右江百色水库下游断面低溶解氧形成原因分析

李昆明，孟凡生，张铃松，林 卉，黄伯当，张家胜

1.广西壮族自治区生态环境监测中心，广西 南宁 530025 2.中国环境科学研究院，北京 100012

溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)是衡量地表水环境质量和水体清洁程度的重要指标[1-2]，也是水生生物赖以生存的物质基础，对于维持水生态系统健康具有重要意义[3]。水体中的氧气主要来源于大气中氧的溶解和浮游植物的光合作用[4]，水体DO的分布和变化受到各种生物、化学及物理过程的综合影响。一般情况下，水温越高、盐度越大、气压越低，水中饱和DO的浓度越低；水体耗氧污染物浓度越高，水中DO的浓度也会越低[5-6]。

随着国家对生态环境保护重视程度的不断增强，近年来我国地表水环境质量明显改善，全国地表水DO浓度呈不断上升趋势，特别是在2010—2011年，全国地表水DO浓度显著提高[2]。若单独以DO指标进行评价，2011年国控断面已无劣V类水体，2017年已无V类及以下水体[2]。与此同时，也有一些断面的其他水体指标能够稳定达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅰ～Ⅱ类标准，但DO浓度受自然因素影响低于V类标准限值(2.0 mg/L)[7-9]。按照现行水质评价方法，相关断面的水质属于劣Ⅴ类[10-12]。本文以右江百色水利枢纽工程(以下简称百色水库)下游东笋断面为研究对象，开展断面DO影响因素研究，识别导致低DO的关键因素，以期为流域水环境管理提供支撑。

1 材料和方法

1.1 流域概况

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，发源于云南省广南县底好乡听弄村，流入广西壮族自治区后，在百色市百色镇与澄碧河汇合，始称右江。右江流经百色市田阳、田东、平果，南宁市隆安、西乡塘等县(市、区)，在南宁市宋村与左江汇合，始称郁江(当地称邕江)。右江全长707 km，流域面积38 612 km2，年平均径流量172亿m3，是一条滩多水急的山区河流，通航能力较低。右江流域建有百色水库、澄碧河水库、八桃水库、百东水库、仙湖水库等数百座不同规模的水库。右江流域及东笋国控断面示意图、东笋断面位置概化图分别见图1、图2。

图1 右江流域及东笋国控断面示意图Fig.1 Schematic diagram of the Youjiang Basin and Dongsun section

图2 东笋断面位置概化图Fig.2 Sketch map of Dongsun section

百色水库位于距百色市区22 km处的右江上游河段上，是一座以防洪为主，兼有发电、灌溉、航运、供水等综合功能的大型水利枢纽。百色水库下游6.6 km处建设有东笋水电站。该水电站是百色水库的反调节水库，同时兼有发电、供水、养殖和旅游等功能。东笋断面位于东笋水电站下游9 km处，主要来水为百色水库发电下泄的中层水。东笋断面下游6.6 km处为澄碧河汇入右江的汇入口，澄碧河汇入口下游26.4 km处为国控公篓断面，公篓断面下游12 km处为那吉水电站。

1.2 数据来源

本文研究数据来源于2020年1月—2021年11月广西东笋断面有效监测样本数据，分为采测分离手工监测数据和水质自动站监测数据。

除历史数据外，本研究于2021年11月在百色水库大坝前1.4 km处进行了垂线DO浓度和水温监测，在百色水库下游出水位置、下游10 km处和东笋断面处进行了表层DO浓度监测。

1.3 S-P模型及参数

美国学者STREETER和PHELPS对耗氧过程进行分析后得出，当河流受纳有机物后，沿水流方向产生的有机物输移量远大于扩散稀释量；当河水流量与污水流量稳定、河水温度不变时，有机物生化降解的耗氧量与该时期河水中存在的有机物的量成正比。这就是Streeter-Phelps模型，简称S-P模型[13-14]。

对于DO，其解析解基本方程为

DO=DOf-D

(1)

(2)

(3)

式中：DO为河流溶解氧浓度，mg/L；DOf为河流溶解氧饱和浓度，mg/L；D为河流亏氧量，mg/L；c0为初始断面(大坝位置)生化需氧量(BOD)，mg/L；K1为河流BOD衰减(耗氧)速度常数，d-1；x为河流沿程距离，m；u为断面平均流速，m/s；D0为初始断面亏氧量，mg/L；K2为河流复氧速度常数，d-1；T为河水温度，℃。

2021年5—11月的河水温度范围为20.35～28.95 ℃，取平均值，为25 ℃；河流BOD衰减(耗氧)速度常数K1的范围为0.2～0.4 d-1，取中值，为0.3 d-1；河流复氧速度常数K2按照O’Connor经验公式计算，范围为0.5～0.7 d-1，取中值，为0.6 d-1；断面平均流速u参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，为0.68 m/s；初始断面BOD浓度c0取检测结果最大值，为0.9 mg/L；河流沿程距离x取东笋断面到百色水库的距离，为15.6 km；初始断面DO浓度取百色水库下泄水DO浓度(2.0～6.0 mg/L)的整数值。

2 分析与讨论

DO浓度受到水动力条件、水体理化性质、水生态状况和水体污染物降解耗氧等多重因素的影响，同时也受到水温、气压等自然因素的影响[2,4,9,15-17]。DO在天然水体中处于不断消耗与恢复的动态平衡中，其消耗过程包括有机物氧化、硝化作用、呼吸作用、底泥耗氧和污染物耗氧等，恢复过程包括空气中氧气溶解复氧、人为作用复氧和光合作用等。

2.1 水温影响分析

水温对DO的影响主要包括两个方面：一是水体的DO饱和浓度随水温的升高而降低，DO饱和浓度与水温的关系见公式(3)。二是水温能影响藻类的营养盐摄入和细胞中酶的活性，从而影响藻类的生产和繁殖能力。水温上升，藻类生长速度加快，耗氧速率增加。

东笋断面夏季(6—8月)平均水温为26.7 ℃，秋季(9—11月)平均水温为25.5 ℃，冬季(1—2月及12月)平均水温为19.0 ℃，春季(3—5月)平均水温为21.2 ℃。2020年1月—2021年11月东笋断面DO浓度和DO饱和浓度见图3。

总体上，东笋断面夏秋季水温比冬春季高，夏秋季DO饱和浓度比冬春季低。计算结果显示，东笋断面夏季DO平均饱和浓度比冬季低1 mg/L左右。研究表明，我国不同流域的气候状况、地理条件和污染物来源不同，水体DO饱和浓度也存在较大差异[2]。查阅国家水质自动综合监管平台中不同纬度河流的监测数据，发现纬度相对较高的黄河流域中段水质自动监测站的全年平均水温为9.7 ℃，DO饱和浓度为11.7 mg/L；纬度介于黄河和右江之间的长江流域中段水质自动监测站的全年平均水温为18.4 ℃，DO饱和浓度为9.7 mg/L；而纬度较低的东笋断面的全年平均水温为23 ℃，DO饱和浓度为8.9 mg/L。在同样的监测条件下，右江水体的DO饱和浓度比黄河、长江流域中段分别低2.8、0.8 mg/L。综上可知，东笋断面全年平均水温较高，特别是夏秋季明显偏高，限制了其DO浓度的上限。

图3 2020年1月—2021年11月东笋断面DO浓度和DO饱和浓度变化Fig.3 Variation of DO and saturated DO concentration in Dongsunsection from January 2020 to November 2021

2.2 藻类影响分析

水体DO浓度变化与藻类光合作用、呼吸作用有关。藻类在静水或流速小于0.3 m/s的水体中进行光合作用时，水体DO浓度会随光合作用的增强而升高，两者具有高度的正相关性[18-19]。叶绿素a是反映水体初级生产者(浮游植物)生物量的重要指标。一般来说，叶绿素a含量越高，说明水体中浮游植物的数量越多，其通过光合作用产生的氧气也就越多。根据历史监测数据，东笋断面叶绿素a平均浓度为6 μg/L。可见，该断面浮游植物数量较少，浮游植物通过光合作用产生的氧气也较少。

以东笋断面DO浓度最低的2021年7月为例进行研究。考虑到DO浓度的变化与光照变化相比具有滞后性的特点，因此，本研究在光照时段的划分上也相应地进行了顺延处理。在无光照或光照较弱的时段(20：00—次日12：00)，水温相对较低，藻类以呼吸作用为主，平均DO浓度为3.11 mg/L；在光照较强的时段(12：00—20：00)，水温相对较高，藻类以光合作用为主，平均DO浓度为3.23 mg/L。两个时段的DO平均浓度仅相差0.12 mg/L。对7月的数据进行相关性分析，发现水温和DO浓度呈现显著的正相关关系，其皮尔逊相关系数为0.278，在0.01水平上显著正相关，说明藻类的光合作用和呼吸作用对东笋断面DO浓度的变化确实产生了影响，但影响相对有限。2021年7月东笋断面DO浓度变化趋势见图4。

图4 东笋断面2021年7月水温和DO浓度变化Fig.4 Variation of water temperature and DO concentrationin Dongsun section in July 2021

2.3 沉积物耗氧影响分析

现有研究表明，沉积物耗氧对降低水体DO浓度具有一定贡献，且耗氧过程主要受沉积物生化作用、有机物矿化、水温、底泥组分、水质、水深和流速等因素的影响[20]。

通过调阅资料和现场踏勘发现，为满足通航需求，百色水库至东笋断面及东笋断面下游河段已完成航道疏浚。在航道疏浚过程中，清理航道的小型船只在此挖出的底质为鹅卵石和砂石，没有淤泥。由此可见，研究河段均为以鹅卵石为主的砂质底。此类底质对有机物的吸附量较小，因此，判断此河段的沉积物耗氧对水体DO浓度的影响很小。

2.4 有机物耗氧影响分析

高锰酸盐指数(CODMn)、化学需氧量(CODCr)和五日生化需氧量(BOD5)是表征水体有机污染物含量的指标，以其降解/氧化过程消耗的DO或氧化剂的量来间接表示。指标浓度越高，说明有机污染物的浓度越高，其耗氧量也就越大。2020年1月—2021年11月，东笋断面CODMn、CODCr、BOD5、氨氮(NH3-N)的浓度范围分别为0.9～1.8、2.0～8.0、0.2～0.9、0.02～0.13 mg/L，平均值分别为1.2、5.6、0.4、0.08 mg/L。其中，CODCr和BOD5为采测分离手工监测数据，自2021年起按季度开展监测，因此，2021年只有3次检测结果。具体变化趋势见图5。

图5 东笋断面CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N变化趋势Fig.5 Concentration variation of CODMn,CODCr,BOD5,NH3-N in Dongsun section

百色水库出水的BOD5、NH3-N平均浓度分别为0.8、0.1 mg/L。根据东笋断面BOD5、NH3-N浓度平均值可知，在自然环境中，该河段有机物降解的理论耗氧量为0.4 mg/L，NH3-N完全硝化的理论耗氧量为0.08 mg/L。在东笋断面出现低DO的5—11月，其CODCr、CODMn、BOD5平均浓度分别为6.8、1.3、0.6 mg/L，与全年平均值差异不大。因此，东笋断面CODCr、CODMn和BOD5总体较为稳定，且浓度值较低，有机物耗氧降解需要的氧气量较低，表明东笋断面上游河段有机物含量较少。综合以上分析可知，有机物降解耗氧对东笋断面DO浓度的影响很小。

2.5 上游来水影响分析

2.5.1 百色水库热分层现象

水库容易形成热分层，表现为水温在垂直方向上的分层现象。热分层阻碍了水库表层和底层水体间的物质混合及交换，导致易出现表层DO浓度饱和而底层缺氧的状态[6]。水库热分层受季节影响较大。深水水库在夏秋季存在明显的热分层现象，一般从上到下分为3个水层：变温层、温跃层和滞温层。水库热分层的形成期约为4—6月，稳定期约为7—11月，11月之后为消亡期[21-22]。热分层现象是导致水库水质出现恶化的重要原因之一[23]。水库热分层现象会阻碍氧气及营养物质的垂向运输，因此，水库出现热分层后，DO、pH及营养盐等水质指标也会同步出现类似的分层现象。

欧辉明[24]分析了百色水库的水温结构，其研究显示，百色水库坝前水温属于稳定的分层型，入库洪水几乎不影响其分层结构。董曼玲等[25]分别在百色水库坝前和库中布设了两条水温监测垂线(80 m)，其监测结果表明，百色水库属季节性分层水库，丰水期分层明显，平水期存在较弱的温度分层，枯水期是否分层则受多种因素的影响，基本与水库热分层规律相同。

2.5.2 百色水库水温和DO垂线分析

百色水库坝前1.4 km处垂线水温和DO浓度监测结果见图6，2021年11月东笋断面水温和DO浓度变化情况见图7。

图6 大坝上游1.4 km处水温和DO浓度随水深变化Fig.6 Variation of water temperature and dissolvedoxygen concentration with water depth at 1.4 km upstream of the dam

从图6可以看出，水温随水深的增加而降低，从距表面0.5 m处的23.8 ℃降低到水深50 m处的22.8 ℃，最低为22.6 ℃，整体变化幅度较小，说明此时热分层已处于消亡期，水体DO及营养物质的垂直交换正在逐渐恢复。DO浓度随水深的增加而降低，且下降明显，从距表面0.5 m处的5.78 mg/L降低到水深50 m处的0.14 mg/L。水库中层的DO浓度仍然较低，但水深30 m和40 m处的DO浓度分别达到了2.81 mg/L和3.10 mg/L，说明水库中上层DO浓度已有所恢复。

从图7可以看出，东笋断面11月的DO日均浓度范围为3.2～6.1 mg/L，呈波动上升的趋势；月平均浓度为4.8 mg/L，相比丰水期(7月)已经有了很大提升。综合以上分析可知，进入11月以后，水库DO浓度呈逐渐恢复的趋势，与同期东笋断面DO浓度逐步上升的趋势明显吻合。

图7 东笋断面11月水温和DO浓度变化Fig.7 Variation of water temperature and DO concentrationin Dongsun section in November 2021

2.5.3 水库低DO下泄水对东笋断面的影响

从以上研究资料、历史数据和现场监测数据可以看出，5—11月，百色水库形成了较为稳定的热分层，中层和底层(>40 m)水温较低，DO浓度也较低(<3 mg/L)。百色水库正常蓄水位为228 m，坝前最大水深为110 m，泄洪使用中孔和表孔，发电取水为中层水。在水库热分层期，中层水的DO浓度较低，加之丰水期下泄水量较大，因此，下泄水均为低DO浓度的水，即上游来水会对东笋断面DO浓度造成较大影响。

2.5.4 S-P模型验证分析

使用S-P模型验证上游来水对下游东笋断面DO浓度的影响。

2.5.4.1 采用不同有机物浓度时的模拟计算结果

初始断面BOD5浓度分别取0.9 mg/L和1.8 mg/L时的模拟计算结果见表1。可以看出，初始BOD5浓度虽增加一倍，但东笋断面DO浓度模拟计算值的降低幅度很小。由此可知，初始断面有机物浓度变化对东笋断面DO浓度的影响不大。

表1 初始断面不同有机物浓度下的东笋断面S-P模型DO模拟计算值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浓度时的模拟计算结果

初始断面DO浓度分别取2.0～6.0 mg/L的整数值时的模拟计算结果见表2。随着初始断面DO浓度的增加，东笋断面DO浓度模拟计算值均有较大幅度的增加。由此可见，初始断面DO浓度变化对东笋断面DO浓度的影响较大。

表2 初始断面不同DO浓度下的东笋断面S-P模型DO模拟计算值Table 2 DO simulated calculation value in the S-P model of Dongsunsection with different DO concentrations in initial section

2.5.4.3 模型验证

2021年11月18日，在百色水库下游约10 km处和东笋断面处(下游约15.6 km处)对河流表层DO浓度进行了手工监测。手工监测结果显示，下游约10 km处和东笋断面处的DO浓度分别为3.95 mg/L和4.21 mg/L。同时，根据水文站监测数据计算得出当天流速为0.28 m/s，水温为22.9 ℃。依据上述参数，通过S-P模型计算出的下游约10 km处和东笋断面处的DO浓度模拟值分别为4.05 mg/L和4.59 mg/L。查阅当天东笋自动监测站监测数据，DO浓度实测值为4.57 mg/L。对S-P模型模拟值、手工监测值、自动站实测值进行了对比，发现相同位置的数值均在误差允许范围内。

2.6 东笋断面低DO形成过程分析

东笋断面低DO形成过程见图8。经过影响因素分析和模型计算可知，每年5—11月，百色水库会形成稳定的热分层，导致DO浓度同步出现分层，而百色水库发电取水为中层水，其DO浓度较低，会对下游15.6 km处的东笋断面DO浓度造成较大影响。与此同时，右江水温较高，限制了DO饱和浓度的上限；有机物和沉积物降解耗氧对东笋断面DO浓度的影响很小；藻类光合作用和呼吸作用对东笋断面DO浓度的影响有限。综上可知，5—11月东笋断面低DO主要受夏季高温和水利工程运行等非污染因素的影响。

图8 东笋断面低DO形成过程示意图Fig.8 Schematic diagram of formationprocess of low DO in Dongsun section

3 结论与建议

水体DO浓度的影响因素极其复杂。水体DO浓度变化既受到人类活动的影响，也受到自然因素的影响。2020年1月—2021年11月，东笋断面除DO外，其他指标均能达到Ⅱ类水质标准。研究表明，5—11月东笋断面DO浓度低主要是受夏季高温和水利工程运行等非污染因素的影响。该时段内，右江水温较高，限制了水体DO饱和浓度的上限；有机物和沉积物耗氧对DO浓度的影响很小；藻类光合作用和呼吸作用对DO浓度的影响有限。与此同时，百色水库会形成稳定的热分层，导致中层水DO浓度较低。发电时采用的低DO浓度中层水的大量下泄是东笋断面DO浓度较低的主要原因。低DO浓度限制了东笋断面水环境质量的进一步改善，建议在东笋断面持续开展DO指标监测和分析，并将监测和分析结果作为未来修订、完善相关技术规定时的参考和依据。水体DO浓度的影响因素复杂，建议对受水利工程下泄低DO浓度水体影响的断面开展持续和系统的研究，进一步揭示热分层水库的污染物传输规律和机理。