右江百色水庫下游斷面低溶解氧形成原因分析

李昆明，孟凡生，張鈴松，林 卉，黃伯當(dāng)，張家勝

1.廣西壯族自治區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，廣西 南寧 530025 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)是衡量地表水環(huán)境質(zhì)量和水體清潔程度的重要指標(biāo)[1-2]，也是水生生物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，對于維持水生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要意義[3]。水體中的氧氣主要來源于大氣中氧的溶解和浮游植物的光合作用[4]，水體DO的分布和變化受到各種生物、化學(xué)及物理過程的綜合影響。一般情況下，水溫越高、鹽度越大、氣壓越低，水中飽和DO的濃度越低；水體耗氧污染物濃度越高，水中DO的濃度也會越低[5-6]。

隨著國家對生態(tài)環(huán)境保護(hù)重視程度的不斷增強(qiáng)，近年來我國地表水環(huán)境質(zhì)量明顯改善，全國地表水DO濃度呈不斷上升趨勢，特別是在2010—2011年，全國地表水DO濃度顯著提高[2]。若單獨(dú)以DO指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，2011年國控?cái)嗝嬉褵o劣V類水體，2017年已無V類及以下水體[2]。與此同時(shí)，也有一些斷面的其他水體指標(biāo)能夠穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅰ～Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，但DO濃度受自然因素影響低于V類標(biāo)準(zhǔn)限值(2.0 mg/L)[7-9]。按照現(xiàn)行水質(zhì)評價(jià)方法，相關(guān)斷面的水質(zhì)屬于劣Ⅴ類[10-12]。本文以右江百色水利樞紐工程(以下簡稱百色水庫)下游東筍斷面為研究對象，開展斷面DO影響因素研究，識別導(dǎo)致低DO的關(guān)鍵因素，以期為流域水環(huán)境管理提供支撐。

1 材料和方法

1.1 流域概況

右江是珠江水系西江干流黔江段支流郁江的中游河段。郁江是西江干流最大的支流，發(fā)源于云南省廣南縣底好鄉(xiāng)聽弄村，流入廣西壯族自治區(qū)后，在百色市百色鎮(zhèn)與澄碧河匯合，始稱右江。右江流經(jīng)百色市田陽、田東、平果，南寧市隆安、西鄉(xiāng)塘等縣(市、區(qū))，在南寧市宋村與左江匯合，始稱郁江(當(dāng)?shù)胤Q邕江)。右江全長707 km，流域面積38 612 km2，年平均徑流量172億m3，是一條灘多水急的山區(qū)河流，通航能力較低。右江流域建有百色水庫、澄碧河水庫、八桃水庫、百東水庫、仙湖水庫等數(shù)百座不同規(guī)模的水庫。右江流域及東筍國控?cái)嗝媸疽鈭D、東筍斷面位置概化圖分別見圖1、圖2。

圖1 右江流域及東筍國控?cái)嗝媸疽鈭DFig.1 Schematic diagram of the Youjiang Basin and Dongsun section

圖2 東筍斷面位置概化圖Fig.2 Sketch map of Dongsun section

百色水庫位于距百色市區(qū)22 km處的右江上游河段上，是一座以防洪為主，兼有發(fā)電、灌溉、航運(yùn)、供水等綜合功能的大型水利樞紐。百色水庫下游6.6 km處建設(shè)有東筍水電站。該水電站是百色水庫的反調(diào)節(jié)水庫，同時(shí)兼有發(fā)電、供水、養(yǎng)殖和旅游等功能。東筍斷面位于東筍水電站下游9 km處，主要來水為百色水庫發(fā)電下泄的中層水。東筍斷面下游6.6 km處為澄碧河匯入右江的匯入口，澄碧河匯入口下游26.4 km處為國控公簍斷面，公簍斷面下游12 km處為那吉水電站。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究數(shù)據(jù)來源于2020年1月—2021年11月廣西東筍斷面有效監(jiān)測樣本數(shù)據(jù)，分為采測分離手工監(jiān)測數(shù)據(jù)和水質(zhì)自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)。

除歷史數(shù)據(jù)外，本研究于2021年11月在百色水庫大壩前1.4 km處進(jìn)行了垂線DO濃度和水溫監(jiān)測，在百色水庫下游出水位置、下游10 km處和東筍斷面處進(jìn)行了表層DO濃度監(jiān)測。

1.3 S-P模型及參數(shù)

美國學(xué)者STREETER和PHELPS對耗氧過程進(jìn)行分析后得出，當(dāng)河流受納有機(jī)物后，沿水流方向產(chǎn)生的有機(jī)物輸移量遠(yuǎn)大于擴(kuò)散稀釋量；當(dāng)河水流量與污水流量穩(wěn)定、河水溫度不變時(shí)，有機(jī)物生化降解的耗氧量與該時(shí)期河水中存在的有機(jī)物的量成正比。這就是Streeter-Phelps模型，簡稱S-P模型[13-14]。

對于DO，其解析解基本方程為

DO=DOf-D

(1)

(2)

(3)

式中：DO為河流溶解氧濃度，mg/L；DOf為河流溶解氧飽和濃度，mg/L；D為河流虧氧量，mg/L；c0為初始斷面(大壩位置)生化需氧量(BOD)，mg/L；K1為河流BOD衰減(耗氧)速度常數(shù)，d-1；x為河流沿程距離，m；u為斷面平均流速，m/s；D0為初始斷面虧氧量，mg/L；K2為河流復(fù)氧速度常數(shù)，d-1；T為河水溫度，℃。

2021年5—11月的河水溫度范圍為20.35～28.95 ℃，取平均值，為25 ℃；河流BOD衰減(耗氧)速度常數(shù)K1的范圍為0.2～0.4 d-1，取中值，為0.3 d-1；河流復(fù)氧速度常數(shù)K2按照O’Connor經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，范圍為0.5～0.7 d-1，取中值，為0.6 d-1；斷面平均流速u參考右江百色水文站提供的2021年1—11月平均流速(0.05～2.16 m/s)，取平均值，為0.68 m/s；初始斷面BOD濃度c0取檢測結(jié)果最大值，為0.9 mg/L；河流沿程距離x取東筍斷面到百色水庫的距離，為15.6 km；初始斷面DO濃度取百色水庫下泄水DO濃度(2.0～6.0 mg/L)的整數(shù)值。

2 分析與討論

DO濃度受到水動力條件、水體理化性質(zhì)、水生態(tài)狀況和水體污染物降解耗氧等多重因素的影響，同時(shí)也受到水溫、氣壓等自然因素的影響[2,4,9,15-17]。DO在天然水體中處于不斷消耗與恢復(fù)的動態(tài)平衡中，其消耗過程包括有機(jī)物氧化、硝化作用、呼吸作用、底泥耗氧和污染物耗氧等，恢復(fù)過程包括空氣中氧氣溶解復(fù)氧、人為作用復(fù)氧和光合作用等。

2.1 水溫影響分析

水溫對DO的影響主要包括兩個(gè)方面：一是水體的DO飽和濃度隨水溫的升高而降低，DO飽和濃度與水溫的關(guān)系見公式(3)。二是水溫能影響藻類的營養(yǎng)鹽攝入和細(xì)胞中酶的活性，從而影響藻類的生產(chǎn)和繁殖能力。水溫上升，藻類生長速度加快，耗氧速率增加。

東筍斷面夏季(6—8月)平均水溫為26.7 ℃，秋季(9—11月)平均水溫為25.5 ℃，冬季(1—2月及12月)平均水溫為19.0 ℃，春季(3—5月)平均水溫為21.2 ℃。2020年1月—2021年11月東筍斷面DO濃度和DO飽和濃度見圖3。

總體上，東筍斷面夏秋季水溫比冬春季高，夏秋季DO飽和濃度比冬春季低。計(jì)算結(jié)果顯示，東筍斷面夏季DO平均飽和濃度比冬季低1 mg/L左右。研究表明，我國不同流域的氣候狀況、地理?xiàng)l件和污染物來源不同，水體DO飽和濃度也存在較大差異[2]。查閱國家水質(zhì)自動綜合監(jiān)管平臺中不同緯度河流的監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)緯度相對較高的黃河流域中段水質(zhì)自動監(jiān)測站的全年平均水溫為9.7 ℃，DO飽和濃度為11.7 mg/L；緯度介于黃河和右江之間的長江流域中段水質(zhì)自動監(jiān)測站的全年平均水溫為18.4 ℃，DO飽和濃度為9.7 mg/L；而緯度較低的東筍斷面的全年平均水溫為23 ℃，DO飽和濃度為8.9 mg/L。在同樣的監(jiān)測條件下，右江水體的DO飽和濃度比黃河、長江流域中段分別低2.8、0.8 mg/L。綜上可知，東筍斷面全年平均水溫較高，特別是夏秋季明顯偏高，限制了其DO濃度的上限。

圖3 2020年1月—2021年11月東筍斷面DO濃度和DO飽和濃度變化Fig.3 Variation of DO and saturated DO concentration in Dongsunsection from January 2020 to November 2021

2.2 藻類影響分析

水體DO濃度變化與藻類光合作用、呼吸作用有關(guān)。藻類在靜水或流速小于0.3 m/s的水體中進(jìn)行光合作用時(shí)，水體DO濃度會隨光合作用的增強(qiáng)而升高，兩者具有高度的正相關(guān)性[18-19]。葉綠素a是反映水體初級生產(chǎn)者(浮游植物)生物量的重要指標(biāo)。一般來說，葉綠素a含量越高，說明水體中浮游植物的數(shù)量越多，其通過光合作用產(chǎn)生的氧氣也就越多。根據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，東筍斷面葉綠素a平均濃度為6 μg/L。可見，該斷面浮游植物數(shù)量較少，浮游植物通過光合作用產(chǎn)生的氧氣也較少。

以東筍斷面DO濃度最低的2021年7月為例進(jìn)行研究。考慮到DO濃度的變化與光照變化相比具有滯后性的特點(diǎn)，因此，本研究在光照時(shí)段的劃分上也相應(yīng)地進(jìn)行了順延處理。在無光照或光照較弱的時(shí)段(20：00—次日12：00)，水溫相對較低，藻類以呼吸作用為主，平均DO濃度為3.11 mg/L；在光照較強(qiáng)的時(shí)段(12：00—20：00)，水溫相對較高，藻類以光合作用為主，平均DO濃度為3.23 mg/L。兩個(gè)時(shí)段的DO平均濃度僅相差0.12 mg/L。對7月的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)水溫和DO濃度呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，其皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.278，在0.01水平上顯著正相關(guān)，說明藻類的光合作用和呼吸作用對東筍斷面DO濃度的變化確實(shí)產(chǎn)生了影響，但影響相對有限。2021年7月東筍斷面DO濃度變化趨勢見圖4。

圖4 東筍斷面2021年7月水溫和DO濃度變化Fig.4 Variation of water temperature and DO concentrationin Dongsun section in July 2021

2.3 沉積物耗氧影響分析

現(xiàn)有研究表明，沉積物耗氧對降低水體DO濃度具有一定貢獻(xiàn)，且耗氧過程主要受沉積物生化作用、有機(jī)物礦化、水溫、底泥組分、水質(zhì)、水深和流速等因素的影響[20]。

通過調(diào)閱資料和現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，為滿足通航需求，百色水庫至東筍斷面及東筍斷面下游河段已完成航道疏浚。在航道疏浚過程中，清理航道的小型船只在此挖出的底質(zhì)為鵝卵石和砂石，沒有淤泥。由此可見，研究河段均為以鵝卵石為主的砂質(zhì)底。此類底質(zhì)對有機(jī)物的吸附量較小，因此，判斷此河段的沉積物耗氧對水體DO濃度的影響很小。

2.4 有機(jī)物耗氧影響分析

高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學(xué)需氧量(CODCr)和五日生化需氧量(BOD5)是表征水體有機(jī)污染物含量的指標(biāo)，以其降解/氧化過程消耗的DO或氧化劑的量來間接表示。指標(biāo)濃度越高，說明有機(jī)污染物的濃度越高，其耗氧量也就越大。2020年1月—2021年11月，東筍斷面CODMn、CODCr、BOD5、氨氮(NH3-N)的濃度范圍分別為0.9～1.8、2.0～8.0、0.2～0.9、0.02～0.13 mg/L，平均值分別為1.2、5.6、0.4、0.08 mg/L。其中，CODCr和BOD5為采測分離手工監(jiān)測數(shù)據(jù)，自2021年起按季度開展監(jiān)測，因此，2021年只有3次檢測結(jié)果。具體變化趨勢見圖5。

圖5 東筍斷面CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N變化趨勢Fig.5 Concentration variation of CODMn,CODCr,BOD5,NH3-N in Dongsun section

百色水庫出水的BOD5、NH3-N平均濃度分別為0.8、0.1 mg/L。根據(jù)東筍斷面BOD5、NH3-N濃度平均值可知，在自然環(huán)境中，該河段有機(jī)物降解的理論耗氧量為0.4 mg/L，NH3-N完全硝化的理論耗氧量為0.08 mg/L。在東筍斷面出現(xiàn)低DO的5—11月，其CODCr、CODMn、BOD5平均濃度分別為6.8、1.3、0.6 mg/L，與全年平均值差異不大。因此，東筍斷面CODCr、CODMn和BOD5總體較為穩(wěn)定，且濃度值較低，有機(jī)物耗氧降解需要的氧氣量較低，表明東筍斷面上游河段有機(jī)物含量較少。綜合以上分析可知，有機(jī)物降解耗氧對東筍斷面DO濃度的影響很小。

2.5 上游來水影響分析

2.5.1 百色水庫熱分層現(xiàn)象

水庫容易形成熱分層，表現(xiàn)為水溫在垂直方向上的分層現(xiàn)象。熱分層阻礙了水庫表層和底層水體間的物質(zhì)混合及交換，導(dǎo)致易出現(xiàn)表層DO濃度飽和而底層缺氧的狀態(tài)[6]。水庫熱分層受季節(jié)影響較大。深水水庫在夏秋季存在明顯的熱分層現(xiàn)象，一般從上到下分為3個(gè)水層：變溫層、溫躍層和滯溫層。水庫熱分層的形成期約為4—6月，穩(wěn)定期約為7—11月，11月之后為消亡期[21-22]。熱分層現(xiàn)象是導(dǎo)致水庫水質(zhì)出現(xiàn)惡化的重要原因之一[23]。水庫熱分層現(xiàn)象會阻礙氧氣及營養(yǎng)物質(zhì)的垂向運(yùn)輸，因此，水庫出現(xiàn)熱分層后，DO、pH及營養(yǎng)鹽等水質(zhì)指標(biāo)也會同步出現(xiàn)類似的分層現(xiàn)象。

歐輝明[24]分析了百色水庫的水溫結(jié)構(gòu)，其研究顯示，百色水庫壩前水溫屬于穩(wěn)定的分層型，入庫洪水幾乎不影響其分層結(jié)構(gòu)。董曼玲等[25]分別在百色水庫壩前和庫中布設(shè)了兩條水溫監(jiān)測垂線(80 m)，其監(jiān)測結(jié)果表明，百色水庫屬季節(jié)性分層水庫，豐水期分層明顯，平水期存在較弱的溫度分層，枯水期是否分層則受多種因素的影響，基本與水庫熱分層規(guī)律相同。

2.5.2 百色水庫水溫和DO垂線分析

百色水庫壩前1.4 km處垂線水溫和DO濃度監(jiān)測結(jié)果見圖6，2021年11月東筍斷面水溫和DO濃度變化情況見圖7。

圖6 大壩上游1.4 km處水溫和DO濃度隨水深變化Fig.6 Variation of water temperature and dissolvedoxygen concentration with water depth at 1.4 km upstream of the dam

從圖6可以看出，水溫隨水深的增加而降低，從距表面0.5 m處的23.8 ℃降低到水深50 m處的22.8 ℃，最低為22.6 ℃，整體變化幅度較小，說明此時(shí)熱分層已處于消亡期，水體DO及營養(yǎng)物質(zhì)的垂直交換正在逐漸恢復(fù)。DO濃度隨水深的增加而降低，且下降明顯，從距表面0.5 m處的5.78 mg/L降低到水深50 m處的0.14 mg/L。水庫中層的DO濃度仍然較低，但水深30 m和40 m處的DO濃度分別達(dá)到了2.81 mg/L和3.10 mg/L，說明水庫中上層DO濃度已有所恢復(fù)。

從圖7可以看出，東筍斷面11月的DO日均濃度范圍為3.2～6.1 mg/L，呈波動上升的趨勢；月平均濃度為4.8 mg/L，相比豐水期(7月)已經(jīng)有了很大提升。綜合以上分析可知，進(jìn)入11月以后，水庫DO濃度呈逐漸恢復(fù)的趨勢，與同期東筍斷面DO濃度逐步上升的趨勢明顯吻合。

圖7 東筍斷面11月水溫和DO濃度變化Fig.7 Variation of water temperature and DO concentrationin Dongsun section in November 2021

2.5.3 水庫低DO下泄水對東筍斷面的影響

從以上研究資料、歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，5—11月，百色水庫形成了較為穩(wěn)定的熱分層，中層和底層(>40 m)水溫較低，DO濃度也較低(<3 mg/L)。百色水庫正常蓄水位為228 m，壩前最大水深為110 m，泄洪使用中孔和表孔，發(fā)電取水為中層水。在水庫熱分層期，中層水的DO濃度較低，加之豐水期下泄水量較大，因此，下泄水均為低DO濃度的水，即上游來水會對東筍斷面DO濃度造成較大影響。

2.5.4 S-P模型驗(yàn)證分析

使用S-P模型驗(yàn)證上游來水對下游東筍斷面DO濃度的影響。

2.5.4.1 采用不同有機(jī)物濃度時(shí)的模擬計(jì)算結(jié)果

初始斷面BOD5濃度分別取0.9 mg/L和1.8 mg/L時(shí)的模擬計(jì)算結(jié)果見表1。可以看出，初始BOD5濃度雖增加一倍，但東筍斷面DO濃度模擬計(jì)算值的降低幅度很小。由此可知，初始斷面有機(jī)物濃度變化對東筍斷面DO濃度的影響不大。

表1 初始斷面不同有機(jī)物濃度下的東筍斷面S-P模型DO模擬計(jì)算值Table 1 DO simulated calculation value in the S-P model of Dongsun section with different organic matter concentrations in initial section

2.5.4.2 采用不同DO濃度時(shí)的模擬計(jì)算結(jié)果

初始斷面DO濃度分別取2.0～6.0 mg/L的整數(shù)值時(shí)的模擬計(jì)算結(jié)果見表2。隨著初始斷面DO濃度的增加，東筍斷面DO濃度模擬計(jì)算值均有較大幅度的增加。由此可見，初始斷面DO濃度變化對東筍斷面DO濃度的影響較大。

表2 初始斷面不同DO濃度下的東筍斷面S-P模型DO模擬計(jì)算值Table 2 DO simulated calculation value in the S-P model of Dongsunsection with different DO concentrations in initial section

2.5.4.3 模型驗(yàn)證

2021年11月18日，在百色水庫下游約10 km處和東筍斷面處(下游約15.6 km處)對河流表層DO濃度進(jìn)行了手工監(jiān)測。手工監(jiān)測結(jié)果顯示，下游約10 km處和東筍斷面處的DO濃度分別為3.95 mg/L和4.21 mg/L。同時(shí)，根據(jù)水文站監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算得出當(dāng)天流速為0.28 m/s，水溫為22.9 ℃。依據(jù)上述參數(shù)，通過S-P模型計(jì)算出的下游約10 km處和東筍斷面處的DO濃度模擬值分別為4.05 mg/L和4.59 mg/L。查閱當(dāng)天東筍自動監(jiān)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)，DO濃度實(shí)測值為4.57 mg/L。對S-P模型模擬值、手工監(jiān)測值、自動站實(shí)測值進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)相同位置的數(shù)值均在誤差允許范圍內(nèi)。

2.6 東筍斷面低DO形成過程分析

東筍斷面低DO形成過程見圖8。經(jīng)過影響因素分析和模型計(jì)算可知，每年5—11月，百色水庫會形成穩(wěn)定的熱分層，導(dǎo)致DO濃度同步出現(xiàn)分層，而百色水庫發(fā)電取水為中層水，其DO濃度較低，會對下游15.6 km處的東筍斷面DO濃度造成較大影響。與此同時(shí)，右江水溫較高，限制了DO飽和濃度的上限；有機(jī)物和沉積物降解耗氧對東筍斷面DO濃度的影響很小；藻類光合作用和呼吸作用對東筍斷面DO濃度的影響有限。綜上可知，5—11月東筍斷面低DO主要受夏季高溫和水利工程運(yùn)行等非污染因素的影響。

圖8 東筍斷面低DO形成過程示意圖Fig.8 Schematic diagram of formationprocess of low DO in Dongsun section

3 結(jié)論與建議

水體DO濃度的影響因素極其復(fù)雜。水體DO濃度變化既受到人類活動的影響，也受到自然因素的影響。2020年1月—2021年11月，東筍斷面除DO外，其他指標(biāo)均能達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，5—11月東筍斷面DO濃度低主要是受夏季高溫和水利工程運(yùn)行等非污染因素的影響。該時(shí)段內(nèi)，右江水溫較高，限制了水體DO飽和濃度的上限；有機(jī)物和沉積物耗氧對DO濃度的影響很小；藻類光合作用和呼吸作用對DO濃度的影響有限。與此同時(shí)，百色水庫會形成穩(wěn)定的熱分層，導(dǎo)致中層水DO濃度較低。發(fā)電時(shí)采用的低DO濃度中層水的大量下泄是東筍斷面DO濃度較低的主要原因。低DO濃度限制了東筍斷面水環(huán)境質(zhì)量的進(jìn)一步改善，建議在東筍斷面持續(xù)開展DO指標(biāo)監(jiān)測和分析，并將監(jiān)測和分析結(jié)果作為未來修訂、完善相關(guān)技術(shù)規(guī)定時(shí)的參考和依據(jù)。水體DO濃度的影響因素復(fù)雜，建議對受水利工程下泄低DO濃度水體影響的斷面開展持續(xù)和系統(tǒng)的研究，進(jìn)一步揭示熱分層水庫的污染物傳輸規(guī)律和機(jī)理。