美國溶解氧基準標準及其對我國的啟示

黃煒惠， 李文攀， 霍守亮， 馬春子,3*， 陳艷卿， 何卓識， 鄭佳琦

1.中國環境科學研究院， 環境基準與風險評估國家重點實驗室， 北京 100012 2.中國環境監測總站， 北京 100012 3.上海大學環境與化學工程學院， 上海 200444

我國溶解氧標準在借鑒國外水質標準的基礎上制定. 我國幅員遼闊，地形復雜、氣候多樣，南北水體飽和溶解氧差異顯著，全國采用統一的溶解氧標準易導致不同地理氣候區域水體的欠保護或過保護. 近年來我國水環境質量總體呈向好趨勢，正邁向生態文明建設的新階段，為有利推進生態環境高水平保護，現急需通過科學的方法制定符合我國國情的溶解氧標準，實現水環境的精準保護. 美國從20世紀40年代開始探索建立水質標準，目前已經形成一套較為完善的溶解氧標準體系. 美國環境保護局(US EPA)制定國家層面的溶解氧基準，各州參照溶解氧基準結合具體水體功能制定溶解氧標準，并定期(3年一次)對溶解氧標準進行審查和修訂，US EPA最終審批并監督實施[1]. 該文通過系統梳理美國溶解氧基準標準制定體系，對比分析我國溶解氧標準體系現存不足，初步提出美國溶解氧標準制定對我國的啟示.

1 美國溶解氧基準

溶解氧基準是指對水生生物產生可接受影響的最低溶解氧濃度[2]，是溶解氧標準制定的理論依據. 美國現行的溶解氧基準包括1986年US EPA發布的淡水溶解氧基準[2-3]和2000年發布的海水溶解氧基準[4]. 根據水生生物對溶解氧敏感性的不同，分別探討了溶解氧對冷水生物和溫水生物及其不同生活史階段生長和生存的影響，制定了淡水和海水溶解氧的慢性基準值和急性基準值.

US EPA針對冷水魚和溫水魚的早期生活史階段和其他生活史階段，分別制定了溶解氧基準值(見表1). 冷水魚被認為是鮭科魚類或與鮭科魚類的溶解氧敏感度相似的生物[3]，一般生活在20 ℃以下水體中[5]. 溫水魚適宜生存的溫度較高，所需的溶解氧基準值較低. 不同生活史階段的魚類對溶解氧的敏感度不同，魚類在早期生活史階段對溶解氧更敏感，需要制定更高的溶解氧基準值. 為了保護冷水魚棲息地常見的昆蟲，溶解氧急性基準值采用4 mg/L，替代鮭科魚類的急性基準值3 mg/L[3]. 為滿足7 d平均值的要求，限制溶解氧1 d最小值的發生頻率為每年3次，或將冷水魚可接受的溶解氧1 d最小值增至4.5 mg/L，溫水魚溶解氧1 d最小值增至3.5 mg/L.

表1 美國淡水溶解氧基準

基于弗吉尼亞州(Virginia)夏季入海口和近岸海域脊椎動物和魚類的毒理數據，US EPA制定了海水(入海口和近岸海域)溶解氧基準值(見表2)，該值適用于弗吉尼亞州入海口和近岸海域(從低潮線向海域延伸3 m范圍)水生生物的保護[4]. 根據表2中的公式，各州采用自有的生物毒性數據可以推導其相應的溶解氧基準值. 海水基準值分析了在持續低氧暴露(大于24 h)和間歇低氧暴露(小于24 h)兩種方式下，低氧對水生生物不同生活史階段的影響. 在持續低氧暴露情況下，采用處于未成熟和成熟階段水生生物的急性毒性效應數據，利用毒性百分數排序法計算得到溶解氧急性基準值為2.3 mg/L；采用處于生長階段水生生物的慢性毒性效應(4～29 d生長損失)數據，利用毒性百分數排序法計算得到溶解氧慢性基準值(4.8 mg/L)；當水中溶解氧濃度介于二者之間時需要采用幼體增長階段模型，通過設定可接受增長累積損失(5%)，推導在該濃度下水生生物允許暴露間隔的持續時間，以評價該棲息地是否適合物種幼體生長.

表2 美國弗吉尼亞州(Virginia)海水溶解氧基準

在間歇低氧暴露情況下，需通過低氧狀態的持續時間和強度，根據不同階段的公式，計算得到溶解氧的允許濃度和最大允許天數，判斷溶解氧的實際濃度是否達到水生生物生長和生存要求. 間歇低氧暴露下處于未成熟和成熟階段水生生物的溶解氧基準值根據溶解氧在不同時間(h)造成的死亡率進行擬合，以CMC(基準最小濃度值)為終點計算得到；生長階段的數據與持續低氧暴露下生長階段中慢性毒性數據來源相同，利用間歇低氧暴露24 h的生長損失(為持續低氧暴露24 h生長損失的1.56倍)，計算得到某一時間內總生長損失小于25%的溶解氧濃度和暴露允許時間；幼體增長階段利用生長階段計算得到TTD曲線(時間-死亡率曲線)，將數據代入TTD曲線得到最大日死亡率，再根據死亡率-允許天數曲線，得到該死亡率下的最大允許天數[4].

2 美國溶解氧標準

溶解氧標準是參照溶解氧基準制定的保護特定水體功能的標準值，采用溶解氧濃度和溶解氧飽和度來評價，在2個指標都監測的情況下采用更嚴格的值對溶解氧進行評價. 美國各州對行政區內水體分段，每段河流具有多種功能，根據最敏感功能得到對應溶解氧標準值. 美國水質標準制定的目的是保護魚類和貝類以及野生動物的生存和繁殖，滿足娛樂用水、飲用水供應、農業用水、工業用水及航行等功能，并保護下游水質[1,6]. 溶解氧基準只考慮了溶解氧對水生生物生長和生存的效應，完全基于試驗數據，簡化了環境要素的影響. 溶解氧標準的制定需要分析不同時間和棲息地環境中水生生物對溶解氧的敏感性，并考慮社會經濟等因素. 除了保護水生生物外，溶解氧標準還通過實施反降級政策保護特定水體功能. 根據溶解氧標準保護目標的不同，從保護水生生物、保護水體功能和反降級政策三方面來介紹美國溶解氧標準.

2.1 保護水生生物

為保護水生生物，溶解氧標準最低限值為4 mg/L[7-15]，溶解氧飽和度不得超過110%[7,16](見表3). 不同環境生存著不同類型的生物，生物在不同生活史階段的生長代謝狀況不同，對低氧敏感性也不同. 基于溶解氧基準，美國從海水(入海口及近岸海域)和淡水、冷水生物和溫水生物以及物種不同生活史階段3個層次分別制定了溶解氧標準值. 海水溶解氧最低標準值為4 mg/L[10]，淡水溶解氧標準值較高，最低標準值為5 mg/L[8,11,15,17-18]. 淡水生物又分為溫水生物和冷水生物，溫水生物的溶解氧最低標準值為5 mg/L[5,14,16-19]，溶解氧飽和度標準為60%[18]； 冷水生物敏感的早期生活史階段溶解氧標準為7 mg/L[8,15,18-21]，溶解氧飽和度標準為75%[18]；冷水生物其他較不敏感的生活史階段溶解氧標準為6 mg/L[8,15-16,18]，溶解氧飽和度標準為70%[18].

表3 美國部分州保護水生生物溶解氧標準的最小值

不同地貌、水文、氣候因素導致棲息地環境各異，隨著時間變化棲息地環境和物種活動軌跡也會改變，不同時間和棲息地環境中物種對溶解氧敏感性不同. 現階段水環境受人類干擾嚴重，不同地區水質差異顯著，需要制定不同的溶解氧標準. 如緬因州、紐約州和馬薩諸塞州等地區根據棲息地質量劃分了水體等級，根據水體等級分別制定溶解氧標準. 針對脆弱的棲息地和敏感物種及其生活史階段，各州制定了符合當地實際情況的溶解氧標準.

2.1.1海水溶解氧標準

根據水文和水質因素將海水分為入海口和近岸海域2種水體類型. 入海口位于河流下游和大海交界處，受潮汐影響鹽度變化大，污染較重. 路易斯安那州入海口溶解氧標準為4 mg/L，近岸海域的溶解氧標準為5 mg/L[10]. 阿拉斯加州近岸海域1 m深的表層溶解氧濃度要求大于6 mg/L，入海口處受潮汐支配水體的溶解氧濃度大于5 mg/L[7]. 對入海口、近岸海域和淡水溶解氧標準值比較發現，入海口受陸地污染源和鹽度雙重影響，溶解氧標準值較低，適合耐污型水生生物生存. 不同時間入海口處潮汐運動和生物活動存在顯著差異，因此同一地點不同時間物種對溶解氧的敏感性不同. 如華盛頓特區根據潮汐時間制定了不同的溶解氧標準值，規定2月1日—5月31日溶解氧標準瞬時值為5 mg/L，6月1日—翌年1月31日的溶解氧標準瞬時值為3.2 mg/L. 根據不同時間和地點制定溶解氧標準能更有效地保護水生生物，避免過保護或欠保護現象的發生[14].

2.1.2淡水溶解氧標準

淡水溶解氧標準分為冷水生物和溫水生物2種溶解氧標準，并針對敏感物種的產卵階段制定溶解氧標準值. 根據水流狀態將淡水棲息地分為河流和湖庫2類. 河流流速大，流量隨季節變化顯著，在流量過低情況下甚至會出現斷流，無法維持水體正常功能. 威斯康星州規定河流流量低于10年內最小7 d的平均流量(7Q10)或者全年平均流量的0.274%(相當于每年一次)，難以維持生物生存繁殖等功能的情況下，可不制定溶解氧標準[15]. 密歇根州規定不同保護目標水質標準應用的流量要求：為保護野生動物，設計流量大于10年內最小90 d的平均流量(90Q10)；為保護人體健康，設計流量大于諧波平均流量；在氨等物質排放的情況下，設計流量大于4個季節中流量最高月95%時間的流量；實際流量超過設計流量時，溶解氧標準值也應相應提高. 水力發電、閘壩建設等工程導致河流流量進一步減少，溶解氧標準值降低[13]. 如水力發電設施下魚類產卵期(7月15日—10月15日)，愛達荷州制定溶解氧標準瞬時值為3.5 mg/L，顯著低于其他條件下物種產卵期的溶解氧標準值[16].

湖庫等棲息地環境水體較深，隨著深度的增加，水體中溶解氧的濃度因氧氣補充減少而降低. 在分層情況下，湖庫下層水體植物產氧和大氣復氧能力弱，耗氧速率超過氧氣補充速率，易造成缺氧，因此溶解氧標準只適用于湖庫水體表層或者混合狀態良好的河流等水體. 密西西比州規定了未分層水體中溶解氧標準的適用范圍：如果水體最大深度小于或等于3 m，溶解氧標準適用于湖庫上層水體(一半深度以上)，否則適用于水面以下1.5 m內水體；對分層的水體，將湖庫上層視為未分層水體[13]. 愛達荷州對不同水深的湖庫規定了溶解氧標準的適用范圍：對最大水深小于35 m的湖庫，溶解氧標準值僅適用于水深20%以內的表層水體；超過35 m的湖庫，溶解氧標準值適用于7 m以內表層水體；溶解氧標準值不適合分層湖庫[16].

2.1.3敏感物種及其生活史階段

針對冷水魚等敏感物種及其早期生活史階段，需要制定更嚴格的溶解氧標準. 在鮭魚洄游期間，威斯康星州規定溶解氧濃度需保持在自然背景濃度下，阿拉斯加州對溯河產卵的魚類制定溶解氧標準值為7 mg/L[15]. 華盛頓州規定鮭魚飼養和遷徙期溶解氧標準值為6.5 mg/L，產卵期為8 mg/L；鱒魚產卵期的溶解氧標準值也為8 mg/L；而紅點鮭魚產卵期溶解氧標準值高達9.5 mg/L[14]. 佛蒙特州規定鮭魚卵成熟后期和仔魚發育期的溶解氧飽和度為95%[18]. 由于魚類有洄游的習性，尤其是生殖洄游期，在具體時間和地點制定溶解氧標準值是保護敏感物種更有效的措施. 羅得島州對魚類早期生活史階段所處的不同地點制定了不同溶解氧標準：早期生命在礫石處溶解氧標準值為8 mg/L；在上覆水中溶解氧標準值為5 mg/L[19]. 愛達荷州規定建有水力發電設施的河段魚類產卵期的溶解氧標準適用的時間為7月15日—10月15日[16]. 緬因州魚類產卵期溶解氧標準適應的時間為10月1日—翌年5月14日，溶解氧標準值為8 mg/L[22]. 冷水魚產卵期需要較低的溫度[22]，高溫會使得物種敏感性升高，因此高溫條件下應制定更嚴格的溶解氧標準來保護冷水生物[14].

2.2 保護水體功能

根據不同的水質等級制定不同水體功能的溶解氧標準. 高質量水體能提供多種功能，根據最敏感功能制定高質量水體的溶解氧標準. 水產養殖溶解氧標準范圍為5～8 mg/L[7,19]；飲用水分為消毒后直接飲用水和給水處理后間接飲用水，其溶解氧標準范圍為4～8 mg/L[5,7,12,19-20,22-23]；農業用水、娛樂用水和工業用水的溶解氧標準范圍均為3～8 mg/L[5,7,12,19-20,22-25]. 針對冷水魚產卵期制定的溶解氧標準值最高，為8 mg/L[19,22]，只保護水生生物生存而不考慮物種繁殖的溶解氧標準值為3 mg/L[20]. 由于水流斷流等原因，無法保護水生生物等功能，但能維持人體非直接接觸的娛樂、景觀和保護地下水等功能，且沒有異味或腐臭的環境水體，被稱為有限資源水體. 有限資源水體溶解氧濃度最小值應大于0，溶解氧日均值應大于1 mg/L[12]. 佛羅里達州對工業用水制定的溶解氧標準為0.1～0.3 mg/L，允許溶解氧存在正常波動. 根據棲息地水質的特點，不同功能水體的溶解氧飽和度范圍為60%～75%[22]，最高質量水體溶解氧標準應達到自然水平[20,22]. 明尼蘇達州為了防止富營養化，規定一晝夜內北部、中部和南部河流溶解氧濃度最大值和最小值之差應分別小于3、3.5和4.5 mg/L[12].

海水沒有飲用水供應等功能，對應溶解氧標準值較低. 海水中貝類的繁殖期和捕撈期、娛樂用水和工業用水的溶解氧標準為3～6 mg/L[5,7,19-20]. 低質量海水只保護水生生物生存不考慮繁殖和娛樂等功能[20].

2.3 反降級政策

反降級政策[26-27]是為了保護水體并防止現有狀況良好水體的水質惡化而制定的，是水質標準中的重要組成部分. 上述溶解氧標準值是為滿足各種水體功能制定的溶解氧最低值. 對未受人類破壞的自然棲息地，如五大湖(蘇必利爾湖、密歇根湖、休倫湖、伊利湖和安大略湖)等高質量水體，根據反降級政策應該保持自然狀態，需要制定更高的溶解氧標準值. 如果現行標準低于可達最高標準，應修改至可達最高標準. 如果無法達到現行標準，除非是自然現象(非人類干擾)導致的溶解氧濃度偏低，否則低于溶解氧標準將被認為是對水體功能的損害. 由于受到短暫的人為因素影響而無法達到標準，在水體進行升級改造期間，可制定臨時標準[11]. 可達性分析表明,現有水質持續下降，或由于社會經濟等其他因素無法達到現行標準時，可移除或者修改此水體功能并提供分析說明.

3 中美兩國溶解氧測定方法比較

溶解氧測定的方法主要有碘量法、電化學法和熒光法[28-29]. 碘量法操作較復雜，易受氧化、還原性物質干擾，無法在線連續監測；電化學法比碘量法測定快，操作簡便，易受環境因素干擾，需一定流速或攪拌[28]；熒光法測定前無需極化和校準，響應時間快，測量結果穩定，抗干擾能力強，無需更換膜組件及電解液等，探頭耐用性高，電極壽命長，維護低. 我國目前發布了《水質 溶解氧的測定 碘量法》(GB 7489—1987)、《水質 溶解氧的測定 電化學探頭法(HJ 506—2009)》和《便攜式溶解氧測定儀技術要求及檢測方法》(HJ 925—2017)3種溶解氧測定方法. 美國已用熒光法取代電化學法進行常規監測，并且建議在實驗室用碘量法進行儀器校正[30]；熒光法在我國自動監測站和便攜式溶解氧測定儀中廣泛采用[29]. 研究[29]表明，電化學探頭法和熒光法現場測定的溶解氧濃度沒有顯著差異. 中美兩國采用相同的方法計算溶解氧飽和度，即測量的溶解氧濃度除以飽和溶解氧濃度乘以100%. 淡水飽和溶解氧濃度考慮溫度和壓強的影響，海水飽和溶解氧濃度考慮溫度、壓強和鹽度的影響[31]. 中美兩國采用的溶解氧測定方法相近，溶解氧標準值具有可比性.

4 我國溶解氧標準及其存在的問題

為保護某一水體功能，美國考慮多種因素的影響制定溶解氧標準，與我國溶解氧標準值的范圍存在較大的差異(見表4). 如我國溶解氧標準中為保護水生生物早期生活史階段制定的溶解氧標準值為6 mg/L，其他生活史階段為5 mg/L，與美國溫水生物溶解氧標準值接近，低于美國鮭魚產卵核心保護區的溶解氧標準值，高于水力發電設施下魚類產卵所需的溶解氧值. 我國《海水水質標準》(GB 3097—1997)中一類和二類水體為保護水生生物制定的溶解氧標準為5～6 mg/L，與美國近岸海域溶解氧標準接近，但我國未對入海口制定溶解氧標準. 我國現行的《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中溶解氧的標準值，主要參考國外發達國家標準制定，缺少對我國溶解氧背景濃度和水生生物溶解氧敏感性的基礎研究(見表4). 通過對美國各州溶解氧基準標準體系的分析比較，我國溶解氧標準主要存在以下問題.

表4 中國和美國溶解氧標準對比

a) 溶解氧標準值單一，未考慮區域和季節差異性對溶解氧的影響. 我國地域遼闊，地形復雜，魚類等物種豐富多樣[32-33]，不同季節和區域飽和溶解氧濃度存在顯著的差異性；同時，溶解氧濃度因海拔高度和溫度的不同而差異顯著，全國不宜采用統一的溶解氧標準評價水體. 采用溶解氧飽和度可以合理評價水體的溶解氧狀況，但冰封期區域不宜采用溶解氧飽和度對溶解氧進行評價. 如東北地區溫度較低，飽和溶解氧對溫度變化較敏感，飽和溶解氧濃度較高且波動較大，在11～15 mg/L之間；南部地區溫度高，飽和溶解氧濃度較低，在7～9 mg/L之間. 東北地區冬季溶解氧普遍大于10 mg/L，而南方夏季溶解氧濃度普遍小于7.5 mg/L.

b) 未考慮物種敏感性對溶解氧標準值的影響. 我國溶解氧標準針對水生生物棲息地、洄游活動、敏感生活史階段等不同保護目標分類制定了溶解氧標準值，但沒有考慮不同地區、不同時間物種種類等因素對溶解氧的影響. 同一地點物種會因水生生物的活動范圍、棲息地的水文狀況、溫度等季節變化對溶解氧的敏感性產生影響. 如鮭科魚類普遍比鯉科魚類需要較高的溶解氧；葉爾羌高原鰍類夏季需氧量比冬季高[34-35]等.

c) 未考慮入海口、水庫等棲息地環境對物種及溶解氧濃度的影響. 棲息地環境比較脆弱的地區，易受人類活動影響導致溶解氧水平偏低，需要重點保護. 入海口是海水和淡水的混合區域，水文狀況受潮汐和河流流量支配，水質受鹽度和陸源污染影響，水文和水質波動明顯，不適合敏感物種生存. 如我國長江口夏季受沖淡水影響導致入海口明顯分層，底層氧氣無法得到補充而產生嚴重低氧危害[36-37]. 我國水利設施分布廣泛，高壩泄水時產生的總溶解氧氣體過飽和會導致下游魚類產生氣泡病甚至死亡[38-39]. 較深的湖泊和水庫流速緩慢，易形成分層水體，導致下層溶解氧缺氧嚴重. 夏季水體易出現富營養化現象，進一步加劇底層水體缺氧. 東北地區冰封期阻礙了大氣與水體中氣體的交換，導致冰封期水體易出現缺氧現象.

d) 水質評價等級與水體功能劃分等級不一致，未體現反降級政策. 根據我國地表水環境功能和保護目標，溶解氧標準值對應多功能水體，而目前我國水體功能劃分不夠詳細，容易造成欠保護或過保護. 我國未實行反降級政策，會出現根據標準值評價等級和功能區水體劃分等級不一致，而采取低級水質標準的情況，使得優質水體被合法降級，水質具有惡化風險，這與水質保護和管理原則相背. 由于人為活動導致的水質惡化而降低水質標準等級時，未進行可達性分析或者制定臨時標準，缺少嚴格的反降級政策等監督管理措施. 如我國東北地區大部分水體冬季實際溶解氧濃度顯著高于GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅰ類標準限值(7.5 mg/L)，但水功能區劃為Ⅱ類，加大了水體污染空間，增加了水質惡化的風險.

5 我國溶解氧標準修訂建議

我國溶解氧標準缺乏系統的理論研究，尤其缺乏對溶解氧基準的基礎研究工作，這是制定標準的理論和科學基礎[40]. 溶解氧基準主要是針對保護水生生物制定，需要從物種對不同溶解氧濃度的敏感性等方面分析溶解氧對生物的影響. 近年來我國已經開展了一系列基準研究，為我國標準修訂奠定了良好基礎[41]，但目前尚未建立適于我國水生態系統保護的基于溶解氧基準的溶解氧標準體系.

a) 開展溶解氧基準的分區研究工作. 綜合考慮氣候、地理條件等自然因素對飽和溶解氧的影響，建議在根據飽和溶解氧濃度對全國進行分區的基礎上，分區域制定溶解氧基準.

b) 開展水生生物對溶解氧敏感性的相關研究工作. 不同于一般污染物，溶解氧受環境影響顯著，物種對溶解氧的敏感性主要與生物種類本身和所處生活史階段及環境因素有關. 我國多采用密閉空間“窒息點”研究溶解氧對生物的毒性[42-44]，國際上采用一定時間內某一溶解氧濃度下生物產生的急性或慢性效應制定溶解氧基準，更接近實際水體情況. 我國應開展符合國情的溶解氧毒性研究，并在分區基準制定的基礎上，分析我國水生生物對溶解氧的敏感性，借鑒美國溶解氧基準值制定的毒性百分數排序法，考慮不同物種及其生活史階段，分別制定保護水生生物生存和生長的急性基準值和慢性基準值.

c) 開展棲息地環境對物種及溶解氧濃度影響的相關研究工作. 以保護水生生物為目標制定溶解氧標準值時，棲息地水文水質及生物活動都會發生季節波動，影響水生生物對溶解氧的敏感性，需要分析不同時間和棲息地條件下物種不同階段對溶解氧的敏感性. 針對我國環境脆弱區域和敏感物種及其生活史階段，需要制定考慮地點、時間、物種等要素的溶解氧標準，如制定入海口、水庫等環境下的溶解氧標準值.

d) 細化水體功能對應的溶解氧標準，并充分體現反降級政策. 我國目前根據區域生態系統服務功能高低制定分類的溶解氧標準值，同一個溶解氧標準值對應多個功能. 需要根據社會經濟、棲息地環境物理化學和生物特征、及人類活動干擾程度，進一步明確和細化水體指定功能，對不同水體指定功能制定切實可行的溶解氧標準. 根據我國水體自然狀況和污染特征制定反降級政策，有效地保護和改善水體的現有水質，防止水體進一步退化，為水質標準的實施提供重要政策保障. 同時，對由于人為原因不能達標的水體，要制定懲罰機制，根據污染源管控和社會經濟因素制定可達的最大標準值，在進行水體修復時制定臨時標準或提交降級說明，并監督和適時更新溶解氧標準.

總之，需要基于我國不同區域物種對溶解氧的敏感性分區制定溶解氧基準，在綜合考慮社會經濟、自然要素和反降級政策的基礎上制定溶解氧標準. 綜合各部門力量細化水體功能，針對分段水體特定功能制定相應的溶解氧標準，協調好跨省行政區水體管理部門，保證下游水體水質.

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