南京市地表水溶解氧分布特征及低氧成因初探
——以外秦淮河七橋甕為例

王春，劉軍，謝鑫苗，柏松，邢學(xué)珂

(江蘇省南京環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210013)

溶解氧(DO)是保持水體良好生態(tài)環(huán)境，衡量水環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[1-2]。DO不僅是大多數(shù)水生動植物生存的必要條件，也是水體中污染物降解的關(guān)鍵參與者。一般情況下，適合大部分魚類生存活動的DO含量為5 mg/L以上[3]，當(dāng)DO含量低于4 mg/L為低氧，低于3 mg/L為缺氧，低于0.2 mg/L為厭氧。水體如果長期處于低氧狀態(tài)將會影響水生生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)而可能引起魚類死亡、多數(shù)藻類無法存活、水體黑臭等現(xiàn)象。伴隨城市化進(jìn)程的不斷加快，生活污水、工業(yè)廢水的大量排放對地表水環(huán)境造成負(fù)擔(dān)[4]，受外源污染物的排放及季節(jié)性影響，一些重點監(jiān)測斷面低氧現(xiàn)象時有發(fā)生，并逐漸成為影響考核斷面達(dá)標(biāo)及水生態(tài)健康的主要因素?，F(xiàn)通過收集2018—2021年來南京市地表水以及外秦淮河七橋甕國考斷面水質(zhì)資料，初步分析南京市地表水和外秦淮河七橋甕斷面溶解氧變化規(guī)律及其低氧成因，以期為外秦淮河的水質(zhì)提升、污染溯源以及重點斷面溶解氧達(dá)標(biāo)提供有效的技術(shù)支撐。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

外秦淮河全長23.6 km,區(qū)間流域面積208 km2，是秦淮河水系洪水外排入江的主要通道，也是南京市重要的景觀河道[5]。外秦淮河、秦淮河上游及秦淮新河水系見圖1。

圖1 外秦淮河、秦淮河上游及秦淮新河水系示意

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于江蘇省南京環(huán)境監(jiān)測中心2018—2020年例行83個手工監(jiān)測斷面單月水質(zhì)數(shù)據(jù)，以及2018年1月—2021年6月外秦淮河七橋甕水質(zhì)自動站小時值，并以自動站小時值為基礎(chǔ)，加權(quán)平均得到七橋甕水質(zhì)自動站各指標(biāo)日均值及月均值數(shù)據(jù)。南京市江寧氣象局2019—2021年6月降雨及氣壓數(shù)據(jù)。

1.3 監(jiān)測項目與方法

監(jiān)測項目有DO、水溫、pH值、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學(xué)需氧量(CODCr)、五日生化需氧量 (BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)。評價標(biāo)準(zhǔn)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)，采用Microsoft Office Excel 2016、ArcGIS和SPSS 23.0數(shù)據(jù)處理軟件分析指標(biāo)變化特征，采用水質(zhì)水量聯(lián)合評價、皮爾遜(Person)相關(guān)分析法，探討DO的影響因素。

2 結(jié)果與討論

2.1 南京市ρ(DO)時空變化特征

2018—2020年南京市地表水DO年均值空間分布特征見圖2。

圖2 2018—2020年南京市地表水DO年均值空間分布特征

由圖2可見，ρ(DO)年均值變化范圍為7.7～8.2 mg/L。在空間上總體呈現(xiàn)外高中低的“收縮”趨勢，中心主城區(qū)及附近區(qū)域DO逐年升高明顯，2018—2020年監(jiān)測點位ρ(DO)年均值達(dá)Ⅲ類(5 mg/L)以上的占比分別為87%，90%，94%。

2018—2020年南京市地表水DO季節(jié)性分布特征見圖3。由圖3可見，冬季ρ(DO)(9.80～10.05 mg/L)﹥秋季(7.42～8.55 mg/L)﹥春季(7.10～8.53 mg/L)>夏季(6.14～6.48 mg/L)。春、夏、秋、冬各季節(jié)ρ(DO)呈逐年上升趨勢，季節(jié)性變化特征與溫度呈反向變化，冬季水溫低，其ρ(DO)整體高于其他季節(jié)，夏季水溫較高，ρ(DO)下降，低氧區(qū)主要出現(xiàn)在夏季，主要分布于南京市主城區(qū)。

圖3 2018—2020年南京市地表水DO季節(jié)分布特征

2.2 外秦淮河七橋甕水質(zhì)自動站ρ(DO)變化特征

2.2.1ρ(DO)逐月變化特征

2018年1月—2021年6月七橋甕ρ(DO)逐月及每月超標(biāo)率變化見圖4、5。由圖4可見，七橋甕斷面DO月均值在2.25～11.07 mg/L，平均值為6.63 mg/L，全年ρ(DO)較低時段主要出現(xiàn)在5—9月，濃度范圍為2.25～6.57 mg/L。由圖5可見，5—9月的DO日均值超標(biāo)頻率較高，達(dá)到79.8%(435 d中347 d超標(biāo))，超標(biāo)時間分布呈現(xiàn)出集中性和連續(xù)性(圖5)。每年的1—4月、11—12月均未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。

圖4 2018年1月—2021年6月七橋甕ρ(DO)逐月變化

圖5 2018年7月—2021年6月七橋甕ρ(DO)每月超標(biāo)率變化

2.2.2ρ(DO)晝夜變化特征

2020年1月—2021年6月小時數(shù)據(jù)觀測ρ(DO)晝夜變化特征見圖6。以08：00—20：00為晝，20：00—次日08:00為夜。

圖6 七橋甕水質(zhì)自動站2020年1月—2021年6月ρ(DO)晝夜變化情況

由圖6可見，2020年1月—2021年6月同一時次DO平均質(zhì)量濃度最大值為7.70 mg/L，出現(xiàn)在16：00；最小值為6.95 mg/L，出現(xiàn)在04：00。七橋甕晝間DO超Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值410次，晝間DO平均濃度為7.36 mg/L，其中晝間同一時次DO平均濃度最大值與最小值間濃度差為0.72 mg/L；夜間DO超Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值429次，夜間DO平均濃度為7.13 mg/L，夜間DO平均濃度最大值與最小值間濃度差為0.42 mg/L，DO的晝夜變化中存在晝大于夜的特征，與文獻(xiàn)研究結(jié)果相符[6]。

3 低氧成因分析

3.1 水質(zhì)因子影響分析

水體中DO含量受溫度、pH值、耗氧有機(jī)物等多種因素影響[7-8]。對2018—2020年七橋甕水質(zhì)自動站數(shù)據(jù)進(jìn)行Person相關(guān)性分析(表1)。由表1可見，DO除與pH值呈正相關(guān)外，與其他指標(biāo)均呈負(fù)相關(guān)。pH值通過反映水生生物的活動強度，與DO變化存在內(nèi)在聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)浮游植物生長旺盛時，水體pH值升高，同時光合作用釋放氧氣[7]。而有機(jī)物的降解、含氮物質(zhì)的轉(zhuǎn)化都會消耗DO，同時厭氧環(huán)境將加速底泥中磷的釋放[9]，因此水中營養(yǎng)鹽及耗氧污染物會消耗水中DO，使DO濃度降低。

表1 2018—2021年七橋甕DO與其他水質(zhì)因子的相關(guān)性①

七橋甕水質(zhì)自動站ρ(DO)與水溫變化關(guān)系見圖7。由圖7可見，水溫與ρ(DO)呈明顯反向波動趨勢，2018年7月—2021年6月七橋甕水質(zhì)自動站水溫在5.3～34.3℃，平均值為19.6℃；當(dāng)ρ(DO)<5.0 mg/L時，水溫在18.7～33.7℃，平均溫度為27.8℃。水溫在20℃以下時，ρ(DO)基本保持在Ⅲ類以上水平，隨著水溫上升ρ(DO)超Ⅲ類頻率開始逐漸增加。不同水溫區(qū)間ρ(DO)超Ⅲ類分布特征見圖8。DO數(shù)據(jù)為自動站小時值，監(jiān)測頻次為4 h一次。由圖8可見，20～25，25～30和30～35 ℃各溫度區(qū)間ρ(DO)超Ⅲ類占比分別為18%,85%和72%。從數(shù)據(jù)分布看，一年中，水溫在25～30 ℃的分布比例較高，而該溫度區(qū)間ρ(DO)超Ⅲ類占比也最高(85%)。

圖7 2018年7月—2021年6月七橋甕水質(zhì)自動站ρ(DO)與水溫變化關(guān)系(小時值)

圖8 七橋甕水質(zhì)自動站不同水溫區(qū)間DO超Ⅲ類分布特征

3.2 水體復(fù)氧與耗氧分析

自然河流DO的主要來源有大氣復(fù)氧，光合作用生產(chǎn)氧，上游來水及支流充氧。消耗途徑主要是水中可降解物質(zhì)的氧化，生物呼吸耗氧，底泥耗氧[10]。一般情況下,清潔地表水中DO濃度接近飽和狀態(tài)，水體中飽和DO和現(xiàn)有DO的差值即缺氧，耗氧越多，缺氧量越大，而此時如果沒有及時且充分的復(fù)氧補充，水體DO濃度將保持較低水平。

3.2.1 七橋甕復(fù)氧因素分析

外秦淮河七橋甕斷面地處七橋甕濕地公園內(nèi)，無支流匯入，周邊也無水工增氧建筑物，其復(fù)氧途徑來源于大氣復(fù)氧，水生生物光合作用產(chǎn)氧及上游來水動力充氧。

3.2.1.1 大氣復(fù)氧

大氣復(fù)氧過程受氣壓、水溫等因素影響。一般情況下，氣壓高水溫低時，復(fù)氧條件較好，此時水體中飽和DO含量高；而氣壓低水溫高時，水體中DO含量低。

七橋甕溶解氧復(fù)氧條件變化見圖9。由圖9可見，每年5—9月，隨著梅雨期和夏季汛期的到來，水溫開始逐漸升高，溫度在25～30 ℃，高于年均值19.8 ℃，且在25～30 ℃時大氣壓相對較低(1 000～1 005 hPa)，低于年均值1 012 hPa，就此形成一段高溫低壓的閉合區(qū)間，該區(qū)間大氣復(fù)氧條件較為不利，同時與南京市全市地表水ρ(DO)夏季最低，外秦淮河七橋甕斷面ρ(DO)易波動時間段結(jié)果相吻合。

圖9 七橋甕溶解氧復(fù)氧條件變化

3.2.1.2 光合作用產(chǎn)氧

光合作用主要與光照強度、水溫、營養(yǎng)物質(zhì)濃度及具備光合作用功能的生物量有關(guān)[11]。研究表明沉水植物可大量吸收水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，同時通過光合作用快速提高水體中的DO濃度；挺水植物—浮水植物—漂浮植物—沉水植物的組合模式比單種植物有更好的生態(tài)效果[12]。

七橋甕斷面位于外秦淮河干流，河道寬度約110 m，為保證河道的行洪與通航能力，兩岸大多采用硬質(zhì)駁岸且岸坡較陡，使得挺水植物喪失了生長空間；同時河流深度較大(>4 m)，水體透明度有限，沉水植物的生長受到限制，水質(zhì)凈化效果減弱。當(dāng)夏季汛期來臨，伴隨上游來水中營養(yǎng)物質(zhì)的增加，使七橋甕斷面水質(zhì)受到影響，出現(xiàn)ρ(DO)下降現(xiàn)象，且無法及時得以恢復(fù)。

3.2.1.3 上游來水動力充氧

上坊門橋位于七橋甕上游3 km處，2個點位均位于外秦淮河干流，水文條件接近，因此以上坊門橋作為七橋甕上游來水參照點分析上游來水對DO指標(biāo)的影響(圖10)。由圖10可見，從上坊門橋—七橋甕水量變化情況，夏季汛期時段，上游來水水量增大后，七橋甕ρ(DO)往往會出現(xiàn)下降，說明相較于水量增加的動力充氧，該時段上游來水輸入的污染物對ρ(DO)的影響較大。

圖10 上坊門橋來水流量和七橋甕ρ(DO)變化關(guān)系

3.2.2 七橋甕耗氧因素分析

3.2.2.1 降雨及泵站排放的影響

2018—2021年南京市降雨量逐月變化見圖11。由圖11可見，南京市近年來5—9月月降雨量均在50 mm以上，該時段為汛期主要時段，其降雨量占全年降雨總量的45%～69%。汛期帶來的降水及河流徑流將城區(qū)及上游大量污染物帶入水體，水中污染物濃度升高，污染物降解消耗DO的速率隨之加快，從而造成降雨前后河道水質(zhì)波動較大，ρ(DO)下降。殷偉慶[13]分析了梅雨季節(jié)對京杭運河鎮(zhèn)江段水體污染的影響，研究發(fā)現(xiàn)梅雨初期對水質(zhì)有一定影響，同時受降雨影響，大量污染物因排澇站及涵閘的打開而匯入運河，使其水質(zhì)受到影響。

圖11 2018—2021年南京市降雨量逐月變化

根據(jù)南京市秦淮河流域入河排污口初步排查結(jié)果，目前秦淮河干流及一級支流共有各類入河排污口266個，其中約240個位于七橋甕斷面上游。以七橋甕斷面上游5 km的某泵站為例，該泵站前池匯集周邊雨水和未接管的生活污水，水質(zhì)長期處于Ⅴ—劣Ⅴ類水平。典型時段泵站排水量和水質(zhì)與降雨量之間的關(guān)系見圖12(a)(b)。由圖12(a)可見，在降雨量超過50 mm時，泵站排水量顯著增多，ρ(NH3-N)顯著降低至2～4 mg/L左右，降雨結(jié)束后，ρ(NH3-N)又逐漸上升。ρ(NH3-N)平均值在9.5 mg/L左右。由圖12(b)可見，ρ(DO)在降雨期間顯著上升，但幾乎不超過5 mg/L。ρ(DO)平均值在1.5 mg/L左右。雖然排水量增多起到了稀釋作用，使ρ(NH3-N)下降，但由于該泵站前池水質(zhì)較差，伴隨排放水量的增多，勢必造成排入河中的污染物負(fù)荷增大，從而對下游七橋甕斷面水質(zhì)帶來沖擊。

圖12 典型時段降雨與上游某泵站排水水量水質(zhì)的關(guān)系

3.2.2.2 上游來水水質(zhì)影響

2019—2021年1—6月上坊門橋和七橋甕各指標(biāo)同比變化情況見圖13(a)(b)。

由圖13(a)(b)可見，上坊門橋各指標(biāo)2019—2021年變化趨勢和七橋甕基本一致，其中ρ(CODMn)和ρ(CODCr)等指標(biāo)呈逐年上升趨勢。耗氧物質(zhì)降解的生化過程是水體中ρ(DO)消耗的主要途徑，同時水中化學(xué)耗氧也是重要耗氧源，當(dāng)含硫化氫、羥胺等強還原性物質(zhì)進(jìn)入水體時，ρ(DO)可瞬間趨于0[14]。

圖13 2019—2021年1—6月上坊門橋和七橋甕各指標(biāo)濃度同比變化

DO濃度差與七橋甕斷面DO超標(biāo)濃度比較見圖14。DO濃度差為每日上坊門橋與七橋甕斷面ρ(DO)之差。由圖14可見，七橋甕斷面ρ(DO)超標(biāo)(地表水III類標(biāo)準(zhǔn))集中在汛期，根據(jù)超標(biāo)程度分為2個時段：第1個時段為5—8月，此階段七橋甕ρ(DO)超標(biāo)程度較嚴(yán)重，超標(biāo)ρ(DO)主要集中在2～4 mg/L，為Ⅳ—Ⅴ類水平，此階段降雨密集，溫度較高，且由于上游來水?dāng)y帶污染物過多，導(dǎo)致耗氧升高；第2個時段為9—10月，此階段七橋甕ρ(DO)超標(biāo)程度相對較輕，ρ(DO)主要集中在3.5～5 mg/L,為Ⅲ—Ⅳ類水平，且此階段七橋甕與上坊門橋ρ(DO)相差無幾。因此，汛期上游來水對七橋甕斷面ρ(DO)超標(biāo)影響較大。

圖14 DO濃度差與七橋甕斷面ρ(DO)比較

綜上所述，DO除與pH值呈正相關(guān)，與水溫、CODMn等因子均呈負(fù)相關(guān)，且超標(biāo)時段主要在夏季，多集中在水溫25～30 ℃區(qū)間內(nèi)。從復(fù)氧因素看，在水溫較高的夏季，由于七橋甕斷面所在河道的行洪及通航的功能要求，使其并不具備先天的復(fù)氧優(yōu)勢。從耗氧因素看，當(dāng)夏季汛期來臨，伴隨上游來水中耗氧有機(jī)物及營養(yǎng)物質(zhì)的增加，污染物的氧化分解加快了DO的消耗，此時不利的復(fù)氧條件，使七橋甕斷面DO無法得到及時補充，從而使七橋甕斷面水質(zhì)受到影響。

因此，夏季水溫較高，水體DO飽和度降低，但水中污染物生化降解速率會隨水溫升高而加快，從而增大DO消耗速率。同時位于外秦淮河下游的七橋甕斷面，受上游來水因夏季汛期降雨及泵站排放等影響，將大量營養(yǎng)物質(zhì)及耗氧有機(jī)物帶入水體，當(dāng)水量在一定范圍內(nèi)時，污染物降解會迅速消耗DO，水體復(fù)氧速率小于耗氧速率，DO含量持續(xù)下降。

4 結(jié)論與建議

(1) 2018—2020年，南京市DO年均值為7.7～8.2 mg/L, 在空間上中心主城區(qū)及附近區(qū)域ρ(DO)相對較低。ρ(DO)季節(jié)性分布特征明顯，呈秋、冬季大于春、夏季的趨勢，夏季ρ(DO)最低。

(2)2018年1月—2021年6月，七橋甕水質(zhì)自動站DO月均值為2.25～11.07 mg/L，DO波動超標(biāo)時間連續(xù)集中，主要集中在5—9月，存在晝大于夜的特征，DO變化在晝間16：00(最大值)和夜間04:00 (最小值)2個時段體現(xiàn)的相對明顯。

(3)ρ(DO)除與pH值呈正相關(guān)，與水溫、ρ(CODMn)、ρ(NH3-N)、ρ(TP)均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。水溫和上游來水帶入的耗氧污染物是七橋甕斷面ρ(DO)偏低的主要成因。其中，ρ(DO)與水溫相關(guān)性最顯著。夏季由于水溫較高，水中DO飽和度降低，同時對七橋甕斷面而言因夏季汛期降雨及泵站排放等影響使徑流污染增加，水中污染物降解耗氧增加使ρ(DO)超標(biāo)頻率增加。

(4)ρ(DO)影響因素及機(jī)理復(fù)雜且存在多種機(jī)制共同作用，限于本次數(shù)據(jù)及分析的局限性，對ρ(DO)偏低的其他影響因素以及上游來水的影響機(jī)制都有待進(jìn)一步探究。