冰下水中耗氧量測試裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李弘毅，徐 懿，溫榮賢，李志軍

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

水體中的溶解氧是維持水體中好氧生物生存的必備條件。水面結(jié)冰后，與大氣進(jìn)行氧氣交換的渠道被消弱，此時(shí)水下的溶解氧濃度主要依賴水下浮游植物活動(dòng)產(chǎn)生，且隨著有機(jī)物的降解而消耗。若冰下水體溶解氧含量過低，會(huì)導(dǎo)致水下依賴氧氣的生物死亡，形成生態(tài)系統(tǒng)被破壞的惡性循環(huán)。

1978年，史為良認(rèn)為北方越冬死魚現(xiàn)象的原因就是冰下缺氧[1]。2015年， 李明等人采用小波方法對(duì)芬蘭Valkea-kotinen湖溶解氧濃度進(jìn)行了分析研究，得到了溶解氧含量的時(shí)空分布[2]。同國際上冰封期溶解氧調(diào)查研究相比，由于國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施、人力財(cái)力等條件限制，冬季溶解氧調(diào)查有的因時(shí)間較短，有的因采集數(shù)據(jù)中斷，獲得數(shù)據(jù)較少。因此冰期封溶解氧變化趨勢研究成果較少。

國外冰下溶解氧調(diào)查研究從20世紀(jì)70～80年代開始陸續(xù)報(bào)道[3-4]。到本世紀(jì)，針對(duì)冰下溶解氧問題做了大量的實(shí)驗(yàn)研究[4-7]。2012年Golosov等研究表明影響溶解氧含量的主要因素是氣溫、冰封期和水動(dòng)力混合條件[8]。隨著人們對(duì)冰下溶解氧的逐步認(rèn)識(shí)，其理論研究也逐步成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。

1 裝置設(shè)計(jì)目標(biāo)

冰下水體耗氧量測試裝置是一款針對(duì)冬季冰封期應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)測試裝置，它包括溶解氧在線傳感器和被測水體容器。我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：

(1)研究的耗氧環(huán)境條件越復(fù)雜，數(shù)據(jù)會(huì)越分散，要求的水樣體積也就越大，因此裝置的容器體積需要足夠大。這樣才能確保實(shí)測時(shí)間足夠長，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和可靠。

故設(shè)計(jì)裝置為一個(gè)外徑300 mm、內(nèi)徑290 mm和高250 mm的圓桶形容器。

(2)水體中浮游植物在接受光輻照后會(huì)進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生的氧氣對(duì)水體中的耗氧影響相對(duì)顯著，故需要采取對(duì)照實(shí)驗(yàn)，以確定光合作用強(qiáng)度和呼吸作用強(qiáng)度。因而，需要不透明和透明兩個(gè)實(shí)驗(yàn)容器進(jìn)行同步實(shí)驗(yàn)。黑色裝置采用黑色不透光有機(jī)玻璃制作圓桶，而透明裝置采用透明有機(jī)玻璃制作圓桶。依此通過比較兩裝置的實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)來計(jì)算水體浮游植物光合作用的效應(yīng)。

(3)底泥耗氧量占水體溶解氧消耗的一大部分。底泥中生物系統(tǒng)、溫度、有機(jī)質(zhì)含量會(huì)影響底泥中生物和化學(xué)氧化過程，從而影響底泥耗氧量。另外，底泥的成分、近底面水流速度和水深，以及水質(zhì)等與底泥耗氧量也有一定相關(guān)性[9]。為了測量泥-水界面處的耗氧量，圓桶容器下蓋有時(shí)不閉合，使傳感器與泥水分界面水體接近。

(4)裝置在冰封期應(yīng)用。打開冰層，將容器提出冰面后，低溫結(jié)冰能產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致裝置失靈。因此采用下潛式工作思想。但由于裝置放入冰下水體后，將無法觀察到容器開合情況。這就要求通過盲視操作，準(zhǔn)確地保證容器上下蓋的開合。需要考慮容器在冰下操作簡便可靠。

2 裝置功能設(shè)計(jì)

(1)靜水壓力隨著水深的增加而增加，因此傳統(tǒng)的圓桶容器半圓底蓋繞一軸運(yùn)動(dòng)的開合方式在水下不易實(shí)現(xiàn)。另外當(dāng)容器內(nèi)無水時(shí)，容器受浮力作用很難下沉。經(jīng)分析，本裝置采用豎直移動(dòng)容器蓋來實(shí)現(xiàn)圓桶的開合。

(2)在圓桶的上下端各設(shè)置一個(gè)開口，圓桶容器的蓋是兩塊直徑略小于圓桶容器底部直徑的圓形蓋。為避免容器蓋脫離，在上下方各設(shè)有一個(gè)限位。它能限制容器蓋的運(yùn)動(dòng)距離和保證容器蓋只能在圓桶內(nèi)上下垂向移動(dòng)。

(3)為了保證容器上下蓋同時(shí)閉合，在兩蓋的中心安裝了一根不銹鋼絲桿連接兩蓋。絲桿頂端有用于連接操作繩索的環(huán)扣。當(dāng)需要排除容器內(nèi)水時(shí)，上提絲桿，使兩蓋同時(shí)上升。當(dāng)關(guān)閉容器時(shí)，只需松開絲桿，讓容器蓋在絲桿下端鉛錘自重牽引下自動(dòng)回落至閉合位置。即在圓桶底部有環(huán)形板，當(dāng)下蓋落到該環(huán)形板上時(shí)，下蓋與圓桶底部閉合。同理，圓桶上部也有類似的環(huán)形板，當(dāng)上蓋落至擋板處時(shí)，上蓋與圓桶頂部實(shí)現(xiàn)閉合，見圖1和圖2。測試水體耗氧過程期間，容器內(nèi)水體應(yīng)保持密閉。

圖1 下蓋密封裝置及減小渦流方案示意圖(單位：mm)

圖2 上蓋限位裝置示意圖(單位：mm)

(4)圓桶容器與水體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)使圓桶受到平行于來流方向的阻力[10]。阻力造成部分水體回流，回流和前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)方向相反的水流相抵觸，就形成漩渦。渦流的出現(xiàn)將會(huì)導(dǎo)致非測試層水體滯留于容器內(nèi)，影響到測試結(jié)果。期望渦流體積越小越好。因此在設(shè)計(jì)上限位時(shí)，需要考慮不影響水體進(jìn)出容器的前提下減小渦流。根據(jù)圖2的示意，該上限位側(cè)邊均勻開有12個(gè)長方形小口，在容器下沉過程中，水可從容器底部進(jìn)入而從上部小口排出，渦流產(chǎn)生于上蓋限位處。當(dāng)下蓋下降到達(dá)下限位時(shí)，上蓋同時(shí)下降，實(shí)現(xiàn)閉合。此時(shí)上蓋限位產(chǎn)生的渦流不會(huì)存在于容器封閉水體內(nèi)。另外在設(shè)計(jì)下蓋限位時(shí)，通過縮小環(huán)形板卡口尺寸來降低渦流體積?？紤]到下蓋直徑230 mm小于容器內(nèi)壁直徑290 mm，下蓋在下降過程中可能會(huì)在水平方向上晃動(dòng)，導(dǎo)致水體產(chǎn)生紊流。因此為了對(duì)其進(jìn)行限制，上蓋直徑為286 mm，接近容器內(nèi)徑290 mm，可有效減小其水平晃動(dòng)程度。同時(shí)由于上下蓋之間的剛性連接，可以同時(shí)減小下蓋晃動(dòng)程度。從如圖1可見，當(dāng)?shù)撞棵芊馓幍沫h(huán)形板內(nèi)徑取230 mm時(shí)，渦流體積較小，可忽略不計(jì)。

(5)為增強(qiáng)其密閉性，兩蓋與環(huán)形板接觸面增加乳膠密封圈，見圖3。

圖3 上下兩蓋限位裝置示意(單位：mm)

圖4 裝置實(shí)物照片和整體示意圖

3 測試裝置的優(yōu)勢

3.1 裝置的傳感器和容器分體，容易拆裝

由于設(shè)置有限位裝置，需要考慮方便傳感器的放置與取出。為實(shí)現(xiàn)調(diào)整傳感器在容器內(nèi)的位置和安裝簡便操作，圓桶容器、上下蓋和傳感器分開控制，見圖4。一套繩索控制容器，一套繩索控制上下蓋，傳感線的數(shù)據(jù)線，連接到數(shù)據(jù)采集器。傳感器預(yù)先固定到絲桿上，隨絲桿一同運(yùn)動(dòng)。為保證圓桶容器內(nèi)傳感器不被提出，只有打開限位裝置及上蓋時(shí)，才能取出傳感器。

3.2 實(shí)現(xiàn)原位分層測試

水體中的溶解氧隨水深存在空間變化。例如福建中南部海域夏季表觀耗氧量呈上低下高的分布，它是因?yàn)樗娴娜芙庋跖c大氣需要平衡，而下面的則與有機(jī)物分解耗氧以及其它生物及生化作用密切相關(guān)[11]。

對(duì)冰下水體耗氧量的分層測量是促進(jìn)水環(huán)境與生態(tài)調(diào)查認(rèn)識(shí)與理論研究的利器。在利用本容器進(jìn)行分層測試時(shí)，人員在盲視操作過程中，通過兩套繩索分別控制絲桿和容器可以確保上下蓋的開合，不需要將實(shí)驗(yàn)裝置頻繁提出至冰面。容器內(nèi)測試后的水體會(huì)自動(dòng)排出并被替換成為另一測試深度出的水體。因而可以連續(xù)進(jìn)行不同水深耗氧量。

3.3 能夠冰面盲視操作

由于冬季氣溫低于水溫，水溫最低處于冰點(diǎn)溫度。此容器在冰下操作，就回避了容器到達(dá)冰面后的凍結(jié)引起的各種問題，例如上下蓋凍結(jié)不能開啟，容器凍結(jié)會(huì)撐壞裝置，冰面開孔凍結(jié)引起的膨脹對(duì)設(shè)備的擠壓，等。

3.4 簡化操作步驟和控制測試水體

2010—2011年冬季，芬蘭在Valkea-Kotinen湖進(jìn)行的測試采用的方法是將傳感器直接連接到浮漂上，其在冰下一定深度隨浮漂起伏[12]。若采用此實(shí)驗(yàn)中的裝置，能夠監(jiān)測水體的溶解氧，但無法實(shí)現(xiàn)不同水深的耗氧過程，需要連續(xù)數(shù)據(jù)的分析和理論支持的計(jì)算。本容器對(duì)封閉水體進(jìn)行測試，得到一定時(shí)間內(nèi)水中耗氧量連續(xù)變化的數(shù)據(jù)，直接就反映被測水體的耗氧過程。另外通過簡化裝置外形，有效地減小繞流阻力，進(jìn)而減小因水體渦流造成的非測試層水體在容器內(nèi)的滯留，保障測試結(jié)果可靠性。

3.5 透明和不透明容器同步使用，揭示冰下輻照度對(duì)耗氧狀況的效應(yīng)

通過同時(shí)放置不透明、透明封閉容器各一套，對(duì)比不同容器內(nèi)溶解氧變化差異，能夠支持計(jì)算水體光合作用強(qiáng)度對(duì)耗氧速率的綜合效應(yīng)。

4 結(jié)語

本裝置于2019年在內(nèi)蒙古烏梁素海湖進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。成功地獲取了①有無光照情況下，冰下不同水深的水體2～3 h內(nèi)耗氧情況；②泥-水分界面處水體2～3 h內(nèi)耗氧情況。通過傳感器數(shù)據(jù)對(duì)比分析，獲得可重復(fù)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)冰下溶解氧含量從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)測試的轉(zhuǎn)變，也實(shí)現(xiàn)了從水體溶解氧含量到耗氧量的轉(zhuǎn)變，并且極大地簡化了冰下耗氧量測試的過程。

該容器通過實(shí)現(xiàn)冰下施放，有效避免了容器提到冰面操作可能因凍結(jié)帶來的種種問題，可以廣泛運(yùn)用于我國北方冬季湖泊、河流等冰下溶解氧含量及耗氧量分層測試。目前的溶解氧傳感器廠家介紹適用溫度在4 ℃以上，冰下水體中有0～4 ℃的情況。實(shí)踐中，該傳感器也工作，但在這個(gè)溫度區(qū)間的數(shù)據(jù)可靠性還沒有檢驗(yàn)。隨著未來這一疑問的解決，屆時(shí)該容器將能不受水溫的影響，真正實(shí)現(xiàn)冰下各水深的耗氧過程的測試。若將此套設(shè)備應(yīng)用于生態(tài)環(huán)保事業(yè)，養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)，可以實(shí)現(xiàn)水體內(nèi)溶解氧含量實(shí)時(shí)監(jiān)測，達(dá)到事半功倍的效果。