水體中溶解氧含量與其物理影響因素的實(shí)驗(yàn)研究

胡 鵬，楊 慶，2，楊澤凡，韓 昆，潘劍光

（1. 中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2. 華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450045）

1 研究背景與意義

溶解氧（DO）是需氧水生生物賴以生存的必備條件，DO 含量一般有DO 濃度（mg/L）與DO 飽和度（%）兩種不同的表示方法。正常情況下，DO濃度在5 mg/L以上時(shí)，適合大部分魚類的生存活動(dòng)；當(dāng)DO濃度小于2 mg/L時(shí)，魚的生存就會(huì)受到威脅；小于1 mg/L時(shí)，魚會(huì)直接死亡［1］。另外DO也是反映水質(zhì)狀況與水體自凈能力的重要指標(biāo)［2］，一方面DO濃度高有利于水體中各類污染物的降解，從而使水體較快得以凈化；另一方面高DO 濃度（＞5 mg/L）也能夠有效控制底泥向水體中釋放氮、磷及有機(jī)物，從而起到改善水質(zhì)的作用［3］。通常天然水體中DO有兩個(gè)來源：一個(gè)是空氣中的氧氣擴(kuò)散進(jìn)入水體，這主要與風(fēng)力和水的流動(dòng)相關(guān)；另一個(gè)是水生植物通過光合作用釋放出氧氣［4］。但當(dāng)水體受到有機(jī)物污染，分解有機(jī)物的耗氧速度遠(yuǎn)超過復(fù)氧速度，就會(huì)出現(xiàn)DO迅速下降從而造成魚類和需氧生物死亡及水質(zhì)惡化［5］。有研究發(fā)現(xiàn)，城市濕地和河流水質(zhì)惡化的主要原因就是自然復(fù)氧不利而引起DO不足所造成的［6］。因此，研究掌握DO與其影響因素的響應(yīng)關(guān)系，對(duì)于河流水質(zhì)提升以及水生態(tài)環(huán)境的修復(fù)與改善具有重要的意義。

大氣復(fù)氧是天然水體最主要的補(bǔ)氧方式，約占總復(fù)氧量的80%以上［7］；流動(dòng)水體的大氣復(fù)氧過程遵循雙膜理論［8］，其復(fù)氧速率可用下式表達(dá)：

式中：Os、O分別為水體中DO的飽和濃度與實(shí)際濃度；K2為復(fù)氧系數(shù)，一般表達(dá)為流速與水深關(guān)系的變量。

從式（1）可以看出水體中DO的變化與流速、水深密切相關(guān)。但天然水體中DO含量是多種因素共同作用的結(jié)果，其含量除與水力學(xué)因素有關(guān)外，還與水溫、大氣壓、各種鹽類的含量、水體透明度、水生植物及有機(jī)物含量等多種因素有著密切的關(guān)系，對(duì)此有關(guān)學(xué)者展開了大量調(diào)查研究。沈忱［9］發(fā)現(xiàn)水庫蓄水導(dǎo)致的流量變化以及隨季節(jié)的水溫變化均對(duì)壩下河道的DO飽和度有影響；羅琳［10］對(duì)夏季伶仃洋調(diào)查發(fā)現(xiàn)水體DO的表底層濃度存在顯著差異，并指出表層營養(yǎng)鹽的濃度是影響表層DO濃度水平的主要因素。陳永燦等［11］對(duì)三峽大壩下游DO影響因素展開調(diào)查，結(jié)果表明下游水體DO含量與流量顯著相關(guān)，同時(shí)其含量會(huì)隨下游水位的升高而增大。曹瑛杰［12］監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)長潭水庫水體DO含量與硝酸鹽氮含量之間呈顯著的正相關(guān)，與硫酸鹽、COD之間都呈極顯著的負(fù)相關(guān)。潘騰飛［13］發(fā)現(xiàn)水體透明度低于25 cm時(shí)，可能導(dǎo)致池塘中DO含量過低。

總結(jié)起來，影響自然水體中DO 含量的因素包括化學(xué)因素、物理因素和生物因素，其中與水力學(xué)條件直接相關(guān)也相對(duì)較易進(jìn)行調(diào)控的是物理因素。目前對(duì)于DO 含量物理影響因素的研究中，多采用實(shí)地調(diào)查觀測(cè)方式。由于天然河流流態(tài)的復(fù)雜性，對(duì)于流速條件與DO 含量之間的響應(yīng)關(guān)系仍停留在流速越大，DO 含量越高的概化認(rèn)識(shí)階段，缺乏系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究。本研究通過搭建仿真河道，構(gòu)建不同的流速及水深環(huán)境，進(jìn)而探究水深、流速、水溫對(duì)于DO 含量及其分布規(guī)律的影響。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)于2018年8—9月在中國水利水電科學(xué)研究院延慶實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 中，單條河道寬0.8 m，長19 m，兩側(cè)邊墻高均為2 m。河道底板高度從左到右依次為0.4 m、0.3 m、0.4 m、0.2 m、0.4 m、0.1 m、0.4 m、0 m、0.4 m。底板高度不同的河道，主要進(jìn)行同流速不同水深的對(duì)比實(shí)驗(yàn)；而底板高度相同的河道主要進(jìn)行同水深不同流速的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。9條實(shí)驗(yàn)河道下游各裝有一套抽水水泵，通過輸水管道把下游的水輸送到上游緩沖池，實(shí)現(xiàn)水體的循環(huán)流動(dòng)。為了消除紊流帶來的影響，在上游建有消能池，配合整流柵下的穩(wěn)流管使進(jìn)入河道的水流達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)用水采用自備井抽取的地下水，水質(zhì)達(dá)到地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，水溫13 ～21 ℃，光照為室內(nèi)自然光。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，關(guān)閉單條河道上下游緩沖區(qū)旁側(cè)的閘門，使單條實(shí)驗(yàn)河道始終處于密閉狀態(tài)，利用YSI 多參數(shù)水質(zhì)分析儀進(jìn)行DO 的測(cè)定，可以直接測(cè)量DO 濃度（mg/L）、DO 飽和度（%）、水溫等基本信息。通過調(diào)節(jié)下游水泵的功率來改變流速的大小，采用多普勒流速流量計(jì)與YSI Flow Tracker流速儀共同測(cè)量河道的流速，以提高流速測(cè)量的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)中采用的流速控制范圍為0～0.4 m/s，水深0.25 ～1.0 m。

實(shí)驗(yàn)中，采用沿流速梯度由低向高依次測(cè)量的方式進(jìn)行。首先調(diào)節(jié)并測(cè)定封閉河道內(nèi)的流速及水深，隨后利用DO測(cè)量儀分別對(duì)河道上、中、下游的底層、中層與表層9個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)量，并詳細(xì)記錄DO濃度、DO飽和度及水溫等基本參數(shù)。為減少測(cè)量誤差，每種工況條件下重復(fù)測(cè)量數(shù)不少于4組。為保持靜水狀態(tài)下DO不受流水復(fù)氧的影響，靜水DO一律采用靜置8 h以上水體進(jìn)行測(cè)定。同時(shí)為了減少不同流場(chǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相互影響，不同工況下測(cè)量間隔時(shí)間不少于30 min，直到恢復(fù)靜水下的DO含量為止。

2.3 數(shù)據(jù)處理在DO分層情況分析中，同一工況下的DO濃度表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（mean±SD）（n≥4），并運(yùn)用單因素方差分析法（One-way ANOVA）對(duì)底、中、表不同水層的DO 濃度進(jìn)行組間差異性顯著檢驗(yàn)，以P＜0.05作為差異顯著性水平。

運(yùn)用SPSS17.0軟件對(duì)DO 含量與水深、水溫、流速進(jìn)行Pearson 相關(guān)分析，分別檢驗(yàn)相關(guān)要素與斷面平均DO濃度及飽和度的相關(guān)性，以確定影響DO含量的顯著物理因素（P＜0.05）。在DO與流速、水溫響應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)處理中，運(yùn)用繪圖工具分別繪制出在15 ℃、18 ℃、20 ℃水溫下，流速與DO濃度及飽和度的關(guān)系曲線。對(duì)DO與水溫、流速的綜合分析中，利用Origin7.0軟件繪制流速、水溫與斷面平均DO濃度及飽和度的關(guān)系圖。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 DO測(cè)量結(jié)果與分層情況圖2展示了15 ℃水溫下，DO濃度在不同水深、流速工況下的分布情況。由于在0.25 m水深下水位過淺，因此在該水深下只測(cè)量表層與底層的DO濃度。從圖2可以看出：（1）在靜水中，3種水深條件下均出現(xiàn)不同程度的DO分層現(xiàn)象，總體上1 m水深分層更為明顯，但平均DO濃度要低于0.25 m與0.5 m水深。（2）0.05 ～0.1 m/s流速下分層現(xiàn)象仍然較為明顯，同一流速下3種水深的底層DO濃度沒有明顯差別，但1 m水深下表層DO濃度要明顯高于其他水深。（3）0.2 m/s流速下DO分層現(xiàn)象開始明顯減弱，0.25 m水深下的底、表層DO濃度已無顯著性差異，但0.5 m水深下底層與中表層還有一定的差異性；1 m 水深下，底中層與表層也有一定的差異。（4）0.25 ～0.3 m/s 流速下，3種水深條件下各層DO濃度均無顯著性差異，DO分層現(xiàn)象已消失。從相同水深不同流速條件的角度來看，0.25 m 水深下流速達(dá)到0.2 m/s后，DO分層現(xiàn)象已消失；但0.5 m與1 m水深下，流速需達(dá)到0.25 m/s，各層DO濃度才無顯著性差異。

綜上，DO 分層現(xiàn)象與水深、流速密切相關(guān)。隨著流速的增加，DO 分層現(xiàn)象會(huì)逐步減弱直至消失；且水深越淺，水流中DO分層消失所需的流速閾值越低。

3.2 DO 與物理因素的相關(guān)性為了更加直觀地顯示各因素對(duì)DO 含量的影響，本研究對(duì)流速、水深、水溫與斷面平均DO 濃度和飽和度之間的關(guān)系進(jìn)行了Pearson 相關(guān)性分析。表1 反映了實(shí)測(cè)平均DO 濃度、飽和度與流速、水深及水溫之間的Pearson 相關(guān)性分析結(jié)果，其中斷面平均DO 濃度（或飽和度）是指河道斷面底、中、表水層DO濃度（或飽和度）的平均值。由表1可知，DO濃度與流速的相關(guān)性最高，Pearson相關(guān)性系數(shù)為0.711，呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，而與水溫呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，Pearson 相關(guān)性系數(shù)為-0.246。這說明流速越大，或水溫越低，DO 濃度越大；DO 飽和度與流速呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，Pearson相關(guān)性系數(shù)為0.752，說明隨著流速增大，DO飽和度也越大；但DO飽和度與溫度不存在顯著相關(guān)性。而不管是DO濃度，還是DO飽和度，與水深之間均不存在顯著性相關(guān)關(guān)系。

表1 DO濃度、飽和度與環(huán)境因子之間的Pearson相關(guān)系數(shù)

3.3 DO 與流速的響應(yīng)關(guān)系表1 已顯示出流速與水溫都與DO 濃度在置信度0.01 水平上極其相關(guān)。圖3、圖4進(jìn)一步展示了DO濃度和飽和度在15 ℃、18 ℃、20 ℃水溫條件下隨流速變化的情況，其中點(diǎn)符號(hào)表示在該狀態(tài)下整個(gè)河道的平均DO濃度或飽和度。由圖3可知，靜水條件下DO濃度在4.7 ～5.6 mg/L；在不同水溫條件下，隨著流速增加，DO濃度均呈升高的趨勢(shì)，且變化過程基本一致。在流速從0 增加到0.05 m/s 時(shí)，DO 濃度有明顯的躍升，變化幅度超過50%；流速超過0.05 m/s 后，DO濃度增長趨于平緩。在相同流速不同水溫下，DO濃度DO（15℃）＞DO（18 ℃）＞DO（20 ℃），表明相同流速下，低水溫比高水溫的DO 濃度大。對(duì)于DO 飽和度而言（圖4），變化情況與DO 濃度類似：在流速0 ～0.05 m/s時(shí)，飽和度由靜水下的57%躍升至90%，隨后相對(duì)平緩增長，至流速0.3 m/s時(shí)達(dá)到飽和狀態(tài)，基本趨于穩(wěn)定。而DO飽和度在3種溫度下變化曲線幾乎完全一致，表明水溫變化雖然能改變DO濃度絕對(duì)值，但并不能改變DO飽和度的大小。

圖3 DO濃度與流速的關(guān)系

圖4 DO飽和度與流速的關(guān)系

3.4 DO與水溫的響應(yīng)關(guān)系為了進(jìn)一步驗(yàn)證更大范圍內(nèi)水溫與DO濃度及飽和度的關(guān)系，本研究擬合了在0.3 m/s流速下，13 ℃～21 ℃范圍內(nèi)的水溫與DO平均濃度、飽和度之間的關(guān)系，如圖5所示。由圖5（a）可知DO濃度隨著水溫的升高而減小，二者線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2為0.9027；而圖5（b）表明DO飽和度與水溫并無顯著性相關(guān)性。相關(guān)結(jié)論進(jìn)一步說明了水溫影響DO濃度，但對(duì)DO飽和度不產(chǎn)生顯著影響。

圖5 DO濃度及飽和度與水溫的關(guān)系

3.5 DO與水溫、流速的綜合關(guān)系若同時(shí)考慮流速和水溫對(duì)DO濃度的影響，結(jié)果如圖6所示。在0 ～0.05 m/s 流速范圍內(nèi)，流速對(duì)DO 濃度的變化起主導(dǎo)作用，水溫對(duì)于DO 濃度的影響很??；在0.05 ～0.4 m/s流速范圍內(nèi)，水溫影響逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，DO濃度在7.8 ～10 mg/L范圍內(nèi)變化。

DO 飽和度變化規(guī)律與濃度類似，如圖7 所示，在0 ～0.05 m/s 流速范圍內(nèi)，DO 飽和度幾乎不受溫度的影響，隨著流速的增大而迅速增大；流速超過0.05 m/s后，飽和度只在89%～100%范圍內(nèi)變化。在0.1 ～0.2 m/s流速范圍內(nèi)，由于水溫影響，飽和度出現(xiàn)小范圍分化；當(dāng)流速超過0.2 m/s后，無論溫度怎樣變化，DO達(dá)到或接近飽和狀態(tài)，幾乎不再發(fā)生變化。

圖6 DO濃度與溫度、流速綜合關(guān)系

圖7 DO飽和度與溫度、流速綜合關(guān)系

4 討論與應(yīng)用

根據(jù)大氣復(fù)氧雙膜理論，在氣相與液相界面存在氣膜與液膜兩層薄膜，水體的紊動(dòng)并不能使薄膜消失，只是會(huì)改變液膜的厚度，水體紊動(dòng)越強(qiáng)，液膜厚度越小。而氧氣進(jìn)入水體的阻力主要來自液膜，因此隨著流速的增加，水體紊動(dòng)更加強(qiáng)烈，使大氣中的氧更容易通過液膜表面進(jìn)入水體成為DO，本實(shí)驗(yàn)中隨著流速升高DO濃度逐步增加的結(jié)果也驗(yàn)證了這一理論。

由式（1）可知，復(fù)氧速率與氧虧（Os-O）和復(fù)氧系數(shù)K2成正相關(guān)關(guān)系，固定流速下的復(fù)氧是由快變慢，最后達(dá)到飽和狀態(tài)的過程。在大氣復(fù)氧前期，復(fù)氧速率較快，DO濃度能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速的增長；當(dāng)復(fù)氧速率低至一定水平（記為V），DO在長時(shí)間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)大幅度變化。實(shí)驗(yàn)中，將此時(shí)的DO濃度作為測(cè)量值。在不考慮水體耗氧過程的條件下，在小流速范圍內(nèi)，由于復(fù)氧系數(shù)K2相對(duì)較小，當(dāng)復(fù)氧速率低于V時(shí)，氧虧（Os-O）相對(duì)較大，從而DO測(cè)量值相對(duì)較?。欢?dāng)流速逐漸增大時(shí)，其測(cè)量值也更加接近飽和度值，實(shí)驗(yàn)得到水體中DO濃度發(fā)生突變的流速拐點(diǎn)是0.05 m/s，幾乎不再發(fā)生變化的流速閾值是0.3 m/s。但在天然水體中，水質(zhì)狀況會(huì)對(duì)此流速閾值形成較大影響。當(dāng)水質(zhì)較差，水體中有機(jī)物含量較多時(shí)，就必須考慮水體的耗氧作用，此時(shí)DO的凈復(fù)氧速率V凈=V復(fù)-V耗，在凈復(fù)氧速率不變的前提下，流速拐點(diǎn)和閾值會(huì)相應(yīng)增大。這就要求在較差水質(zhì)條件下，需要加大水體流速，以達(dá)到較優(yōu)的DO濃度和飽和度。

基于本實(shí)驗(yàn)成果，鑒于DO在水體自凈、水生生物生存繁衍等方面的重要作用，在流域水環(huán)境治理和水生態(tài)修復(fù)工作中，可以得到如下重要啟示。

（1）實(shí)現(xiàn)水體流動(dòng)對(duì)于提高DO 含量，增強(qiáng)水體自凈能力具有重要作用。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，相比于完全靜止?fàn)顟B(tài)，水體流速的輕微增加能大幅度提高DO含量。在平原區(qū)水環(huán)境治理中，這一點(diǎn)顯得尤為重要。這就要求在平原區(qū)水環(huán)境綜合治理中，要大力加強(qiáng)河湖水系連通，消除斷頭浜，并合理營造水系高程差或采取人工增強(qiáng)措施，加強(qiáng)水體流動(dòng)性，避免形成死水臭水。

（2）在較好水質(zhì)條件下，僅從提升DO含量的角度，平原區(qū)河流最經(jīng)濟(jì)的流速是0.05 m/s，最適宜的流速是0.2 ～0.3 m/s。在實(shí)驗(yàn)水質(zhì)和水深范圍內(nèi)，0.05 m/s的流速是DO濃度和飽和度的拐點(diǎn)。流速從0增加到0.05 m/s，不同水溫條件下DO濃度升高幅度均超過50%，飽和度均達(dá)到90%左右。流速超過0.2 m/s后，水體中DO飽和度已幾乎不再增加，超過0.3 m/s后，DO飽和度已基本達(dá)到100%，DO濃度僅受水溫影響。

（3）水溫增加會(huì)使DO濃度降低，這與已有研究成果相一致［6，9，14-15］，但水溫對(duì)DO飽和度不產(chǎn)生顯著影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，水溫與DO 濃度的Pearson 相關(guān)性系數(shù)為-0.246，在P＜0.01 水平上極其相關(guān)；而水溫與DO飽和度的相關(guān)系數(shù)為0.108，且在P＜0.05水平上也不呈現(xiàn)顯著相關(guān)性。這一規(guī)律說明了水溫對(duì)于水體中DO濃度的影響，是一種“天花板”式的絕對(duì)影響，一旦水溫異常升高，造成的影響很難通過其他條件和手段予以恢復(fù)。相關(guān)研究也表明，當(dāng)電廠溫排水進(jìn)入水體后，會(huì)造成局部水溫顯著升高，直接影響水體的自凈能力，并加速富營養(yǎng)化［16-17］。因此，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)于冷卻水等“熱污染”源的認(rèn)識(shí)，并采取合理措施對(duì)其影響進(jìn)行規(guī)避和緩解。

（4）水深對(duì)于DO的濃度和飽和度雖無直接影響，但水深越大，DO分層現(xiàn)象越明顯，消除DO分層所需的流速條件也越高。在對(duì)天然水體的監(jiān)測(cè)中，也同樣出現(xiàn)類似的DO分層現(xiàn)象［18-20］，但在天然水體特別是深水湖泊及水庫中，形成分層的主要原因是溫度分層使上下層水體不能完全混合，表層DO無法擴(kuò)散至下層，加之底部微生物不斷耗氧，易造成水底底部缺氧，進(jìn)而引起一系列的水質(zhì)污染問題［21-23］。考慮到湖庫的靜水環(huán)境，不宜采用增強(qiáng)水動(dòng)力的方式來消除分層現(xiàn)象，有必要的情況下可考慮水體底部曝氣增氧法［24］來增加水體底部DO。而對(duì)于平原區(qū)城市河流，在流量/動(dòng)力一定的情況下，水深越淺，流速越大，更有利于整體提升DO 含量和消除DO 分層現(xiàn)象。因此，在可行的情況下，可優(yōu)先采用“淺水快流”的形式，實(shí)現(xiàn)提升DO 含量，改善水質(zhì)，并提升河流生態(tài)景觀效果的目的。

（5）通過對(duì)影響DO相關(guān)物理因素的聯(lián)合調(diào)控，可以有效控制合理DO含量，降低“水華”風(fēng)險(xiǎn)。近年來，我國南北方河流在夏季爆發(fā)“水華”的事件不斷發(fā)生。針對(duì)這一問題，在有控制性工程的河流，可根據(jù)水溫，在“水華”易爆發(fā)時(shí)段，開展水利工程的生態(tài)調(diào)度，控制河流達(dá)到適宜的水深、流速條件，調(diào)節(jié)DO濃度至合理范圍，抑制“水華”帶來的水污染和水生態(tài)破壞問題。

5 結(jié)論與展望

本研究通過搭建實(shí)體河道模型，模擬了不同水溫、水深及流速條件對(duì)于水體中DO含量和分布情況的影響。結(jié)果表明：0.25 m水深下流速達(dá)到0.2 m/s時(shí)DO分層現(xiàn)象消失，0.5 m、1 m水深下流速超過0.25 m/s時(shí)DO分層現(xiàn)象消失。對(duì)于Ⅲ類水體而言，流速達(dá)到0.05 m/s，DO濃度相比于靜止水體增加超過50%，飽和度達(dá)到90%左右。流速0.05 m/s以下，流速對(duì)于DO濃度的影響占主導(dǎo)地位；流速超過0.05 m/s，水溫的影響占主導(dǎo)地位，水溫越高，DO濃度越低，但水溫對(duì)于DO飽和度的影響并不顯著。相關(guān)研究成果對(duì)于城市河流水動(dòng)力的調(diào)控設(shè)計(jì)、水利工程的生態(tài)調(diào)度具有重要指導(dǎo)意義。

受實(shí)驗(yàn)條件所限，本研究過程還還存在諸多不足之處，一是實(shí)驗(yàn)僅針對(duì)地表Ⅲ類水的較好水質(zhì)進(jìn)行，在其他水質(zhì)條件，特別是惡劣水質(zhì)條件下，DO與相關(guān)物理因素的關(guān)系是否一致還有待進(jìn)一步研究；二是相較于天然河流，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)并未考慮水生植物的光合作用復(fù)氧過程，僅針對(duì)空氣中氧氣滲入水體的復(fù)氧過程進(jìn)行研究，下一步還需結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查做進(jìn)一步研究。