-
溶解氧（DO）是评价地表水环境质量的重要指标，对维持水生态功能和水生生物多样性具有重要意义[1]，过低的 DO不仅会影响水生生物的正常生命活动[2-3]，降低地表水体的自净能力，还会造成河道和水库底层呈现还原环境，增加水体底泥中的营养物质和重金属等的溶解释放强度 [4]。水体中的氧气主要有2个来源：一个是大气复氧；一个是藻类及水生植物光合作用释放氧气。DO的消耗途径主要有耗氧污染物（如有机物、氨氮）的氧化降解、水生生物呼吸作用和河湖底泥耗氧等[5]。而在实际过程中，DO的影响因素极为复杂，大气复氧受大气压强[6]、水温[7]、盐度[8]和流速[9]等影响，大气压强越低、流速越小、水温越高、盐度越高，水中的DO含量越低；藻类及水生植物的光合作用又与温度、光照和水质等有密切联系。同时，随着人口快速增长和产业的不断集中，大量携带高浓度污染物的生产生活废水集中进入地表水体，污染物在水体中的分解造成了大量DO的消耗，并加剧了沉积物中氮磷的释放，水生态环境不断恶化[10]。
四川省是长江黄河上游重要的生态屏障和水源涵养地，生态环境地位独特，四川省的水生态环境质量关乎国家生态安全，开展河湖DO的研究对全省水生态环境保护具有重要意义。本研究依据2020年全省水质自动站和手工监测断面水质数据，探讨全省河湖DO的时空分布特征及影响因素，以期为全省针对性开展水环境的评价、治理和保护提供相应的依据。
-
四川省地势和气候条件差异明显。地势西高东低，处于青藏高原和长江中下游平原的过渡带，西部为高原、山地，海拔多在3 000 m以上；东部为盆地、丘陵，海拔多在500～2 000 m之间。气候气温差异大，东部属中亚热带湿润气候区，年均温16～18 ℃，川西南山地属亚热带半湿润气候区，年均温12～20 ℃，川西北高山属高原高寒气候区，年均温4～12 ℃。河流水文特征差异大，水位及流量季节变化大，夏季降雨量占全年降雨量的一半以上，集中降雨造成河流水位及流量急剧增加，而冬季降雨量的不足全年的1/10[11]，河流水位和流量均较小；部分中小河流上游与中下游流速差异大，往往上游流速大，下游流速较小；东部和西南河流无冰封期，川西北河流存在冰封期。
-
收集2020年水质自动站及手工监测断面中DO数据比较齐全的237个站点（断面）逐月水质数据，各水系站点数量，见表1。
部分缺少1个月DO数据的站点（断面），采用插值法补齐。选取的站点（断面）涵盖全省13大主要流域的126条河流湖库，其中河流型站点（断面）227个，湖库型站点（断面）10个，站点分布见图1。
-
使用Arcgis 10.2软件绘制四川省水质自动站点（断面）分布情况，使用SPASS 17.0软件分析DO与流域社会经济发展状况（人口密度、单位面积GDP）、水资源状况（多年平均径流量）和地理环境（平均海拔、平均纬度）之间的相关性；相关图表制作在Origin 2021与Excel 2019软件中完成。
-
2020年四川省河湖DO浓度均值8.39 mg/L。从十三大流域的年均DO浓度看，青衣江流域最高，达到8.86 mg/L；黄河流域最低，为7.48 mg/L；青衣江、涪江、嘉陵江、大渡河、岷江和渠江六大流域DO浓度高于全省平均值，沱江、长江（金沙江）、赤水河、琼江、安宁河、雅砻江和黄河低于全省平均水平，见图2。
从各流域干流和重点湖库的年均DO浓度看，各流域干流DO浓度均值为8.64 mg/L，略高于重点湖库浓度均值（8.54 mg/L）。十三大河流干流DO浓度中，青衣江干流最高，达到9.26 mg/L；安宁河干流最低为，为7.61 mg/L，见图3（a）。9大重点湖库中，紫坪铺水库年均DO最高，达9.84 mg/L；葫芦口水库最低，为7.18 mg/L，见图3（b）。
-
四川省河湖DO年均值总体呈现由东向西、由北向南的递减趋势，表现为DO年均浓度由东北向西南递减，DO年均浓度高值区主要分布在渠江、嘉陵江、涪江流域及岷江、沱江流域上游，低值区主要分布在金沙江、雅砻江流域川藏、川滇界及安宁河下游，见图4。
-
DO最高值分布与DO年均值分布相似，总体呈现由东向西、由北向南的递减趋势，表现为年均浓度由东北向西南递减，高值区主要分布在成都平原及川东的渠江、嘉陵江、涪江、琼江、沱江中上游和岷江中上游，低值区分布在川西南的长江（金沙江）、雅砻江下游和安宁河流域，见图5。
-
DO最低值总体呈现东高西低、南北高中部低的分布特征，高值区分布在嘉陵江和涪江流域上游，较低值区分布在沱江流域中下游、长江（金沙江）四川段及嘉陵江下游，见图6。
-
四川省河湖DO月均浓度分布呈冬季高、夏季低的特点。其中1月平均浓度最高，达9.78 mg/L，此后呈降低趋势；到7月达到最低，为7.42 mg/L；此后逐步升高，到12月升至9.17 mg/L。DO月均浓度冬季高、夏季低可能与饱和DO随气温、水温升高而降低有关，见图7。
各流域DO浓度最低值出现月份不同，见图8。
图8（a）可知，黄河流域出现最早，在初春3月，雅砻江流域在4月，大渡河、涪江、岷江、青衣江和琼江均出现在5月；5个流域出现在夏季，其中安宁河、长江（金沙江）出现在6月，嘉陵江、沱江出现在7月，赤水河出现在8月；渠江出现秋季的9月。除琼江流域DO浓度最高值出现在春季3月以外，其他流域均出现在12、1和2月的冬季。
9个重点湖库中DO浓度最低值出现月份差别较大，图8（b）可知，葫芦口水库、紫坪铺水库和邛海出现在春季，泸沽湖出现在夏季，仙鹤湖水库、鲁班水库和双溪水库出现在秋季，老鹰水库、黑龙滩水库出现在冬季。除紫坪铺水库、邛海和仙鹤湖水库DO浓度最高值出现在冬季以外，其余水库均出现在春季。
-
以《地表水环境质量标准：GB 3838—2002》中各类水体DO浓度限值为划分依据，将DO浓度低于5 mg/L的样本定义为发生低DO现象。
2020年四川省低DO发生率为0.83%，总体较低；其中湖库未发生低DO现象，河流发生率为0.87%。出现低DO现象的河流共17条，其中，长江（金沙江）流域最多，有5条；沱江流域其次，有3条；安宁河、岷江流域各有2条；涪江、黄河、嘉陵江、琼江和雅砻江流域各有1条。
从全年的低DO发生率看，琼江、黄河流域发生率最高，达2.78%；沱江、安宁河、雅砻江和岷江流域较高，在1.02%～2.78%之间；嘉陵江、涪江和长江（金沙江）流域较低，发生率<1%；赤水河、大渡河、青衣江和渠江流域无低DO现象发生，见图9。
-
从低DO发生率和最低DO浓度两方面看河流的低DO程度，见图10。
图10可知，低DO发生率方面，岷江体泉河、茫溪河低DO发生率较高，分别为25%和16.7%；沱江釜溪河、九曲河，黄河黑河，长江（金沙江）南广河、硕曲河（东旺河），安宁河孙水河，嘉陵江西充河，雅砻江鲜水河，涪江秀水河发生率8.3%；安宁河西河，长江（金沙江）大洪河、黑水河、御临河，沱江旭水河，琼江发生率在2.1%～5.6%之间。最低DO浓度方面，沱江釜溪河最低，为1.8 mg/L，DO不足问题最为严重；岷江茫溪河、琼江、涪江秀水河、黄河黑河和长江（金沙江）御临河最低DO在2.26～3.6 mg/L；其他河流在4.01～4.83 mg/L之间。
-
河流低DO发生月份分布情况，见图11。
图11可知，低DO现象主要出现在春、夏、秋季的3—9月，冬季未出现低DO。出现低DO的月份中，4月最多，有9次；5—7月较多，分别有5、3和4次；3、8和9月分别有1次。安宁河、涪江、黄河和雅砻江流域均只有1个月出现了低DO现象，其他流域多个月份出现低DO现象。出现低DO现象最早的是黄河流域的黑河，出现在3月；出现最晚的是长江（金沙江）流域的大洪河，出现在9月；沱江流域的釜溪河低DO持续月份最长，出现在4—7月的4个月中。
-
十三大流域DO平均值（DOmean）、DO最大值（DOmax）和DO最小值（DOmin）与流域社会经济发展状况（人口密度、单位面积GDP）、水资源状况（多年平均径流量）和地理环境（平均海拔、平均纬度）之间的相关性，见表2。
DOmean与流域地理环境中的平均海拔呈显著负相关关系。流域所处的海拔越高，气压越低，受气体的溶解平衡影响，水体中DO浓度较低[12]。表现为西部山地、高原流域由于海拔相对较高，DOmean较低，中、东部流域海拔相对低，DOmean较高的分布特征。
DOmax与流域社会经济发展状况的人口密度、单位面积GDP呈显著正相关关系。从2020年四川省生态环境质量公报也可以看出，四川省水质Ⅱ类及以上断面多位于经济发展状况较差、人口密度较小的金沙江及黄河流域，而未达Ⅲ类水质断面全部位于四川省经济发达、人口密度大的岷江、沱江流域，岷江流域主要污染指标为总磷，沱江流域主要污染指标为化学需氧量、总磷和高锰酸盐指数。这表明在四川地区，社会经济发展水平较高的区域，污染物排放强度相对较大，河流污染相对较重，由此带来的河流富营养化问题也更为突出，河流中藻类密度更大，在光照、温度适宜时其DO产生率也大于其他区域。DOmax与地理环境中的平均海拔呈显著负相关关系。这主要由于四川地区社会经济发展更好的流域多处于川中、东部丘陵地区，这些地区海拔相对较低，而经济发展较差流域多位于西部山地、高原，这些地区海拔相对较高。
DOmin与社会经济发展状况的人口密度、单位面积GDP呈显著负相关关系。DOmin一般出现在春夏季，流域人口、经济发展强度大，对流域水资源占用越大，水体及沉积物污染相对较重[13]，随着春夏季升温，微生物耗氧分解作用增强，会出现光合作用产生的氧气难以补充DO消耗的问题，河流DO出现较大幅度下降。DOmin与多年平均径流量呈显著正相关关系。多年平均径流量较大的流域，水资源量更加丰富，河流的流动性更好，纳污能力更大，水质更好，且污染物不容易沉积在河道内，春夏季微生物耗氧量低于DO产生量[14]。黄河流域DOmin较低可能与冬季结冰影响大气复氧有关[15]。
-
（1）四川省河湖DO年均值和最高值总体均呈现东高西低，北高南低的趋势，最低值呈现东高西低、南北高、中部低的分布特征，DO最低值的较低值区分布在沱江流域中下游、长江四川段及嘉陵江下游；在时间分布上，DO月均浓度冬高夏低，呈现冬季>春季>秋季>夏季，具体到月份，1月平均浓度最高，7月最低。
（2）四川省低DO发生的时间主要为3～9月，春夏季出现较多，发生率为0.83%，其中琼江、黄河流域发生率最高，达2.78%；从低DO发生的程度上看，沱江流域釜溪河低DO持续月份最长，DO不足问题最为严重，最低浓度仅为1.8 mg/L。
（3）从与外界环境的相关性上看，DOmean与流域平均海拔呈负相关关系；DOmax与流域社会经济发展状况呈正相关关系，与平均海拔呈负相关关系；DOmin与流域社会经济发展状况呈负相关关系，与多年平均径流量正相关关系。
长江黄河上游地表水溶解氧时空分布特征研究
——以四川省为例Spatial and temporal distribution characteristics of dissolved oxygen in surface water in the upper reaches of the Yangtze River and the Yellow River
-
摘要: 为了解长江黄河上游地表水中溶解氧（DO）的分布特征，以四川省河流湖库作为研究对象，通过收集整理四川省237个站点（断面）的DO逐月数据，研究分析DO的时空分布特征及其与外界环境因素的相关性。结果表明，四川省河湖DO在空间上总体呈现东高西低、南北高中部低的分布特征，在时间上呈冬季>春季>秋季>夏季，其中7月最低，全年DO低于5 mg/L的月份主要出现在3—9月，以春夏季为主，发生率为0.83%。从与外界环境相关性上看，DO浓度平均值与河流海拔呈负相关，DO浓度最高值与社会经济发展呈正相关，DO浓度最低值与社会经济发展呈负相关。Abstract: To understand the distribution characteristics of dissolved oxygen (DO) in surface water in the upper reaches of the Yangtze River and the Yellow River, rivers, lakes, and reservoirs in Sichuan Province were selected as the research objects. By collecting and arranging monthly DO data from 237 automatic water quality monitoring stations (water quality monitoring sections) in Sichuan Province, the temporal and spatial distribution characteristics of DO and the correlation with external environmental factors were studied and analyzed. The results reflected that the spatial distribution of DO in rivers and lakes in Sichuan Province was generally characterized with a high value in the East and a low value in the west, a high value in the north and south, and a low value in the middle. In terms of time, the DO content showed winter > spring > autumn > summer, and the lowest concentration was in July. The months with DO concentration below 5 mg/L mainly occurred from March to September, mostly during the spring and summer, with an occurrence frequency of 0.83%. In terms of relevance to the external environment, the average concentration of DO was negatively correlated with the river altitude. The highest DO concentration was positively correlated with socioeconomic development, while the lowest DO concentration was negatively correlated with it.
-
Key words:
- surface water /
- dissolved oxygen /
- distribution characteristics /
- altitude /
- socioeconomic
-
-
图 1 四川省水质监测站点（断面）分布
Figure 1. Distribution of water quality monitoring stations (sections) in Sichuan Province
图 2 四川省各流域年均DO浓度分布
Figure 2. Distribution of annual average DO concentration in river basin
图 3 四川省各流域干流及重点湖库年均DO浓度分布
Figure 3. Distribution of annual average DO concentration in main rivers and key reservoirs
图 4 四川省河湖DO年均值热点分布和空间变化趋势
Figure 4. Distribution and spatial change trend of annual average DO concentration in rivers and reservoirs
图 5 四川省河湖DO最高值热点分布和空间变化趋势
Figure 5. Distribution and spatial change trend of the highest DO concentration in rivers and reservoirs
图 6 四川省河湖DO最低值热点分布和空间变化趋势
Figure 6. Distribution and spatial change trend of the lowest DO concentration in rivers and reservoirs
图 7 四川省河湖月均DO变化趋势
Figure 7. Trend of monthly average DO concentration in rivers and reservoirs
图 8 四川各流域和重点湖库DO最高月和最低月分布情况
Figure 8. Distribution of the highest and lowest DO concentration in rivers and key reservoirs
图 10 河流低DO发生率及最低DO浓度
Figure 10. The incidence of low DO and the minimum DO concentration in rivers
表 1 四川省各水系监测站点（断面）统计
Table 1. The number of water quality monitoring stations(sections) in river system of Sichuan Province
个 流域 河流 湖库 小计 安宁河 6 1 7 赤水河 4 0 4 大渡河 10 0 10 涪江 17 2 19 黄河 3 0 3 嘉陵江 28 0 28 岷江 34 2 36 青衣江 8 0 8 琼江 5 0 5 渠江 24 0 24 沱江 49 3 52 雅砻江 5 2 7 长江（金沙江） 34 0 34 总计 227 10 237 
下载: 导出CSV
表 2 DO与各因素相关性分析
Table 2. Correlation of DO with various factors
相关系数 DOmean DOmax DOmin 人口密度 单位面积GDP 多年平均径流量 平均海拔 平均纬度 DOmean 1 0.654* 0.092 0.318 0.241 0.389 −0.619* 0.264 DOmax 0.654* 1 −0.379 0.762** 0.579* −0.023 −0.645* 0.391 DOmin 0.092 −0.379 1 −0.598* −0.585* 0.567* 0.058 −0.204 人口密度 0.318 0.762** −0.598* 1 0.930** −0.167 −0.679* 0.063 单位面积GDP 0.241 0.579* −0.585* 0.930** 1 −0.107 −0.560* −0.028 多年平均径流量 0.389 −0.023 0.567* −0.167 −0.107 1 −0.25 −0.346 平均海拔 −0.619* −0.645* 0.058 −0.679* −0.560* −0.25 1 0.313 平均纬度 0.264 0.391 −0.204 0.063 −0.028 −0.346 0.313 1 注：**表示在α=0.01水平下显著相关（双侧检验）；*表示在α=0.05水平下显著相关（双侧检验）。
下载: 导出CSV
-
[1] FAN C W, KAO S J. Effects of climate events driven hydrodynamics on dissolved oxygen in a subtropical deep reservoir in Taiwan[J]. Science of the total environment, 2008, 393(2-3): 326 − 332. doi: 10.1016/j.scitotenv.2007.12.018 [2] 黄炜惠, 马春子, 李文攀, 等. 我国地表水溶解氧时空变化及其对全球变暖的响应[J]. 环境科学学报, 2021, 41(5): 1970 − 1980. [3] GAUNS M, MOCHEMADKAR S, PRATIHARYA A, et al. Phytoplankton associated with seasonal oxygen depl- etion in waters of the western continental shelf of India[J]. Joumal of marine systems, 2020, 204: 103308. doi: 10.1016/j.jmarsys.2020.103308 [4] RABALAIS N N, CAI W J, CARSTENSEN J, et al. Eutrophication-driven deoxygenation in the coastal ocean[J]. Oceanography, 2014, 27(1): 172 − 183. doi: 10.5670/oceanog.2014.21 [5] 王话祥. 上海城市地表水溶解氧时空分布特征及影响因素探讨[D]. 上海: 华东师范大学, 2020. [6] 胡鹏, 杨庆, 杨泽凡, 等. 水体中溶解氧含量与其物理影响因素的实验研究[J]. 水利学报, 2019, 50(6): 679 − 686. [7] 沈忱, 吕平毓, 冯顺新, 等. 向家坝水库蓄水对下游江段溶解氧饱和度影响研究[J]. 淡水渔业, 2014(6): 31 − 36. [8] 孙毅, 吕方辉, 陈钊, 等. 长江口邻近海域溶解氧的时空分布及影响因素研究[J]. 海洋科学, 2021, 45(12): 86 − 96. [9] 王浩百. 城市河道水体流速激励引发湍流复氧变化规律研究[D]. 天津: 天津大学, 2019. [10] VAN M K J, BASU N B, VAN C P. Two centuries of nitrogen dynamics: Legacy sources and sinks in the Mississippi and Susquehanna River Basins[J]. Global biogeochemical cycles, 2017, 31(1): 2 − 23. doi: 10.1002/2016GB005498 [11] 蒋吉发, 王正勇. 四川省地表水资源量变化趋势分析[J]. 四川水利, 2022, 43(1): 47 − 52. [12] 吕琳莉, 李朝霞, 崔崇雨. 高原河流溶解氧变化规律研究[J]. 环境科学与技术, 2018, 41(7): 133 − 140. [13] 王话翔, 初晓冶, 陈莹, 等. 特大城市地表水环境溶解氧时空分布特征探究[J]. 华东师范大学学报(自然科学版), 2020(6): 154 − 163. [14] 包小波, 陈洁. 城市河道水流溶解氧分布影响分析[J]. 中国水能及电气化, 2017(4): 57 − 60. [15] 白乙拉, 李慧莹, 李志军. 寒区结冰湖冰盖下溶解氧垂直分布数值模型[J]. 水利学报, 2017, 48(3): 373 − 377. -
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 1695
- HTML全文浏览数: 1695
- PDF下载数: 26
- 施引文献: 0
