东江惠州-东莞段溶解氧偏低状态研究

苏淑珍　黎细华

摘要：针对东江惠州一东莞段溶解氧偏低的问题，通过水质指标相关性分析、多元线性回归、主成分分析算法等3种方法，系统分析东江水质变化的时空特点，揭示东江惠州一东莞段范围内干流及其支流溶解氧的空间变化、季时节变化、垂直变化趋势。结果表明，剑潭电站过水运行方式对下游干流溶解氧造成重要影响；东江惠州一东莞段溶解氧主要与水温、高锰酸盐指数、氨氮、总磷负相关，有机物介导的生物耗氧和化学耗氧是东江溶解氧偏低的主要原因；与叶绿素呈显著正相关，藻类光合产氧是东江水体表层溶解氧的重要来源。

关键词：东江；溶解氧；偏低

中图分类号：X824 文献标志码：B

前言

溶解氧是河流水质与生态系统健康的重要指标，能反映大气溶解、植物光合作用放氧和生物呼吸作用耗氧之间的平衡关系。较低溶解氧不仅影响水生动植物的分布与生长，而且还会影响沉积物氧化还原电位，进而影响磷和其他无机营养盐、有毒痕量金属的溶解与平衡。当水体DO浓度低于2mg/L时，水中大部分生物生存受到威胁，导致生物多样性减少和水体黑臭。

从监测数据中可以看出，东江惠州博罗-东莞段水体表层至底层溶解氧均偏低，夏秋季经常低于5mg/L。从水环境质量角度看，东江溶解氧偏低表现在理化指标方面，但从生态系统角度看，必定是河流生态系统内生物组分与生态过程发生了重要变化，从而导致关键物质循环和能量流动过程出现异常。溶解氧是反应水体生态状况的综合性指标之一，除受到好氧污染物的直接影响外，还受水温、水文、水动力、水生境以及水生生物种类和活性等多种因素叠加影响，东江东莞段水体溶解氧浓度具有鲜明的空间性和季节性差异。因此，探究东江溶解氧偏低问题，不仅要关注以理化指标反映的水质变化，更要从河流生态系统整体健康上进行分析诊断。

1 研究区域概括

以惠州剑潭大坝为中心，对上游约20km至东莞东江南支流泗盛人海口区域开展系统调研。该区域东江水体透明度普遍低于50cm，西枝江汇入东江后，惠州博罗一东莞段水体表层藻类丰度较低，藻类产氧能力有限。改变东江水文条件的主要因素包括建坝发电对水量与水流的改变、人为采沙等对河道地形的改变。污染输入直接影响水质，污染来源包括流域面源污染汇入和支流污染输入。目前惠州-东莞段东江主要支流包括西枝江、马嘶河与沙河等，以及东莞东江南支流片区的河网，这些支流与河网也是污染物进入干流的主要通道，大量有机污染物排放会加剧东江溶解氧消耗。东莞段东江水文条件还受到下游潮汐的影响，并且这种影响的强度有增加的趋势。气候异常变暖也有可能是导致惠州一东莞段东江溶解氧水平的重要诱因，这也意味着可能存在全球气候变化所带来的长期效应。

2 研究内容及方法

2.1 东江惠州-东莞段溶解氧等关键水质指标的时空变化特征研究

监测指标包括水温、溶解氧、氨氮、总磷、高锰酸盐指数等，揭示区域内东江及其支流溶解氧的主要变化趋势，找出东江溶解氧突变的空间节点。

2.2 东江惠州-东莞段藻类时空变化特征研究

监测透明度、叶绿素a及生物量变化特征，揭示区域内藻类群落变化的空间特征，分析藻类对溶解氧等水质指标的影响。

2.3 剑潭电站现有运行模式对溶解氧垂直变化的直接与间接影响

监测剑潭电站上下游水位落差和溶解氧垂直變化情况，分析剑潭大坝运行对水文调节过程对溶解氧的影响，揭示剑潭电站现有运行条件下排水方式对东江下游段溶解氧的影响。

2.4 监测点位和频次

2018年8月17日-19日和10月11日-15日，对惠州-东莞段沿线100kM水域开展两次监测，分别设置样点17个和23个。对剑潭大坝上下游10km内共布设5个样点；其它江段以7-10km为尺度，依次布点，对于重要支流入东江口补充1个样点。（见图1）

2.5 研究方法

以剑潭大坝为中心，设定15-20个样点，大坝上游设置3-5个断面，大坝下游设置10-15个断面，垂直剖面分3-5层，掌握东江惠州一东莞段影响溶解氧的关键指标与过程；揭示剑潭电站运行模式对溶解氧变化的影响，阐明东江惠州一东莞段溶解氧变化规律；收集区域内西湖村、剑潭、桥头、樟村水厂、沙田泗盛等5个水质自动监测站历史数据，采用水质指标相关性分析、多元线性回归、主成分分析算法等3种方法解析溶解氧与主要污染物的影响关系。

3 结果与分析

3.1 监测结果

8月平均水温28.2。C，沿河流方向总体呈现三个分布群：其中S1位点溶解氧最高，其次从S3至S13溶解氧有所下降，再次为S2、S14-S17，溶解氧最低。各断面溶解氧浓度呈现明显的垂直分层，沿垂线方向，溶解氧浓度迅速降低，一般在表层1m深度形成明显的氧跃层。大部分位点表层和底层溶解氧之间的差异约为1.0-1.5mg/L。10月平均水温23.6℃，与8月相比各点位溶解氧浓度明显上升。沿河流方向和垂线方向的溶解氧浓度总体变化趋势与8月基本一致，大部分位点表层和底层溶解氧之间的差异约为1.5-2mg/L。

8月份东江东莞段透明度最高出现在S1达到0.65m，而最低值出现在西枝江，为0.32m。而其他断面在一定范围内波动。10月份东江东莞段透明度最高出现在S13达到0.84m，而南支流区域整体透明度均较低，介于0.20-0.33m。8月份和10月份东江水下光强呈现明显垂直分层，大部分位点在水下1m时光强衰减90%以上，到水下3m深度，光强基本上接近于0。由于光的缺乏，水深3m以下藻类已无法正常生长。

8月份大部分位点表层叶绿素a浓度显著高于中层和底层（p<0.05），10月份大部分位点表层叶绿素a浓度无明显分层。沿河流方向，叶绿素a浓度经剑潭电站后急剧下降，此后维持在较小范围内波动。大部分位点叶绿素a浓度在水平断面上无明显差异。从化学需氧量和叶绿素a数据分析，剑潭大坝上游东江段水体中有机物中藻类比例较高，而下游藻类比例明显降低，导致产氧能力不足。8月份西枝江汇入前的东江干流（S1）0.5m水深藻类生物量最高，达到8.3mg/L，10月份S4处表层水深藻类生物量最高，达到10.1mg/L。西枝江汇入后，藻类生物量显著降低；在剑潭电站前后（S5-S6），由于水体流速增加，藻类生物量急剧降低；此后藻类生物量维持在较低水平（<2mg/L）。南支流区域由于营养盐负荷较高，流速相对偏缓，尽管低透明度（低光）会限制藻类生长，但该区域藻类生物量显著高于剑潭大坝后的干流（p<0.05）。

剑潭电站2008年开始运行，过水方式如图2所示，电站入水口低于坝前河道底部12.76m，坝前水位长期维持在10.5m左右。这样就导致入水始终是底部低氧水，电站下泄过程存在一定的曝气作用。

监测结果表明，8月大坝前表层和底层溶解氧浓度分别为5.0mg/L和3.3mg/L，差值为1.7mg/L，剑潭电站运行方式（底层低氧水入电站）导致下游溶解氧损失1.7mg/L，经电站曝气后溶解氧有所增加，但总体上损失0.9mg/L；10月总体上损失0.5mg/L。总体来看，目前剑潭电站运行方式对东江溶解氧的损失有一定影响。

3.2 相关性分析

如图3所示5个水质自动监测数据及两次手工监测数据中水质指数的数据频度分布与相关性，反映各指标在水质自动监测站及手工监测断面的数据性质及指标的相关性，同时为后续的多元统汁分析与解释提供基础。通过各水质自动监测站的多年监测数据和两次手工监测数据相关性可以看出，所反映的东江惠州一东莞段水质变化具有自身的特点，溶解氧主要与水温、高锰酸盐指数、氨氮、总磷负相关，表明有机物介导的生物耗氧和化学耗氧是东江溶解氧偏低的主要原因。溶解氧与叶绿素呈显著正相关，表明藻类光合产氧是东江水体表层溶解氧的重要來源。

3.3 多元回归分析

通过多元回归方程分析，西湖村、剑潭、桥头、樟村、沙田泗盛等5个水站及8月、10月手工监测数据所有预测变量分别解释了溶解氧64.13%、40.54%、62.44%、47.3%、29.14%、48.12%、61.91%的方差。整体而言，东江惠州-东莞段溶解氧主要与水温、高锰酸盐指数、氨氮、总磷负相关，表明有机物介导的生物耗氧和化学耗氧是东江溶解氧偏低的主要原因。溶解氧与叶绿素呈显著正相关，表明藻类光合产氧是东江水体表层溶解氧的重要来源。（见表1）

3.4 主成分分析算法

2013年-2017年5个水质自动站溶解氧与水温、高锰酸盐指数、氨氮和总磷呈显著负相关，5个站点大致分为三个区域：西湖村、樟村、剑潭-桥头、沙田泗盛，三个区域溶解氧逐渐降低。（见图4）

8月和10月东江溶解氧与水温、高锰酸盐指数和总磷呈显著负相关，表明有机污染物的耗氧过程是导致东江溶解氧偏低的主导因素，解释率超过50%。8月份东江各位点（包括水平断面和垂直断面）无明显分区，而10月份东江各位点大致分为三个区域：SI-S13、S14-S17、1#-6#，三个区域溶解氧逐渐降低。（见图5）

4 结束语

综上表明：剑潭电站坝前溶解氧存在明显的分层，表层溶解氧浓度高于底层，而剑潭电站入水口位于河流底部，运行方式对东江下游溶解氧造成重要影响。通过水质指标相关性分析、多元线性回归、主成分分析算法等多种方法研究，发现东江干流惠州一东莞段溶解氧主要与水温、高锰酸盐指数、氨氮、总磷呈负相关，表明有机物介导的生物耗氧和化学耗氧是东江溶解氧偏低的主要原因；溶解氧与叶绿素呈显著正相关，表明藻类光合产氧是东江水体表层溶解氧的重要来源。