地表水中溶解氧的周期性變化規(guī)律研究

劉泓江，文增坤

(1.通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)(青島)有限公司，山東 青島 266101；2.中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101)

1 概述

溶解氧是評(píng)價(jià)水體質(zhì)量以及污染狀態(tài)的重要指標(biāo)之一，溶解氧是指溶解在水中的分子態(tài)氧，是水體中各種生物生存不可或缺的因素，水體中大部分動(dòng)植物需要依賴氧氣存活，當(dāng)水體中溶解氧的含量低于5 mg/L時(shí)，魚類已經(jīng)無法存活。溶解氧的數(shù)值能有效反應(yīng)水體的自我凈化能力，并且溶解氧在生產(chǎn)用水以及水產(chǎn)養(yǎng)殖中，均是影響生產(chǎn)以及魚類生產(chǎn)的重要因素。在GB 3838—2002 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中列出的水質(zhì)監(jiān)測(cè)基本項(xiàng)目，溶解氧為必測(cè)項(xiàng)目，在評(píng)價(jià)水體水質(zhì)情況中得到廣泛應(yīng)用和研究。在污水凈化過程中，通過微生物降解方式將有機(jī)物降解，通過控制溶解氧含量，進(jìn)而控制凈化過程。氧化3 mg/L的碳，需要9 mg/L的溶解氧。

水體中溶解氧含量與大氣中氧分壓以及水溫、大氣壓、水質(zhì)都有關(guān)系?？諝庵械难鯕饪赏ㄟ^“水-氣”界面的波動(dòng)，在氧濃度差的作用下，不斷溶解到水體中；水體中的氧含量超過飽和溶解度時(shí)，水體中氧分子就會(huì)逸散到大氣中。此外，水體中植物的光合作用也是影響水體氧含量的重要因素，在含有水生植物的水體中，當(dāng)光照條件和溫度適宜，植物進(jìn)行光合作用產(chǎn)生氧，水體中氧分子數(shù)目會(huì)增加。

清潔的地表水中溶解氧接近飽和，但是實(shí)際上水體中，受到物理和生活環(huán)境因素的影響，溶解氧變化趨勢(shì)復(fù)雜。有研究表明，在平靜的水面，空氣中氧分子進(jìn)入水體中是極其緩慢的。風(fēng)速和風(fēng)力持續(xù)時(shí)間，影響了空氣中氧氣進(jìn)入水體中的速度[1]。

溶解氧在水體中的生物、化學(xué)、物理活動(dòng)過程中都有著重要作用。當(dāng)水質(zhì)存在富營養(yǎng)化時(shí)，大量藻類在光照好的白天進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生大量氧氣，水體中氧含量遠(yuǎn)大于純水中氧的飽和度，并且最高可以達(dá)到飽和溶解氧含量的4倍。

2 數(shù)據(jù)采集及測(cè)定

溶解氧常用的監(jiān)測(cè)方法有GB 7489—1987 《水質(zhì) 溶解氧的測(cè)定 碘量法》(以下簡(jiǎn)稱“碘量法”)、HJ 506—2009《水質(zhì) 溶解氧的測(cè)定 電化學(xué)探頭法》(以下簡(jiǎn)稱“電化學(xué)探頭法”)。其中，碘量法作為國家標(biāo)準(zhǔn)方法，準(zhǔn)確度高，常被用作結(jié)果比對(duì)，技術(shù)仲裁以及標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證。該方法是實(shí)驗(yàn)室分析方法，在實(shí)際水質(zhì)監(jiān)測(cè)過程中，考慮到監(jiān)測(cè)參數(shù)的影響因素等問題，多采用電化學(xué)探頭法進(jìn)行測(cè)定。電化學(xué)探頭法儀器便捷，操作簡(jiǎn)單，可現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行測(cè)定。電化學(xué)探頭法測(cè)定中存在氣泡干擾，以及水樣中的溶劑、藻類和硫化物、碳酸鹽等物質(zhì)可能堵塞薄膜，干擾測(cè)定。本次研究采用了電化學(xué)探頭法在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行溶解氧的測(cè)定。使用設(shè)備為型號(hào)HQ40D多參數(shù)水質(zhì)分析儀(哈希水質(zhì)分析儀器(上海)有限公司)。

本次研究在對(duì)青島市某河流進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，選擇了河流中5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，2021年9月到12月每周進(jìn)行水質(zhì)分析?？紤]到水體中的水生植物的光合作用對(duì)溶解氧的影響，盡量保持在10—12時(shí)的時(shí)間范圍內(nèi)測(cè)定溶解氧含量，此時(shí)間段光照充足，溶解氧含量處于較高值[2]。同時(shí)進(jìn)行結(jié)果的比較分析。此河流夏季處于豐水期，秋冬季節(jié)進(jìn)入枯水期。河流深度不超過0.5 m，水體的重要污染源是生活污染源。

數(shù)據(jù)分析以水溫(℃)為橫坐標(biāo)，以溶解氧的含量縱坐標(biāo)(mg/L)，根據(jù)每個(gè)點(diǎn)研究參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，此河流的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的擬合線性關(guān)系各不相同。

3 結(jié)果與分析

從圖1到圖5明顯看出，水溫和溶解氧含量存在內(nèi)在聯(lián)系，呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān)，隨著水溫的升高，溶解氧含量呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)。對(duì)水溫和溶解氧含量進(jìn)行線性關(guān)系擬合，可以看出，不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的擬合曲線的斜率各不相同。這與每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體情況不同有關(guān)。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位2水溫與溶解氧含量關(guān)系圖

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位5水溫與溶解氧含量關(guān)系圖

需要關(guān)注的是水溫在8～18 ℃之間，溶解氧含量出現(xiàn)高值，但是當(dāng)溫度低于8 ℃的時(shí)候，水體中溶解氧反而出現(xiàn)降低的情況。從水體中溶解氧的來源分析，當(dāng)水體溫度處于8～18 ℃，且白天光照比較強(qiáng)烈時(shí)，表層水體中的浮游植物光合作用產(chǎn)生大量氧氣，水體中溶解氧含量會(huì)普遍偏高。此時(shí)也會(huì)出現(xiàn)個(gè)別監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，溶解氧含量高于飽和溶解氧含量的情況，比如2021年12月8號(hào)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位3的大氣壓為101.9 kPa，水溫為11.2 ℃，水體中溶解氧含量為11.7 mg/L，而此水溫和大氣壓條件下，純水中溶解氧的飽和度的理論值應(yīng)為11.1 mg/L。當(dāng)溫度低于8 ℃時(shí)，水中的溶解氧含量反而呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，與純水中溶解氧的含量與溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)不符。經(jīng)查閱文獻(xiàn)，不同的藻類對(duì)溫度有不同的適應(yīng)范圍。并且有研究推論，春季藍(lán)藻水華的出現(xiàn)及冬季藍(lán)藻水華的消失與藍(lán)藻對(duì)溫度的相應(yīng)，即復(fù)蘇和休眠有關(guān)。顫藻能適應(yīng)更低的溫度：7～18 ℃，而微囊藻更適應(yīng)較高的溫度：24～34 ℃。基于此，我們可以推論，當(dāng)水體溫度過低時(shí)，水體中浮游植物的光合作用因?yàn)樗w溫度低，處于休眠狀態(tài)。因此水體中溶解氧的含量偏低。當(dāng)水溫處于8～18 ℃之間，此河流處于枯水期，水流速度緩慢，有研究指出，池塘水體中的氧氣的1/10是通過“水-氣”界面進(jìn)入到水體中的。所以，水體流速緩慢時(shí)，可以認(rèn)為水中的氧分子逸散到空氣中的速度較慢[3]。若遇到光照強(qiáng)烈的天氣時(shí)，水中浮游植物的光合作用強(qiáng)，容易出現(xiàn)溶解氧過飽和現(xiàn)象[4-7]。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位3水溫與溶解氧含量關(guān)系圖

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位4水溫與溶解氧含量關(guān)系圖

我們分析了監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的溶解氧以及總磷隨溫度的變化情況，根據(jù)圖6可以分析看出，溶解氧和總磷含量存在一定的正相關(guān)性?？偭缀康淖兓S溶解氧-溫度的變化趨勢(shì)相同，這點(diǎn)與海河河口的沉積物-水體界面[8]的趨勢(shì)相同。沉積物中磷的釋放，對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生影響，可導(dǎo)致水體的富營養(yǎng)化。已經(jīng)有學(xué)者證明，溶解氧對(duì)磷的釋放有顯著影響：厭氧條件比好氧條件更有利于磷的釋放。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位1水溫與溶解氧/總磷含量關(guān)系圖

4 結(jié)語

氧在水中溶解性弱，并且隨溫度升高而溶解性降低。溶解氧作為了解河流健康的重要指標(biāo)，已經(jīng)有多種基于溶解氧和水質(zhì)的預(yù)測(cè)模型[9]。本研究希望通過對(duì)不同溫度下河道水質(zhì)的研究，分析了水體中溶解氧含量的季節(jié)性變化規(guī)律：當(dāng)水溫高于8 ℃時(shí)，水體的水溫和溶解氧含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。水體中溶解氧含量總體呈現(xiàn)出秋冬高，夏季低的季節(jié)性變化趨勢(shì)。每天大氣中的氧氣通過水-氣界面進(jìn)入水體中的溶解氧含量在1～5 mg/L，水體中溶解氧的主要來源浮游植物和水生植物的光合作用，每天產(chǎn)生的溶解氧在5～20 mg/L。遇到光照強(qiáng)的情況，會(huì)出現(xiàn)溶解氧過飽和的現(xiàn)場(chǎng)。增加水中浮游植物的密度會(huì)限制光合作用的深度，進(jìn)而抑制溶解氧的產(chǎn)生[10]。夏季雖然光合作用強(qiáng)，但是由于水體溫度升高，水體中溶解氧會(huì)降低。在評(píng)價(jià)此河道水質(zhì)情況時(shí)，需要參考考慮季節(jié)和區(qū)域?qū)θ芙庋醯挠绊?，以及河道徑流中的總磷、重金屬以及其他污染物，有效保護(hù)和改善水體的現(xiàn)有水質(zhì)，防止水體水質(zhì)退化。