冰下水中耗氧量测试装置的设计与应用

李弘毅，徐 懿，温荣贤，李志军

(大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024)

水体中的溶解氧是维持水体中好氧生物生存的必备条件。水面结冰后，与大气进行氧气交换的渠道被消弱，此时水下的溶解氧浓度主要依赖水下浮游植物活动产生，且随着有机物的降解而消耗。若冰下水体溶解氧含量过低，会导致水下依赖氧气的生物死亡，形成生态系统被破坏的恶性循环。

1978年，史为良认为北方越冬死鱼现象的原因就是冰下缺氧[1]。2015年， 李明等人采用小波方法对芬兰Valkea-kotinen湖溶解氧浓度进行了分析研究，得到了溶解氧含量的时空分布[2]。同国际上冰封期溶解氧调查研究相比，由于国内基础设施、人力财力等条件限制，冬季溶解氧调查有的因时间较短，有的因采集数据中断，获得数据较少。因此冰期封溶解氧变化趋势研究成果较少。

国外冰下溶解氧调查研究从20世纪70～80年代开始陆续报道[3-4]。到本世纪，针对冰下溶解氧问题做了大量的实验研究[4-7]。2012年Golosov等研究表明影响溶解氧含量的主要因素是气温、冰封期和水动力混合条件[8]。随着人们对冰下溶解氧的逐步认识，其理论研究也逐步成为一个重要的研究领域。

1 装置设计目标

冰下水体耗氧量测试装置是一款针对冬季冰封期应用的实验测试装置，它包括溶解氧在线传感器和被测水体容器。我们的设计目标是：

(1)研究的耗氧环境条件越复杂，数据会越分散，要求的水样体积也就越大，因此装置的容器体积需要足够大。这样才能确保实测时间足够长，保证数据的准确和可靠。

故设计装置为一个外径300 mm、内径290 mm和高250 mm的圆桶形容器。

(2)水体中浮游植物在接受光辐照后会进行光合作用，产生的氧气对水体中的耗氧影响相对显著，故需要采取对照实验，以确定光合作用强度和呼吸作用强度。因而，需要不透明和透明两个实验容器进行同步实验。黑色装置采用黑色不透光有机玻璃制作圆桶，而透明装置采用透明有机玻璃制作圆桶。依此通过比较两装置的实验过程数据来计算水体浮游植物光合作用的效应。

(3)底泥耗氧量占水体溶解氧消耗的一大部分。底泥中生物系统、温度、有机质含量会影响底泥中生物和化学氧化过程，从而影响底泥耗氧量。另外，底泥的成分、近底面水流速度和水深，以及水质等与底泥耗氧量也有一定相关性[9]。为了测量泥-水界面处的耗氧量，圆桶容器下盖有时不闭合，使传感器与泥水分界面水体接近。

(4)装置在冰封期应用。打开冰层，将容器提出冰面后，低温结冰能产生不利影响，导致装置失灵。因此采用下潜式工作思想。但由于装置放入冰下水体后，将无法观察到容器开合情况。这就要求通过盲视操作，准确地保证容器上下盖的开合。需要考虑容器在冰下操作简便可靠。

2 装置功能设计

(1)静水压力随着水深的增加而增加，因此传统的圆桶容器半圆底盖绕一轴运动的开合方式在水下不易实现。另外当容器内无水时，容器受浮力作用很难下沉。经分析，本装置采用竖直移动容器盖来实现圆桶的开合。

(2)在圆桶的上下端各设置一个开口，圆桶容器的盖是两块直径略小于圆桶容器底部直径的圆形盖。为避免容器盖脱离，在上下方各设有一个限位。它能限制容器盖的运动距离和保证容器盖只能在圆桶内上下垂向移动。

(3)为了保证容器上下盖同时闭合，在两盖的中心安装了一根不锈钢丝杆连接两盖。丝杆顶端有用于连接操作绳索的环扣。当需要排除容器内水时，上提丝杆，使两盖同时上升。当关闭容器时，只需松开丝杆，让容器盖在丝杆下端铅锤自重牵引下自动回落至闭合位置。即在圆桶底部有环形板，当下盖落到该环形板上时，下盖与圆桶底部闭合。同理，圆桶上部也有类似的环形板，当上盖落至挡板处时，上盖与圆桶顶部实现闭合，见图1和图2。测试水体耗氧过程期间，容器内水体应保持密闭。

图1 下盖密封装置及减小涡流方案示意图(单位：mm)

图2 上盖限位装置示意图(单位：mm)

(4)圆桶容器与水体的相对运动会使圆桶受到平行于来流方向的阻力[10]。阻力造成部分水体回流，回流和前进的运动方向相反的水流相抵触，就形成漩涡。涡流的出现将会导致非测试层水体滞留于容器内，影响到测试结果。期望涡流体积越小越好。因此在设计上限位时，需要考虑不影响水体进出容器的前提下减小涡流。根据图2的示意，该上限位侧边均匀开有12个长方形小口，在容器下沉过程中，水可从容器底部进入而从上部小口排出，涡流产生于上盖限位处。当下盖下降到达下限位时，上盖同时下降，实现闭合。此时上盖限位产生的涡流不会存在于容器封闭水体内。另外在设计下盖限位时，通过缩小环形板卡口尺寸来降低涡流体积。考虑到下盖直径230 mm小于容器内壁直径290 mm，下盖在下降过程中可能会在水平方向上晃动，导致水体产生紊流。因此为了对其进行限制，上盖直径为286 mm，接近容器内径290 mm，可有效减小其水平晃动程度。同时由于上下盖之间的刚性连接，可以同时减小下盖晃动程度。从如图1可见，当底部密封处的环形板内径取230 mm时，涡流体积较小，可忽略不计。

(5)为增强其密闭性，两盖与环形板接触面增加乳胶密封圈，见图3。

图3 上下两盖限位装置示意(单位：mm)

图4 装置实物照片和整体示意图

3 测试装置的优势

3.1 装置的传感器和容器分体，容易拆装

由于设置有限位装置，需要考虑方便传感器的放置与取出。为实现调整传感器在容器内的位置和安装简便操作，圆桶容器、上下盖和传感器分开控制，见图4。一套绳索控制容器，一套绳索控制上下盖，传感线的数据线，连接到数据采集器。传感器预先固定到丝杆上，随丝杆一同运动。为保证圆桶容器内传感器不被提出，只有打开限位装置及上盖时，才能取出传感器。

3.2 实现原位分层测试

水体中的溶解氧随水深存在空间变化。例如福建中南部海域夏季表观耗氧量呈上低下高的分布，它是因为水面的溶解氧与大气需要平衡，而下面的则与有机物分解耗氧以及其它生物及生化作用密切相关[11]。

对冰下水体耗氧量的分层测量是促进水环境与生态调查认识与理论研究的利器。在利用本容器进行分层测试时，人员在盲视操作过程中，通过两套绳索分别控制丝杆和容器可以确保上下盖的开合，不需要将实验装置频繁提出至冰面。容器内测试后的水体会自动排出并被替换成为另一测试深度出的水体。因而可以连续进行不同水深耗氧量。

3.3 能够冰面盲视操作

由于冬季气温低于水温，水温最低处于冰点温度。此容器在冰下操作，就回避了容器到达冰面后的冻结引起的各种问题，例如上下盖冻结不能开启，容器冻结会撑坏装置，冰面开孔冻结引起的膨胀对设备的挤压，等。

3.4 简化操作步骤和控制测试水体

2010—2011年冬季，芬兰在Valkea-Kotinen湖进行的测试采用的方法是将传感器直接连接到浮漂上，其在冰下一定深度随浮漂起伏[12]。若采用此实验中的装置，能够监测水体的溶解氧，但无法实现不同水深的耗氧过程，需要连续数据的分析和理论支持的计算。本容器对封闭水体进行测试，得到一定时间内水中耗氧量连续变化的数据，直接就反映被测水体的耗氧过程。另外通过简化装置外形，有效地减小绕流阻力，进而减小因水体涡流造成的非测试层水体在容器内的滞留，保障测试结果可靠性。

3.5 透明和不透明容器同步使用，揭示冰下辐照度对耗氧状况的效应

通过同时放置不透明、透明封闭容器各一套，对比不同容器内溶解氧变化差异，能够支持计算水体光合作用强度对耗氧速率的综合效应。

4 结语

本装置于2019年在内蒙古乌梁素海湖进行实践应用。成功地获取了①有无光照情况下，冰下不同水深的水体2～3 h内耗氧情况；②泥-水分界面处水体2～3 h内耗氧情况。通过传感器数据对比分析，获得可重复结果，实现冰下溶解氧含量从静态到动态测试的转变，也实现了从水体溶解氧含量到耗氧量的转变，并且极大地简化了冰下耗氧量测试的过程。

该容器通过实现冰下施放，有效避免了容器提到冰面操作可能因冻结带来的种种问题，可以广泛运用于我国北方冬季湖泊、河流等冰下溶解氧含量及耗氧量分层测试。目前的溶解氧传感器厂家介绍适用温度在4 ℃以上，冰下水体中有0～4 ℃的情况。实践中，该传感器也工作，但在这个温度区间的数据可靠性还没有检验。随着未来这一疑问的解决，届时该容器将能不受水温的影响，真正实现冰下各水深的耗氧过程的测试。若将此套设备应用于生态环保事业，养殖产业，可以实现水体内溶解氧含量实时监测，达到事半功倍的效果。