典型入湖河道生態(tài)過濾系統(tǒng)研究
——以長(zhǎng)蕩湖東風(fēng)河為例

吳蘇舒，劉勁松，胡曉東，嚴(yán)云翔，羊 瑞(.江蘇省水利科學(xué)研究院，南京 007；. 江蘇省水利廳，南京 0098；.金壇區(qū)水利局，江蘇 常州 00；.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 0098)

湖泊作為一種重要的自然資源，具有調(diào)蓄洪水、提供水資源、提供生物棲息地、維護(hù)生態(tài)多樣性、凈化水質(zhì)、提供物質(zhì)生產(chǎn)、調(diào)節(jié)氣候、養(yǎng)殖、航運(yùn)、休閑旅游等等功能，在整個(gè)自然界物質(zhì)循環(huán)過程和經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展中起著重要作用[1-3]。湖泊又是生態(tài)環(huán)境的重要保障，維持所在地區(qū)的生態(tài)平衡。但是，由于歷史上一度出現(xiàn)的不合理開發(fā)利用模式[4],加之近年來大規(guī)模城市化發(fā)展，導(dǎo)致湖泊水質(zhì)污染、生態(tài)退化，甚至已經(jīng)影響到部分地區(qū)城鄉(xiāng)居民的飲水安全，威脅到湖泊水資源的可持續(xù)利用，成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一[5,6]。湖泊營(yíng)養(yǎng)化已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的水環(huán)境最為嚴(yán)重的問題，如何有效的治理湖泊營(yíng)養(yǎng)化的問題成為了目前水環(huán)境治理的重點(diǎn)。

入湖河道的污染負(fù)荷占入湖污染負(fù)荷的主要來源，因此，入湖河道水質(zhì)的改善對(duì)湖泊水質(zhì)的改善具有重要的作用，湖泊富營(yíng)養(yǎng)控制的關(guān)鍵在于對(duì)入湖河道水質(zhì)的控制。本文通過自行設(shè)計(jì)建造的河道生態(tài)過濾系統(tǒng)，研究其對(duì)微污染的入湖河道水質(zhì)的凈化效果。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)

生態(tài)過濾系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)地位于常州市金壇區(qū)指前鎮(zhèn)東風(fēng)河，指前鎮(zhèn)位于長(zhǎng)蕩湖西岸，東風(fēng)河是長(zhǎng)蕩湖入湖河流清水港的支流，本文選取約150 m河道作為生態(tài)過濾系統(tǒng)建設(shè)地。

1.2 生態(tài)過濾系統(tǒng)的建立

(1)礫石過濾系統(tǒng)。在生態(tài)過濾系統(tǒng)入口處設(shè)置礫石過濾系統(tǒng)，采用粒徑30～70 mm的礫石，平鋪河道中心位置，平鋪面積為寬5 m，長(zhǎng)20 m，共計(jì)鋪設(shè)3層。礫石區(qū)域的兩側(cè)交替種植沉水植物金魚藻以及狐尾藻，每塊種植面積為5 m×2 m，共計(jì)種植8塊。

(2)水生植物區(qū)域。在礫石過濾區(qū)的下游，以塊狀交替種植蘆葦、香蒲、再力花以及梭魚草，每塊種植面積為5 m×3 m。塊間間隔約3 m。在每塊的岸邊邊角處種植一叢(共8株)黃花鳶尾，作為景觀點(diǎn)綴。

(3)淤泥生態(tài)袋區(qū)域。淤泥生態(tài)袋布設(shè)于水生植物區(qū)的下游，在河道左右岸布設(shè)淤泥生態(tài)袋恢復(fù)區(qū)。左右岸均以塊狀布設(shè)，每塊面積7 m×20 m。

1.3 采樣及監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

(1)采樣點(diǎn)布設(shè)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)，分別位于生態(tài)過濾系統(tǒng)的入口斷面中心(點(diǎn)位1)，礫石生態(tài)過濾系統(tǒng)結(jié)束斷面中心(點(diǎn)位2)，植物生態(tài)過濾系統(tǒng)結(jié)束斷面中心(點(diǎn)位3)，生態(tài)袋過濾系統(tǒng)結(jié)束斷面中心(點(diǎn)位4)，生態(tài)過濾系統(tǒng)出口外10 m斷面中心(點(diǎn)位5)。具體見圖1。

(2)分析檢測(cè)項(xiàng)目。本文主要分析生態(tài)過濾系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)、水生態(tài)的影響，檢測(cè)項(xiàng)目包括：TP、TN、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、流速、水位、浮游植物的鏡檢、浮游動(dòng)物的鏡檢。

(3)實(shí)驗(yàn)方法。本實(shí)驗(yàn)的采樣時(shí)間在6月5日-9月5日之間，以每周一次的頻率采樣，共采樣13次。表1顯示了采樣期間水位及流速的變化情況，總體比較穩(wěn)定。總氮的測(cè)定方法為《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636-2012)，總磷的測(cè)定方法為《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893-89)，氨氮的測(cè)定方法為《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535-2009)，高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定方法為《水質(zhì) 高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定》(GB 11892-89)。其他水文數(shù)據(jù)采用現(xiàn)場(chǎng)儀器測(cè)定方法測(cè)定，浮游植物的采集按照《湖泊生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)方法》的要求，進(jìn)行浮游植物的采集，并進(jìn)行分類鑒定和計(jì)數(shù)。

圖1 生態(tài)過濾系統(tǒng)設(shè)置圖

表1 采樣期間水文狀況

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)的改善分析

(1)氨氮的變化。從圖2中可以看出，試驗(yàn)河段生態(tài)過濾系統(tǒng)對(duì)氨氮有一定的截留，生態(tài)過濾系統(tǒng)建立之初，其截留率較低，為18.70%；隨著時(shí)間的推移，截止7月31日，一直是增加的過程，達(dá)到了33.03%，可以看出隨著生態(tài)過濾系統(tǒng)的自我完善過程，它對(duì)氨氮的截留率也在逐漸地增加。此后，在8月7日-9月5日之間，生態(tài)過濾系統(tǒng)對(duì)氨氮的截留率一直維持在一個(gè)較高的水平，其變化區(qū)間為29.46%～33.33%，在9月5日達(dá)到峰值，故可以認(rèn)為生態(tài)過濾系統(tǒng)在此期間已經(jīng)穩(wěn)定成型。從整個(gè)過程來看，氨氮平均的截留率為28.33%，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定后的氨氮平均截留率為29.90%。

圖2 試驗(yàn)河段氨氮變化規(guī)律圖

從生態(tài)過濾系統(tǒng)穩(wěn)定后的點(diǎn)位之間氨氮的變化規(guī)律可以看出，點(diǎn)位1(生態(tài)過濾系統(tǒng)的入口前10 m斷面中心)跟點(diǎn)位2(礫石過濾系統(tǒng)結(jié)束斷面中心)之間的變化相對(duì)其他點(diǎn)位較大，可以說明礫石生態(tài)過濾系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中對(duì)氨氮的截留效果最為明顯，可能是因?yàn)榈[石形成的生物膜系統(tǒng)發(fā)生了作用，礫石上生長(zhǎng)的金魚藻、狐尾藻也吸收了部分氨氮[7]。試驗(yàn)河段氨氮的進(jìn)水總體屬于3類水質(zhì)，經(jīng)過河道生態(tài)過濾系統(tǒng)的過濾，出水水質(zhì)達(dá)到2類水質(zhì)的要求。

(2)總氮的變化。從圖3中可以看出，試驗(yàn)河段總氮的截留率變化規(guī)律與氨氮大致相同。最小值為17.50%，出現(xiàn)在生態(tài)過濾系統(tǒng)建立之初的6月12日，最大值為31.03%，出現(xiàn)在7月31日。從6月5日-7月31日，總氮的截留率是個(gè)逐漸上升的過程，說明河道的生態(tài)過濾系統(tǒng)在持續(xù)的自我完善。7月31日-9月5日，生態(tài)過濾系統(tǒng)的總氮截留率維持在較高的水平，在27.59%～31.03%之間波動(dòng)，說明生態(tài)過濾系統(tǒng)已經(jīng)趨于穩(wěn)定，期間總氮的平均截留率為28.42%，高于整個(gè)過程的平均截留率25.76%。整個(gè)截留率整體處于上升-波動(dòng)-穩(wěn)定這樣一個(gè)過程。

圖3 試驗(yàn)河段總氮變化規(guī)律圖

從穩(wěn)定后的生態(tài)過濾系統(tǒng)來看，點(diǎn)位1與點(diǎn)位2之間的變化相對(duì)較大，由此可以看出，礫石生態(tài)系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮的作用最大，其次點(diǎn)位2與點(diǎn)位3之間，即植物生態(tài)過濾系統(tǒng)。就總氮而言，實(shí)驗(yàn)河段的進(jìn)水水質(zhì)為4類水質(zhì)，個(gè)別采樣時(shí)期為3類水質(zhì)，經(jīng)過生態(tài)過濾系統(tǒng)測(cè)過濾，出水水質(zhì)全部達(dá)到了3類水質(zhì)，接近2類水質(zhì)的要求。

(3)總磷的變化。由圖4可以看出，生態(tài)過濾系統(tǒng)對(duì)總磷的截留效果較好，截留率最小值為13.24%，最大值為31.82%，整個(gè)截留率整體處于波動(dòng)中上升這樣一個(gè)過程，總磷的平均截留率為24.43%。6月份，由于生態(tài)過濾系統(tǒng)處于建設(shè)后初期，故總磷的截留率僅僅依靠礫石等的截留作用，植物的吸收以及微生物的作用較小，故其截留處于較低的水平。7-8月中旬，總磷的截留率在波動(dòng)中增長(zhǎng)，8月中旬后幾次采樣，總氮的截留率呈現(xiàn)出低幅度的下降，總體還處于較高的水平，具體原因有待研究。

圖4 實(shí)驗(yàn)河段總磷的變化規(guī)律圖

從生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，點(diǎn)位1到點(diǎn)位3之間的總磷降解的較多，進(jìn)一步印證之前得出的結(jié)論，礫石生態(tài)過濾系統(tǒng)和植物過濾系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)的改善效果較好。說明該時(shí)期礫石形成了生物膜，植物生長(zhǎng)旺盛，在水中形成了屏障，阻截、吸附了水中大量的不溶性磷污染物[8]，植物的生長(zhǎng)也吸收了部分磷元素。

(4)高錳酸鹽指數(shù)的變化。由圖5可以看出，高錳酸鹽指數(shù)的截留波動(dòng)幅度較大，最小值為6.90%，出現(xiàn)在生態(tài)過濾系統(tǒng)建立之初；最大值為20.00%，出現(xiàn)在8月14日。就整個(gè)采樣周期而言，生態(tài)過濾系統(tǒng)的截留率依然是上升的趨勢(shì)，整個(gè)采樣期間高錳酸鹽指數(shù)的平均截留率為14.77%。生態(tài)過濾系統(tǒng)對(duì)CODMn的截留率較低主要是由于CODMn屬于有機(jī)物值，不易被植物以及微生物直接吸收利用，其去除主要依靠礫石以及植物形成的生物膜的阻留作用。

圖5 試驗(yàn)河段高錳酸鹽指數(shù)變化規(guī)律

在生態(tài)過濾系統(tǒng)穩(wěn)定后，點(diǎn)位1與點(diǎn)位3之間的變化較大，點(diǎn)位3與點(diǎn)位5之間的變化略小，說明礫石與植物生態(tài)系統(tǒng)對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的凈化效果要優(yōu)于生態(tài)袋過濾系統(tǒng)區(qū)域。

2.2 水生態(tài)的變化

(1)浮游動(dòng)物的變化。2015年6月-9月份對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行生態(tài)采樣，根據(jù)浮游動(dòng)物的定量水樣分析，試驗(yàn)區(qū)浮游動(dòng)物種類不少。包括橈足類的無節(jié)幼體和橈足幼體，6-9月份浮游動(dòng)物水樣鏡檢見到浮游動(dòng)物的種類共有57種，其中原生動(dòng)物19種，占總種類的33.3%；輪蟲25種，占43.9%；枝角類7種，占12.3%；橈足類6種，占10.5%。

6-9月試驗(yàn)區(qū)浮游動(dòng)物出現(xiàn)頻率較多的種類。原生動(dòng)物有：纖袋蟲、太陽(yáng)蟲、球形砂殼蟲；輪蟲有：螺形龜甲輪蟲、角突臂尾輪蟲、針簇多肢輪蟲、長(zhǎng)肢多肢輪蟲、刺蓋異尾輪蟲；枝角類有：短尾秀體溞、簡(jiǎn)弧象鼻溞；橈足類有：廣布中劍水蚤。此外還有無節(jié)幼體和橈足幼體。試驗(yàn)區(qū)見到的浮游動(dòng)物都屬普生性種類。

本次試驗(yàn)區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)置兩個(gè)站點(diǎn)，分別是試驗(yàn)區(qū)上游的點(diǎn)位1和試驗(yàn)區(qū)下游的點(diǎn)位5。兩個(gè)站點(diǎn)6-9月份水樣定量鏡檢中，鏡檢見到的砂殼蟲數(shù)量見圖6。

圖6 6-9月份兩站點(diǎn)水樣鏡檢砂殼蟲數(shù)量對(duì)比分析

原生動(dòng)物的多寡是影響試驗(yàn)區(qū)浮游動(dòng)物密度的第二大因素，并且對(duì)指示水體富營(yíng)養(yǎng)化和污染程度較有意義[9]。湖沼學(xué)研究、人工富營(yíng)養(yǎng)化實(shí)驗(yàn)及不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)湖泊中浮游生物比較均表明：原生動(dòng)物現(xiàn)存量一般隨富營(yíng)養(yǎng)化而增加。普遍認(rèn)為在受有機(jī)污染較重的水體，耐污種類形成優(yōu)勢(shì)且具有很高的數(shù)量[10,11]。由圖6可以看出：6月5號(hào)和6月12號(hào)站點(diǎn)5中有大量的耐污種砂殼蟲，并隨著日期的變化呈逐漸減少的趨勢(shì)；而站點(diǎn)1中砂殼蟲的數(shù)量變化不太明顯。說明生態(tài)過濾系統(tǒng)的建立對(duì)改善下游的生態(tài)環(huán)境起著積極的作用，對(duì)上游生態(tài)環(huán)境的影響較不明顯。

(2)浮游植物的變化。長(zhǎng)蕩湖實(shí)驗(yàn)區(qū)的2個(gè)樣點(diǎn)中，共觀察到浮游植物55屬，96種，其中綠藻門的種類最多，有28屬52種；其次是藍(lán)藻門，有11屬13種；硅藻門有8屬12種；裸藻門4屬10種；金藻門3屬3種；甲藻門3屬3種；隱藻門有2屬3種。浮游植物的主要優(yōu)勢(shì)種為綠藻門的小球藻屬一種、四尾柵藻和Monoraphidium contortum，硅藻門的小環(huán)藻屬一種、顆粒直鏈藻極狹變種，藍(lán)藻門的鏈狀偽魚腥藻、席藻一種，隱藻門的嚙蝕隱藻。除此之外，綠藻門的衣藻屬一種、實(shí)球藻、小型卵囊藻，隱藻門的藍(lán)隱藻，藍(lán)藻門的銅綠微囊藻、依沙束絲藻、細(xì)小平裂藻也具有較高的豐度。

圖7可見，實(shí)驗(yàn)初期兩樣點(diǎn)的浮游植物豐度基本相等，在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行兩周后，點(diǎn)位5的浮游植物豐度與點(diǎn)位1相比，下降了29.6%。隨著氣溫的升高，兩個(gè)樣點(diǎn)浮游植物的豐度都有不同程度的增大，但點(diǎn)位5浮游植物的豐度增加趨勢(shì)較為平緩，點(diǎn)位5浮游植物豐度比上1樣點(diǎn)減少了50.9%，說明點(diǎn)位5水生植物對(duì)浮游植物的增殖起到一定抑制作用。

圖7 實(shí)驗(yàn)期間兩樣點(diǎn)浮游植物豐度變化

從浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成上看(圖8)，浮游植物三大優(yōu)勢(shì)類群(藍(lán)藻門、綠藻門和硅藻門)中，點(diǎn)位1藍(lán)藻門的比例最大，在47.7%～73.3%之間波動(dòng)，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束藍(lán)藻門的比例為60.6%，與實(shí)驗(yàn)初期藍(lán)藻門的比例相當(dāng)。點(diǎn)位5藍(lán)藻門的比例相對(duì)較低，在25.0%～60.0%之間波動(dòng)，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束藍(lán)藻門的比例為37.7%，實(shí)驗(yàn)初期藍(lán)藻門的比例下降了14.8%。自實(shí)驗(yàn)中期開始，兩個(gè)樣點(diǎn)綠藻門的比例逐漸增加，但點(diǎn)位5綠藻門的比例整體大于點(diǎn)位1。此外，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，點(diǎn)位5藍(lán)藻門的優(yōu)勢(shì)種鏈狀偽魚腥藻的豐度與點(diǎn)位1相比，下降了21.4%，水華種銅綠微囊藻、卷曲魚腥藻的豐度分別下降了50.0%和73.9%，說明點(diǎn)位5水生植物的種植，抑制了藍(lán)藻門藻類的增殖，減少了藍(lán)藻水華發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 點(diǎn)位1與點(diǎn)位5各門類浮游植物比例變化

3 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)生態(tài)過濾系統(tǒng)水質(zhì)、浮游動(dòng)物以及浮游植物的研究，分析了其降解的一般過程，認(rèn)為該生態(tài)過濾系統(tǒng)能夠?qū)^境水質(zhì)有一定的改善作用，主要結(jié)論如下。

(1)根據(jù)水質(zhì)以及藻類的變化研究來看，東風(fēng)河建立的生態(tài)過濾系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)有明顯的改善，入湖的水質(zhì)有了一定的提升。

(2)通過對(duì)選取指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，可以看出，該生態(tài)過濾系統(tǒng)對(duì)污染物質(zhì)的凈化效果依次為氨氮>總氮>總磷>高錳酸鹽指數(shù)。

(3)該項(xiàng)研究成果對(duì)長(zhǎng)蕩湖流域的入湖治理以及類似河道的治理具有示范作用。

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