水體中溶解氧與水溫、鹽分、大氣壓關(guān)系解析

                             水體中溶解氧與水溫、鹽分、大氣壓關(guān)系解析

李桃  劉運年  熊明艷

株洲市環(huán)境監(jiān)測中心站，湖南株洲 412000

空氣中的分子態(tài)氧溶解在水中稱為溶解氧。水中的溶解氧的含量與空氣中氧的分壓、水的溫度等有密切關(guān)系。在自然環(huán)境中，空氣中的含氧量變動不大，故水溫是主要的因素。氣溫越高，溶解度越小，氣溫越低，溶解度越大；但實踐證明，鹽分對水體中的溶解氧也有較大的影響。

一、水中氧氣的來源

溶解氧是水生生物生存不可缺少的條件。其來源一是水中溶解氧未飽和時，大氣中的氧氣向水體滲入；另一個來源是水中植物通過光合作用釋放出的氧。

1、空氣的溶解

水面與空氣接觸，空氣中的氧氣將溶于水中，溶解的速率與水中溶氧的不飽和程度成正比，還與水面擾動狀況及單位體積的表面積有關(guān)，也就與風(fēng)力和水深有關(guān)。氧氣在水中的不飽和程度大，水面風(fēng)力大和水較淺時，空氣溶解起的作用就大。

2、光合作用

水體中含有的水生植物與陽光的光合作用可釋放出氧氣，是水體中氧氣的另一主要來源。

3、一些水塘或水庫在補(bǔ)水的同時，可增加缺氧水體氧氣的含量。在工廠化流水養(yǎng)魚中的補(bǔ)水是充氧過程。在非流水養(yǎng)魚的池塘或水庫中，補(bǔ)水量較小，補(bǔ)水對魚池的直接增氧作用不大。

二、水中氧氣的消耗

1、魚、蝦等養(yǎng)殖生物呼吸，魚、蝦呼吸耗氧率隨魚、蝦種類、個體大小、發(fā)育階段、水溫等因素而變化。一般魚的呼吸耗氧率在63.5～665mg/kg·h，且隨個體的增大而增加。而耗氧率（以單位時間內(nèi)消耗氧氣的毫克數(shù)計）隨個體的增大而減小。在適宜的溫度范圍內(nèi)，水溫升高，魚、蝦耗氧率增加，即水溫和個體大小對生物的耗氧速率影響很大。  

2、水中微型生物耗氧 

水中微型生物耗氧水中微型生物耗氧主要包括：浮游動物、浮游植物、細(xì)菌呼吸耗氧以及有機(jī)物在細(xì)菌參與下的分解耗氧。這部分氧氣的消耗也與耗氧生物種類、個體大小、水溫和水中有機(jī)物的數(shù)量有關(guān)。浮游植物也呼吸耗氧，只是白天其光合作用產(chǎn)氧量遠(yuǎn)大于本身的呼吸耗氧量。據(jù)研究，處于迅速生長期的浮游植物，每天的呼吸耗氧量占其產(chǎn)氧量的10～20%。有機(jī)物耗氧主要決定于有機(jī)物的數(shù)量和有機(jī)物的種類（在常溫下是否易于分解）。通常把這一部分氧氣的消耗叫做“水呼吸”耗氧。

水體中微生物分解有機(jī)物時消耗水中溶解氧的量也就是我們通常所說的生化需氧量（BOD5)。 

3、底質(zhì)耗氧

底質(zhì)耗氧比較復(fù)雜，主要包括：底棲生物呼吸耗氧，有機(jī)物分解耗氧，呈還原態(tài)的無機(jī)物化學(xué)物氧化耗氧等。

逸出

當(dāng)表層水中溶氧過飽和時，就會發(fā)生氧氣的逸出。靜止的條件下逸出速率是很慢的，風(fēng)對水面的擾動可加速這一過程。

水體中的有機(jī)物、化學(xué)物質(zhì)消耗氧氣

水體中含有各種有機(jī)物、亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等還原性物質(zhì)在氧化還原過程中會消耗氧氣，如水中的氨和硫化氫在有充足的溶解氧的情況下，經(jīng)過水生微生物的好氧分解作用，氨會轉(zhuǎn)化為亞硝酸再轉(zhuǎn)化為硝酸，硫化氫會轉(zhuǎn)化為硫酸鹽，亞鐵鹽則轉(zhuǎn)化成三價鐵鹽。水中的還原性物質(zhì)如各種有機(jī)物、亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等在氧化還原過程中所消耗的氧氣量，即為化學(xué)需氧量（CODcr)，與生化需氧量（BOD5)一樣，化學(xué)需氧量（CODcr)值的大小可表示水中有機(jī)物、亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等還原性物質(zhì)多少，用以指示水中有機(jī)物、亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等還原性物質(zhì)的污染程度。

水體中之有機(jī)物，其碳素以不同的氧化狀態(tài)存在，某些碳素可被生物利用氧化，我們以生化需氧量(biochemical oxygen demand, BOD)來加以量化，而一般有更多的碳素可用化學(xué)氧化劑加以氧化，形成CO2，我們則用化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand, COD)來加以量化。然而，還有部分碳素?zé)o法以生物或化學(xué)方法加以測量。

總有機(jī)碳（TOC)是比起COD或BOD更為方便且更全面、直接的碳素表現(xiàn)方法。它是指所有機(jī)物結(jié)合之碳素，把水體中的所有有機(jī)物質(zhì)的含量以有機(jī)物中的主要元素一一碳的量來表示，是以碳含量表示水體中所有有機(jī)物質(zhì)總量的綜合指標(biāo)。

6、鹽分

各種酸、堿、鹽等無機(jī)物進(jìn)入水體(酸、堿中和生成鹽，它們與水體中某些礦物相互作用產(chǎn)生某些鹽類)，使淡水資源的礦化度提高和透明度降低，并且擠占、填充水分子之間的空隙，致使水體中的溶解氧降低。

三、溶解氧在水生生態(tài)系中的作用

溶解氧是魚、蝦等各種水生生物生存不可缺少的條件。魚、蝦等各種水生生物生活在水里，就像人活在空氣中一樣，必須不斷呼吸氧氣方能維持其正常生命活動。魚、蝦等各種水生生物呼吸耗氧速率與各種內(nèi)因（如種類、年齡、體重、體表面積、性別、食物及活動強(qiáng)度等）有關(guān)，也與外因（如溶解氧、pH、水溫等）有關(guān)。對于水中魚類而言，溶解氧需大于4mg/L才能保證其正常的生命活動。水中溶解氧含量偏低，如低于4mg/L，雖未達(dá)到窒息點，不會引起魚類的急性反應(yīng)，但會引起慢性危害，魚、蝦就會游向水面，呼吸表層水溶氧，嚴(yán)重時吞咽空氣，這一現(xiàn)象稱為“浮頭”。魚類浮頭輕者生長速度和成活率下降，重則引起泛池或大量死亡。魚、蝦長期生活在溶氧不足的水中，體質(zhì)將下降，對疾病抵抗力降低，發(fā)病率升高，更易“中毒”致死。

我們知道如果空氣中充滿了毒氣人是活不了的，同理魚也是這樣。那么水中的毒素都有哪些，是怎么產(chǎn)生的呢？對魚有致命危害的毒素有主要有氨和亞硝酸鹽，它們都是劇毒，極低的含量就能造成魚的死亡。氨濃度超過0.012毫克/升時魚就有中毒的危險，亞硝酸鹽含量在0.1毫克以下是安全的健康水質(zhì)，0.1毫克是輕微污染，0.25毫克以上則為嚴(yán)重污染，1毫克或以上水中生物便開始走向死亡。毒素的產(chǎn)生是這樣的：魚的呼吸、尿液以及魚的糞便和殘餌等有機(jī)物，會使水中的異營菌大量繁殖，異營菌的代謝產(chǎn)物就是劇毒的氨。在一個成熟的硝化系統(tǒng)中，氨會馬上被亞硝酸菌分解成亞硝酸鹽，然后由硝酸菌分解成為硝酸鹽。硝酸鹽是藻類的營養(yǎng)來源，當(dāng)硝酸鹽濃度太高時，會導(dǎo)致藻類大量滋生，致使水體中的溶解氧更低。

四、水體中溶解氧與水溫、鹽分、大氣壓的關(guān)系探討

1、氧在水中的溶解度與溫度的關(guān)系

根據(jù)氣體熱脹冷縮的原理，氣體在溫度高時，分子間的間距大，溫度低時，分子間間距小，故在溫度低時空氣中的氧氣更容易溶于水（這也是與固體不同的原因），其溶解度就增大了，反之，溫度升高，氣體溶解度減少，比如燒水的時候可看見有很多小氣泡，其中就是有部分溶于水中的氣體受熱逸出。

水溫升高一方面導(dǎo)致水中溶解氧減少，另一方面水溫升高會加速耗氧反應(yīng)，最終導(dǎo)致水體缺氧或水質(zhì)惡化。 

溶解度隨溫度及大氣中氧之分壓而改變，遵循亨利定律(Henry Law)，如下式所示：

[O2]=Kh×Po2

式中[O2]為水溶液氧氣之平衡，Po2為氧氣之分壓，Kh則為亨利常數(shù)，其值隨溫度而異，當(dāng)溫度高時，Kh值較低，溫度低時，Kh值較高。因此，在夏季溫度偏高時，水中溶解氧值偏低，在冬季溫度偏低時，水中溶解氧值就偏高。

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在一個大氣壓下，水溫由10℃升到35℃，氧在純凈水中的溶解度由11.27mg/L降到6.93mg/L。水體中的飽和溶解量在20—10℃時為9. 17—11.33毫克/升，在101.325 KPa、20℃情況下,純水中飽和溶解氧含量約9毫克/升。對于人類來說，健康的飲用水中溶解氧含量不得小于6mg/L。

2、氧在水中的溶解度與氣壓的關(guān)系

在日常生活中，我們知道，液體可以蒸發(fā)成氣體，如水蒸汽，氣體也可以凝結(jié)為液體。在一定的溫度下，二者可以達(dá)成平衡，即液體的蒸發(fā)速度等于蒸氣的凝結(jié)速度。達(dá)到這種平衡時，蒸氣有一定的壓力，這個壓力就叫做此液體的飽和蒸氣壓（簡稱蒸氣壓）。蒸氣壓與溫度有關(guān)，溫度越高，分子具有的動能越大，蒸發(fā)速度越快，因而蒸氣壓越大。蒸氣壓與壓力有關(guān)，根據(jù)亨利定律：在一定的溫度下，氣體在液體中的溶解度和該氣體的平衡分壓成正比。即

溶解度隨溫度及大氣中氧之分壓而改變，遵循亨利定律(Henry Law)，如下式所示：

[O2]=Kh×Po2

式中[O2]為水溶液氧氣之平衡，Po2為氧氣之分壓，由亨利定律我們可以看出：在溫度不變的情況下，即Kh為定值時，壓力越大，氣體溶解度越大，比如我們喝的碳酸飲料中的二氧化碳就是通過加壓的方式溶入水中的；反之壓力越小，氣體溶解度越小，比如打開汽水瓶的瞬間，瓶中壓力減小，可看見大量氣泡產(chǎn)生，即反映了壓力越小，氣體溶解度越小這個原理。

3、氧在水中的溶解度與鹽分的關(guān)系

水中溶解鹽類的總量稱鹽度或礦化度。礦化度是指水體中主要離子的總量。礦化度高，一是使魚體生長速度較慢。水質(zhì)較高的礦化度會破壞魚類血液的酸堿平衡，血紅蛋白結(jié)合氧的能力下降，魚體為保持體內(nèi)酸堿平衡和滲透壓平衡要消耗更多的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，用于生長的營養(yǎng)物質(zhì)相對減少，影響了魚體正常生長。二是致使魚體抗病力下降。高礦化度水質(zhì)對魚鰓的表皮組織破壞性較大，魚體內(nèi)外的氣體交換受到影響，飼料的消化吸收率降低，魚體體質(zhì)較弱，抗病力下降，易發(fā)??；三是當(dāng)水體受無機(jī)和有機(jī)還原物質(zhì)污染時，其氧化分解的耗氧速度超過從空氣中補(bǔ)充氧的速度時，水體中溶解氧將減少；四是致使水體的透明度降低，使得陽光難以穿透水層，影響水體中植物的光合作用，造成水體中溶解氧呈過飽和狀態(tài)；五是存在水分子空隙中的鹽類等其他物質(zhì)，擠占、填充水分子之間的空隙，使水分子之間的空隙減小，致使水體缺氧，或加不上氧，這就是為什么水體中的鹽分越高，溶解氧越低的原因。

有些魚類只能生長在水溫較低、溶氧較高的高冷山區(qū)，有些魚類只能慢慢適應(yīng)水溫和溶氧之變化，若突然改變其生活環(huán)境，就會因缺乏溶氧而死亡。故當(dāng)湘江出現(xiàn)流域性的大面積死魚情況時，一定會有水溫和鹽分這兩個主要因素的影響。其中水溫突變是“元兇”，鹽分增加是“幫兇”。

五、實驗

1、目的和方法

為了解和掌握水體中的溶解氧與溫度、氣壓和鹽分的關(guān)系，我們于2013年1月至12月，對株洲湘江朱亭、白石和霞灣斷面中的溶解氧、溫度、鹽分和環(huán)境空氣中的氣壓進(jìn)行了監(jiān)測分析。其中，朱亭斷面為湘江進(jìn)入株洲市的入境斷面，霞灣斷面為出境斷面，白石斷面為市區(qū)監(jiān)控斷面。

2、監(jiān)測儀器

水體溶解氧的檢測方法通常有碘量法、電流測定法(Clark溶氧電極)、電導(dǎo)測定法、熒光淬滅法等。本文中溶解氧的測量方法為溶解氧測量新技術(shù)－溶解氧的熒光法測量技術(shù)，其工作原理是：哈希（HACH）公司的LDO溶解氧傳感器被一層熒光物質(zhì)所覆蓋，當(dāng)LED光源發(fā)出的藍(lán)光照射到傳感器表面的熒光物質(zhì)時，熒光物質(zhì)受到激發(fā)釋放出紅光。從發(fā)出藍(lán)光到釋放出紅光的這段時間被記錄下來。水中的氧氣濃度越高，釋放紅光的時間就越短。在紅光釋放時間與溶解氧濃度之間建立相關(guān)性，儀器通過測定紅光的釋放時間計算出溶解氧濃度，進(jìn)而在屏幕中直接顯示出溶解氧濃度。 便攜式LDO溶氧儀的優(yōu)點：在測量溶解氧的技術(shù)方面，帶有LDO探頭的便攜式測定儀與傳統(tǒng)的基于電流或極譜法的溶氧儀相比，具有諸多優(yōu)點：（1）無需極化：在測量溶解氧時，LDO溶解氧探頭不需要極化時間。傳統(tǒng)溶解氧探頭在使用前通常有極化過程。（2）無需校準(zhǔn)：LDO溶解氧探頭在出廠前已經(jīng)校準(zhǔn)，因此用戶在使用時無需校準(zhǔn)，可直接測量溶解氧濃度。而傳統(tǒng)的溶解氧儀在使用時，通常有校準(zhǔn)步驟，校準(zhǔn)通過后，方可進(jìn)行溶解氧的測定。（3）維護(hù)量低：LDO探頭為無膜式探頭，無需更換膜組件、無需填充電解液，維護(hù)量大大降低，既節(jié)省了時間又降低了用戶的維護(hù)成本。（4）抗干擾能力強(qiáng)：LDO探頭為無膜式探頭，因此不受典型廢水中化學(xué)物質(zhì)的干擾。（5）耐用的熒光帽：熒光帽在被刮蹭或部分污染的情況下，仍能保持其準(zhǔn)確度，清洗方便。其技術(shù)指標(biāo)為：便攜式溶氧儀的技術(shù)參數(shù)測量量程：0～20mg/L（ppm），飽和度：0～200%，測量精度:0.01，電源電壓:220V，分辨率：0.01mg/L。儀器的品種有HQ30d53單路輸入多參數(shù)數(shù)字式測定儀HQ30d5330100 HQd便攜式溶氧儀，標(biāo)準(zhǔn)型LDO溶解 氧探頭（1m電纜線）HQ30d5330300 HQd便攜式溶氧儀，標(biāo)準(zhǔn)型LDO溶解 氧探頭（3m電纜線）HQ30d5331500 HQd便攜式溶氧儀和耐沖擊型LDO溶解氧探頭（5m或10m電纜線）。實驗證實這種檢測方法克服了碘量法和電流測定法的不足，具有很好的光化學(xué)穩(wěn)定性、重現(xiàn)性，無延遲，精度高，壽命長，可對水中溶解氧進(jìn)行實時在線監(jiān)測。其測量范圍一般為0～20mg/L，精度一般≤1%，響應(yīng)時間≤60s。用本方法監(jiān)測溶解氧的結(jié)果與碘量法結(jié)果十分吻合，最大相對誤差為±4％。基于其測量方法簡單、快速、準(zhǔn)確度好，精度和較強(qiáng)的抗干擾能力以及較好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，該儀器已廣泛用于農(nóng)業(yè)中水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)水質(zhì)監(jiān)測以及各種農(nóng)漁業(yè)用水污染程度水質(zhì)監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測中的溶解氧的測量。

3、監(jiān)測結(jié)果

2013年株洲湘江朱亭、白石和霞灣斷面中的溶解氧、溫度、鹽分和氣壓的監(jiān)測結(jié)果見表1、表2、表3。

六、結(jié)論

從2013年株洲湘江段各斷面的監(jiān)測結(jié)果來看：

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，湘江水體中的溶解氧處于不飽和狀態(tài)，5.9至9.1毫克/升之間；

溫度越高，水體中的溶解氧一般較低；

因氣壓變化不大，氣壓對水體中溶解氧的變化不明顯；

湘江朱亭、白石和霞灣三個斷面水溫的數(shù)值區(qū)間均為5.6-31.0，鹽分合計的數(shù)值區(qū)間朱亭斷面為24.33-48.86，白石斷面為24.88-47.89，霞灣斷面為25.47-60.33溶解氧的數(shù)值區(qū)間朱亭斷面為6.0-9.1，白石斷面為6.0-9.0，霞灣斷面為5.9-8.9，霞灣斷面鹽分合計的數(shù)值區(qū)間高，溶解氧數(shù)據(jù)低，反映水體中溶解的鹽分越大，水體中的溶解氧越低；

溶解氧除了被通常水中硫化物、亞硝酸根、亞鐵離子等還原性物質(zhì)所消耗外，也易被水中微生物的呼吸作用以及水中有機(jī)物質(zhì)被好氧微生物的氧化分解所消耗。另外，水體中的氯化物、硫化物、銨鹽等物質(zhì)對水體中的溶解氧也有一定影響。

總之，水體中的溶解氧的變化受多因素決定（如天氣、藻相、菌相、有機(jī)物、養(yǎng)殖密度等），反過來又影響著其它指標(biāo)。溶解氧與氨氮、 亞硝酸鹽、硫化物等之間就好像天平的關(guān)系，如果溶解氧能夠保持在一個穩(wěn)定的水平上，那其他的有害物質(zhì)如氨氮、 亞硝酸鹽、硫化物將會降低，反之氨氮、 亞硝酸鹽、硫化物偏高，溶解氧就偏低。

水體中溶解氧偏低，有生物（微生物、浮游生物、底棲生物）、化學(xué)（無機(jī)物酸、堿中和、有機(jī)物分解）、水體物理（鹽度、懸浮物、礦化度、透明度等）、物理化學(xué)（沉淀、氧化還原、化合分解）和生物化學(xué)（氮、磷化合轉(zhuǎn)化）等原因，我們探討水體中的溶解氧的變化，應(yīng)從生物、化學(xué)、水體物理、物理化學(xué)和生物化學(xué)等、從污染物耗氧、水體自凈、降解能力、水體氧平衡、有機(jī)物分解、氮、磷的化合轉(zhuǎn)化和氣象、水文條件等方面全面考量、綜合分析。

作者：劉運年，湖南省株洲市環(huán)境監(jiān)測中心站副站長、高級工程師，籍貫：湖南衡陽，現(xiàn)年52歲，1984年7月畢業(yè)于湖南省湘潭大學(xué)化學(xué)工程系環(huán)境工程專業(yè)。在國家級刊物上發(fā)表過多篇論文。