地表水中溶解氧的周期性變化規律研究

劉泓江，文增坤

(1.通標標準技術服務(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

溶解氧是評價水體質量以及污染狀態的重要指標之一，溶解氧是指溶解在水中的分子態氧，是水體中各種生物生存不可或缺的因素，水體中大部分動植物需要依賴氧氣存活，當水體中溶解氧的含量低于5 mg/L時，魚類已經無法存活。溶解氧的數值能有效反應水體的自我凈化能力，并且溶解氧在生產用水以及水產養殖中，均是影響生產以及魚類生產的重要因素。在GB 3838—2002 《地表水環境質量標準》中列出的水質監測基本項目，溶解氧為必測項目，在評價水體水質情況中得到廣泛應用和研究。在污水凈化過程中，通過微生物降解方式將有機物降解，通過控制溶解氧含量，進而控制凈化過程。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、水質都有關系。空氣中的氧氣可通過“水-氣”界面的波動，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，水體中氧分子就會逸散到大氣中。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，當光照條件和溫度適宜，植物進行光合作用產生氧，水體中氧分子數目會增加。

清潔的地表水中溶解氧接近飽和，但是實際上水體中，受到物理和生活環境因素的影響，溶解氧變化趨勢復雜。有研究表明，在平靜的水面，空氣中氧分子進入水體中是極其緩慢的。風速和風力持續時間，影響了空氣中氧氣進入水體中的速度[1]。

溶解氧在水體中的生物、化學、物理活動過程中都有著重要作用。當水質存在富營養化時，大量藻類在光照好的白天進行光合作用，產生大量氧氣，水體中氧含量遠大于純水中氧的飽和度，并且最高可以達到飽和溶解氧含量的4倍。

2 數據采集及測定

溶解氧常用的監測方法有GB 7489—1987 《水質 溶解氧的測定 碘量法》(以下簡稱“碘量法”)、HJ 506—2009《水質 溶解氧的測定 電化學探頭法》(以下簡稱“電化學探頭法”)。其中，碘量法作為國家標準方法，準確度高，常被用作結果比對，技術仲裁以及標準驗證。該方法是實驗室分析方法，在實際水質監測過程中，考慮到監測參數的影響因素等問題，多采用電化學探頭法進行測定。電化學探頭法儀器便捷，操作簡單，可現場直接進行測定。電化學探頭法測定中存在氣泡干擾，以及水樣中的溶劑、藻類和硫化物、碳酸鹽等物質可能堵塞薄膜，干擾測定。本次研究采用了電化學探頭法在監測現場進行溶解氧的測定。使用設備為型號HQ40D多參數水質分析儀(哈希水質分析儀器(上海)有限公司)。

本次研究在對青島市某河流進行調研的基礎上，選擇了河流中5個監測點，2021年9月到12月每周進行水質分析。考慮到水體中的水生植物的光合作用對溶解氧的影響，盡量保持在10—12時的時間范圍內測定溶解氧含量，此時間段光照充足，溶解氧含量處于較高值[2]。同時進行結果的比較分析。此河流夏季處于豐水期，秋冬季節進入枯水期。河流深度不超過0.5 m，水體的重要污染源是生活污染源。

數據分析以水溫(℃)為橫坐標，以溶解氧的含量縱坐標(mg/L)，根據每個點研究參數間的函數關系，并對數據進行線性擬合，此河流的各監測點的擬合線性關系各不相同。

3 結果與分析

從圖1到圖5明顯看出，水溫和溶解氧含量存在內在聯系，呈現明顯負相關，隨著水溫的升高，溶解氧含量呈現出減少趨勢。對水溫和溶解氧含量進行線性關系擬合，可以看出，不同的監測點位的擬合曲線的斜率各不相同。這與每個監測點水體情況不同有關。

圖2 監測點位2水溫與溶解氧含量關系圖

圖5 監測點位5水溫與溶解氧含量關系圖

需要關注的是水溫在8～18 ℃之間，溶解氧含量出現高值，但是當溫度低于8 ℃的時候，水體中溶解氧反而出現降低的情況。從水體中溶解氧的來源分析，當水體溫度處于8～18 ℃，且白天光照比較強烈時，表層水體中的浮游植物光合作用產生大量氧氣，水體中溶解氧含量會普遍偏高。此時也會出現個別監測數據，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，監測點位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為11.1 mg/L。當溫度低于8 ℃時，水中的溶解氧含量反而呈現降低趨勢，與純水中溶解氧的含量與溫度呈現負相關不符。經查閱文獻，不同的藻類對溫度有不同的適應范圍。并且有研究推論，春季藍藻水華的出現及冬季藍藻水華的消失與藍藻對溫度的相應，即復蘇和休眠有關。顫藻能適應更低的溫度：7～18 ℃，而微囊藻更適應較高的溫度：24～34 ℃。基于此，我們可以推論，當水體溫度過低時，水體中浮游植物的光合作用因為水體溫度低，處于休眠狀態。因此水體中溶解氧的含量偏低。當水溫處于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”界面進入到水體中的。所以，水體流速緩慢時，可以認為水中的氧分子逸散到空氣中的速度較慢[3]。若遇到光照強烈的天氣時，水中浮游植物的光合作用強，容易出現溶解氧過飽和現象[4-7]。

圖3 監測點位3水溫與溶解氧含量關系圖

圖4 監測點位4水溫與溶解氧含量關系圖

我們分析了監測點1的溶解氧以及總磷隨溫度的變化情況，根據圖6可以分析看出，溶解氧和總磷含量存在一定的正相關性。總磷含量的變化隨溶解氧-溫度的變化趨勢相同，這點與海河河口的沉積物-水體界面[8]的趨勢相同。沉積物中磷的釋放，對水質產生影響，可導致水體的富營養化。已經有學者證明，溶解氧對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 監測點位1水溫與溶解氧/總磷含量關系圖

4 結語

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，已經有多種基于溶解氧和水質的預測模型[9]。本研究希望通過對不同溫度下河道水質的研究，分析了水體中溶解氧含量的季節性變化規律：當水溫高于8 ℃時，水體的水溫和溶解氧含量呈現負相關。水體中溶解氧含量總體呈現出秋冬高，夏季低的季節性變化趨勢。每天大氣中的氧氣通過水-氣界面進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，每天產生的溶解氧在5～20 mg/L。遇到光照強的情況，會出現溶解氧過飽和的現場。增加水中浮游植物的密度會限制光合作用的深度，進而抑制溶解氧的產生[10]。夏季雖然光合作用強，但是由于水體溫度升高，水體中溶解氧會降低。在評價此河道水質情況時，需要參考考慮季節和區域對溶解氧的影響，以及河道徑流中的總磷、重金屬以及其他污染物，有效保護和改善水體的現有水質，防止水體水質退化。