游,是閩江干流的最后一級徑流式電站,壩址控制流域面積52438km2,占閩江全流域面積的86%。水庫庫區(qū)呈狹長形,庫尾到壩址河段長近100km,屬典型的河道型水庫。壩址處年徑流總量548.7億m3,水庫總庫容26.0億m3,調(diào)節(jié)庫容8.4億m3,具有季調(diào)節(jié)性能。近年來,水口電站常出現(xiàn)季節(jié)性氧虧現(xiàn)象,最低溶解氧不足1mg/L,水體發(fā)黑,魚類因缺氧死亡,對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響［1］。本文分析了溶解氧層化結(jié)構(gòu)演變、溶解氧—水質(zhì)響應(yīng)情況及水庫耗氧機制,以期為水庫氧虧現(xiàn)象機制研究提供參考。

2 數(shù)據(jù)來源和分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

分別于2021年4月、6月、8—10月、12月對水口水庫壩前斷面的不同水深進(jìn)行分層水質(zhì)監(jiān)測,監(jiān)測指標(biāo)包括溶解氧、水溫、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)和葉綠素a。同時,收集十里庵、雄江斷面2005—2022年溶解氧的監(jiān)測資料,資料來源于生態(tài)環(huán)境部門。監(jiān)測斷面布設(shè)如圖1所示。

圖1 水口水庫監(jiān)測斷面布設(shè)圖

2.2 數(shù)據(jù)分析

采用實驗室分析,方法依照《地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ 91.2—2022)中相關(guān)要求進(jìn)行操作。

3 結(jié)果與分析

3.1 溶解氧和水溫層化結(jié)構(gòu)演變

如圖2所示,4—9月,水口庫區(qū)內(nèi)的溶解氧層化結(jié)構(gòu)明顯,表層水體的溶解氧濃度普遍較高,其主要來自大氣復(fù)氧和藻類等初級生產(chǎn)力產(chǎn)氧。

(a)溶解氧

氧躍層主要位于表層至水深10m處,溶解氧濃度隨著水深增加而大幅度降低。一般而言,氧躍層出現(xiàn)的原因主要包括：①溫躍層的溫度梯度限值垂向混合,導(dǎo)致上層水體對氧躍層的溶解氧補給少;②氧躍層內(nèi)的浮游動物呼吸耗氧,同時浮游動物捕食浮游植物,導(dǎo)致浮游植物減少,使光合作用產(chǎn)氧量減少;③進(jìn)入氧躍層的有機體顆粒物氧化分解［2］。雖然水口水庫的水溫分層現(xiàn)象不明顯,但水深10m處與表層水體水溫仍存在一定差異,溫躍層和氧躍層都出現(xiàn)在水深10m處,且在水深10m 處的葉綠素a濃度也發(fā)生明顯下降(表1),6—9月的平均濃度僅有庫表的50%,顯然溶解氧濃度與葉綠素a濃度都發(fā)生了同步降低。

表1 葉綠素a的分層濃度 單位：μg/L

氧虧層主要出現(xiàn)在水深30m以下,并且在8—9月的水深30m以下才逐漸出現(xiàn)氧虧現(xiàn)象,4月和6月該水層的溶解氧濃度仍高于4mg/L。這可能是源于入汛后,此上游來水對水口水庫各水層的擾動明顯,富氧水體經(jīng)橫向?qū)α鲾U散進(jìn)入中下層,使中下層的溶解氧含量升高。8—9月水溫升高,加速水庫底層沉積物界面的氧化還原反應(yīng),使庫底氧氣進(jìn)一步消耗,出現(xiàn)氧虧現(xiàn)象［3-4］。雖然8月庫表的溶解氧為7.1mg/L,但到水深10m以下的氧躍層便不足4mg/L,同時,表層的葉綠素a濃度高達(dá)49μg/L,說明此時表層溶解氧濃度較高主要是由藻類密度高引起的。當(dāng)9月庫表藻類濃度較低時,庫內(nèi)溶解氧濃度整體較低,從庫表至庫底均出現(xiàn)氧虧現(xiàn)象。10月,水深0～10m的水體出現(xiàn)逆溫分層,5m水深處水溫略高于表層水體,使得水深0～10m處的水團發(fā)生垂向?qū)α?表層水沉降,下層水溫較高的水團上浮,而水深0～10m處恰好也是氧躍層。氧虧時期,表層溶解氧也出現(xiàn)了下沉現(xiàn)象,水深5m處的溶解氧濃度略高于表層水體,說明表層水體與氧躍層水體發(fā)生了充分混合,使表層水體溶解氧進(jìn)一步降低,水庫整體出現(xiàn)氧虧現(xiàn)象。12月,庫區(qū)溶解氧基本恢復(fù),無分層現(xiàn)象出現(xiàn),各水層溶解氧濃度基本處于4mg/L左右,仍處于偏低的水平。

3.2 水質(zhì)—溶解氧響應(yīng)分析

水溫分層使垂向各層水體內(nèi)的水動力條件差異顯著。一般而言,較大的溫度梯度會導(dǎo)致較大的密度梯度,可抑制水體的垂向混合［4-5］,特別是能有效阻止風(fēng)浪水流對沉積物—水界面的擾動,一般不會發(fā)生強烈的混合作用。但水口水庫不屬于穩(wěn)定分層型水庫,沉積物—水界面易受到擾動,并且水庫可形成循環(huán)水體,表層富氧水體和中下層缺氧水體會發(fā)生混合。通過分子擴散和水團交換,上層溶解氧向下層運移,同時,由于庫底水溫升高和湍流作用,沉積物和上覆水體的交界區(qū)域(沉積物—水界面)發(fā)生擾動,促進(jìn)有機物的釋放和微生物的耗氧分解,以致表層溶解氧逐漸被消耗降低。

從水深50m處的水質(zhì)變化情況(圖3)可以看出,6—10月,下層溶解氧逐漸降低,總磷、氨氮、總氮濃度增加,高錳酸鹽指數(shù)濃度下降,說明底層溶解氧消耗的首要途徑是有機物分解。12月,下層水溫下降,沉積物的氧化還原反應(yīng)受抑制,溶解氧的消耗速率降低,底層溶解氧升高,但仍處于較低的濃度水平。此時,高錳酸鹽指數(shù)和氨氮濃度都有一定程度的下降,氨氮的下降幅度最明顯,說明高錳酸鹽指數(shù)的氧化還原基本達(dá)到平衡,溶解氧更多消耗于氨氮的氧化降解過程中。

(a)氨氮與溶解氧 (b)高錳酸鹽與溶解氧 (c)總磷與溶解氧 (d)總氮與溶解氧

溫躍層(水深10m)處,高錳酸鹽指數(shù)濃度與溶解氧濃度呈反比,而氨氮與溶解氧的相關(guān)性不強,如圖4所示,說明在溫躍層的溶解氧主要也是在有機物的降解過程中被消耗。12月,溫躍層的溶解氧升高,氨氮出現(xiàn)大幅度下降,此時高錳酸鹽指數(shù)的濃度雖也降低,但總體幅度不大,說明此時溶解氧在溫躍層更多是在氨氮的氧化降解過程中被消耗。

(a)氨氮與溶解氧 (b)高錳酸鹽與溶解氧 (c)總磷與溶解氧 (d)總氮與溶解氧

3.3 溶解氧產(chǎn)生—消耗機制分析

水庫中溶解氧的含量取決于溶解氧消耗與補充兩種過程的強弱關(guān)系。一般來說,溶解氧的補充主要來自大氣復(fù)氧、浮游植物光合作用,溶解氧的消耗包括有機質(zhì)分解、生物呼吸作用、硝化作用和還原物質(zhì)的氧化作用。當(dāng)持續(xù)的溶解氧消耗大于外環(huán)境補充,就會導(dǎo)致溶解氧下降,最終出現(xiàn)氧虧狀態(tài)。

水庫的大氣復(fù)氧速率受水深和流速影響,水口水庫的平均水深超過50m,大氣復(fù)氧速率受到明顯限制。此外,大氣復(fù)氧也與光照、庫面輻射等因素有關(guān),水口水庫屬狹長山谷河道型水庫,從壩址到庫尾有近100km的長度,且兩岸山高坡陡,對日照的遮擋時間長,太陽的輻射能和光照時間都短于湖泊型水庫,進(jìn)一步限制了大氣復(fù)氧的速度。

光合作用產(chǎn)氧主要來自庫表的浮游植物。根據(jù)本次在壩址斷面的分層水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果,在水庫溶解氧較低的時間段,其表層水體葉綠素a的濃度也發(fā)生明顯下降,藻密度低;溶解氧濃度較高的時段,表層葉綠素a的濃度相對較高,如圖5所示。說明初級生產(chǎn)力的產(chǎn)氧作用對水庫溶解氧含量有較大的貢獻(xiàn)。

圖5 表層溶解氧與葉綠素a關(guān)系

溶解氧的消耗主要與污染物分解和生物呼吸作用等有關(guān),但主要的影響因素仍是污染物分解。如圖6所示,水口水庫庫尾十里庵?jǐn)嗝娴娜芙庋鯘舛仍诖蠖鄶?shù)情況下比壩前的雄江斷面高,說明水庫從庫尾到壩址長近100km的河段無法復(fù)氧,水庫整體處于持續(xù)耗氧的狀態(tài)。這與尤溪、古田溪兩條大型支流及迪口溪、武步溪、新嶺溪、高洲溪等直流入庫的小型支流的污染輸入有關(guān),同時,庫灣高密度的水產(chǎn)養(yǎng)殖對水口庫區(qū)水體也有一定污染。

水庫沉積物中初級生產(chǎn)力的殘體也將消耗溶解氧。一般認(rèn)為,水庫沉積物的氧虧機制主要是由富營養(yǎng)水庫表層初級生產(chǎn)形成的大量有機體(藻類),其衰亡沉降至庫底后,沉積物中的微生物耗氧分解有機體而導(dǎo)致氧虧。水口庫區(qū)的庫灣區(qū)域,從建庫后就是網(wǎng)箱養(yǎng)殖密集的區(qū)域,網(wǎng)箱養(yǎng)殖投加的餌料有60%～80%的氮、磷排入水體中［1］,營養(yǎng)鹽豐富,藻類密度大。雖然近幾年網(wǎng)箱養(yǎng)殖清理整頓力度加大,但歷年養(yǎng)殖產(chǎn)生的污染仍沉積在庫底,這就導(dǎo)致水口水庫庫底呈現(xiàn)缺氧的狀態(tài)。同時,庫表的鳳眼蓮在生長、衰亡過程中的凋落物和殘體也有一部分沉降到水底,異養(yǎng)生物的食物鏈有所發(fā)展,水體耗氧量大大增加［2,6］。

4 結(jié)論

綜上所述,水口庫區(qū)內(nèi)的溶解氧4—9月層化結(jié)構(gòu)明顯,氧虧層主要出現(xiàn)在水庫深水區(qū),并且隨著汛期—平水期—枯水期的周期變化,出現(xiàn)氧虧層逐漸上移的趨勢。10月,隨著逆溫分層出現(xiàn),水庫各個水深處都出現(xiàn)了氧虧的情況。出現(xiàn)氧虧現(xiàn)象的主要原因包括：

①季節(jié)變化,浮游植物死亡,初級生產(chǎn)力的產(chǎn)氧速率受限,水庫中溶解氧補給不足。

②受地理條件及水庫特性影響,庫區(qū)大氣復(fù)氧能力弱,且?guī)靺^(qū)周邊污染持續(xù)輸入,水庫整體處于耗氧的狀態(tài),從庫尾到壩址近100km的河段溶解氧逐漸降低,無法復(fù)氧。

③夏季水溫高,沉積物耗氧速率快,庫底逐漸出現(xiàn)氧虧現(xiàn)象。

④當(dāng)秋季氣溫下降水庫出現(xiàn)逆溫分層時,氧躍層、氧虧層水體發(fā)生完全混合,使表層水體溶解氧進(jìn)一步降低,水庫整體出現(xiàn)氧虧現(xiàn)象。

⑤冬季水溫降低,庫底沉積物的氧化還原反應(yīng)受到抑制,溶解氧逐漸恢復(fù),但仍處于比較低的濃度水平。

⑥溶解氧的消耗作用主要體現(xiàn)在有機物的氧化降解過程中,但在冬季受低溫影響,有機物的氧化反應(yīng)動力不足,溶解氧轉(zhuǎn)而用于更易發(fā)生的氨氮氧化反應(yīng)中達(dá)到平衡。