基于溶解氧平衡法的南四湖生態(tài)需水量研究

付雅君 曹升樂 楊裕恒

摘要：提出一種基于水體溶解氧平衡法的湖泊生態(tài)需水量計(jì)算方法。首先計(jì)算大氣復(fù)氧量和水生植物光合作用產(chǎn)氧量，然后計(jì)算水生生物呼吸耗氧量和底泥中有機(jī)污染物降解耗氧量，根據(jù)湖泊產(chǎn)氧量與耗氧量的平衡方程，確定不同水質(zhì)條件下逐月水生生物需水量。以南四湖為例，計(jì)算了大氣復(fù)氧量和水生植物光合作用的產(chǎn)氧量以及水生生物呼吸耗氧量和底泥中有機(jī)污染物降解耗氧量，在綜合考慮逐月蒸發(fā)、滲漏需水量的基礎(chǔ)上，依據(jù)溶解氧平衡方程，確定了湖泊逐月基本生態(tài)需水量。

關(guān)鍵詞：溶解氧平衡法；基本生態(tài)需水量；南四湖

中圖分類號(hào)：X9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.019

面對(duì)我國(guó)湖泊不斷干涸、萎縮和水質(zhì)污染嚴(yán)重的湖泊生態(tài)環(huán)境危機(jī)及由此造成的資源型缺水、水質(zhì)性缺水的局面，維護(hù)湖泊和水庫(kù)的合理水位已經(jīng)成為淡水資源科學(xué)配置和永續(xù)利用的基本保證。隨著我國(guó)人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)水的需求量不斷增加，導(dǎo)致人湖水量減少、湖泊水位持續(xù)下降、湖泊水質(zhì)惡化、湖泊生態(tài)系統(tǒng)衰退等嚴(yán)重生態(tài)問題。研究湖泊基本生態(tài)需水。對(duì)于實(shí)現(xiàn)淡水資源合理配置和持續(xù)利用具有重要意義。本文提出一種基于湖泊溶解氧平衡法的生態(tài)需水量確定過程，并以南四湖為例進(jìn)行計(jì)算。

1 溶解氧平衡法原理

1.1 基本概念

溶解氧平衡法是以水生生物耗氧和產(chǎn)氧模擬為基礎(chǔ)，計(jì)算維持湖泊水質(zhì)水量穩(wěn)定、生物多樣性最大化、水生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展所需的水量，作為湖泊基本生態(tài)需水量。

溶解氧平衡法基于以下假設(shè)：一般而言，天然環(huán)境水體的溶解氧濃度接近飽和狀態(tài)，取ld為計(jì)算時(shí)段，湖泊中溶解氧的來源包括水生植物光合作用產(chǎn)氧、大氣復(fù)氧、支流補(bǔ)充的氧氣量，溶解氧的消耗包括水生生物呼吸耗氧、池底可降解有機(jī)物氧化耗氧、過飽和氣體向空氣揮發(fā)（由于計(jì)算時(shí)段內(nèi)支流中溶解氧也達(dá)到平衡，因此不考慮支流補(bǔ)充的氧氣量），二者的差值即為湖泊實(shí)際溶解氧濃度值，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中相應(yīng)水質(zhì)目標(biāo)下對(duì)應(yīng)的溶解氧濃度值，即可求出為保證湖泊達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)所需要的水量，與蒸發(fā)、滲漏量相加即為湖泊基本生態(tài)需水量。

1.2 湖泊溶解氧平衡方程

按照物質(zhì)守恒定律，湖泊水體中溶解氧收支平衡模式的狀態(tài)方程為式中：DO為實(shí)際溶解氧濃度；t為時(shí)間；DOp為水生植物產(chǎn)生溶解氧的濃度；DOa為大氣進(jìn)入水中的溶解氧的濃度：DOb為水生生物呼吸耗氧的濃度；DOo為底泥中有機(jī)污染物降解耗氧的濃度。

1.3 湖泊基本生態(tài)需水量的確定

將水生生物多樣性最大化和水生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展作為湖泊基本生態(tài)需水量的確定標(biāo)準(zhǔn)，通過湖泊溶解氧平衡方程，將水質(zhì)、水量和水生生物之間的相互作用聯(lián)系起來，通過計(jì)算水生生物產(chǎn)氧和耗氧量之間的差值，得出水體實(shí)際溶解氧濃度值，并與湖泊水質(zhì)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的溶解氧濃度值比較，兩者差值所對(duì)應(yīng)的水量即為水生生物需水量。根據(jù)相關(guān)研究可知，湖泊逐月蒸發(fā)需水量、滲漏需水量、水生生物需水量、蒸發(fā)需水量與滲漏需水量的總和就是湖泊基本生態(tài)需水量。生態(tài)需水量?jī)?yōu)化計(jì)算模型如下：式中：vi、vi、VEi、Vli、Vu、vl分別為第i月基本生態(tài)需水量、水生生物需水量、蒸發(fā)需水量、滲漏需水量及湖泊蓄水量的上限值和下限值；DOi、DOLi、DORi分別為第i月溶解氧水質(zhì)目標(biāo)、實(shí)際溶解氧濃度和實(shí)際溶解氧濃度上限：△w為產(chǎn)氧量與耗氧量的差值。

2 研究區(qū)概況

2.1 自然概況

南四湖位于淮河流域北部的山東省和江蘇省交界處，包括南陽、獨(dú)山、昭陽和微山等湖，是我國(guó)北方地區(qū)最大的淡水湖，也是我國(guó)第6大淡水湖，擁有豐富的野生動(dòng)植物資源，具有防洪、排澇、灌溉、城市供水、養(yǎng)殖、航運(yùn)及旅游等多種功能。

2.2 水生生物概況

南四湖耗氧性水生生物包括魚類、浮游植物、浮游動(dòng)物、底柄動(dòng)物等，產(chǎn)氧生物中數(shù)量最多、分布最廣的為挺水植物和沉水植物。為了實(shí)現(xiàn)南四湖水生生物多樣性，本文取20世紀(jì)80年代生態(tài)環(huán)境較好時(shí)的生物量來計(jì)算，根據(jù)《南四湖漁業(yè)資源調(diào)查綜合報(bào)告》，得到20世紀(jì)80年代年水生生物種類及生物量數(shù)據(jù)，見表1。

3 研究區(qū)溶解氧分析

3.1 溶解氧的來源

3.1.1 水生植物光合作用產(chǎn)氧

水生植物與陸生植物一樣，能在日光下利用二氧化碳和水合成有機(jī)物質(zhì)，并釋放出氧氣，也就是綠色植物的光合作用。通過水生植物的光合作用增加水中溶解氧是水體中溶解氧的最有效和最經(jīng)常的來源，水生植物通過光合作用，將氧氣通過體內(nèi)發(fā)達(dá)的通氣組織向根區(qū)泌氧，因此水生植物的光合作用產(chǎn)氧可通過植物泌氧率來計(jì)算。

根據(jù)《南四湖漁業(yè)資源調(diào)查綜合報(bào)告》，20世紀(jì)80年代挺水植物量為71.53萬t，占全部水生植物量的23.53%。取挺水植物中代表性植物蘆葦為研究對(duì)象，其根系泌氧率為3.36mg/（g.d），可計(jì)算得到南四湖逐月水生植物光合作用產(chǎn)氧量。

3.1.2 大氣復(fù)氧

大氣復(fù)氧是氣體中氧經(jīng)水氣界面?zhèn)鬏數(shù)剿w中的過程。目前廣泛運(yùn)用于水體的大氣復(fù)氧公式為式中：k2，為大氣復(fù)氧系數(shù)，靜止?fàn)顟B(tài)下k2值在2.4～2.88d-l之間，本文取平均值2.64d-1；DOa為飽和溶解氧濃度。

根據(jù)南四湖2013年實(shí)際水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料可知逐月水溫，由溶解氧與水溫的關(guān)系結(jié)合式（3）可計(jì)算得到逐月大氣復(fù)氧結(jié)果。

3.1.3 支流補(bǔ)充氧氣量

研究區(qū)南四湖為防洪灌溉型湖泊，在計(jì)算時(shí)段ld內(nèi)，支流匯人量可以忽略不計(jì)，因此不考慮支流補(bǔ)充氧氣量。

3.2 溶解氧的消耗

3.2.1 水生生物呼吸作用耗氧

南四湖耗氧性水生生物有魚類、浮游植物、浮游動(dòng)物和底柄動(dòng)物等，其中魚類對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)具有特殊作用，同時(shí)魚類對(duì)溶解氧最為敏感，搜集南四湖水生生物歷年來的主要物種，發(fā)現(xiàn)南四湖主要的魚類為鯉魚，故將鯉魚作為南四湖水生生物耗氧量計(jì)算指標(biāo)。

魚類耗氧量通過其耗氧率來計(jì)算，研究發(fā)現(xiàn)溫度是影響耗氧率變化的主要因素。不同溫度下鯉魚的耗氧量是不同的，隨著水溫的升高，魚類新陳代謝旺盛，體內(nèi)氧化過程增強(qiáng)，氣體交換頻繁，代謝速率增大，耗氧量增大。在由低溫到高溫條件下，鯉魚的耗氧率表現(xiàn)出由低向高逐步過渡的規(guī)律（見表2）。

根據(jù)魚類耗氧量及魚類在南四湖耗氧性水生生物中所占的比例，可求得南四湖各月水生生物耗氧量。

3.2.2 底泥中有機(jī)物質(zhì)降解耗氧

（1）微生物降解耗氧。微生物生存呼吸消耗有機(jī)物時(shí)耗氧量用BOD表示，這個(gè)指標(biāo)表示了當(dāng)水體受到污染時(shí)，水體中有機(jī)污染物的含量。根據(jù)山東省水功能區(qū)監(jiān)測(cè)資料可得到各月BOD。

（2）氨氮降解耗氧量。水體中氨氮發(fā)生硝化作用時(shí)也會(huì)減少水體中的氧氣，研究發(fā)現(xiàn)，lg氮化物被氧化共需大約4.2g氧氣。

根據(jù)山東省水功能區(qū)監(jiān)測(cè)資料可知南四湖2013年逐月BOD、氨氮濃度值，計(jì)算得到南四湖逐月底泥有機(jī)物耗氧量，見表3。

4 研究區(qū)基本生態(tài)需水量計(jì)算

由2013年南四湖在不同水質(zhì)條件下（Ⅱ類水和Ⅲ類水）逐月水生生物需水量，結(jié)合當(dāng)年逐月蒸發(fā)需水量和滲漏需水量可得南四湖逐月基本生態(tài)需水量，見表4。

可以看出，南四湖年內(nèi)基本生態(tài)需水量夏季高于冬季，因?yàn)橄募菊幱谒参锏纳L(zhǎng)旺盛期和水生動(dòng)物繁殖期，需要較大的水量來維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，且夏季溫度高，蒸發(fā)量大，所以湖泊基本生態(tài)需水量大：水質(zhì)等級(jí)越高，基本生態(tài)需水量越小，因?yàn)樗|(zhì)條件越好，溶解氧濃度越高，維持水生生物生存所需提供的水量越小，所以基本生態(tài)需水量越小。

5 結(jié)論

（1）南四湖年內(nèi)平均基本生態(tài)需水量為0.78億m3，其季節(jié)性變化明顯，夏季最大，冬季最小。不同水質(zhì)條件下湖泊基本生態(tài)需水量不同，水質(zhì)條件越好，需水量越小，夏季Ⅱ類水質(zhì)的需水量比Ⅲ類水質(zhì)的少約0.11億m3。

（2）溶解氧平衡法將湖泊水生生物量還原到20世紀(jì)80年代水平，計(jì)算出的生態(tài)需水過程既能維持湖泊水質(zhì)水量穩(wěn)定，又能保證生物多樣性最大化，使水生態(tài)系統(tǒng)能夠健康發(fā)展。

（3）由于缺乏實(shí)測(cè)魚類生物量資料，因此本文給出的計(jì)算結(jié)果還有待隨著實(shí)測(cè)資料的不斷增加而修改完善。