東江惠州-東莞段溶解氧偏低狀態研究

蘇淑珍　黎細華

摘要：針對東江惠州一東莞段溶解氧偏低的問題，通過水質指標相關性分析、多元線性回歸、主成分分析算法等3種方法，系統分析東江水質變化的時空特點，揭示東江惠州一東莞段范圍內干流及其支流溶解氧的空間變化、季時節變化、垂直變化趨勢。結果表明，劍潭電站過水運行方式對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、氨氮、總磷負相關，有機物介導的生物耗氧和化學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，藻類光合產氧是東江水體表層溶解氧的重要來源。

關鍵詞：東江；溶解氧；偏低

中圖分類號：X824 文獻標志碼：B

前言

溶解氧是河流水質與生態系統健康的重要指標，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系。較低溶解氧不僅影響水生動植物的分布與生長，而且還會影響沉積物氧化還原電位，進而影響磷和其他無機營養鹽、有毒痕量金屬的溶解與平衡。當水體DO濃度低于2mg/L時，水中大部分生物生存受到威脅，導致生物多樣性減少和水體黑臭。

從監測數據中可以看出，東江惠州博羅-東莞段水體表層至底層溶解氧均偏低，夏秋季經常低于5mg/L。從水環境質量角度看，東江溶解氧偏低表現在理化指標方面，但從生態系統角度看，必定是河流生態系統內生物組分與生態過程發生了重要變化，從而導致關鍵物質循環和能量流動過程出現異常。溶解氧是反應水體生態狀況的綜合性指標之一，除受到好氧污染物的直接影響外，還受水溫、水文、水動力、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性差異。因此，探究東江溶解氧偏低問題，不僅要關注以理化指標反映的水質變化，更要從河流生態系統整體健康上進行分析診斷。

1 研究區域概括

以惠州劍潭大壩為中心，對上游約20km至東莞東江南支流泗盛人海口區域開展系統調研。該區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，藻類產氧能力有限。改變東江水文條件的主要因素包括建壩發電對水量與水流的改變、人為采沙等對河道地形的改變。污染輸入直接影響水質，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的河網，這些支流與河網也是污染物進入干流的主要通道，大量有機污染物排放會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，并且這種影響的強度有增加的趨勢。氣候異常變暖也有可能是導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。

2 研究內容及方法

2.1 東江惠州-東莞段溶解氧等關鍵水質指標的時空變化特征研究

監測指標包括水溫、溶解氧、氨氮、總磷、高錳酸鹽指數等，揭示區域內東江及其支流溶解氧的主要變化趨勢，找出東江溶解氧突變的空間節點。

2.2 東江惠州-東莞段藻類時空變化特征研究

監測透明度、葉綠素a及生物量變化特征，揭示區域內藻類群落變化的空間特征，分析藻類對溶解氧等水質指標的影響。

2.3 劍潭電站現有運行模式對溶解氧垂直變化的直接與間接影響

監測劍潭電站上下游水位落差和溶解氧垂直變化情況，分析劍潭大壩運行對水文調節過程對溶解氧的影響，揭示劍潭電站現有運行條件下排水方式對東江下游段溶解氧的影響。

2.4 監測點位和頻次

2018年8月17日-19日和10月11日-15日，對惠州-東莞段沿線100kM水域開展兩次監測，分別設置樣點17個和23個。對劍潭大壩上下游10km內共布設5個樣點；其它江段以7-10km為尺度，依次布點，對于重要支流入東江口補充1個樣點。（見圖1）

2.5 研究方法

以劍潭大壩為中心，設定15-20個樣點，大壩上游設置3-5個斷面，大壩下游設置10-15個斷面，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鍵指標與過程；揭示劍潭電站運行模式對溶解氧變化的影響，闡明東江惠州一東莞段溶解氧變化規律；收集區域內西湖村、劍潭、橋頭、樟村水廠、沙田泗盛等5個水質自動監測站歷史數據，采用水質指標相關性分析、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系。

3 結果與分析

3.1 監測結果

8月平均水溫28.2。C，沿河流方向總體呈現三個分布群：其中S1位點溶解氧最高，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與8月基本一致，大部分位點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在S1達到0.65m，而最低值出現在西枝江，為0.32m。而其他斷面在一定范圍內波動。10月份東江東莞段透明度最高出現在S13達到0.84m，而南支流區域整體透明度均較低，介于0.20-0.33m。8月份和10月份東江水下光強呈現明顯垂直分層，大部分位點在水下1m時光強衰減90%以上，到水下3m深度，光強基本上接近于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濃度經劍潭電站后急劇下降，此后維持在較小范圍內波動。大部分位點葉綠素a濃度在水平斷面上無明顯差異。從化學需氧量和葉綠素a數據分析，劍潭大壩上游東江段水體中有機物中藻類比例較高，而下游藻類比例明顯降低，導致產氧能力不足。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，達到8.3mg/L，10月份S4處表層水深藻類生物量最高，達到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）。南支流區域由于營養鹽負荷較高，流速相對偏緩，盡管低透明度（低光）會限制藻類生長，但該區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。

監測結果表明，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，劍潭電站運行方式（底層低氧水入電站）導致下游溶解氧損失1.7mg/L，經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，目前劍潭電站運行方式對東江溶解氧的損失有一定影響。

3.2 相關性分析

如圖3所示5個水質自動監測數據及兩次手工監測數據中水質指數的數據頻度分布與相關性，反映各指標在水質自動監測站及手工監測斷面的數據性質及指標的相關性，同時為后續的多元統汁分析與解釋提供基礎。通過各水質自動監測站的多年監測數據和兩次手工監測數據相關性可以看出，所反映的東江惠州一東莞段水質變化具有自身的特點，溶解氧主要與水溫、高錳酸鹽指數、氨氮、總磷負相關，表明有機物介導的生物耗氧和化學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，表明藻類光合產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個水站及8月、10月手工監測數據所有預測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、氨氮、總磷負相關，表明有機物介導的生物耗氧和化學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，表明藻類光合產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個水質自動站溶解氧與水溫、高錳酸鹽指數、氨氮和總磷呈顯著負相關，5個站點大致分為三個區域：西湖村、樟村、劍潭-橋頭、沙田泗盛，三個區域溶解氧逐漸降低。（見圖4）

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

4 結束語

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，運行方式對東江下游溶解氧造成重要影響。通過水質指標相關性分析、多元線性回歸、主成分分析算法等多種方法研究，發現東江干流惠州一東莞段溶解氧主要與水溫、高錳酸鹽指數、氨氮、總磷呈負相關，表明有機物介導的生物耗氧和化學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，表明藻類光合產氧是東江水體表層溶解氧的重要來源。