基于GIS技術的中國地表水中溶解氧時空分布規(guī)律

摘要：地表水中溶解氧是維持水生生物生存必不可少的條件，也是綜合反映水體環(huán)境質量的一項重要指標?；凇笆濉逼陂g地表水溶解氧監(jiān)測結果，重點分析中國10個流域溶解氧時空分布規(guī)律及影響因素。結果表明：空間分布上，位于南方的珠江流域溶解氧最低，多年均值為6.9 mg/L；北方的遼河流域溶解氧最高，多年均值為9.4 mg/L。此外，研究發(fā)現(xiàn)溶解氧分布除受海拔、氣溫等地理因素的影響外，溶解氧與pH、總氮、化學需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量呈正相關，與水溫、總磷、氨氮呈負相關。其中與水溫的相關性最大，其次是pH。

關鍵詞：溶解氧；分布規(guī)律；10個流域

中圖分類號：TV21文獻標識碼：A文章編號：1001-9235（2024）08-0057-08

Spatiotemporal Distribution of Dissolved Oxygen in Surface Water in ChinaBased on GIS Technology

WANG Shujuan1，MA Yue1，WANG Erlei1，YAO Weigang1，WU Qiong1，GU Zhujun2

（1.Xi′an Yitong Thermal Technology Service Co.，Ltd.，Xi′an 710032，China;2.Pearl River Water Resources Research Institute，Pearl River Water Resources Commission，Guangzhou 510610，China）

Abstract：Dissolved oxygen in surface water is an essential condition to maintain the survival of aquatic organisms and is also an important indicator to reflect the quality of the water environment.This study analyzed the spatiotemporal distribution and influencing factors of dissolved oxygen in surface water in ten river basins in China based on the monitoring results of dissolved oxygen in surface water during the\"13th Five-Year Plan\"period.The results show that the Pearl River Basin，located in the south，has the lowest dissolved oxygen，with a multi-year average of 6.9 mg/L，while the Liaohe River Basin has the highest dissolved oxygen with a multi-year average of 9.4 mg/L.In addition to geographical factors such as altitude and temperature，the distribution of dissolved oxygen is positively correlated with pH，totalnitrogen，chemical oxygen demand，permanganateindex，and five-day biochemical oxygen demand，but negatively correlated with water temperature，totalphosphorus，and ammonia nitrogen.The correlation with water temperature is the highest，followed by pH.

Keywords：dissolvedoxygen;distributionlaw;ten river basins

地表水中溶解氧是維持水生生物生存必不可少的條件，也是反映水體環(huán)境質量的一項重要指標［1-2］。溶解氧作為水體感官指標及水生生物生存指標，當水中溶解氧過低時，容易產(chǎn)生黑臭，釋放出甲烷、硫化氫等有毒氣體，嚴重威脅水生生物生存［3］。地表水中溶解氧的主要來源包括大氣復氧和生物光合作用釋氧兩部分，耗氧過程主要有營養(yǎng)鹽和有機物的大量輸入、藻類的大量繁殖或較強的密度分層都會大量消耗而導致貧氧［4］。20世紀以來，隨著自然變化和人類活動的加劇，排入水體的污染物量劇增，水體的低氧現(xiàn)象明顯增加［5］。地表水中溶解氧的影響因素十分復雜，受水溫、水深、pH、鹽度、流量、生物量、氣候、地形等影響［1，6］。已有研究表明溶解氧含量有明顯的晝夜變化特征，與水中藻類水平有關［4，7］。1944年Bond G W［8］采用1888年Winkler發(fā)明的“溫克勒法”研究了溶解氧和溫度的關系；1925年，Streete H W和Phelps E B采用構建水質預測模型描述下游廢水排放處溶解氧的消耗程度（S-P模式/方程）［9］。2017年Lu等［10］研究了近50 a來長江口及鄰近海域溶解氧的時空分布及變化特征，研究發(fā)現(xiàn)在長江口和附近一些近岸海域溶解氧大多是季節(jié)性的底層低氧，引起低氧現(xiàn)象的主要原因是密度梯度、溫度梯度引起的水體分層和水體富營養(yǎng)化。2022年劉壯等［11］研究了長江黃河上游地表水中溶解氧市控分布特征研究，同年解學慧等［12］研究了廣州市地表水環(huán)境溶解氧時空分布特征。目前溶解氧分布規(guī)律研究主要集中在重要河口和主要海域的的研究，大多研究集中探討低氧區(qū)形成的機理和低氧區(qū)的現(xiàn)狀，全國范圍內地表水時間和空間上的系統(tǒng)性分布的研究及各流域溶解氧分布特征及影響因素等方面的相關研究較少。

本文基于“十三五”期間2 050個地表水國考斷面的溶解氧監(jiān)測結果，重點分析了長江流域、黃河流域、珠江流域、淮河流域、海河流域、遼河流域、松花江流域、浙閩片河流、西南諸河及西北諸河等10個流域溶解氧分布特征及影響因素。

1數(shù)據(jù)來源

1.1數(shù)據(jù)采集方法

溶解氧的測定采用電化學探頭法［13］，電化學探頭是一個用選擇性薄膜封閉的小室，室內有2個金屬電極并充有電解質。氧和一定數(shù)量的其他氣體及親液物質可透過這層薄膜，但水和可溶性物質的離子幾乎不能透過這層膜。將探頭浸入水中進行溶解氧的測定時，由于電池作用或外加電壓在2個電極間產(chǎn)生電位差，使金屬離子在陽極進入溶液，同時氧氣通過薄膜擴散在陰極獲得電子被還原，產(chǎn)生的電流與穿過薄膜和電解質層的氧的傳遞速度成正比，即在一定的溫度下該電流與水中氧的分壓（或濃度）成正比。試驗中使用YSI Pro-20（美國維賽儀器公司，美國）便攜式溶解氧儀測定，YSI Pro-20溶解氧儀可自動進行溫度、壓力補償。采樣方法參照《地表水和污水監(jiān)測技術規(guī)范》［12］頻次為逐月監(jiān)測，含量以mg/L表示。

1.2數(shù)據(jù)處理

研究中，溶解氧空間變化基于生態(tài)環(huán)境部公布中國“十三五”期間溶解氧各斷面監(jiān)測結果的年均值在ArcGIS中通過空間插值得到。年際變化通過各斷面平均值分析，季節(jié)變化通過春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）、冬（12月至次年2月）監(jiān)測時間范圍內各季節(jié)所有頻次的觀測值累加求平均得到各斷面的季節(jié)平均值。

研究溶解氧濃度與環(huán)境因子的相關性分析采用Pearson相關性系數(shù)，圖表制作借助Origin9.1軟件制作，空間分布及等值線分布圖使用ArcGIS10.2軟件生成。

2結果與討論

2.1全國溶解氧時空分布規(guī)律

2.1.1溶解氧含量的年際分布規(guī)律

“十三五”期間全國溶解氧年度分布見圖1，從圖中可以看出全國溶解氧整體上呈現(xiàn)從北向南降低的趨勢，低氧區(qū)主要分布在東南地區(qū)?！笆濉逼陂g全國低氧區(qū)面積逐年減小，且低氧值不斷升高。2016年全國地表水監(jiān)測斷面溶解氧年均值變化范圍為1.9～12.0 mg/L，2017年為3.4～14.1 mg/L，2018年為3.3～13.9 mg/L，2019年為4.1～14.6mg/L，這說明近年來全國地表水水體自凈能力提升［14］。

2.1.2溶解氧含量的季節(jié)分布規(guī)律

全國溶解氧季節(jié)分布呈現(xiàn)夏、秋溶解氧低氧區(qū)域范圍較大，冬、春溶解氧低氧區(qū)域范圍較小的規(guī)律，其中秋季低氧范圍區(qū)最大，最低值出現(xiàn)在夏季，與羅丹［15］、王話翔［16］、蘇春雅［17］的研究結論一致，見圖2。從圖中可以看出全國春季溶解氧濃度均值變化范圍為2.9～16.7 mg/L，夏季為3.6～12.4 mg/L，秋季為4.6～15.7 mg/L，冬季為2.6～19.0 mg/L。此外，從圖2中可以看出，全國春季溶解氧監(jiān)測結果整體呈現(xiàn)從北向南降低的趨勢。具體為最高值出現(xiàn)在東北地區(qū)，最低值出現(xiàn)在東南地區(qū)。夏季溶解氧監(jiān)測結果呈現(xiàn)從西北到東南降低的趨勢。較春季，夏季全國低氧區(qū)面積明顯增大。秋季溶解氧監(jiān)測結果呈現(xiàn)從西到東降低的趨勢。較夏季，秋季全國低氧區(qū)面積明顯增大。冬季溶解氧監(jiān)測結果呈現(xiàn)東北到東南降低的趨勢。從以上分析可以看出，全國溶解氧季節(jié)分布規(guī)律較為明顯，這可能是因為冬春季風力較大，空氣交換作用劇烈，大氣中氧氣大量溶入地表水中，加上中國大部分地區(qū)冬春季溫度較低，氧氣在地表水中溶解度增加，故溶解氧濃度達到全年最大值［18-19］。

2.2主要江河溶解氧時空分布規(guī)律

2.2.1年際分布規(guī)律

“十三五”期間主要江河溶解氧分布見圖3，從圖中可以看出中國主要江河溶解氧分布呈現(xiàn)珠江流域lt;西南諸河lt;浙閩片河流lt;長江流域lt;淮河流域lt;西北諸河lt;黃河流域lt;松花江流域lt;海河流域lt;遼河流域，整體上珠江流域溶解氧最低，遼河流域最高。從地理位置上來看溶解氧較低的幾個流域珠江流域、西南諸河、浙閩片河流均位于中國南部，瀕臨南海，位于中國熱帶和亞熱帶地區(qū)。溶解氧較高的幾個流域松花江流域、海河流域及遼河流域位于中國東北地區(qū)，地處溫帶大陸性季風氣候區(qū)，平均氣溫較低。

為了進一步研究主要江河地表水中溶解氧分布規(guī)律，分析了主要江河“十三五”期間溶解氧年際分布規(guī)律，見圖4。從圖中可以看出各主要江河溶解氧濃度“十三五”以來有逐年升高的趨勢，其中淮河流域溶解氧濃度逐年升高趨勢最為明顯，珠江流域溶解氧濃度升高較低?；春恿饔蛉芙庋跄昃捣秶鸀?.3～9.0 mg/L，升高了1.7 mg/L，西南諸河溶解氧年均值范圍為6.3～8.1 mg/L，升高了1.8 mg/L，珠江流域溶解氧年均值變化范圍為6.8～7.0 mg/L，升高了0.2 mg/L，這與圖4中主要江河溶解氧空間分布變化范圍規(guī)律一致。

2.2.2年內分布規(guī)律

圖5為主要江河溶解氧月度變化，從圖中可以看出各流域溶解氧最低值出現(xiàn)在7—8月，最高值出現(xiàn)在12月至次年2月。其中遼河流域月度溶解氧濃度變化范圍最大為7.4～11.5 mg/L，西南諸河溶解氧月度變化范圍最小為7.1～8.3 mg/L。這可能是因為一年中7—8月份水溫較高，12月至次年2月水溫較低。因此溶解氧在7—8月較低，隨著溫度降低溶解氧開始上升到2月份達到最大值。

圖6為主要江河溶解氧季節(jié)變化，從圖中可以看出各主要江河溶解氧含量均呈現(xiàn)冬季＞春季＞秋季＞夏季規(guī)律，且各季節(jié)均呈現(xiàn)珠江流域lt;西南諸河lt;浙閩片河流lt;長江流域lt;淮河流域lt;西北諸河lt;黃河流域lt;松花江流域lt;海河流域lt;遼河流域的規(guī)律。珠江流域溶解氧濃度的春季均值為7.1 mg/L，夏季為6.5 mg/L，秋季為6.7 mg/L，冬季為7.5 mg/L。遼河流域溶解氧濃度的春季均值為10.0 mg/L，夏季為7.8 mg/L，秋季為9.4 mg/L，冬季為11.1 mg/L。這可能是因為冬季各地區(qū)風力較大，空氣對流作用明顯，加上冬季溫度較低，故地表水中溶解氧濃度達到最大值。此外，相比珠江流域，遼河流域溫度較低。因而遼河流域各季節(jié)的溶解氧均其他流域。

2.3水質現(xiàn)狀

圖7為“十三五”以來中國地表水污染指標統(tǒng)計，從圖中可以看出近年來中國地表水主要污染指標為化學需氧量、總磷、氨氮、五日生化需氧量和高錳酸鹽指數(shù)，超標率分別為10.9%～15.3%、7.8%～14.1%、7.2%～12.4%、6.8%～12.3%和7.9%～10.3%。此外，從圖中可以看出2016年以來各主要污染指標超標率呈逐年降低的趨勢，這說明近年來中國地表水水質不斷改善。

圖8為“十三五”以來中國主要江河污染指標統(tǒng)計，從圖中可以看出近年來中國主要江河主要污染指標為化學需氧量、總磷、氨氮、五日生化需氧量和高錳酸鹽指數(shù)，超標率分別為1.3%～31.3%、0.8%～25.0%、1.0%～18.4%、0.6%～23.6%和1.0%～17.2%。此外，從圖中可以看出海河流域各污染指標超標率均高于其他流域，其次為淮河流域，西北諸河各污染指標超標率最低。

2.4溶解氧影響因素

2.4.1溶解氧受物理因素的影響

由于溶解氧分布具有明顯的區(qū)域性及時間性差異，為了分析溶解氧分布規(guī)律的形成原因及影響因素，根據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)公布的中國各地區(qū)的海拔及平均氣溫，分別分析了中國海拔及氣溫分布情況，見圖9。從圖中可以看出中國海拔呈現(xiàn)西高東低的現(xiàn)象，這與2.2.2節(jié)中全國溶解氧夏季及秋季溶解氧的分布規(guī)律基本一致，這說明夏、秋季溶解氧分布與所在地區(qū)的海拔存在一定負相關的關系。海拔高的地區(qū)溶解氧較高，相反海拔低的地區(qū)溶解氧低。此外，從全國氣溫分布可以看出，中國氣溫分布呈北方低南方高的特點，這與2.2.2節(jié)中全國溶解氧春季、冬季分布規(guī)律基本相似，這說明春季、冬季溶解氧的分布與所在地區(qū)氣溫存在一定的關系。綜上，通過分析中國海拔及氣溫的分布特點，可以得出海拔、氣溫等地理因素的影響［20-21］，一定程度上造成溶解氧分布的空間性、季節(jié)性差異。此外，根據(jù)全國近年來水質監(jiān)測結果分析了溶解氧與pH、水溫的關系。從圖9中可以看出，pH與溶解氧呈正相關，水溫與溶解氧呈負相關。

2.4.2溶解氧受化學因素的影響

為了分析溶解氧分布的地區(qū)性及時間性差異原因，根據(jù)全國及主要江河水質現(xiàn)狀的分析結果，選取化學需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、總氮、總磷等6個化學指標進行相關性分析，相關性見圖10、表1。根據(jù)圖表顯示，溶解氧與總磷、氨氮呈負相關，與化學需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、總氮等污染指標呈正相關。從表1中可以看出，這些指標中與溶解氧相關性最大的為水溫、其次為pH。理論上講，溶解氧與化學需氧量、生化需氧量、氨氮、總氮等污染指標均呈負相關關系［22-23］。但在實際情況中，不但要考慮到物理、化學作用對不同成分污染物的降解過程的影響，還要考慮到污染物的不斷加入、污染源、生物量等情況的影響，由此造成部分指標與溶解氧的相關性與理論不符。

3結論

a）中國溶解氧分布具有鮮明的空間性和時間性差異?？臻g上，全國溶解氧整體上呈現(xiàn)從北向南降低的趨勢，最低值出現(xiàn)在東南地區(qū)。時間上，“十三五”期間全國低氧區(qū)面積逐年減小，且低氧值不斷升高；溶解氧季節(jié)變化呈現(xiàn)夏季＜秋季＜春季lt;冬季的規(guī)律，其中最低值出現(xiàn)在夏季，最高值出現(xiàn)在冬季。

b）中國主要江河溶解氧分布具有明顯的區(qū)域性差異，溶解氧濃度珠江流域lt;西南諸河lt;浙閩片河流lt;長江流域lt;淮河流域lt;西北諸河lt;黃河流域lt;松花江流域lt;海河流域lt;遼河流域。“十三五”期間珠江流域溶解氧濃度范圍為6.8～7.0 mg/L，最高值出現(xiàn)在2月，最低值出現(xiàn)在7月，遼河流域溶解氧濃度范圍為6.5～8.3 mg/L，最高值出現(xiàn)在1月，最低值出現(xiàn)在8月。

c）溶解氧影響因素極其復雜，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輸入的影響。研究發(fā)現(xiàn)溶解氧分布受海拔、大氣壓、氣溫等地理因素的影響外，溶解氧與總磷、氨氮呈負相關，與化學需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、總氮等污染指標呈正相關。這些指標中與溶解氧相關性最大的為水溫、其次為pH。理論上講，溶解氧與化學需氧量、生化需氧量、氨氮、總氮等污染指標均呈負相關關系。但在實際情況中，不但要考慮到物理、化學作用對不同成分污染物的降解過程的影響，還要考慮到污染物的不斷加入、污染源、生物量等情況的影響，由此造成部分指標與溶解氧的相關性與理論不符。

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