東白城子站暢流期停測(cè)侵蝕CO2和游離CO2的探討

石玉和

（遼寧省阜新水文局，遼寧阜新123000）

東白城子站暢流期停測(cè)侵蝕CO2和游離CO2的探討

石玉和

（遼寧省阜新水文局，遼寧阜新123000）

根據(jù)東白城子河段近十幾年試驗(yàn)監(jiān)測(cè)資料，采用幾種化學(xué)計(jì)量關(guān)系，分析論證了該河段的侵蝕CO2和游離CO2的含量周期性變化規(guī)律，為合理利用這一規(guī)律提供科學(xué)依據(jù)，并為該河段的水質(zhì)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)工作節(jié)省了人力、物力、財(cái)力。

有氧光合成；評(píng)價(jià)；化學(xué)計(jì)量

東白城子水文站監(jiān)測(cè)繞陽河二道河子至東白城子站河段，該河段上游范圍內(nèi)無大型工礦企業(yè)排放污水，因此，該河段除pH（有時(shí)超標(biāo)）和懸浮物超標(biāo)外，其余各項(xiàng)指標(biāo)均符合水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，水質(zhì)良好。通過對(duì)該河段近十幾年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)成果來看，發(fā)現(xiàn)CO2和游離CO2的含量遵循著一定規(guī)律，即在暢流期pH＞8.3時(shí)未發(fā)現(xiàn)該兩項(xiàng)指標(biāo)。本文就這一規(guī)律為出發(fā)點(diǎn)加以論述。

1 水體中CO2的來源

水體中CO2的來源主要是水中有機(jī)物的分解及水生物的呼吸作用，亦可從空氣中吸收。水中有機(jī)物的分解及水生物的呼吸占主要地位，河流中的腐殖質(zhì)、微生物、泥沙及土壤微孔表面作用，在水中發(fā)生一系列沉淀吸附、化和分解、絡(luò)合等物理化學(xué)及生物轉(zhuǎn)化作用。這些途徑所形成的CO2在水體中受多重因素的影響，致使其具有明顯的季節(jié)性、晝夜間的明顯區(qū)別。

2 監(jiān)測(cè)

東白城子水質(zhì)測(cè)驗(yàn)河段自1998年至2014年侵蝕CO2和游離CO2及pH值監(jiān)測(cè)情況如表1（選取2007～2014年）。

表1 pH值侵蝕CO2游離CO2監(jiān)測(cè)成果

由表1可見，東白城子水質(zhì)測(cè)驗(yàn)河段在暢流期pH＞8.3的條件下不含侵蝕CO2和游離CO2，在冰封期含有該兩項(xiàng)。

3 成因分析

3.1 pH值的影響

CO2在水中主要以溶解分子的形式存在，但也有很少一部分（1%）與水作用形成碳酸，即CO2+H2O=H2CO3。

通常將二者的總和CO2+H2CO3稱為游離CO2，游離CO2在天然水中的變化較為復(fù)雜，與水中的pH值、HCO3-離子有如下關(guān)系：H2O+CO2=H2CO3=H++HCO3-

當(dāng)pH＜8.3時(shí)，平衡趨向于CO2方向；當(dāng)pH＞8.3時(shí)，平衡則趨向于右邊。這由于暢流期光合作用強(qiáng)烈，水中H+由于光合作用而減少，不易與HCO3-形成H2CO3，從而使東白城子河段暢流期pH＞8.3時(shí)不含游離CO2，也不含侵蝕CO2。

由表1可見，東白城子河段暢流期pH值幾乎都在8.3以上，顯堿性，而實(shí)測(cè)侵蝕CO2和游離CO2的含量均為零。因此，根據(jù)這種規(guī)律，只要在暢流期現(xiàn)場(chǎng)測(cè)該河段的pH值就可決定是否需要測(cè)侵蝕CO2和游離CO2的含量。

3.2 有氧光合作用的影響

水體內(nèi)還有許多在生物參與下才能進(jìn)行的反應(yīng)，統(tǒng)稱為生化反應(yīng)。其中最重要的是光合作用與呼吸作用在控制和生物有密切關(guān)系的那些元素及化合物的動(dòng)態(tài)方面反應(yīng)。

從化學(xué)的角度看，可以把光合作用歸結(jié)為CO2還原為有機(jī)物的過程，為“受氫體”或“電子接受體”，綠色植物（包括藻類）是用H2O作“供氫體”或“電子給予體”，在還原CO2同時(shí)產(chǎn)生O2，故被稱為“有氧光合成”。

表示浮游植物光合成過程中有關(guān)元素的計(jì)量關(guān)系為：106CO2+16NO3+PO43-+122 H2O+19H+（痕量元素的）→C106H263O110N16P1+ 138O2。在此生化反應(yīng)中O、C、N、P四種元素的計(jì)量關(guān)系為：原子個(gè)數(shù)比為：O∶C∶N∶P=276∶106∶16∶1；重量比為：O∶C∶N∶P=142∶41∶7.2∶1。

根據(jù)計(jì)量關(guān)系預(yù)測(cè)浮游植物進(jìn)行光合作用，每耗用1mg P必然同時(shí)耗用7.2mgN、76mLCO2（41mgC），并生成月100mg浮游植物（干重），同時(shí)還釋放出99m L的O2。雖然這種計(jì)量關(guān)系只代表一種計(jì)算結(jié)果，與實(shí)際水體不盡相符，但作為一種相關(guān)關(guān)系來說，足以證明水體受光合作用。在CO2還原有機(jī)物的過程中產(chǎn)生大量的O2，從而使CO2減少。對(duì)東白城子測(cè)驗(yàn)河段來說，其河流特性（水面寬、水淺、地質(zhì)較好、水生物稀）導(dǎo)致該河段暢流期受光合作用強(qiáng)烈，因此，該河段暢流期在pH＞8.3時(shí)不含侵蝕CO2和游離CO2。

3.3 呼吸作用的影響

呼吸作用可歸結(jié)為碳水化合物等含能物質(zhì)分解，并釋放出能量的氧化反應(yīng)。含能物質(zhì)在其中起電子給予體或供氧體的作用。用作電子接受體或受氧體的具體物質(zhì)則隨生物不同而異。已知的有分子態(tài)氧、硝酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽及有機(jī)物，相應(yīng)的呼吸作用就稱為氧氣呼吸、硝酸呼吸、硫酸還原、發(fā)酵等。

有關(guān)元素的計(jì)量關(guān)系如下：

（CH2O）106（NH3）16H3PO4+138O2→（有氧呼吸）106CO2+16HNO3+H3PO4+122H2O

（CH2O）106（NH3）16H3PO4+84.8HNO3→（碳酸呼吸）106CO2+H3PO4+48.4H2O+42.4N2+16NH3

（CH2O）106（NH3）16H3PO4+53SO42-→（碳酸呼吸）106CO2+H3PO4+106H2O+53S2-+16NH3

由以上計(jì)量關(guān)系可知，水生物的呼吸作用消耗有機(jī)物和氧氣，產(chǎn)生CO2與有氧光合作用相矛盾。這對(duì)矛盾的相互作用是水體中的一對(duì)重要反應(yīng)，也是影響水體中侵蝕CO2和游離CO2含量的重要因素，對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生極大影響。在同一時(shí)間、同一水體內(nèi)，若有氧光合成強(qiáng)于有氧呼吸作用，則水體內(nèi)溶解氧積累，不含CO2，水質(zhì)良好。反之，水質(zhì)惡化。而東白城子河段在暢流期，由于河段特性引起的光合作用超過呼吸作用。所以，水質(zhì)良好，在pH＞8.3時(shí)不含CO2。在封凍期，由于冰面覆蓋，水體受光合作用影響弱，所以呼吸作用使水體含有CO2。

4 結(jié)語

（1）暢流期在pH＞8.3時(shí)不含侵蝕CO2和游離CO2，在河段特性不變的情況下，這種規(guī)律將持續(xù)不變。

（2）建議暢流期在pH＞8.3時(shí)停測(cè)侵蝕CO2和游離CO2。這樣可以節(jié)省人力、財(cái)力，也給測(cè)驗(yàn)帶來諸多方便。

［1］GB3838—2002，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］GB 11901—89，水質(zhì)懸浮物的測(cè)定重量法［S］.

［3］GB 11913—89，水質(zhì)溶解氧的測(cè)定電化學(xué)探頭法［S］.

［4］劉文光.水文分析與計(jì)算［M］.水利電力出版社，1989.

［5］GB50179—93，河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范［S］.

East baicheng son standing smoothly period stop erosion of CO2and free CO2

SHI Yu-he
（Fuxin Hydrology Bureau of Liaoning Province，F(xiàn)uxin 123000，China）

Based on the east river near Baichengzi more than 10 years test monitoring data，using several kinds of stoichiometric relation analysis demonstrates the river erosion of CO2and free CO2content cyclical change rule，thus to provide a scientific basis for reasonable use of this law，for the river water quality monitoring and evaluation work saves manpower and material resources，financial resources，and make due contributions to the development of hydrology.

aerobic photosynthesis；evaluation；stoichiometric

X832

B

1672-9900（2016）04-0054-03

2016-06-28

石玉和（1966-），男（漢族），遼寧阜新人，高級(jí)工程師，主要從事水文測(cè)驗(yàn)、預(yù)報(bào)等工作，（Tel）13500482180。