探析水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測中溶解氧偏低的原因

葉春麗

（安徽省蕪湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，安徽 蕪湖 241000）

引言

近年來，水體污染和生態(tài)環(huán)境問題已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注，其中溶解氧偏低是一個(gè)普遍存在的問題，對水生生物和生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重影響。為了及時(shí)監(jiān)測水體中的溶解氧含量，自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。然而，我們?nèi)匀恍枰钊肓私馊芙庋跗偷脑?，從而制定有效的管理措施。本文將通過對溶解氧的重要性、自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用、溶解氧偏低的原因分析及其影響與應(yīng)對措施的討論，為水資源保護(hù)和生態(tài)環(huán)境改善提供有益的參考。

1 溶解氧的重要性與影響因素

1.1 溶解氧的定義與作用

溶解氧是水體中能夠溶解的氧氣分子（O2），其對水生生物的生存和呼吸過程至關(guān)重要。水生生物依賴溶解氧進(jìn)行呼吸，并從中獲得所需的能量以維持其生命活動(dòng)。如果溶解氧不足會(huì)導(dǎo)致水生生物缺氧，影響其生長、繁殖和免疫力，甚至引起死亡。此外，溶解氧還參與水體中的生物化學(xué)反應(yīng)，如細(xì)菌降解有機(jī)物和氧化還原反應(yīng)。因此，了解溶解氧的含量及其變化對于水資源保護(hù)和生態(tài)環(huán)境管理至關(guān)重要。同時(shí)，水溫等環(huán)境因素也會(huì)影響溶解氧的溶解度，進(jìn)一步影響水體生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 水體中影響溶解氧含量的因素

1.2.1 溫度

溫度是影響水體中溶解氧溶解度的重要因素。一般來說，隨著溫度的升高，溶解氧的溶解度會(huì)減小，這是因?yàn)闇囟壬邥?huì)增加水分子的活動(dòng)性，從而降低氧氣分子在水中的溶解能力。根據(jù)亨利定律，溶解氧的溶解度與溫度之間存在一種負(fù)相關(guān)關(guān)系，具體公式為：溶解氧溶解度=溶解氧飽和溶解度×(1-溫度系數(shù)×(實(shí)際溫度-20))。其中，溶解氧飽和溶解度是指在特定溫度下水體中溶解氧的最大可能含量，而溫度系數(shù)表示隨著溫度的變化，溶解氧溶解度的變化速率。舉例來說，當(dāng)水體溫度上升時(shí)，溶解氧的溶解度就會(huì)下降。例如，當(dāng)水溫從20 ℃上升到30 ℃時(shí)，假設(shè)溫度系數(shù)為0.024（攝氏度）-1，那么溶解氧的溶解度將減小約4.8%。這意味著在相同體積的水中，溶解氧的含量會(huì)降低。

1.2.2 鹽度

鹽度是指水中溶解的無機(jī)鹽的含量，對溶解氧的溶解度有著顯著影響。一般來說，隨著鹽度的增加，溶解氧的溶解度會(huì)降低。這是因?yàn)樵诟啕}度環(huán)境中，溶解在水中的鹽離子數(shù)量增多，并與溶解氧分子爭奪吸附在水分子表面的空間，因而減少了溶解氧分子在水中的溶解能力。此外，高鹽度環(huán)境也會(huì)導(dǎo)致水分子的活動(dòng)性降低，使溶解氧分子更難與水分子發(fā)生相互作用，從而降低了溶解氧的溶解度。相比之下，淡水中的溶解氧溶解度通常較高[1]，這是由于淡水中的鹽離子濃度相對較低，溶解氧分子能夠更自由地溶解在水中，并提供更充足的氧氣供水生生物呼吸。為了更直觀地說明鹽度對溶解氧的影響，技術(shù)人員做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 鹽度和溶解氧溶解度的數(shù)據(jù)表

1.2.3 水壓

水壓是指水體所承受的壓力，對溶解氧的溶解度有著一定的影響。在深海環(huán)境中，水壓的增加會(huì)對溶解氧的溶解度產(chǎn)生顯著的影響。隨著水深的增加，水壓也會(huì)相應(yīng)地增加。根據(jù)亨利定律，溶解氧的溶解度與壓力成正比關(guān)系。亨利定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：C=k×P。

其中，C表示溶解氧的濃度（通常以mg/L為單位），k是亨利常數(shù)（與溶質(zhì)和溶劑相關(guān)），P表示水體中的氣體分壓（以巴為單位）。在深海環(huán)境中，由于水壓的增加，氣體分壓也會(huì)隨之增加，從而導(dǎo)致溶解氧的溶解度增加。因此，可以使用上述公式來說明水壓對溶解氧溶解度的影響。

2 自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用

自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)是利用先進(jìn)的傳感器、儀器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)或水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測的技術(shù)，通過自動(dòng)采樣、數(shù)據(jù)記錄和遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ?，能夠提供?zhǔn)確、可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為環(huán)境保護(hù)和資源管理提供重要支持。相比傳統(tǒng)手動(dòng)監(jiān)測方法，自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)具有實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)可靠性的優(yōu)勢。

在水質(zhì)監(jiān)測中，自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢得到了充分體現(xiàn)。首先，自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)獲取數(shù)據(jù)，捕捉到水質(zhì)變化的瞬間和短期波動(dòng)，提供更及時(shí)的監(jiān)測結(jié)果。其次，該技術(shù)采用高精度的傳感器和儀器，這些自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備能夠提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，避免了人為誤差和操作偏差。此外，自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)可以通過數(shù)字化和自動(dòng)化的方式記錄和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，從而減少了監(jiān)測數(shù)據(jù)丟失和被人為篡改的風(fēng)險(xiǎn)，從而保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性和完整性。

在溶解氧監(jiān)測中，自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)也發(fā)揮著重要作用。電化學(xué)傳感器和光學(xué)傳感器等設(shè)備被廣泛應(yīng)用于溶解氧監(jiān)測，通過測量電流變化或光的吸收特性來確定溶解氧濃度。自動(dòng)航行儀器和遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大范圍的溶解氧監(jiān)測和空間分布數(shù)據(jù)的獲取。這些自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備為相關(guān)工作人員提供了更加全面和精確的溶解氧數(shù)據(jù)，有助于水體生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和管理。

綜上所述，自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)通過實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)可靠性的優(yōu)勢，為水質(zhì)監(jiān)測提供了更加高效、精確和全面的解決方案。在溶解氧的監(jiān)測過程中，電化學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器、自動(dòng)航行儀器和遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)等設(shè)備被廣泛應(yīng)用，為我們提供了更加全面的溶解氧數(shù)據(jù)，因而有助于對水體生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和管理。

3 溶解氧偏低的原因分析

3.1 污染物輸入

3.1.1 有機(jī)污染物

有機(jī)污染物對溶解氧的影響是環(huán)境工程中一個(gè)重要的問題，特別是有機(jī)廢水的排放和富營養(yǎng)化現(xiàn)象，對水體中的溶解氧含量會(huì)產(chǎn)生顯著影響。有機(jī)廢水的排放是指工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城市等活動(dòng)中產(chǎn)生的含有大量有機(jī)物質(zhì)的廢水被直接或間接地排放到水體中。這些有機(jī)物質(zhì)在水體中被微生物分解，消耗了大量的氧氣，導(dǎo)致水體中的溶解氧含量降低，這種現(xiàn)象被稱為生化需氧量（BOD）過高，是水體富營養(yǎng)化和水生生物生存的一個(gè)重要限制因素，富營養(yǎng)化現(xiàn)象也會(huì)對溶解氧產(chǎn)生影響。富營養(yǎng)化是指水體中有過多的營養(yǎng)物質(zhì)（如氮、磷等），導(dǎo)致藻類和其他植物過度生長的現(xiàn)象。這種過度生長會(huì)消耗大量的溶解氧，造成水體中的溶解氧含量降低。此外，過多的藻類也會(huì)形成浮游植物和堆積和腐敗，從而進(jìn)一步減少了水體中的溶解氧。有機(jī)污染物對溶解氧的消耗可以通過測量生化需氧量（BOD）和溶解氧濃度進(jìn)行評估。BOD是指在一定時(shí)間內(nèi)，微生物在特定溫度下分解有機(jī)物質(zhì)所需的氧氣量，可以通過監(jiān)測BOD和溶解氧濃度的變化，有效評估有機(jī)污染物對溶解氧的影響程度。

3.1.2 無機(jī)污染物

無機(jī)污染物對溶解氧的影響是水體環(huán)境中的另一個(gè)重要問題。一些無機(jī)污染物如重金屬和硫化物，其含量和毒性可以對溶解氧產(chǎn)生影響。重金屬是一類有毒的無機(jī)污染物，包括鉛、汞、鎘等。當(dāng)重金屬進(jìn)入水體后，可以與水中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成難溶于水的化合物，這些化合物會(huì)降低水體中的溶解氧含量，影響水體中的氧氣供應(yīng)。此外，重金屬還會(huì)對水生生物的呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生直接的毒性作用，干擾其正常的氧氣攝取和利用，從而導(dǎo)致溶解氧不足。硫化物是另一類常見的無機(jī)污染物，如硫化氫（H2S）。硫化氫是一種強(qiáng)烈的刺激性氣體，通常是由廢水中有機(jī)物質(zhì)分解產(chǎn)生的。高濃度的硫化氫可以直接對水生生物產(chǎn)生毒性作用，抑制其呼吸過程并降低溶解氧的利用效率。此外，硫化物還可以與水中的溶解氧發(fā)生反應(yīng)并生成硫酸鹽，進(jìn)一步降低了水體中的溶解氧含量。

3.2 生物活動(dòng)過程

3.2.1 藻類

藻類生長過程中對溶解氧的消耗以及死亡后分解對溶解氧的供應(yīng)，對水體中的溶解氧含量會(huì)產(chǎn)生重要影響。表2中列舉了一些常見藻類的生長速率和相應(yīng)的溶解氧消耗速率的數(shù)據(jù)，用于輔助說明這種影響。根據(jù)研究數(shù)據(jù)可以看出，藻類在生長過程中會(huì)消耗大量溶解氧[2]。

表2 ?常見藻類生長速率和響應(yīng)溶解氧消耗速率表

表2中的數(shù)據(jù)表明，藻類的生長速率與其對溶解氧的消耗速率存在著一定的正相關(guān)關(guān)系。藻類的大量生長會(huì)導(dǎo)致水體中溶解氧的降低，對水生生物的生存和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。而藻類死亡后，會(huì)分解并釋放出有機(jī)物質(zhì)，這些有機(jī)物質(zhì)在分解過程中會(huì)消耗氧氣。表3為不同藻類死亡后的分解對溶解氧供應(yīng)速率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 不同藻類死亡后分解對溶解氧的供應(yīng)速率影響表

表3中的數(shù)據(jù)表明，死亡藻類的分解過程會(huì)釋放出有機(jī)物質(zhì)，對溶解氧的供應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。然而，需要注意的是，分解速率和溶解氧供應(yīng)速率與藻類的種類、環(huán)境條件等因素有關(guān)。

3.2.2 細(xì)菌

細(xì)菌降解有機(jī)物是一個(gè)重要的生物降解過程，其對溶解氧的消耗和溶解氧的供應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生影響。細(xì)菌降解有機(jī)物需要氧氣作為電子受體來進(jìn)行呼吸代謝，進(jìn)而將有機(jī)物分解為無機(jī)物并釋放能量。這個(gè)過程稱為好氧呼吸，會(huì)消耗大量的溶解氧。細(xì)菌通過有機(jī)物與氧氣發(fā)生的反應(yīng)獲得能量，并合成細(xì)胞物質(zhì)。在這個(gè)過程中，氧氣被還原為水，因而會(huì)消耗掉水體中的一部分溶解氧。然而，細(xì)菌降解有機(jī)物后也會(huì)釋放出一些有機(jī)物的殘留物和代謝產(chǎn)物，這些有機(jī)物進(jìn)一步提供了微生物降解的底物。其他細(xì)菌或微生物可以利用這些有機(jī)物進(jìn)行進(jìn)一步降解，這個(gè)過程稱為厭氧呼吸。厭氧呼吸不需要氧氣作為電子受體，因此不消耗溶解氧。相反，該過程會(huì)將其他物質(zhì)如硝酸鹽、硫酸鹽等作為電子受體，這個(gè)過程會(huì)釋放出溶解氧，從而提供了水體中的溶解氧供應(yīng)。

3.3 水體特征

3.3.1 水溫

水溫對溶解氧的溶解度有著重要影響，隨著水溫升高，溶解氧的溶解度會(huì)降低。這是由于水溫升高會(huì)加劇水分子的熱運(yùn)動(dòng)，是水體密度降低以及氧氣分子在水中的擴(kuò)散速率加快等因素的綜合作用。首先，水溫升高會(huì)增加水分子的熱運(yùn)動(dòng)速度和能量，使水分子之間的相互作用減弱，從而降低溶解氧的溶解度。其次，水溫升高會(huì)使水體密度降低，導(dǎo)致水體混合程度減弱，進(jìn)而減緩了氧氣分子在水中的溶解過程。此外，水溫升高還會(huì)加快氧氣分子在水中的擴(kuò)散速率，但這種效應(yīng)相對較小，通常被水分子熱運(yùn)動(dòng)的影響所抵消。因此，水溫升高會(huì)導(dǎo)致溶解氧含量降低，這對水生生物和水體生態(tài)系統(tǒng)的正常功能產(chǎn)生了重要影響。

3.3.2 鹽度

鹽度對溶解氧的溶解度也有著顯著的影響。一般來說，隨著鹽度的增加，溶解氧的溶解度會(huì)減少，這是由于鹽度變化引起的溶解氧濃度變化以及溶質(zhì)效應(yīng)等因素的綜合作用。當(dāng)水中的鹽度增加時(shí)，溶質(zhì)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致溶解氧的溶解度降低。溶質(zhì)效應(yīng)是指溶液中溶質(zhì)分子與溶劑分子之間的相互作用，在高鹽度環(huán)境下，溶質(zhì)分子會(huì)與溶劑分子之間形成更多離子間的相互作用，從而減少了水分子與氧氣分子之間的空間和能量，使得氧氣分子更難以溶解。因此，高鹽度環(huán)境下的溶解氧溶解度較低。

4 溶解氧偏低產(chǎn)生的影響與應(yīng)對措施

溶解氧偏低對水生生物和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都會(huì)產(chǎn)生重要影響。首先，低溶解氧會(huì)限制水生生物的呼吸過程，導(dǎo)致生物體內(nèi)缺氧，進(jìn)而影響其生長、繁殖和存活能力。其次，低溶解氧會(huì)引發(fā)生態(tài)鏈條的崩潰，影響食物網(wǎng)的平衡，破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功能。此外，低溶解氧還可能導(dǎo)致水體中有毒物質(zhì)的積累，進(jìn)一步危害水生生物。溶解氧偏低可能導(dǎo)致多種水生生物受損情況。例如，魚類群體可能因缺氧而死亡或遷移至更適宜生存的環(huán)境。底棲動(dòng)物如底棲昆蟲和甲殼類動(dòng)物也會(huì)受到影響，而這些生物是水體生態(tài)系統(tǒng)中重要的食物來源和水質(zhì)指示生物。當(dāng)溶解氧偏低時(shí)，底棲動(dòng)物的數(shù)量可能減少，從而影響了整個(gè)食物網(wǎng)的穩(wěn)定性[3]。

為了應(yīng)對溶解氧偏低產(chǎn)生的影響，需要政府相關(guān)部門制定和執(zhí)行水資源保護(hù)和污染防治的政策法規(guī)，其中包括限制污染物排放、加強(qiáng)水體監(jiān)測和管理等，這對于改善溶解氧偏低的情況至關(guān)重要。此外，推動(dòng)環(huán)境保護(hù)教育和意識的提升也是重要一環(huán)，這樣可以促進(jìn)公眾對水資源保護(hù)的重視和參與。另外，通過采用其他改善水體溶解氧狀況的技術(shù)方法也可以解決溶解氧偏低的問題，其中包括增氧設(shè)備的應(yīng)用。該技術(shù)是通過向水體中注入氧氣來提高水體中的溶解氧含量。此外，水體通氣也是一種有效的方法，可以通過增加水體與大氣之間的氧氣交換，提高溶解氧的供應(yīng)。其他技術(shù)方法還包括改善水體流動(dòng)性、減少有機(jī)負(fù)荷、控制富營養(yǎng)化等，以維持良好的水體生態(tài)環(huán)境和溶解氧狀況。

5 結(jié)語

保持水體中溶解氧含量的穩(wěn)定是保護(hù)水生生物和生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵。通過制定相關(guān)的政策法規(guī)、管理措施及采取相應(yīng)的技術(shù)方法，可以有效改善溶解氧偏低的問題，以確保水體中的氧氣供應(yīng)充足，進(jìn)而能夠保護(hù)水資源，維護(hù)水生態(tài)環(huán)境的健康。