水中低溶解氧的影响

AlpHa 测量解决方案
8 月 15, 2024

水中溶解氧水平过低可能会损害水生生态系统的健康。本文回顾了什么是溶解氧 (DO)、水中溶解氧水平低的原因和影响、如何增加溶解氧以及如何测量溶解氧。

什么是水中的溶解氧？

溶解氧 (DO) 是指存在于水或任何其他液体中的游离非复合氧的含量。它是水质的重要指标，对水生生物的生存至关重要。溶解氧通过从大气中直接吸收以及水生植物的光合作用进入水中。溶解氧溶解氧的测量可以是饱和度百分比，也可以是浓度。饱和度百分比指的是在特定温度和压力下，实际溶解氧含量与最大可能溶解氧含量之比。顾名思义，它是用百分比表示的。而浓度是指任何水样中溶解氧的实际含量，其单位是毫克/升（mg/L）或百万分之一（ppm）。

溶解氧的重要性

水生生物:鱼类、无脊椎动物、植物等水生生物以及好氧菌的呼吸都需要溶解氧。
水质:溶解氧水平高通常与水质良好有关，而溶解氧水平低则表明受到污染或分解率高。当水源用于以下用途时，这一点非常重要饮酒或工业用途。
生态系统健康:健康的溶解氧水平有助于生态系统的平衡，使所有物种都能茁壮成长。

影响水中溶解氧水平的因素

影响任何水体中溶解氧（DO）水平的因素有多种。这些因素包括生物因素、非生物因素以及人为因素，即人类活动导致的环境变化。

生物因素

生物因素包括水生生物对水体中溶解氧水平的影响。例如，水生植物和藻类在白天通过光合作用产生氧气。然而，到了晚上，光合作用停止，呼吸作用开始。从而消耗氧气，降低溶解氧水平。影响溶解氧水平的另一个因素是水体中的微生物活动。当水体中有机物过多时，细菌分解有机物会消耗大量溶解氧。

非生物因素

导致水中溶解氧过低或过高的最主要非生物因素是气压、盐度和温度。

气压

随着海拔的升高，氧气的百分比不会发生变化，但大气压力会发生变化。因此，饱和度为 100% 时的溶解氧浓度与大气压力的下降百分比相同。因此，可以计算出气压校正因子，这在将饱和度测量值转换为浓度时非常有用。例如，如果海平面上的大气压为 760 毫米汞柱，而海拔 2000 英尺处的大气压为 650 毫米汞柱，则气压校正因子（P_CF) 的计算公式如下

$P_{CF}=\frac{650}{760}=0.855$

盐度

当盐与水接触时，会分解成带正电荷和负电荷的离子。这些离子会吸引由轻微正负离子组成的水分子，从而争夺分子间的空间。因此，可与溶解氧结合的自由水分子减少，溶解氧得以从溶液中扩散出来。这意味着溶解氧会随着盐度的增加而减少。与压力类似，也有一个盐度校正因子（S_CF).在转换饱和度百分比（DO%）测量值以获得实际溶解氧浓度值时，这两个校正因子非常有用。

$DO\: Concentration=8.26\left ( \frac{DO\% }{100} \right )\times P_{CF}\times S_{CF}$

温度

当水的温度升高时，其分子和其他元素都会获得能量。这导致弱分子相互作用（如水和氧气之间的相互作用）很容易被打破。水从溶液中扩散出来，这意味着溶解氧会随着温度的升高而降低。注：盐度和压力只影响溶解氧饱和度百分比，而温度也会影响溶解氧浓度的测量。这是因为使用溶解氧电极进行的氧气测量取决于氧气通过传感器膜的扩散能力，而这种扩散能力会随着温度的升高而增强。

人为因素

其中包括间接影响周围水体溶解氧水平的人类活动。例如，森林砍伐、废物的不当处理、农业和城市径流以及河道改变都会影响溶解氧水平。

水中缺氧的影响

缺氧是指水中溶解氧含量低，会对水生生态系统、人类健康和经济活动产生不利影响。当水中的溶解氧水平低于 2 毫克/升时，就被认为是缺氧，而低于 0.2 毫克/升则是缺氧，即几乎没有氧气。一般来说，最低 4 毫克/升的溶解氧才能维持生物的生存，但不同物种的耐受范围也不尽相同。以下是缺氧的一些主要影响：

low dissolved oxygen levels in water can cause loss of aquatic life — *低溶解氧水平导致的水生生物损失*

水生生物 缺氧条件会导致水生生物大量死亡。此外，它还会导致摄食、繁殖、捕食者与被捕食者的关系以及其他行为改变。下图强调了大多数鱼类的溶解氧耐受范围。

Dissolved oxygen tolerance range for most fish — *有礼了西北地区政府*

生态系统健康： 缺氧会导致敏感物种减少，从而降低整体生物多样性。这是因为只有少数耐受性强的物种能存活下来，导致生态系统的平衡和恢复能力降低。此外，缺氧条件会促使藻类大量繁殖，从而进一步降低溶解氧浓度。
人类健康： 溶解氧过低表明水不能安全供人饮用。在严重情况下，缺氧会导致缺氧症，从而产生硫化氢和氨等有害物质。
经济影响： 缺氧会导致商业和休闲水产养殖业的崩溃。

如何增加水中的溶解氧

提高水体中的溶解氧（DO）含量对于维持健康的水生生态系统和水质至关重要。此外，根据水体的具体特点和条件，有多种提高溶解氧含量的策略。以下是一些有效的方法。

物理方法

这些方法包括安装机械装置，如将空气或氧气引入水体的表面和地下充气机。这些装置还能搅动水面，从而增加空气与水的相互作用，促进氧气扩散。此外，喷泉等水循环装置也有助于增加氧气的吸收。在溪流和河流中，建造瀑布和围堰以产生湍流也是改善曝气的好方法。

生物方法

引入睡莲和芦苇等植物可以在白天通过光合作用增加溶解氧。还有一些特定的植物可以吸收水中的污染物，因此引入这些植物可以改善水质和溶解氧水平。

化学方法

使用化学药剂控制藻类生长是防止水中溶解氧过低的有效方法。此外，引入过氧化氢和过氧化钙等化学物质也有助于提高含氧量。

Algae bloom can lead to unhealthy DO levels — 藻类繁殖会导致溶解氧水平过低

环境与管理实践

改善城市和工业废水处理有助于维持水体中健康的溶解氧水平。此外，在农业中实施最佳管理方法以减少肥料和有机物流入水体也很有帮助。另一个好的做法是在水道边植树造林，提供树荫，从而降低水温，增加溶解氧的溶解度。

如何测量溶解氧水平

在测量时，溶解氧饱和度百分比和溶解氧浓度都有其用途。饱和度百分比有助于评估水体接近氧气饱和的程度，是了解生物和环境状况的关键。而溶解氧浓度是对水生生物和化学过程可用氧气的直接测量。虽然溶解氧浓度是最常见的测量方法，但传感器也可以提供饱和度百分比测量，以满足应用需求。

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