摘要
为解析东江南支流低氧现象的成因，并为水环境治理提供科学依据，本研究分别于2019年春季和夏季对该河流的主要断面进行了水质监测。监测结果显示，东江南支流的溶解氧（DO）水平从中游道滘镇的6.93 mg/L降至出海口处的4.08 mg/L。DO与影响因子的相关性分析显示，DO与水温呈显著负相关，与盐度呈正相关，而与氨氮和总磷等营养物质呈显著负相关。这些营养物质的增加与DO的降低在空间上呈显著重叠，特别是在夏季。研究结果表明，东江南支流低氧现象受物理、化学和生物因素的共同影响，其中温度升高和营养物质浓度增加使得中下游水体的氧气消耗加快，河道汇流处的断面缩窄和下游水体的透光性差引起DO补给不足，从而导致下游沙田泗盛断面经常性出现氧亏（低氧）现象。
Abstract
To clarify the causes of hypoxia in the southern tributary of the Dongjiang River and provide scientific basis for water management, this study measured water quality of the main river sections during spring and summer in 2019. The measurement results showed that the dissolved oxygen in the southern tributary of the Dongjiang River dropped from 6.93 mg/L in the middle reaches at Daojiao Town to 4.08 mg/L at the estuary. Correlation analysis indicated that dissolved oxygen was significantly negatively correlated with water temperature, and positively correlated with salinity, and had a significant negative correlation with nutrients such as ammonium nitrogen and total phosphorus. The increase of nutrients was spatially significantly overlapped with the reduction of dissolved oxygen, especially during the summer. The main cause of hypoxia in the southern tributary of the Dongjiang River was the mixed influence of physical, chemical, and biological factors. The increase in water temperature and nutrients accelerated oxygen consumption in the middle and lower reaches of the water body. The narrowing of the river channel at confluences and poor light penetration in downstream waters led to insufficient replenishment of dissolved oxygen, and thus caused frequent hypoxia at the lower reaches Shatian Sisheng section.
Keywords
溶解氧（DO）是评价河流水质与生态系统健康的重要指标，DO能反映水生生态系统中新陈代谢的情况，即大气溶解与植物光合作用放氧过程和生物呼吸作用耗氧过程之间的暂时平衡。DO的剧烈变化反映了水体生态系统结构与功能变化。较低DO浓度不仅影响鱼类和无脊椎动物的分布与生长，还会影响沉积物氧化还原电位，进而影响磷和其他无机营养盐以及有毒痕量金属的溶解与平衡[1-2]。当DO消耗速率大于氧气向水体中溶入的速率时，DO浓度可趋近于0，此时厌氧菌得以繁殖，使水体恶化。所以DO大小能够反映出水体受到的污染程度，特别是有机物的污染程度，是评价水体污染程度的重要指标，也是衡量水质的综合指标[3]。
过去50多年里海洋或沿海区域因为气候变暖、营养物质增加等原因出现DO下降或缺氧现象[4-7]。国际上，在黑海、墨西哥湾北部密西西比河口等区域的低氧研究较多。在我国，关于低氧的调查研究大多数集中在长江口外和珠江口附近一些近岸海域及东海、黄海等海区[8-12]，这些海区的低氧大多是季节性的底层低氧，引起低氧的主要原因是密度梯度、温度梯度引起的水体分层和水体富营养化。目前对DO的研究多集中在海域、沿海陆地、湖泊水库及河段水体，关于城市区域河网的DO分布以及变化规律虽然有相关报道[13-14]，但依然不足。随着城市河湖水体水环境的逐步改善[15-20]，水体DO不达标问题日益凸显，城市地区水体DO的变化规律较为复杂，受到人类活动影响明显，区域的水利调节、水系连通、生产生活等均会对DO产生影响，相对于海域影响因素更为复杂，所以开展城市内陆水体DO研究意义重大，不仅有助于发现城市区域水体DO特征，还对流域水环境管理工作有借鉴意义。
东江南支流是广东省东江流域下游三角洲网河区主要河道之一，与东江北干流构成东江流域主要入海通道。东江南支流从石龙以南向西南流经石碣、东莞市区，在大王洲接东莞水道，最后在泗盛注入狮子洋，河长39.5 km，是一条具有航运、灌溉、饮用等功能的典型感潮河段。河道沿程有众多工业城镇，大量工业、生活污水进入东江南支流，最后通过泗盛注入下游狮子洋，因此多年来泗盛断面水质各项指标均超标。近年来，随着水污染治理工作成效的显现[21]，东江南支流出海口断面（沙田泗盛）水质污染得到了明显改善，但低DO（低氧）现象仍然存在，水质评价难以达标，区域水环境治理付出的巨大代价遭受质疑，因此，其出海口低氧现象及形成机理受到越来越多的关注。因此，本研究分析了东江南支流水体DO及主要污染物的时空分布特征，并对其低氧区形成的原因进行初步分析，研究成果对珠江河口的水环境治理具有重要的指导意义。
1 数据与方法
1.1 数据来源
针对东江南支流出海口沙田泗盛断面低氧问题，于2019年春季（3月21—22日）和夏季（7月4—5日）在东江南支流沿程主要控制性节点上设置的CS1、CS2、CS3和CS4断面进行水文、水质26 h的同步观测，同时为了监测东江南支流水质指标的沿程变化及分析DO受流域上下游水质因子影响，于3、5和7月在东江南支流上对L1~L15共15个站位（均匀分布于东江南支流）进行3次走航水质观测（图1）。观测项目包括流量、流速、水位、温度、盐度、DO、营养盐、高锰酸盐指数、叶绿素a等。其中，温度、盐度和DO分别由便携式水质参数仪和DO仪现场测定。DO使用哈希便携式溶解氧仪（荧光法）检测；营养盐等参数现场采样后，用保温箱和冰块保存后，送至实验室依据国标法测定，其中氨氮采用水杨酸分光光度法（GB 7481—1987）测定，总磷采用钼酸铵分光光度法（GB 11893—1989）测定，总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB 11894—1989）测定，高锰酸盐指数采用GB 11892—1989中的方法测定，叶绿素a采用分光光度法（HJ 897—2017）测定。此外同步收集了东江南支流沙田泗盛断面（图1）2019—2023年全年水质自动监测站的逐四小时水质监测数据，自动站采用分光光度法自动检测。
1.2 研究方法
采用Pearson相关系数法分析不同水质指标之间的相关性，可以分析各影响因子对DO变化的作用。Pearson相关系数基于两个变量之间的协方差和各自标准差的比例计算得到，可以定量描述变量之间的线性关系强度和方向，具体计算原理如下：
给定两个变量x和y，它们各自有n个观测值，分别为x1，x2，···，xn和y1，y2，···，yn，Pearson相关系数（r）的计算公式为：
图1东江南支流河段调查站位
Fig.1Survey location along the southern tributary of the Dongjiang River
(1)
式中，和分别为x和y的样本均值。r值越大说明水质指标间相关性越强，正值和负值分别表示指标存在正相关性和负相关性。P值是对相关性分析结果的再次评估，P值的计算基于将Pearson相关系数r转换为t统计量，其计算公式为：
(2)
式中，n是样本量。t值随后用于在自由度为n-2的t分布表中找相应的P值。如果P≤0.05，表示存在显著性关联，否则表明相关关系不存在或者不显著。
2 结果与讨论
2.1 东江南支流DO的空间分布特征
2.1.1 东江南支流DO沿程分布特征
2019年开展的3次走航水质观测结果（图2）显示，东江南支流水体的DO浓度总体表现为自上游至入海口逐渐降低的趋势。其中上游段（0~15 km）3次监测的水体DO浓度为5.93~7.18 mg/L，平均为6.62 mg/L；中游段（15~30 km）3次监测的水体DO浓度为4.08~6.93 mg/L，平均为5.90 mg/L；下游段（30~45 km）3次监测的水体DO浓度为3.86~5.77 mg/L，平均为5.09 mg/L。沿程水体DO浓度基本自中游开始呈明显的下降趋势。
2.1.2 东江南支流DO的垂向分布特征
珠江八大口门中，东江三角洲出海口—虎门为潮流优势型河口，河口垂向混合性较强，因此河口分层现象仅在东江三角洲下游河口处明显[21]。因此，以东江南支流近河口处的CS4和CS3断面春、夏季DO浓度随水深的变化为例分析东江南支流中下游DO的垂向分布特征。如图3所示，泗盛（CS4）断面DO浓度在春、夏两季均存在从表层到底层递增的变化趋势，且存在一定的垂向分层现象，泗盛（CS4）断面紧邻东江南支流汇入狮子洋之处，底层一般有外海盐水入侵，上游径流由表层下泄，垂向混合作用相对较弱，阻碍了表底层间的DO交换，因此形成表底DO浓度的差异。此外，在该断面位置，上游下泄的水体DO浓度稍低，而底部上溯的外海盐水DO浓度稍高，断面低氧现象的成因来源于上游。春、夏两季南阁（CS3）断面DO在垂向上变化不大，该断面垂向混合较强，水体氧气在垂向上得到充分交换。
图2东江南支流3次走航观测期间水体DO浓度的沿程分布
Fig.2Longitudinal distribution of dissolved oxygen concentration in the water body of the southern tributary of the Dongjiang River based on three survey cruises
图3典型断面春、夏季DO的垂向分布特征
Fig.3Characteristics of the vertical distribution of dissolved oxygen at typical cross-sections in spring and summer
2.2 东江南支流DO的时间变化特征
图4为沙田泗盛（CS4）断面连续站2019年水体DO逐时平均值变化特征，均值由全年每天相同时刻值计算求得，分别以1月和7月平均值代表冬季和夏季情况。全年来看，DO浓度的平均值在一天内波动范围约为3.14~3.26 mg/L，波动幅度比较小，一天中DO浓度的最低值出现在10：00，而且夜间和清晨DO水平逐步降低，可能是因为在没有阳光的情况下，水体中的植物无法进行光合作用来产生氧气，而呼吸作用仍在继续消耗氧气。在冬季，DO的日内波动幅幅度最大，平均浓度在5.02~5.67 mg/L之间，普遍高于全年的平均水平，冬季较低的水温有利于氧气的溶解，同时，生物活动的减缓降低了对DO的需求。这意味着冬季水体中的DO水平较高，为水生生物提供了较为充足的氧气。冬季一天中DO的最低值出现在11：00，凌晨和上午DO水平逐步降低，中午过后DO逐步攀升，明显受昼夜光合作用产氧影响。相比之下，夏季DO的平均浓度显著降低，波动幅度也较小，大约在2.21~2.32 mg/L之间。这可能是由于夏季较高的水温降低了氧气的溶解度。同时，夏季生物活动增强，特别是水生植物的光合作用，导致日内DO的波动更加明显，呈多峰多谷态势，但幅度均很小。从水体DO的季节性变化来看，冬季DO浓度明显高于夏季，这表明DO变化与温度关系显著。夏季DO浓度低于冬季的主要原因可能是夏季较高的水温降低了水的氧气溶解度，同时生物代谢、化学反应活动更加旺盛，导致对DO的消耗增加。
图42019年沙田泗盛站水体DO整点时刻平均值特征
Fig.4Characteristics of hourly average values of dissolved oxygen in the water body at Shatian Sisheng Station in 2019
2.3 东江南支流DO与影响因子的相关性分析
水体DO受水体物理、生物、化学过程的综合影响，本研究通过分析不同季节东江南支流不同断面DO与水体理化性质指标、生物化学指标的相关性，探索DO的主要影响因子。
2.3.1 春季东江南支流沿程DO与影响因子的相关性分析
从东江南支流春季（3月）各断面DO与各影响因子之间的相关性热图（图5a）可知，东江南支流春季（3月）断面DO与水温有显著的负相关关系（r=-0.41），表明温度升高确定对东江南支流DO产生不利影响。pH值与DO的正相关性（r=0.48）表明水体酸碱度可能与光合作用效率存在关联。在营养盐方面，DO与总磷呈强负相关（r=-0.62）；DO与氨氮也呈一定的负相关（r=-0.45），表明水体氨氮的硝化过程也是水体耗氧的关键因子；此外，DO与高锰酸盐指数呈弱负相关（r=-0.22），DO与五日生化需氧量呈一定的负相关（r=-0.42），各断面高锰酸盐指数平均值为2.54 mg/L，五日生化需氧量平均值为4.66 mg/L，表明水体受到一定程度的有机污染，且负相关性也表明水体中存在因有机物氧化而导致的DO消耗现象。叶绿素a跟水体富营养水平直接相关，春季各断面的叶绿素a平均值为2.38 μg/L，且DO与叶绿素a基本不存在相关性，说明东江南支流的低氧现象并非水体富营养化引起的。
2.3.2 夏季东江南支流沿程DO与影响因子的相关性分析
从东江南支流春季（7月）各断面DO与各影响因子之间的相关性热图（图5b）可知，DO与水温的高度负相关（r=-0.97）凸显了夏季温度在调节水体DO浓度中的作用更重要，随着温度升高，水体DO溶解度降低，这也可能与高温下加速的微生物代谢有关。从沿程的变化来看，从东江南支流上游到下游，水体温度逐渐升高，温差达1.7℃，DO下降2.5 mg/L。此外，DO与浊度也呈强负相关（r=-0.88）。这一方面可能是由于高浊度降低了水体中光线的穿透能力，影响光合生物的光合作用，进而影响DO的生成；另一方面，浊度的增加往往与悬浮颗粒物质增多有关，悬浮颗粒物中可能含有有机物，在微生物分解过程中也会消耗DO。DO与电导率也呈负相关（r=-0.77），原因可能是电导率表征的盐度越往下游越高，这可能与断面位置直接相关。在营养盐和有机物方面，DO与高锰酸盐指数、总磷均呈强负相关（分别为r=-0.83和r=-0.65），与五日生化需氧量呈弱负相关（r=-0.39），这表明有机物质的分解过程中消耗了DO，然而各断面高锰酸盐指数、总磷、五日生化需氧量的平均值分别为2.43、0.14和2.06 mg/L，总的耗氧量较有限。夏季各断面的叶绿素a平均值为3.95 μg/L，且DO与叶绿素a基本不存在相关性。
2.3.3 泗盛断面DO与影响因子的相关性
泗盛断面为东江南支流国考断面，近几年该断面主要超标因子为DO，因此本次选择该站进行影响因子相关分析。图6为泗盛断面（2019—2023年逐时监测数据）DO与各影响因子的相关性热图，图7为DO与各因素的联合分布图。如图6所示，DO与水温、盐度等参数间具有显著相关性。具体而言，DO与水温呈显著的负相关性（r=-0.69），表明在温度升高时DO浓度趋向下降，这可能与温度对水中饱和DO及生物代谢速率的影响有关。此外，DO与盐度之间的强正相关性（r=0.73）可能反映了盐分浓度对饱和DO的影响，也有可能是下游河口区DO浓度较高的海水上溯导致的。DO与浊度为负相关关系，表明颗粒物悬浮和光合作用的影响可能影响DO变动。DO与氨氮的中度负相关性（r=-0.36）以及与总磷的高度负相关性（r=-0.64）进一步印证了营养盐过剩可能导致生物需氧量增加，影响水体自净能力。总体而言，泗盛断面DO与水温呈强负相关关系，与盐度之间存在强正相关关系，与总磷和氨氮之间存在明显的负相关关系。
图5春季（a）和夏季（b）各断面DO与影响因子相关性热图（P＜0.05，标记为*，表示在0.05水平上显著相关；P＜0.01，标记为**，表示在0.01水平上显著相关，下同）
Fig.5Heatmap of the correlation between dissolved oxygen and influencing factors at various cross-sections in spring (a) and summer (b)
图6泗盛断面DO及影响因子的相关性热图（2019—2023年）
Fig.6Heatmap of the correlation between dissolved oxygen and influencing factors at the Sisheng section (2019-2023)
2.4 东江南支流DO与营养盐的沿程变化
由东江南支流春、夏季（3个航次）DO与主要营养盐沿程变化的对比（图8）可知，在春季，河流中下游区域的氨氮和总磷浓度较上游有所升高，而DO浓度则从中游开始逐渐下降。这种空间分布模式表明，中游地区污染物的排放导致氨氮和总磷浓度的升高，随着氨氮的硝化作用及总磷促进微生物增长（甚至是由于缺氧而导致的死亡），形成了耗氧高值区，进而导致中游以下河段DO浓度下降。在夏季，这一现象更为明显，其中氨氮和总磷浓度的上升趋势与DO浓度的下降趋势几乎完全一致，表明在东江南支流的下游区域，氨氮和总磷作为主要营养物质，对水体的DO浓度具有显著影响。
3 东江南支流低氧现象形成原因分析
东江南支流低氧现象的形成原因是多方面的，包括物理因素（如温度、盐度变化）、化学因素（如营养盐浓度的变化）和生物因素（如微生物代谢和光合作用）。这些因素共同作用导致了DO浓度的时空变化，进而影响了河流生态系统的健康和水质。
图7泗盛断面DO与各影响因子的联合分布
Fig.7Joint distribution plot of dissolved oxygen and various influencing factors at the Sisheng Section
从物理角度看，东江南支流的DO分布特征受温度和盐度的显著影响[22-23]。春季和夏季监测数据显示，随着河道从上游到下游的温差变化（温度升高1.7℃），DO浓度呈现显著下降趋势（降低2.5 mg/L）。高温条件下水体饱和DO浓度降低，同时高温加速了微生物代谢，这可能是导致DO浓度下降的关键物理因素。此外，盐度作为影响河口区DO分布的另一关键因素，与DO浓度呈强正相关关系（r=0.73），表明可能是河口区域的盐水入侵导致DO浓度升高，也有可能是下游高含氧海水上溯所致，需要进一步分析。对于流量、流速的影响，本轮3月、7月观测期间，上游博罗站的平均流量分别为366和1688 m3/s，对应泗盛断面的平均流速为0.62和0.77 m/s，因受径潮相互作用影响，水体流动性较好，从水体流动有利于水体增氧的角度，流速不是东江南支流低氧形成的主要影响因子。
化学角度主要关注氨氮和总磷等营养盐对DO的影响。相关研究表明，在珠江河段，水体中的氨氮是耗氧的主要物质，且耗氧量较大[11]。东江南支流营养物沿程变化分析表明，氨氮和总磷浓度的升高与DO浓度的降低呈现出显著的空间重叠关系。氨氮的硝化过程和总磷促进的微生物生长过程是导致耗氧高值区形成的关键化学过程。尤其是夏季，总磷与DO浓度的强负相关（r=-0.65）说明水体富营养化对DO有显著影响。
图8东江南支流春季（a）和夏季（b）主要营养盐沿程变化对比
Fig.8Comparative of the seasonal variation in the main nutrients along the southern tributary of the Dongjiang River during spring （a） and summer (b)
生物角度则涉及到微生物代谢和光合作用对DO的影响。光合作用是昼夜DO水平波动的主要驱动力，如冬季日内DO的波动模式（图4）所示。此外，微生物的呼吸作用和有机物质的分解过程也显著消耗了DO，特别是在有机污染物较多的区域，如东江南支流中游地区。
从东江南支流水体DO耗氧的角度来看，营养物分解是主要的耗氧过程。在东江南支流中下游区域的多次观测均显示氨氮超标，该区域氨氮平均浓度约为2~3 mg/L，远超劣V类标准，水体中高浓度的氨氮必将大量耗掉水中的DO。按氨氮的实际平均耗氧系数f=3.3来计[24]，则其耗氧在6.6~9.9 mg/L之间。据相关分析，20℃水体中的饱和DO浓度约为9.46 mg/L，因此，如不考虑复氧过程，在氨氮完全硝化的情况下，则该河段下游水体中的DO浓度应该低于2.86 mg/L。从复氧条件来看，东江南支流水体的复氧一方面应包括水体与大气接触过程中大气向水体扩散和溶解氧气，即大气对水体的复氧；另一方面是水体中光合型水生生物，主要是藻类，白天通过光合作用吸收CO2，在合成含碳化合物的过程中放出氧，并溶于水中。然而，根据东江南支流的实际情况，这两大复氧条件均受限制。首先，水面面积是影响大气复氧的重要因素。东江南支流下游（泗盛断面）由几条支流河道汇合而成，包括东莞水道、南丫水道、北海水道、赤滘口河、洪屋涡水道、太阳洲西海等，经测量，上游分支水道的总河宽为1671 m，而泗盛断面河宽为645 m，河宽缩小一半以上，水面面积的减少以及水深的加大使大气复氧面积减小，复氧效率降低，复氧速度比不上耗氧速度。其次，从观测结果来看，东江南支流越往下游，水体浊度上升很快，在泗盛断面达到130.7 NTU，水体的能见度和透光性非常差，在这种环境下，浮游植物光合作用释放氧气效率将大大下降。在以上两种因素制约下，东江南支流下游的复氧效率有所下降。因此，在耗氧过快、复氧效率降低的条件下，下游出现低氧现象。
综合国内城市区域河流（如大辽河出海口段[2]、黄河兰州段[13]、上海城区河段[14]等）的DO影响因素研究结果，水温是影响水体DO的重要物理因素。此外，水体中营养盐也是DO的关键影响因子，但不同区域影响DO的关键营养盐各不相同，这可能与气候环境、水体pH、微生物类型等有关，有待进一步分析。
4 结论
1）东江南支流DO浓度的时空变化趋势显著。从上游到下游，DO浓度逐渐降低，尤其在夏季更为明显。例如，监测期间，中游段DO浓度由6.93 mg/L降至4.08 mg/L，而下游段降至3.86 mg/L。年内变化方面，冬季DO浓度普遍高于夏季，表明季节性温度变化对DO有显著影响。
2）东江南支流DO浓度受多种环境因素影响，其中物理因素（如温度、盐度）和化学因素（如氨氮、总磷等营养盐）是主要影响因素。DO浓度与水温存在显著负相关，与盐度呈正相关。此外，氨氮和总磷浓度的升高与DO浓度的降低呈显著空间重叠关系，在夏季更为突出。
3）东江南支流低氧现象主要是由于物理、化学和生物因素的复合作用。东江南支流中下游水体温度上升和盐度变化导致DO浓度降低；中下游（主要是道滘镇到沙田泗盛河段）由于水体中氨氮、总磷浓度较高，加快了其耗氧过程，而其复氧过程受到汇流后总河宽变窄、水深加深以及下游水体透光性差导致DO补给条件不佳，综合起来引起沙田泗盛断面DO下降。
4）东江南支流的低氧现象可视为多种环境压力和人类活动影响下的综合结果，需要采取综合管理措施来应对。根据DO影响因子的空间变化特征，建议加强典型区域水体指标的全方位监测，基于全面的监测数据建立重要断面的低氧预警机制；针对营养盐浓度高值区域，需重点开展控源截污工作；本区域夏季雨热同期，需要更加关注雨水溢流污染带来的叠加影响，做好雨污分流工作。
