東江惠州-東莞段溶解氧偏低狀態(tài)研究

蘇淑珍　黎細(xì)華

摘要：針對(duì)東江惠州一東莞段溶解氧偏低的問題，通過水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析、多元線性回歸、主成分分析算法等3種方法，系統(tǒng)分析東江水質(zhì)變化的時(shí)空特點(diǎn)，揭示東江惠州一東莞段范圍內(nèi)干流及其支流溶解氧的空間變化、季時(shí)節(jié)變化、垂直變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，劍潭電站過水運(yùn)行方式對(duì)下游干流溶解氧造成重要影響；東江惠州一東莞段溶解氧主要與水溫、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷負(fù)相關(guān)，有機(jī)物介導(dǎo)的生物耗氧和化學(xué)耗氧是東江溶解氧偏低的主要原因；與葉綠素呈顯著正相關(guān)，藻類光合產(chǎn)氧是東江水體表層溶解氧的重要來源。

關(guān)鍵詞：東江；溶解氧；偏低

中圖分類號(hào)：X824 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

溶解氧是河流水質(zhì)與生態(tài)系統(tǒng)健康的重要指標(biāo)，能反映大氣溶解、植物光合作用放氧和生物呼吸作用耗氧之間的平衡關(guān)系。較低溶解氧不僅影響水生動(dòng)植物的分布與生長，而且還會(huì)影響沉積物氧化還原電位，進(jìn)而影響磷和其他無機(jī)營養(yǎng)鹽、有毒痕量金屬的溶解與平衡。當(dāng)水體DO濃度低于2mg/L時(shí)，水中大部分生物生存受到威脅，導(dǎo)致生物多樣性減少和水體黑臭。

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中可以看出，東江惠州博羅-東莞段水體表層至底層溶解氧均偏低，夏秋季經(jīng)常低于5mg/L。從水環(huán)境質(zhì)量角度看，東江溶解氧偏低表現(xiàn)在理化指標(biāo)方面，但從生態(tài)系統(tǒng)角度看，必定是河流生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生物組分與生態(tài)過程發(fā)生了重要變化，從而導(dǎo)致關(guān)鍵物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過程出現(xiàn)異常。溶解氧是反應(yīng)水體生態(tài)狀況的綜合性指標(biāo)之一，除受到好氧污染物的直接影響外，還受水溫、水文、水動(dòng)力、水生境以及水生生物種類和活性等多種因素疊加影響，東江東莞段水體溶解氧濃度具有鮮明的空間性和季節(jié)性差異。因此，探究東江溶解氧偏低問題，不僅要關(guān)注以理化指標(biāo)反映的水質(zhì)變化，更要從河流生態(tài)系統(tǒng)整體健康上進(jìn)行分析診斷。

1 研究區(qū)域概括

以惠州劍潭大壩為中心，對(duì)上游約20km至東莞東江南支流泗盛人海口區(qū)域開展系統(tǒng)調(diào)研。該區(qū)域東江水體透明度普遍低于50cm，西枝江匯入東江后，惠州博羅一東莞段水體表層藻類豐度較低，藻類產(chǎn)氧能力有限。改變東江水文條件的主要因素包括建壩發(fā)電對(duì)水量與水流的改變、人為采沙等對(duì)河道地形的改變。污染輸入直接影響水質(zhì)，污染來源包括流域面源污染匯入和支流污染輸入。目前惠州-東莞段東江主要支流包括西枝江、馬嘶河與沙河等，以及東莞東江南支流片區(qū)的河網(wǎng)，這些支流與河網(wǎng)也是污染物進(jìn)入干流的主要通道，大量有機(jī)污染物排放會(huì)加劇東江溶解氧消耗。東莞段東江水文條件還受到下游潮汐的影響，并且這種影響的強(qiáng)度有增加的趨勢(shì)。氣候異常變暖也有可能是導(dǎo)致惠州一東莞段東江溶解氧水平的重要誘因，這也意味著可能存在全球氣候變化所帶來的長期效應(yīng)。

2 研究內(nèi)容及方法

2.1 東江惠州-東莞段溶解氧等關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)的時(shí)空變化特征研究

監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括水溫、溶解氧、氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)等，揭示區(qū)域內(nèi)東江及其支流溶解氧的主要變化趨勢(shì)，找出東江溶解氧突變的空間節(jié)點(diǎn)。

2.2 東江惠州-東莞段藻類時(shí)空變化特征研究

監(jiān)測(cè)透明度、葉綠素a及生物量變化特征，揭示區(qū)域內(nèi)藻類群落變化的空間特征，分析藻類對(duì)溶解氧等水質(zhì)指標(biāo)的影響。

2.3 劍潭電站現(xiàn)有運(yùn)行模式對(duì)溶解氧垂直變化的直接與間接影響

監(jiān)測(cè)劍潭電站上下游水位落差和溶解氧垂直變化情況，分析劍潭大壩運(yùn)行對(duì)水文調(diào)節(jié)過程對(duì)溶解氧的影響，揭示劍潭電站現(xiàn)有運(yùn)行條件下排水方式對(duì)東江下游段溶解氧的影響。

2.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位和頻次

2018年8月17日-19日和10月11日-15日，對(duì)惠州-東莞段沿線100kM水域開展兩次監(jiān)測(cè)，分別設(shè)置樣點(diǎn)17個(gè)和23個(gè)。對(duì)劍潭大壩上下游10km內(nèi)共布設(shè)5個(gè)樣點(diǎn)；其它江段以7-10km為尺度，依次布點(diǎn)，對(duì)于重要支流入東江口補(bǔ)充1個(gè)樣點(diǎn)。（見圖1）

2.5 研究方法

以劍潭大壩為中心，設(shè)定15-20個(gè)樣點(diǎn)，大壩上游設(shè)置3-5個(gè)斷面，大壩下游設(shè)置10-15個(gè)斷面，垂直剖面分3-5層，掌握東江惠州一東莞段影響溶解氧的關(guān)鍵指標(biāo)與過程；揭示劍潭電站運(yùn)行模式對(duì)溶解氧變化的影響，闡明東江惠州一東莞段溶解氧變化規(guī)律；收集區(qū)域內(nèi)西湖村、劍潭、橋頭、樟村水廠、沙田泗盛等5個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站歷史數(shù)據(jù)，采用水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析、多元線性回歸、主成分分析算法等3種方法解析溶解氧與主要污染物的影響關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

8月平均水溫28.2。C，沿河流方向總體呈現(xiàn)三個(gè)分布群：其中S1位點(diǎn)溶解氧最高，其次從S3至S13溶解氧有所下降，再次為S2、S14-S17，溶解氧最低。各斷面溶解氧濃度呈現(xiàn)明顯的垂直分層，沿垂線方向，溶解氧濃度迅速降低，一般在表層1m深度形成明顯的氧躍層。大部分位點(diǎn)表層和底層溶解氧之間的差異約為1.0-1.5mg/L。10月平均水溫23.6℃，與8月相比各點(diǎn)位溶解氧濃度明顯上升。沿河流方向和垂線方向的溶解氧濃度總體變化趨勢(shì)與8月基本一致，大部分位點(diǎn)表層和底層溶解氧之間的差異約為1.5-2mg/L。

8月份東江東莞段透明度最高出現(xiàn)在S1達(dá)到0.65m，而最低值出現(xiàn)在西枝江，為0.32m。而其他斷面在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。10月份東江東莞段透明度最高出現(xiàn)在S13達(dá)到0.84m，而南支流區(qū)域整體透明度均較低，介于0.20-0.33m。8月份和10月份東江水下光強(qiáng)呈現(xiàn)明顯垂直分層，大部分位點(diǎn)在水下1m時(shí)光強(qiáng)衰減90%以上，到水下3m深度，光強(qiáng)基本上接近于0。由于光的缺乏，水深3m以下藻類已無法正常生長。

8月份大部分位點(diǎn)表層葉綠素a濃度顯著高于中層和底層（p<0.05），10月份大部分位點(diǎn)表層葉綠素a濃度無明顯分層。沿河流方向，葉綠素a濃度經(jīng)劍潭電站后急劇下降，此后維持在較小范圍內(nèi)波動(dòng)。大部分位點(diǎn)葉綠素a濃度在水平斷面上無明顯差異。從化學(xué)需氧量和葉綠素a數(shù)據(jù)分析，劍潭大壩上游東江段水體中有機(jī)物中藻類比例較高，而下游藻類比例明顯降低，導(dǎo)致產(chǎn)氧能力不足。8月份西枝江匯入前的東江干流（S1）0.5m水深藻類生物量最高，達(dá)到8.3mg/L，10月份S4處表層水深藻類生物量最高，達(dá)到10.1mg/L。西枝江匯入后，藻類生物量顯著降低；在劍潭電站前后（S5-S6），由于水體流速增加，藻類生物量急劇降低；此后藻類生物量維持在較低水平（<2mg/L）。南支流區(qū)域由于營養(yǎng)鹽負(fù)荷較高，流速相對(duì)偏緩，盡管低透明度（低光）會(huì)限制藻類生長，但該區(qū)域藻類生物量顯著高于劍潭大壩后的干流（p<0.05）。

劍潭電站2008年開始運(yùn)行，過水方式如圖2所示，電站入水口低于壩前河道底部12.76m，壩前水位長期維持在10.5m左右。這樣就導(dǎo)致入水始終是底部低氧水，電站下泄過程存在一定的曝氣作用。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，8月大壩前表層和底層溶解氧濃度分別為5.0mg/L和3.3mg/L，差值為1.7mg/L，劍潭電站運(yùn)行方式（底層低氧水入電站）導(dǎo)致下游溶解氧損失1.7mg/L，經(jīng)電站曝氣后溶解氧有所增加，但總體上損失0.9mg/L；10月總體上損失0.5mg/L。總體來看，目前劍潭電站運(yùn)行方式對(duì)東江溶解氧的損失有一定影響。

3.2 相關(guān)性分析

如圖3所示5個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及兩次手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中水質(zhì)指數(shù)的數(shù)據(jù)頻度分布與相關(guān)性，反映各指標(biāo)在水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站及手工監(jiān)測(cè)斷面的數(shù)據(jù)性質(zhì)及指標(biāo)的相關(guān)性，同時(shí)為后續(xù)的多元統(tǒng)汁分析與解釋提供基礎(chǔ)。通過各水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的多年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和兩次手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性可以看出，所反映的東江惠州一東莞段水質(zhì)變化具有自身的特點(diǎn)，溶解氧主要與水溫、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷負(fù)相關(guān)，表明有機(jī)物介導(dǎo)的生物耗氧和化學(xué)耗氧是東江溶解氧偏低的主要原因。溶解氧與葉綠素呈顯著正相關(guān)，表明藻類光合產(chǎn)氧是東江水體表層溶解氧的重要來源。

3.3 多元回歸分析

通過多元回歸方程分析，西湖村、劍潭、橋頭、樟村、沙田泗盛等5個(gè)水站及8月、10月手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所有預(yù)測(cè)變量分別解釋了溶解氧64.13%、40.54%、62.44%、47.3%、29.14%、48.12%、61.91%的方差。整體而言，東江惠州-東莞段溶解氧主要與水溫、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷負(fù)相關(guān)，表明有機(jī)物介導(dǎo)的生物耗氧和化學(xué)耗氧是東江溶解氧偏低的主要原因。溶解氧與葉綠素呈顯著正相關(guān)，表明藻類光合產(chǎn)氧是東江水體表層溶解氧的重要來源。（見表1）

3.4 主成分分析算法

2013年-2017年5個(gè)水質(zhì)自動(dòng)站溶解氧與水溫、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和總磷呈顯著負(fù)相關(guān)，5個(gè)站點(diǎn)大致分為三個(gè)區(qū)域：西湖村、樟村、劍潭-橋頭、沙田泗盛，三個(gè)區(qū)域溶解氧逐漸降低。（見圖4）

8月和10月東江溶解氧與水溫、高錳酸鹽指數(shù)和總磷呈顯著負(fù)相關(guān)，表明有機(jī)污染物的耗氧過程是導(dǎo)致東江溶解氧偏低的主導(dǎo)因素，解釋率超過50%。8月份東江各位點(diǎn)（包括水平斷面和垂直斷面）無明顯分區(qū)，而10月份東江各位點(diǎn)大致分為三個(gè)區(qū)域：SI-S13、S14-S17、1#-6#，三個(gè)區(qū)域溶解氧逐漸降低。（見圖5）

4 結(jié)束語

綜上表明：劍潭電站壩前溶解氧存在明顯的分層，表層溶解氧濃度高于底層，而劍潭電站入水口位于河流底部，運(yùn)行方式對(duì)東江下游溶解氧造成重要影響。通過水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析、多元線性回歸、主成分分析算法等多種方法研究，發(fā)現(xiàn)東江干流惠州一東莞段溶解氧主要與水溫、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷呈負(fù)相關(guān)，表明有機(jī)物介導(dǎo)的生物耗氧和化學(xué)耗氧是東江溶解氧偏低的主要原因；溶解氧與葉綠素呈顯著正相關(guān)，表明藻類光合產(chǎn)氧是東江水體表層溶解氧的重要來源。