水體中溶解氧含量與其物理影響因素的實驗研究

胡 鵬，楊 慶，2，楊澤凡，韓 昆，潘劍光

（1. 中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2. 華北水利水電大學，河南鄭州 450045）

1 研究背景與意義

溶解氧（DO）是需氧水生生物賴以生存的必備條件，DO 含量一般有DO 濃度（mg/L）與DO 飽和度（%）兩種不同的表示方法。正常情況下，DO濃度在5 mg/L以上時，適合大部分魚類的生存活動；當DO濃度小于2 mg/L時，魚的生存就會受到威脅；小于1 mg/L時，魚會直接死亡［1］。另外DO也是反映水質狀況與水體自凈能力的重要指標［2］，一方面DO濃度高有利于水體中各類污染物的降解，從而使水體較快得以凈化；另一方面高DO 濃度（＞5 mg/L）也能夠有效控制底泥向水體中釋放氮、磷及有機物，從而起到改善水質的作用［3］。通常天然水體中DO有兩個來源：一個是空氣中的氧氣擴散進入水體，這主要與風力和水的流動相關；另一個是水生植物通過光合作用釋放出氧氣［4］。但當水體受到有機物污染，分解有機物的耗氧速度遠超過復氧速度，就會出現DO迅速下降從而造成魚類和需氧生物死亡及水質惡化［5］。有研究發現，城市濕地和河流水質惡化的主要原因就是自然復氧不利而引起DO不足所造成的［6］。因此，研究掌握DO與其影響因素的響應關系，對于河流水質提升以及水生態環境的修復與改善具有重要的意義。

大氣復氧是天然水體最主要的補氧方式，約占總復氧量的80%以上［7］；流動水體的大氣復氧過程遵循雙膜理論［8］，其復氧速率可用下式表達：

式中：Os、O分別為水體中DO的飽和濃度與實際濃度；K2為復氧系數，一般表達為流速與水深關系的變量。

從式（1）可以看出水體中DO的變化與流速、水深密切相關。但天然水體中DO含量是多種因素共同作用的結果，其含量除與水力學因素有關外，還與水溫、大氣壓、各種鹽類的含量、水體透明度、水生植物及有機物含量等多種因素有著密切的關系，對此有關學者展開了大量調查研究。沈忱［9］發現水庫蓄水導致的流量變化以及隨季節的水溫變化均對壩下河道的DO飽和度有影響；羅琳［10］對夏季伶仃洋調查發現水體DO的表底層濃度存在顯著差異，并指出表層營養鹽的濃度是影響表層DO濃度水平的主要因素。陳永燦等［11］對三峽大壩下游DO影響因素展開調查，結果表明下游水體DO含量與流量顯著相關，同時其含量會隨下游水位的升高而增大。曹瑛杰［12］監測發現長潭水庫水體DO含量與硝酸鹽氮含量之間呈顯著的正相關，與硫酸鹽、COD之間都呈極顯著的負相關。潘騰飛［13］發現水體透明度低于25 cm時，可能導致池塘中DO含量過低。

總結起來，影響自然水體中DO 含量的因素包括化學因素、物理因素和生物因素，其中與水力學條件直接相關也相對較易進行調控的是物理因素。目前對于DO 含量物理影響因素的研究中，多采用實地調查觀測方式。由于天然河流流態的復雜性，對于流速條件與DO 含量之間的響應關系仍停留在流速越大，DO 含量越高的概化認識階段，缺乏系統性的實驗研究。本研究通過搭建仿真河道，構建不同的流速及水深環境，進而探究水深、流速、水溫對于DO 含量及其分布規律的影響。

2 材料與方法

2.1 實驗裝置實驗于2018年8—9月在中國水利水電科學研究院延慶實驗基地內進行，實驗裝置如圖1所示。

圖1 中，單條河道寬0.8 m，長19 m，兩側邊墻高均為2 m。河道底板高度從左到右依次為0.4 m、0.3 m、0.4 m、0.2 m、0.4 m、0.1 m、0.4 m、0 m、0.4 m。底板高度不同的河道，主要進行同流速不同水深的對比實驗；而底板高度相同的河道主要進行同水深不同流速的對比實驗。9條實驗河道下游各裝有一套抽水水泵，通過輸水管道把下游的水輸送到上游緩沖池，實現水體的循環流動。為了消除紊流帶來的影響，在上游建有消能池，配合整流柵下的穩流管使進入河道的水流達到穩定的狀態。

2.2 實驗方法實驗用水采用自備井抽取的地下水，水質達到地表Ⅲ類水標準，水溫13 ～21 ℃，光照為室內自然光。實驗開始時，關閉單條河道上下游緩沖區旁側的閘門，使單條實驗河道始終處于密閉狀態，利用YSI 多參數水質分析儀進行DO 的測定，可以直接測量DO 濃度（mg/L）、DO 飽和度（%）、水溫等基本信息。通過調節下游水泵的功率來改變流速的大小，采用多普勒流速流量計與YSI Flow Tracker流速儀共同測量河道的流速，以提高流速測量的準確性。實驗中采用的流速控制范圍為0～0.4 m/s，水深0.25 ～1.0 m。

實驗中，采用沿流速梯度由低向高依次測量的方式進行。首先調節并測定封閉河道內的流速及水深，隨后利用DO測量儀分別對河道上、中、下游的底層、中層與表層9個點位進行測量，并詳細記錄DO濃度、DO飽和度及水溫等基本參數。為減少測量誤差，每種工況條件下重復測量數不少于4組。為保持靜水狀態下DO不受流水復氧的影響，靜水DO一律采用靜置8 h以上水體進行測定。同時為了減少不同流場對實驗結果的相互影響，不同工況下測量間隔時間不少于30 min，直到恢復靜水下的DO含量為止。

2.3 數據處理在DO分層情況分析中，同一工況下的DO濃度表示為平均值±標準差（mean±SD）（n≥4），并運用單因素方差分析法（One-way ANOVA）對底、中、表不同水層的DO 濃度進行組間差異性顯著檢驗，以P＜0.05作為差異顯著性水平。

運用SPSS17.0軟件對DO 含量與水深、水溫、流速進行Pearson 相關分析，分別檢驗相關要素與斷面平均DO濃度及飽和度的相關性，以確定影響DO含量的顯著物理因素（P＜0.05）。在DO與流速、水溫響應關系數據處理中，運用繪圖工具分別繪制出在15 ℃、18 ℃、20 ℃水溫下，流速與DO濃度及飽和度的關系曲線。對DO與水溫、流速的綜合分析中，利用Origin7.0軟件繪制流速、水溫與斷面平均DO濃度及飽和度的關系圖。

3 實驗結果

3.1 DO測量結果與分層情況圖2展示了15 ℃水溫下，DO濃度在不同水深、流速工況下的分布情況。由于在0.25 m水深下水位過淺，因此在該水深下只測量表層與底層的DO濃度。從圖2可以看出：（1）在靜水中，3種水深條件下均出現不同程度的DO分層現象，總體上1 m水深分層更為明顯，但平均DO濃度要低于0.25 m與0.5 m水深。（2）0.05 ～0.1 m/s流速下分層現象仍然較為明顯，同一流速下3種水深的底層DO濃度沒有明顯差別，但1 m水深下表層DO濃度要明顯高于其他水深。（3）0.2 m/s流速下DO分層現象開始明顯減弱，0.25 m水深下的底、表層DO濃度已無顯著性差異，但0.5 m水深下底層與中表層還有一定的差異性；1 m 水深下，底中層與表層也有一定的差異。（4）0.25 ～0.3 m/s 流速下，3種水深條件下各層DO濃度均無顯著性差異，DO分層現象已消失。從相同水深不同流速條件的角度來看，0.25 m 水深下流速達到0.2 m/s后，DO分層現象已消失；但0.5 m與1 m水深下，流速需達到0.25 m/s，各層DO濃度才無顯著性差異。

綜上，DO 分層現象與水深、流速密切相關。隨著流速的增加，DO 分層現象會逐步減弱直至消失；且水深越淺，水流中DO分層消失所需的流速閾值越低。

3.2 DO 與物理因素的相關性為了更加直觀地顯示各因素對DO 含量的影響，本研究對流速、水深、水溫與斷面平均DO 濃度和飽和度之間的關系進行了Pearson 相關性分析。表1 反映了實測平均DO 濃度、飽和度與流速、水深及水溫之間的Pearson 相關性分析結果，其中斷面平均DO 濃度（或飽和度）是指河道斷面底、中、表水層DO濃度（或飽和度）的平均值。由表1可知，DO濃度與流速的相關性最高，Pearson相關性系數為0.711，呈現顯著的正相關關系，而與水溫呈現顯著的負相關關系，Pearson 相關性系數為-0.246。這說明流速越大，或水溫越低，DO 濃度越大；DO 飽和度與流速呈現顯著的正相關關系，Pearson相關性系數為0.752，說明隨著流速增大，DO飽和度也越大；但DO飽和度與溫度不存在顯著相關性。而不管是DO濃度，還是DO飽和度，與水深之間均不存在顯著性相關關系。

表1 DO濃度、飽和度與環境因子之間的Pearson相關系數

3.3 DO 與流速的響應關系表1 已顯示出流速與水溫都與DO 濃度在置信度0.01 水平上極其相關。圖3、圖4進一步展示了DO濃度和飽和度在15 ℃、18 ℃、20 ℃水溫條件下隨流速變化的情況，其中點符號表示在該狀態下整個河道的平均DO濃度或飽和度。由圖3可知，靜水條件下DO濃度在4.7 ～5.6 mg/L；在不同水溫條件下，隨著流速增加，DO濃度均呈升高的趨勢，且變化過程基本一致。在流速從0 增加到0.05 m/s 時，DO 濃度有明顯的躍升，變化幅度超過50%；流速超過0.05 m/s 后，DO濃度增長趨于平緩。在相同流速不同水溫下，DO濃度DO（15℃）＞DO（18 ℃）＞DO（20 ℃），表明相同流速下，低水溫比高水溫的DO 濃度大。對于DO 飽和度而言（圖4），變化情況與DO 濃度類似：在流速0 ～0.05 m/s時，飽和度由靜水下的57%躍升至90%，隨后相對平緩增長，至流速0.3 m/s時達到飽和狀態，基本趨于穩定。而DO飽和度在3種溫度下變化曲線幾乎完全一致，表明水溫變化雖然能改變DO濃度絕對值，但并不能改變DO飽和度的大小。

圖3 DO濃度與流速的關系

圖4 DO飽和度與流速的關系

3.4 DO與水溫的響應關系為了進一步驗證更大范圍內水溫與DO濃度及飽和度的關系，本研究擬合了在0.3 m/s流速下，13 ℃～21 ℃范圍內的水溫與DO平均濃度、飽和度之間的關系，如圖5所示。由圖5（a）可知DO濃度隨著水溫的升高而減小，二者線性相關，相關系數R2為0.9027；而圖5（b）表明DO飽和度與水溫并無顯著性相關性。相關結論進一步說明了水溫影響DO濃度，但對DO飽和度不產生顯著影響。

圖5 DO濃度及飽和度與水溫的關系

3.5 DO與水溫、流速的綜合關系若同時考慮流速和水溫對DO濃度的影響，結果如圖6所示。在0 ～0.05 m/s 流速范圍內，流速對DO 濃度的變化起主導作用，水溫對于DO 濃度的影響很小；在0.05 ～0.4 m/s流速范圍內，水溫影響逐漸占據主導地位，DO濃度在7.8 ～10 mg/L范圍內變化。

DO 飽和度變化規律與濃度類似，如圖7 所示，在0 ～0.05 m/s 流速范圍內，DO 飽和度幾乎不受溫度的影響，隨著流速的增大而迅速增大；流速超過0.05 m/s后，飽和度只在89%～100%范圍內變化。在0.1 ～0.2 m/s流速范圍內，由于水溫影響，飽和度出現小范圍分化；當流速超過0.2 m/s后，無論溫度怎樣變化，DO達到或接近飽和狀態，幾乎不再發生變化。

圖6 DO濃度與溫度、流速綜合關系

圖7 DO飽和度與溫度、流速綜合關系

4 討論與應用

根據大氣復氧雙膜理論，在氣相與液相界面存在氣膜與液膜兩層薄膜，水體的紊動并不能使薄膜消失，只是會改變液膜的厚度，水體紊動越強，液膜厚度越小。而氧氣進入水體的阻力主要來自液膜，因此隨著流速的增加，水體紊動更加強烈，使大氣中的氧更容易通過液膜表面進入水體成為DO，本實驗中隨著流速升高DO濃度逐步增加的結果也驗證了這一理論。

由式（1）可知，復氧速率與氧虧（Os-O）和復氧系數K2成正相關關系，固定流速下的復氧是由快變慢，最后達到飽和狀態的過程。在大氣復氧前期，復氧速率較快，DO濃度能夠在短時間內實現快速的增長；當復氧速率低至一定水平（記為V），DO在長時間內不會出現大幅度變化。實驗中，將此時的DO濃度作為測量值。在不考慮水體耗氧過程的條件下，在小流速范圍內，由于復氧系數K2相對較小，當復氧速率低于V時，氧虧（Os-O）相對較大，從而DO測量值相對較小；而當流速逐漸增大時，其測量值也更加接近飽和度值，實驗得到水體中DO濃度發生突變的流速拐點是0.05 m/s，幾乎不再發生變化的流速閾值是0.3 m/s。但在天然水體中，水質狀況會對此流速閾值形成較大影響。當水質較差，水體中有機物含量較多時，就必須考慮水體的耗氧作用，此時DO的凈復氧速率V凈=V復-V耗，在凈復氧速率不變的前提下，流速拐點和閾值會相應增大。這就要求在較差水質條件下，需要加大水體流速，以達到較優的DO濃度和飽和度。

基于本實驗成果，鑒于DO在水體自凈、水生生物生存繁衍等方面的重要作用，在流域水環境治理和水生態修復工作中，可以得到如下重要啟示。

（1）實現水體流動對于提高DO 含量，增強水體自凈能力具有重要作用。通過實驗數據可以看出，相比于完全靜止狀態，水體流速的輕微增加能大幅度提高DO含量。在平原區水環境治理中，這一點顯得尤為重要。這就要求在平原區水環境綜合治理中，要大力加強河湖水系連通，消除斷頭浜，并合理營造水系高程差或采取人工增強措施，加強水體流動性，避免形成死水臭水。

（2）在較好水質條件下，僅從提升DO含量的角度，平原區河流最經濟的流速是0.05 m/s，最適宜的流速是0.2 ～0.3 m/s。在實驗水質和水深范圍內，0.05 m/s的流速是DO濃度和飽和度的拐點。流速從0增加到0.05 m/s，不同水溫條件下DO濃度升高幅度均超過50%，飽和度均達到90%左右。流速超過0.2 m/s后，水體中DO飽和度已幾乎不再增加，超過0.3 m/s后，DO飽和度已基本達到100%，DO濃度僅受水溫影響。

（3）水溫增加會使DO濃度降低，這與已有研究成果相一致［6，9，14-15］，但水溫對DO飽和度不產生顯著影響。根據實驗結果，水溫與DO 濃度的Pearson 相關性系數為-0.246，在P＜0.01 水平上極其相關；而水溫與DO飽和度的相關系數為0.108，且在P＜0.05水平上也不呈現顯著相關性。這一規律說明了水溫對于水體中DO濃度的影響，是一種“天花板”式的絕對影響，一旦水溫異常升高，造成的影響很難通過其他條件和手段予以恢復。相關研究也表明，當電廠溫排水進入水體后，會造成局部水溫顯著升高，直接影響水體的自凈能力，并加速富營養化［16-17］。因此，需要進一步加強對于冷卻水等“熱污染”源的認識，并采取合理措施對其影響進行規避和緩解。

（4）水深對于DO的濃度和飽和度雖無直接影響，但水深越大，DO分層現象越明顯，消除DO分層所需的流速條件也越高。在對天然水體的監測中，也同樣出現類似的DO分層現象［18-20］，但在天然水體特別是深水湖泊及水庫中，形成分層的主要原因是溫度分層使上下層水體不能完全混合，表層DO無法擴散至下層，加之底部微生物不斷耗氧，易造成水底底部缺氧，進而引起一系列的水質污染問題［21-23］。考慮到湖庫的靜水環境，不宜采用增強水動力的方式來消除分層現象，有必要的情況下可考慮水體底部曝氣增氧法［24］來增加水體底部DO。而對于平原區城市河流，在流量/動力一定的情況下，水深越淺，流速越大，更有利于整體提升DO 含量和消除DO 分層現象。因此，在可行的情況下，可優先采用“淺水快流”的形式，實現提升DO 含量，改善水質，并提升河流生態景觀效果的目的。

（5）通過對影響DO相關物理因素的聯合調控，可以有效控制合理DO含量，降低“水華”風險。近年來，我國南北方河流在夏季爆發“水華”的事件不斷發生。針對這一問題，在有控制性工程的河流，可根據水溫，在“水華”易爆發時段，開展水利工程的生態調度，控制河流達到適宜的水深、流速條件，調節DO濃度至合理范圍，抑制“水華”帶來的水污染和水生態破壞問題。

5 結論與展望

本研究通過搭建實體河道模型，模擬了不同水溫、水深及流速條件對于水體中DO含量和分布情況的影響。結果表明：0.25 m水深下流速達到0.2 m/s時DO分層現象消失，0.5 m、1 m水深下流速超過0.25 m/s時DO分層現象消失。對于Ⅲ類水體而言，流速達到0.05 m/s，DO濃度相比于靜止水體增加超過50%，飽和度達到90%左右。流速0.05 m/s以下，流速對于DO濃度的影響占主導地位；流速超過0.05 m/s，水溫的影響占主導地位，水溫越高，DO濃度越低，但水溫對于DO飽和度的影響并不顯著。相關研究成果對于城市河流水動力的調控設計、水利工程的生態調度具有重要指導意義。

受實驗條件所限，本研究過程還還存在諸多不足之處，一是實驗僅針對地表Ⅲ類水的較好水質進行，在其他水質條件，特別是惡劣水質條件下，DO與相關物理因素的關系是否一致還有待進一步研究；二是相較于天然河流，室內實驗并未考慮水生植物的光合作用復氧過程，僅針對空氣中氧氣滲入水體的復氧過程進行研究，下一步還需結合野外實地調查做進一步研究。