论文：地表水中溶解氧的周期性变化规律研究

1 概述

溶解氧是评价水体质量以及污染状态的重要指标之一，溶解氧是指溶解在水中的分子态氧，是水体中各种生物生存不可或缺的因素，水体中大部分动植物需要依赖氧气存活，当水体中溶解氧的含量低于5 mg/L时，鱼类已经无法存活。溶解氧的数值能有效反应水体的自我净化能力，并且溶解氧在生产用水以及水产养殖中，均是影响生产以及鱼类生产的重要因素。在GB 3838—2002 《地表水环境质量标准》中列出的水质监测基本项目，溶解氧为必测项目，在评价水体水质情况中得到广泛应用和研究。在污水净化过程中，通过微生物降解方式将有机物降解，通过控制溶解氧含量，进而控制净化过程。氧化3 mg/L的碳，需要9 mg/L的溶解氧。

水体中溶解氧含量与大气中氧分压以及水温、大气压、水质都有关系。空气中的氧气可通过“水-气”界面的波动，在氧浓度差的作用下，不断溶解到水体中；水体中的氧含量超过饱和溶解度时，水体中氧分子就会逸散到大气中。此外，水体中植物的光合作用也是影响水体氧含量的重要因素，在含有水生植物的水体中，当光照条件和温度适宜，植物进行光合作用产生氧，水体中氧分子数目会增加。

清洁的地表水中溶解氧接近饱和，但是实际上水体中，受到物理和生活环境因素的影响，溶解氧变化趋势复杂。有研究表明，在平静的水面，空气中氧分子进入水体中是极其缓慢的。风速和风力持续时间，影响了空气中氧气进入水体中的速度[1]。

溶解氧在水体中的生物、化学、物理活动过程中都有着重要作用。当水质存在富营养化时，大量藻类在光照好的白天进行光合作用，产生大量氧气，水体中氧含量远大于纯水中氧的饱和度，并且最高可以达到饱和溶解氧含量的4倍。

2 数据采集及测定

溶解氧常用的监测方法有GB 7489—1987 《水质 溶解氧的测定 碘量法》(以下简称“碘量法”)、HJ 506—2009《水质 溶解氧的测定 电化学探头法》(以下简称“电化学探头法”)。其中，碘量法作为国家标准方法，准确度高，常被用作结果比对，技术仲裁以及标准验证。该方法是实验室分析方法，在实际水质监测过程中，考虑到监测参数的影响因素等问题，多采用电化学探头法进行测定。电化学探头法仪器便捷，操作简单，可现场直接进行测定。电化学探头法测定中存在气泡干扰，以及水样中的溶剂、藻类和硫化物、碳酸盐等物质可能堵塞薄膜，干扰测定。本次研究采用了电化学探头法在监测现场进行溶解氧的测定。使用设备为型号HQ40D多参数水质分析仪(哈希水质分析仪器(上海)有限公司)。

本次研究在对青岛市某河流进行调研的基础上，选择了河流中5个监测点，2021年9月到12月每周进行水质分析。考虑到水体中的水生植物的光合作用对溶解氧的影响，尽量保持在10—12时的时间范围内测定溶解氧含量，此时间段光照充足，溶解氧含量处于较高值[2]。同时进行结果的比较分析。此河流夏季处于丰水期，秋冬季节进入枯水期。河流深度不超过0.5 m，水体的重要污染源是生活污染源。

数据分析以水温(℃)为横坐标，以溶解氧的含量纵坐标(mg/L)，根据每个点研究参数间的函数关系，并对数据进行线性拟合，此河流的各监测点的拟合线性关系各不相同。

3 结果与分析

从图1到图5明显看出，水温和溶解氧含量存在内在联系，呈现明显负相关，随着水温的升高，溶解氧含量呈现出减少趋势。对水温和溶解氧含量进行线性关系拟合，可以看出，不同的监测点位的拟合曲线的斜率各不相同。这与每个监测点水体情况不同有关。

图2 监测点位2水温与溶解氧含量关系图

图5 监测点位5水温与溶解氧含量关系图

需要关注的是水温在8～18 ℃之间，溶解氧含量出现高值，但是当温度低于8 ℃的时候，水体中溶解氧反而出现降低的情况。从水体中溶解氧的来源分析，当水体温度处于8～18 ℃，且白天光照比较强烈时，表层水体中的浮游植物光合作用产生大量氧气，水体中溶解氧含量会普遍偏高。此时也会出现个别监测数据，溶解氧含量高于饱和溶解氧含量的情况，比如2021年12月8号，监测点位3的大气压为101.9 kPa，水温为11.2 ℃，水体中溶解氧含量为11.7 mg/L，而此水温和大气压条件下，纯水中溶解氧的饱和度的理论值应为11.1 mg/L。当温度低于8 ℃时，水中的溶解氧含量反而呈现降低趋势，与纯水中溶解氧的含量与温度呈现负相关不符。经查阅文献，不同的藻类对温度有不同的适应范围。并且有研究推论，春季蓝藻水华的出现及冬季蓝藻水华的消失与蓝藻对温度的相应，即复苏和休眠有关。颤藻能适应更低的温度：7～18 ℃，而微囊藻更适应较高的温度：24～34 ℃。基于此，我们可以推论，当水体温度过低时，水体中浮游植物的光合作用因为水体温度低，处于休眠状态。因此水体中溶解氧的含量偏低。当水温处于8～18 ℃之间，此河流处于枯水期，水流速度缓慢，有研究指出，池塘水体中的氧气的1/10是通过“水-气”界面进入到水体中的。所以，水体流速缓慢时，可以认为水中的氧分子逸散到空气中的速度较慢[3]。若遇到光照强烈的天气时，水中浮游植物的光合作用强，容易出现溶解氧过饱和现象[4-7]。

图3 监测点位3水温与溶解氧含量关系图

图4 监测点位4水温与溶解氧含量关系图

我们分析了监测点1的溶解氧以及总磷随温度的变化情况，根据图6可以分析看出，溶解氧和总磷含量存在一定的正相关性。总磷含量的变化随溶解氧-温度的变化趋势相同，这点与海河河口的沉积物-水体界面[8]的趋势相同。沉积物中磷的释放，对水质产生影响，可导致水体的富营养化。已经有学者证明，溶解氧对磷的释放有显著影响：厌氧条件比好氧条件更有利于磷的释放。

图6 监测点位1水温与溶解氧/总磷含量关系图

4 结语

氧在水中溶解性弱，并且随温度升高而溶解性降低。溶解氧作为了解河流健康的重要指标，已经有多种基于溶解氧和水质的预测模型[9]。本研究希望通过对不同温度下河道水质的研究，分析了水体中溶解氧含量的季节性变化规律：当水温高于8 ℃时，水体的水温和溶解氧含量呈现负相关。水体中溶解氧含量总体呈现出秋冬高，夏季低的季节性变化趋势。每天大气中的氧气通过水-气界面进入水体中的溶解氧含量在1～5 mg/L，水体中溶解氧的主要来源浮游植物和水生植物的光合作用，每天产生的溶解氧在5～20 mg/L。遇到光照强的情况，会出现溶解氧过饱和的现场。增加水中浮游植物的密度会限制光合作用的深度，进而抑制溶解氧的产生[10]。夏季虽然光合作用强，但是由于水体温度升高，水体中溶解氧会降低。在评价此河道水质情况时，需要参考考虑季节和区域对溶解氧的影响，以及河道径流中的总磷、重金属以及其他污染物，有效保护和改善水体的现有水质，防止水体水质退化。