付雅君 曹升乐 杨裕恒

摘要：提出一种基于水体溶解氧平衡法的湖泊生态需水量计算方法。首先计算大气复氧量和水生植物光合作用产氧量，然后计算水生生物呼吸耗氧量和底泥中有机污染物降解耗氧量，根据湖泊产氧量与耗氧量的平衡方程，确定不同水质条件下逐月水生生物需水量。以南四湖为例，计算了大气复氧量和水生植物光合作用的产氧量以及水生生物呼吸耗氧量和底泥中有机污染物降解耗氧量，在综合考虑逐月蒸发、渗漏需水量的基础上，依据溶解氧平衡方程，确定了湖泊逐月基本生态需水量。

关键词：溶解氧平衡法；基本生态需水量；南四湖

中图分类号：X9

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.019

面对我国湖泊不断干涸、萎缩和水质污染严重的湖泊生态环境危机及由此造成的资源型缺水、水质性缺水的局面，维护湖泊和水库的合理水位已经成为淡水资源科学配置和永续利用的基本保证。随着我国人口增长和经济的发展，社会对水的需求量不断增加，导致人湖水量减少、湖泊水位持续下降、湖泊水质恶化、湖泊生态系统衰退等严重生态问题。研究湖泊基本生态需水。对于实现淡水资源合理配置和持续利用具有重要意义。本文提出一种基于湖泊溶解氧平衡法的生态需水量确定过程，并以南四湖为例进行计算。

1 溶解氧平衡法原理

1.1 基本概念

溶解氧平衡法是以水生生物耗氧和产氧模拟为基础，计算维持湖泊水质水量稳定、生物多样性最大化、水生态系统健康发展所需的水量，作为湖泊基本生态需水量。

溶解氧平衡法基于以下假设：一般而言，天然环境水体的溶解氧浓度接近饱和状态，取ld为计算时段，湖泊中溶解氧的来源包括水生植物光合作用产氧、大气复氧、支流补充的氧气量，溶解氧的消耗包括水生生物呼吸耗氧、池底可降解有机物氧化耗氧、过饱和气体向空气挥发（由于计算时段内支流中溶解氧也达到平衡，因此不考虑支流补充的氧气量），二者的差值即为湖泊实际溶解氧浓度值，根据《地表水环境质量标准》中相应水质目标下对应的溶解氧浓度值，即可求出为保证湖泊达到水质目标所需要的水量，与蒸发、渗漏量相加即为湖泊基本生态需水量。

1.2 湖泊溶解氧平衡方程

按照物质守恒定律，湖泊水体中溶解氧收支平衡模式的状态方程为式中：DO为实际溶解氧浓度；t为时间；DOp为水生植物产生溶解氧的浓度；DOa为大气进入水中的溶解氧的浓度：DOb为水生生物呼吸耗氧的浓度；DOo为底泥中有机污染物降解耗氧的浓度。

1.3 湖泊基本生态需水量的确定

将水生生物多样性最大化和水生态系统长期稳定发展作为湖泊基本生态需水量的确定标准，通过湖泊溶解氧平衡方程，将水质、水量和水生生物之间的相互作用联系起来，通过计算水生生物产氧和耗氧量之间的差值，得出水体实际溶解氧浓度值，并与湖泊水质目标对应的溶解氧浓度值比较，两者差值所对应的水量即为水生生物需水量。根据相关研究可知，湖泊逐月蒸发需水量、渗漏需水量、水生生物需水量、蒸发需水量与渗漏需水量的总和就是湖泊基本生态需水量。生态需水量优化计算模型如下：式中：vi、vi、VEi、Vli、Vu、vl分别为第i月基本生态需水量、水生生物需水量、蒸发需水量、渗漏需水量及湖泊蓄水量的上限值和下限值；DOi、DOLi、DORi分别为第i月溶解氧水质目标、实际溶解氧浓度和实际溶解氧浓度上限：△w为产氧量与耗氧量的差值。

2 研究区概况

2.1 自然概况

南四湖位于淮河流域北部的山东省和江苏省交界处，包括南阳、独山、昭阳和微山等湖，是我国北方地区最大的淡水湖，也是我国第6大淡水湖，拥有丰富的野生动植物资源，具有防洪、排涝、灌溉、城市供水、养殖、航运及旅游等多种功能。

2.2 水生生物概况

南四湖耗氧性水生生物包括鱼类、浮游植物、浮游动物、底柄动物等，产氧生物中数量最多、分布最广的为挺水植物和沉水植物。为了实现南四湖水生生物多样性，本文取20世纪80年代生态环境较好时的生物量来计算，根据《南四湖渔业资源调查综合报告》，得到20世纪80年代年水生生物种类及生物量数据，见表1。

3 研究区溶解氧分析

3.1 溶解氧的来源

3.1.1 水生植物光合作用产氧

水生植物与陆生植物一样，能在日光下利用二氧化碳和水合成有机物质，并释放出氧气，也就是绿色植物的光合作用。通过水生植物的光合作用增加水中溶解氧是水体中溶解氧的最有效和最经常的来源，水生植物通过光合作用，将氧气通过体内发达的通气组织向根区泌氧，因此水生植物的光合作用产氧可通过植物泌氧率来计算。

根据《南四湖渔业资源调查综合报告》，20世纪80年代挺水植物量为71.53万t，占全部水生植物量的23.53%。取挺水植物中代表性植物芦苇为研究对象，其根系泌氧率为3.36mg/（g.d），可计算得到南四湖逐月水生植物光合作用产氧量。

3.1.2 大气复氧

大气复氧是气体中氧经水气界面传输到水体中的过程。目前广泛运用于水体的大气复氧公式为式中：k2，为大气复氧系数，静止状态下k2值在2.4～2.88d-l之间，本文取平均值2.64d-1；DOa为饱和溶解氧浓度。

根据南四湖2013年实际水质监测资料可知逐月水温，由溶解氧与水温的关系结合式（3）可计算得到逐月大气复氧结果。

3.1.3 支流补充氧气量

研究区南四湖为防洪灌溉型湖泊，在计算时段ld内，支流汇人量可以忽略不计，因此不考虑支流补充氧气量。

3.2 溶解氧的消耗

3.2.1 水生生物呼吸作用耗氧

南四湖耗氧性水生生物有鱼类、浮游植物、浮游动物和底柄动物等，其中鱼类对湖泊生态系统具有特殊作用，同时鱼类对溶解氧最为敏感，搜集南四湖水生生物历年来的主要物种，发现南四湖主要的鱼类为鲤鱼，故将鲤鱼作为南四湖水生生物耗氧量计算指标。

鱼类耗氧量通过其耗氧率来计算，研究发现温度是影响耗氧率變化的主要因素。不同温度下鲤鱼的耗氧量是不同的，随着水温的升高，鱼类新陈代谢旺盛，体内氧化过程增强，气体交换频繁，代谢速率增大，耗氧量增大。在由低温到高温条件下，鲤鱼的耗氧率表现出由低向高逐步过渡的规律（见表2）。

根据鱼类耗氧量及鱼类在南四湖耗氧性水生生物中所占的比例，可求得南四湖各月水生生物耗氧量。

3.2.2 底泥中有机物质降解耗氧

（1）微生物降解耗氧。微生物生存呼吸消耗有机物时耗氧量用BOD表示，这个指标表示了当水体受到污染时，水体中有机污染物的含量。根据山东省水功能区监测资料可得到各月BOD。

（2）氨氮降解耗氧量。水体中氨氮发生硝化作用时也会减少水体中的氧气，研究发现，lg氮化物被氧化共需大约4.2g氧气。

根据山东省水功能区监测资料可知南四湖2013年逐月BOD、氨氮浓度值，计算得到南四湖逐月底泥有机物耗氧量，见表3。

4 研究区基本生态需水量计算

由2013年南四湖在不同水质条件下（Ⅱ类水和Ⅲ类水）逐月水生生物需水量，结合当年逐月蒸发需水量和渗漏需水量可得南四湖逐月基本生态需水量，见表4。

可以看出，南四湖年内基本生态需水量夏季高于冬季，因为夏季正处于水生植物的生长旺盛期和水生动物繁殖期，需要较大的水量来维持湖泊生态系统稳定，且夏季温度高，蒸发量大，所以湖泊基本生态需水量大：水质等级越高，基本生态需水量越小，因为水质条件越好，溶解氧浓度越高，维持水生生物生存所需提供的水量越小，所以基本生态需水量越小。

5 结论

（1）南四湖年内平均基本生态需水量为0.78亿m3，其季节性变化明显，夏季最大，冬季最小。不同水质条件下湖泊基本生态需水量不同，水质条件越好，需水量越小，夏季Ⅱ类水质的需水量比Ⅲ类水质的少约0.11亿m3。

（2）溶解氧平衡法将湖泊水生生物量还原到20世纪80年代水平，计算出的生态需水过程既能维持湖泊水质水量稳定，又能保证生物多样性最大化，使水生态系统能够健康发展。

（3）由于缺乏实测鱼类生物量资料，因此本文给出的计算结果还有待随着实测资料的不断增加而修改完善。