水体中溶解氧含量与其物理影响因素的实验研究

胡 鹏，杨 庆，2，杨泽凡，韩 昆，潘剑光

（1. 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2. 华北水利水电大学，河南郑州 450045）

1 研究背景与意义

溶解氧（DO）是需氧水生生物赖以生存的必备条件，DO 含量一般有DO 浓度（mg/L）与DO 饱和度（%）两种不同的表示方法。正常情况下，DO浓度在5 mg/L以上时，适合大部分鱼类的生存活动；当DO浓度小于2 mg/L时，鱼的生存就会受到威胁；小于1 mg/L时，鱼会直接死亡［1］。另外DO也是反映水质状况与水体自净能力的重要指标［2］，一方面DO浓度高有利于水体中各类污染物的降解，从而使水体较快得以净化；另一方面高DO 浓度（＞5 mg/L）也能够有效控制底泥向水体中释放氮、磷及有机物，从而起到改善水质的作用［3］。通常天然水体中DO有两个来源：一个是空气中的氧气扩散进入水体，这主要与风力和水的流动相关；另一个是水生植物通过光合作用释放出氧气［4］。但当水体受到有机物污染，分解有机物的耗氧速度远超过复氧速度，就会出现DO迅速下降从而造成鱼类和需氧生物死亡及水质恶化［5］。有研究发现，城市湿地和河流水质恶化的主要原因就是自然复氧不利而引起DO不足所造成的［6］。因此，研究掌握DO与其影响因素的响应关系，对于河流水质提升以及水生态环境的修复与改善具有重要的意义。

大气复氧是天然水体最主要的补氧方式，约占总复氧量的80%以上［7］；流动水体的大气复氧过程遵循双膜理论［8］，其复氧速率可用下式表达：

式中：Os、O分别为水体中DO的饱和浓度与实际浓度；K2为复氧系数，一般表达为流速与水深关系的变量。

从式（1）可以看出水体中DO的变化与流速、水深密切相关。但天然水体中DO含量是多种因素共同作用的结果，其含量除与水力学因素有关外，还与水温、大气压、各种盐类的含量、水体透明度、水生植物及有机物含量等多种因素有着密切的关系，对此有关学者展开了大量调查研究。沈忱［9］发现水库蓄水导致的流量变化以及随季节的水温变化均对坝下河道的DO饱和度有影响；罗琳［10］对夏季伶仃洋调查发现水体DO的表底层浓度存在显著差异，并指出表层营养盐的浓度是影响表层DO浓度水平的主要因素。陈永灿等［11］对三峡大坝下游DO影响因素展开调查，结果表明下游水体DO含量与流量显著相关，同时其含量会随下游水位的升高而增大。曹瑛杰［12］监测发现长潭水库水体DO含量与硝酸盐氮含量之间呈显著的正相关，与硫酸盐、COD之间都呈极显著的负相关。潘腾飞［13］发现水体透明度低于25 cm时，可能导致池塘中DO含量过低。

总结起来，影响自然水体中DO 含量的因素包括化学因素、物理因素和生物因素，其中与水力学条件直接相关也相对较易进行调控的是物理因素。目前对于DO 含量物理影响因素的研究中，多采用实地调查观测方式。由于天然河流流态的复杂性，对于流速条件与DO 含量之间的响应关系仍停留在流速越大，DO 含量越高的概化认识阶段，缺乏系统性的实验研究。本研究通过搭建仿真河道，构建不同的流速及水深环境，进而探究水深、流速、水温对于DO 含量及其分布规律的影响。

2 材料与方法

2.1 实验装置实验于2018年8—9月在中国水利水电科学研究院延庆实验基地内进行，实验装置如图1所示。

图1 中，单条河道宽0.8 m，长19 m，两侧边墙高均为2 m。河道底板高度从左到右依次为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，主要进行同流速不同水深的对比实验；而底板高度相同的河道主要进行同水深不同流速的对比实验。9条实验河道下游各装有一套抽水水泵，通过输水管道把下游的水输送到上游缓冲池，实现水体的循环流动。为了消除紊流带来的影响，在上游建有消能池，配合整流栅下的稳流管使进入河道的水流达到稳定的状态。

2.2 实验方法实验用水采用自备井抽取的地下水，水质达到地表Ⅲ类水标准，水温13 ～21 ℃，光照为室内自然光。实验开始时，关闭单条河道上下游缓冲区旁侧的闸门，使单条实验河道始终处于密闭状态，利用YSI 多参数水质分析仪进行DO 的测定，可以直接测量DO 浓度（mg/L）、DO 饱和度（%）、水温等基本信息。通过调节下游水泵的功率来改变流速的大小，采用多普勒流速流量计与YSI Flow Tracker流速仪共同测量河道的流速，以提高流速测量的准确性。实验中采用的流速控制范围为0～0.4 m/s，水深0.25 ～1.0 m。

实验中，采用沿流速梯度由低向高依次测量的方式进行。首先调节并测定封闭河道内的流速及水深，随后利用DO测量仪分别对河道上、中、下游的底层、中层与表层9个点位进行测量，并详细记录DO浓度、DO饱和度及水温等基本参数。为减少测量误差，每种工况条件下重复测量数不少于4组。为保持静水状态下DO不受流水复氧的影响，静水DO一律采用静置8 h以上水体进行测定。同时为了减少不同流场对实验结果的相互影响，不同工况下测量间隔时间不少于30 min，直到恢复静水下的DO含量为止。

2.3 数据处理在DO分层情况分析中，同一工况下的DO浓度表示为平均值±标准差（mean±SD）（n≥4），并运用单因素方差分析法（One-way ANOVA）对底、中、表不同水层的DO 浓度进行组间差异性显著检验，以P＜0.05作为差异显著性水平。

运用SPSS17.0软件对DO 含量与水深、水温、流速进行Pearson 相关分析，分别检验相关要素与断面平均DO浓度及饱和度的相关性，以确定影响DO含量的显著物理因素（P＜0.05）。在DO与流速、水温响应关系数据处理中，运用绘图工具分别绘制出在15 ℃、18 ℃、20 ℃水温下，流速与DO浓度及饱和度的关系曲线。对DO与水温、流速的综合分析中，利用Origin7.0软件绘制流速、水温与断面平均DO浓度及饱和度的关系图。

3 实验结果

3.1 DO测量结果与分层情况图2展示了15 ℃水温下，DO浓度在不同水深、流速工况下的分布情况。由于在0.25 m水深下水位过浅，因此在该水深下只测量表层与底层的DO浓度。从图2可以看出：（1）在静水中，3种水深条件下均出现不同程度的DO分层现象，总体上1 m水深分层更为明显，但平均DO浓度要低于0.25 m与0.5 m水深。（2）0.05 ～0.1 m/s流速下分层现象仍然较为明显，同一流速下3种水深的底层DO浓度没有明显差别，但1 m水深下表层DO浓度要明显高于其他水深。（3）0.2 m/s流速下DO分层现象开始明显减弱，0.25 m水深下的底、表层DO浓度已无显著性差异，但0.5 m水深下底层与中表层还有一定的差异性；1 m 水深下，底中层与表层也有一定的差异。（4）0.25 ～0.3 m/s 流速下，3种水深条件下各层DO浓度均无显著性差异，DO分层现象已消失。从相同水深不同流速条件的角度来看，0.25 m 水深下流速达到0.2 m/s后，DO分层现象已消失；但0.5 m与1 m水深下，流速需达到0.25 m/s，各层DO浓度才无显著性差异。

综上，DO 分层现象与水深、流速密切相关。随着流速的增加，DO 分层现象会逐步减弱直至消失；且水深越浅，水流中DO分层消失所需的流速阈值越低。

3.2 DO 与物理因素的相关性为了更加直观地显示各因素对DO 含量的影响，本研究对流速、水深、水温与断面平均DO 浓度和饱和度之间的关系进行了Pearson 相关性分析。表1 反映了实测平均DO 浓度、饱和度与流速、水深及水温之间的Pearson 相关性分析结果，其中断面平均DO 浓度（或饱和度）是指河道断面底、中、表水层DO浓度（或饱和度）的平均值。由表1可知，DO浓度与流速的相关性最高，Pearson相关性系数为0.711，呈现显著的正相关关系，而与水温呈现显著的负相关关系，Pearson 相关性系数为-0.246。这说明流速越大，或水温越低，DO 浓度越大；DO 饱和度与流速呈现显著的正相关关系，Pearson相关性系数为0.752，说明随着流速增大，DO饱和度也越大；但DO饱和度与温度不存在显著相关性。而不管是DO浓度，还是DO饱和度，与水深之间均不存在显著性相关关系。

表1 DO浓度、饱和度与环境因子之间的Pearson相关系数

3.3 DO 与流速的响应关系表1 已显示出流速与水温都与DO 浓度在置信度0.01 水平上极其相关。图3、图4进一步展示了DO浓度和饱和度在15 ℃、18 ℃、20 ℃水温条件下随流速变化的情况，其中点符号表示在该状态下整个河道的平均DO浓度或饱和度。由图3可知，静水条件下DO浓度在4.7 ～5.6 mg/L；在不同水温条件下，随着流速增加，DO浓度均呈升高的趋势，且变化过程基本一致。在流速从0 增加到0.05 m/s 时，DO 浓度有明显的跃升，变化幅度超过50%；流速超过0.05 m/s 后，DO浓度增长趋于平缓。在相同流速不同水温下，DO浓度DO（15℃）＞DO（18 ℃）＞DO（20 ℃），表明相同流速下，低水温比高水温的DO 浓度大。对于DO 饱和度而言（图4），变化情况与DO 浓度类似：在流速0 ～0.05 m/s时，饱和度由静水下的57%跃升至90%，随后相对平缓增长，至流速0.3 m/s时达到饱和状态，基本趋于稳定。而DO饱和度在3种温度下变化曲线几乎完全一致，表明水温变化虽然能改变DO浓度绝对值，但并不能改变DO饱和度的大小。

图3 DO浓度与流速的关系

图4 DO饱和度与流速的关系

3.4 DO与水温的响应关系为了进一步验证更大范围内水温与DO浓度及饱和度的关系，本研究拟合了在0.3 m/s流速下，13 ℃～21 ℃范围内的水温与DO平均浓度、饱和度之间的关系，如图5所示。由图5（a）可知DO浓度随着水温的升高而减小，二者线性相关，相关系数R2为0.9027；而图5（b）表明DO饱和度与水温并无显著性相关性。相关结论进一步说明了水温影响DO浓度，但对DO饱和度不产生显著影响。

图5 DO浓度及饱和度与水温的关系

3.5 DO与水温、流速的综合关系若同时考虑流速和水温对DO浓度的影响，结果如图6所示。在0 ～0.05 m/s 流速范围内，流速对DO 浓度的变化起主导作用，水温对于DO 浓度的影响很小；在0.05 ～0.4 m/s流速范围内，水温影响逐渐占据主导地位，DO浓度在7.8 ～10 mg/L范围内变化。

DO 饱和度变化规律与浓度类似，如图7 所示，在0 ～0.05 m/s 流速范围内，DO 饱和度几乎不受温度的影响，随着流速的增大而迅速增大；流速超过0.05 m/s后，饱和度只在89%～100%范围内变化。在0.1 ～0.2 m/s流速范围内，由于水温影响，饱和度出现小范围分化；当流速超过0.2 m/s后，无论温度怎样变化，DO达到或接近饱和状态，几乎不再发生变化。

图6 DO浓度与温度、流速综合关系

图7 DO饱和度与温度、流速综合关系

4 讨论与应用

根据大气复氧双膜理论，在气相与液相界面存在气膜与液膜两层薄膜，水体的紊动并不能使薄膜消失，只是会改变液膜的厚度，水体紊动越强，液膜厚度越小。而氧气进入水体的阻力主要来自液膜，因此随着流速的增加，水体紊动更加强烈，使大气中的氧更容易通过液膜表面进入水体成为DO，本实验中随着流速升高DO浓度逐步增加的结果也验证了这一理论。

由式（1）可知，复氧速率与氧亏（Os-O）和复氧系数K2成正相关关系，固定流速下的复氧是由快变慢，最后达到饱和状态的过程。在大气复氧前期，复氧速率较快，DO浓度能够在短时间内实现快速的增长；当复氧速率低至一定水平（记为V），DO在长时间内不会出现大幅度变化。实验中，将此时的DO浓度作为测量值。在不考虑水体耗氧过程的条件下，在小流速范围内，由于复氧系数K2相对较小，当复氧速率低于V时，氧亏（Os-O）相对较大，从而DO测量值相对较小；而当流速逐渐增大时，其测量值也更加接近饱和度值，实验得到水体中DO浓度发生突变的流速拐点是0.05 m/s，几乎不再发生变化的流速阈值是0.3 m/s。但在天然水体中，水质状况会对此流速阈值形成较大影响。当水质较差，水体中有机物含量较多时，就必须考虑水体的耗氧作用，此时DO的净复氧速率V净=V复-V耗，在净复氧速率不变的前提下，流速拐点和阈值会相应增大。这就要求在较差水质条件下，需要加大水体流速，以达到较优的DO浓度和饱和度。

基于本实验成果，鉴于DO在水体自净、水生生物生存繁衍等方面的重要作用，在流域水环境治理和水生态修复工作中，可以得到如下重要启示。

（1）实现水体流动对于提高DO 含量，增强水体自净能力具有重要作用。通过实验数据可以看出，相比于完全静止状态，水体流速的轻微增加能大幅度提高DO含量。在平原区水环境治理中，这一点显得尤为重要。这就要求在平原区水环境综合治理中，要大力加强河湖水系连通，消除断头浜，并合理营造水系高程差或采取人工增强措施，加强水体流动性，避免形成死水臭水。

（2）在较好水质条件下，仅从提升DO含量的角度，平原区河流最经济的流速是0.05 m/s，最适宜的流速是0.2 ～0.3 m/s。在实验水质和水深范围内，0.05 m/s的流速是DO浓度和饱和度的拐点。流速从0增加到0.05 m/s，不同水温条件下DO浓度升高幅度均超过50%，饱和度均达到90%左右。流速超过0.2 m/s后，水体中DO饱和度已几乎不再增加，超过0.3 m/s后，DO饱和度已基本达到100%，DO浓度仅受水温影响。

（3）水温增加会使DO浓度降低，这与已有研究成果相一致［6，9，14-15］，但水温对DO饱和度不产生显著影响。根据实验结果，水温与DO 浓度的Pearson 相关性系数为-0.246，在P＜0.01 水平上极其相关；而水温与DO饱和度的相关系数为0.108，且在P＜0.05水平上也不呈现显著相关性。这一规律说明了水温对于水体中DO浓度的影响，是一种“天花板”式的绝对影响，一旦水温异常升高，造成的影响很难通过其他条件和手段予以恢复。相关研究也表明，当电厂温排水进入水体后，会造成局部水温显著升高，直接影响水体的自净能力，并加速富营养化［16-17］。因此，需要进一步加强对于冷却水等“热污染”源的认识，并采取合理措施对其影响进行规避和缓解。

（4）水深对于DO的浓度和饱和度虽无直接影响，但水深越大，DO分层现象越明显，消除DO分层所需的流速条件也越高。在对天然水体的监测中，也同样出现类似的DO分层现象［18-20］，但在天然水体特别是深水湖泊及水库中，形成分层的主要原因是温度分层使上下层水体不能完全混合，表层DO无法扩散至下层，加之底部微生物不断耗氧，易造成水底底部缺氧，进而引起一系列的水质污染问题［21-23］。考虑到湖库的静水环境，不宜采用增强水动力的方式来消除分层现象，有必要的情况下可考虑水体底部曝气增氧法［24］来增加水体底部DO。而对于平原区城市河流，在流量/动力一定的情况下，水深越浅，流速越大，更有利于整体提升DO 含量和消除DO 分层现象。因此，在可行的情况下，可优先采用“浅水快流”的形式，实现提升DO 含量，改善水质，并提升河流生态景观效果的目的。

（5）通过对影响DO相关物理因素的联合调控，可以有效控制合理DO含量，降低“水华”风险。近年来，我国南北方河流在夏季爆发“水华”的事件不断发生。针对这一问题，在有控制性工程的河流，可根据水温，在“水华”易爆发时段，开展水利工程的生态调度，控制河流达到适宜的水深、流速条件，调节DO浓度至合理范围，抑制“水华”带来的水污染和水生态破坏问题。

5 结论与展望

本研究通过搭建实体河道模型，模拟了不同水温、水深及流速条件对于水体中DO含量和分布情况的影响。结果表明：0.25 m水深下流速达到0.2 m/s时DO分层现象消失，0.5 m、1 m水深下流速超过0.25 m/s时DO分层现象消失。对于Ⅲ类水体而言，流速达到0.05 m/s，DO浓度相比于静止水体增加超过50%，饱和度达到90%左右。流速0.05 m/s以下，流速对于DO浓度的影响占主导地位；流速超过0.05 m/s，水温的影响占主导地位，水温越高，DO浓度越低，但水温对于DO饱和度的影响并不显著。相关研究成果对于城市河流水动力的调控设计、水利工程的生态调度具有重要指导意义。

受实验条件所限，本研究过程还还存在诸多不足之处，一是实验仅针对地表Ⅲ类水的较好水质进行，在其他水质条件，特别是恶劣水质条件下，DO与相关物理因素的关系是否一致还有待进一步研究；二是相较于天然河流，室内实验并未考虑水生植物的光合作用复氧过程，仅针对空气中氧气渗入水体的复氧过程进行研究，下一步还需结合野外实地调查做进一步研究。