兩種生態(tài)凈化措施對水源水庫光學環(huán)境的影響

余柔柔,錢佳歡,朱宜平,張海平*

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兩種生態(tài)凈化措施對水源水庫光學環(huán)境的影響

余柔柔1,錢佳歡2,朱宜平3,張海平1*

(1.同濟大學環(huán)境科學與工程學院,上海 200092；2.中交上海航道勘察設計研究院有限公司,上海 200120；3.上海城投原水有限公司,上海 200050)

為了評估生態(tài)凈化措施對水體光學環(huán)境的影響,以上海金澤水庫為例,在微納米曝氣復氧和水生植物凈化兩種生態(tài)凈化措施前后布設采樣點進行了光學衰減系數(shù)(水體光合輻照度(PAR)衰減系數(shù))、真光層深度和透明度及相關水質指標的監(jiān)測和分析.結果表明:水生植物凈化和曝氣復氧凈化措施有利于水體光學環(huán)境的改善,經(jīng)微納米曝氣后,水體透明度增大20%~25%,真光層深度增大2.2%~14.8%,光學衰減系數(shù)降低0.4%~4.4%;經(jīng)水生植物凈化后,水體透明度增大20%~29.4%,真光層深度增大6%~20%,光學衰減系數(shù)降低17.3%~20.5%.逐步回歸結果表明不同生態(tài)凈化措施的光學環(huán)境改善機制不同,微納米曝氣主要通過葉綠素、溶解性有機物、溫度、溶解氧影響水體光學環(huán)境,水生植物凈化主要通過濁度影響水體光學環(huán)境.冬季,兩種生態(tài)凈化措施對總氮和溶解性有機物均沒有改善效果.

微納米曝氣；水生植物凈化；生態(tài)凈化；光學衰減系數(shù)；水體光學環(huán)境

湖泊水下光照對水生生態(tài)系統(tǒng)影響深刻,不僅影響浮游藻類、沉水植物的生長、繁殖,還決定了水體的初級生產(chǎn)力[1-2],浮游動物和魚類的捕食[3],因此有必要研究水下光場的特征,為水生生態(tài)系統(tǒng)的變化及水體富營養(yǎng)化研究提供基礎數(shù)據(jù).

已有大量針對如Apopka湖[4-5]、太湖[6-7]、三峽支流[8]、巢湖[9-10]、丹江口水庫[11]、長江中下游淺水湖泊[12]等主要富營養(yǎng)化湖庫水體的光學衰減特性和透明度、真光層深度的研究,研究表明,光的衰減主要影響因素有四方面,分別是純水自身、水體溶解性有機物、懸浮顆粒物和葉綠素a.學者針對純水自身、水體溶解性有機物、懸浮顆粒物、葉綠素a等消光因子對不同波長光的衰減效應做過大量分析,同時也得出了一些與光的衰減有關的參數(shù)化的結果[13-14],為各光學指標的數(shù)學模擬提供了很好的模型支撐.然而,這些研究多集中在一些天然湖泊,針對人工型水源湖庫的研究較少.所謂人工型水源湖庫,指的是為滿足水質提升的要求,人工生態(tài)凈化技術諸如人工曝氣[15-17]、水生植物強化凈化[18-19]等在景觀水體和湖泊河流的廣泛應用.其中,水體曝氣作為一種投資少、見效快的治理技術得到廣泛應用,我國常用曝氣設備溶氧率低、能耗高,微納米氣泡發(fā)生裝置能生產(chǎn)直徑在50μm和數(shù)十nm之間的微小氣泡,溶氧效率高;水生植物凈化技術利用水生植物治理水體富營養(yǎng)化,由于具有凈化效果好、投資少,并且不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點,越來受到人們的廣泛重視和研究.從提升水體景觀與改善水質的角度出發(fā),人們通常在水域內(nèi)種植浮水植物、挺水植物、沉水植物等水生植物[18-19],通過植物的吸附、沉淀等作用改善水體污染狀況,提升水域自凈能力[21-22].近年來,還出現(xiàn)了納米吸附膜、沸石床面、物理化學試劑等各種水體生態(tài)凈化措施[21,23-24].

當下針對人工湖庫研究較多的是富營養(yǎng)化條件下人工生態(tài)凈化措施的氮磷等的去除效果[25-26]及對水質的影響[27].有關人工生態(tài)凈化措施對水體光學環(huán)境的影響鮮見報道.金澤水庫是典型的人工水源水庫,布設有多種人工生態(tài)凈化措施,目前還沒有學者研究金澤水庫人工凈化措施對光學環(huán)境的影響,本文以金澤水庫這一水源水庫為例,針對人工生態(tài)凈化措施對水體光學環(huán)境的影響展開研究和分析,為其他人工水源水庫的生態(tài)光學影響提供數(shù)據(jù)支撐,為水源地生態(tài)規(guī)劃的完善提供思路,有利于水體富營養(yǎng)化的預防.由于金澤水庫處于運行初期階段,因此本研究針對秋冬季基于上海金澤水庫的野外原位水下光場的測定和實驗室分析,得到微納米曝氣和水生植物凈化兩種生態(tài)凈化措施對光學衰減系數(shù)、透明度、真光層深度的影響.

1 材料與方法

1.1 樣點布設

金澤水庫位于上海市青浦區(qū)金澤鎮(zhèn),于2016年12月29日正式投入使用.水庫占地面積約2.7km2,水面積1.92km2,總庫容約910萬m3,根據(jù)各功能區(qū)的分布、近岸環(huán)境等情況,于2017年11月21日和2018年1月17日在金澤水庫進行了2次采樣.金澤水庫生態(tài)凈化措施由水生植物凈化及微納米曝氣復氧構成.微納米氣泡發(fā)生裝置主要由發(fā)生裝置、微納米曝氣頭及連接管件組成.通過水泵加壓,由曝氣頭內(nèi)部的曝氣石高速旋轉,在離心作用下,使其內(nèi)部形成負壓區(qū),空氣通過進氣口進入負壓區(qū),在容器內(nèi)部分成周邊液體帶和中心氣體帶,由高速旋轉的氣石出氣,將空氣均勻切割成直徑5~30μm的微納米氣泡.由于氣泡細小,不受空氣在水中溶解度的影響,不受溫度、壓力等外部條件限制,可以在水體中長時間停留,具有良好的氣浮效果[28-29].水庫共設30套微納米氣泡發(fā)生裝置,左右河岸各15套并聯(lián)排列.設備特點是采用純度達93%~96%的氧氣作為氣源,產(chǎn)生超飽和狀態(tài)的微納米氣泡水,設備運行功率為7.5kW,增氧流量為20m3/h,進口管徑DN40,出口管徑DN50.金澤水庫采用沉水植物和挺水植物結合的生態(tài)凈化方式,沉水植物種植面積12000m2,種類為苦草和輪葉黑藻,各6000m2,挺水植物種植面積為41300m2,種類為蘆葦、千屈菜、小葉香蒲等,挺水植物種植7~8月完成,沉水植物種植9月完成.分別在微納米曝氣區(qū)和水生植物凈化區(qū)的上下游各布置1個測量點位,見圖1.1#(31°01'40.7"N;120°56'33.6"E), 2#(31°01'45.4"N;120°56'33.2"E),3#(31°02'28.8"N;120°56'40.6"E),4#(31°02'02.6"N;120°57'23.3"E),其中, 1#點位和2#點位分布在微納米曝氣區(qū)進出口(前后)位置,3#和4#點位分布在水生植物凈化區(qū)進出口(前后)位置.

圖1 微納米曝氣區(qū)和水生植物凈化區(qū)前后采樣點布置

1.2 測定方法

光合輻照度(PAR)的測定選用LICOR192SA水下光量子儀(美國LICOR公司),分水下0、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5m共8層來測定,每個水深測量10次,用平均值代替該層數(shù)據(jù).透明度采用塞式圓盤法測定.濁度和葉綠素a、溶解性有機物、溫度、溶解氧采用YSI-EXO2多參數(shù)水質分析儀測定.水樣采自表層0.5m深度處,總氮采用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法(GB 11894-89)[30]測定.真光層深度為水柱中支持凈初級生產(chǎn)力的部分,又稱光合層厚度、光補償深度,浮游植物基本上分布在這一層,采用1%表面光強深度統(tǒng)計[31].

1.3 數(shù)據(jù)處理

PAR在光學性質均一的水體中的衰減遵從下列衰減規(guī)律[32]:

式中:K為光學衰減系數(shù),m-1;為從湖面到測量處的深度,m;E(PAR,)為深度處的向下輻照度;E(PAR,0)為水面起始向下輻照度.K值通過對不同深度水下PAR強度進行指數(shù)回歸得到,回歸效果只有當230.95、深度數(shù)33時其值才被接受,否則視為無用值[33].

各指標變化趨勢采用Origin2017軟件完成,簡單線性相關、一元線性回歸和多元逐步回歸均采用SPSS 23.0完成,<0.05表示結果差異顯著,<0.01表示結果差異極顯著.

2 結果與討論

2.1 水體光學指標的變化

用于求解K的指數(shù)回歸決定系數(shù)均在0.95以上,表明可利用式(1)計算有效光學衰減系數(shù).經(jīng)測量或計算得到的光學衰減系數(shù)、透明度和真光層深度的變化情況見圖2.

表1 各光學指標間的相關性(R2)

注:***￡0.001;**￡0.01;*￡0.05.

經(jīng)微納米曝氣后,水體透明度增大20%~25%,真光層深度增大2.2%~14.8%,光學衰減系數(shù)降低0.4%~4.4%;經(jīng)水生植物凈化后,水體透明度增大20%~29.4%,真光層深度增大6%~20%,光學衰減系數(shù)降低17.3%~20.5%.說明經(jīng)微納米曝氣和水生植物凈化后,可被生物利用的光環(huán)境空間在增加,水生環(huán)境得到改善.同時,根據(jù)表1,水體透明度和光學衰減系數(shù)呈顯著負相關,和真光層深度呈顯著正相關.這與張運林等[34]、張彥等[35]的研究結果一致.

2.2 水體各光學影響因子的變化

光學影響因子種類眾多,變化復雜,選擇監(jiān)測因子溶解氧、水溫,變化情況見圖3,秋季水溫14℃左右,溶解氧8mg/L左右,冬季水溫6.5℃左右,溶解氧11mg/L左右,對某一季節(jié)來說,微納米曝氣前后水溫和溶解氧變化不明顯.

由圖3可見,從曝氣前后和水生植物凈化前后數(shù)據(jù)對比,水體葉綠素a表現(xiàn)為曝氣后變化不明顯;水生植物凈化后增加12.1%~17.5%,葉綠素a增加可能是因為水生植物凈化區(qū)水體流速較緩[36].溶解性有機物經(jīng)曝氣后秋季略有下降,冬季升高;經(jīng)水生植物凈化后下降幅度增大,冬季略有升高這是因為冬季低溫環(huán)境下,微生物的代謝活動降低或接近停止,水生植物腐敗分解的廢棄物增多.水體濁度經(jīng)曝氣后降低6.3%~31.8%,濁度變化表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化,冬季變化比秋季明顯,其機理有待進一步分析;經(jīng)水生植物凈化后降低27.3%~33.3%,秋季,總氮經(jīng)曝氣后降低31.8%,經(jīng)水生植物凈化后降低27.3%,冬季總氮和溶解性有機物不降反升,說明曝氣和凈化對TN沒有去除效果,這與貢湖夏季生態(tài)修復區(qū)對總氮稀釋凈化效率高達73.20%的結果[37]截然不同,這是因為冬季低溫環(huán)境下,微生物的代謝活動降低或者接近停止,微生物、植物的凈化效果較差,凈化能力降低,植物腐敗分解釋放氮氣增多.

圖3 生態(tài)凈化措施前后光學影響因子變化

Fig.3 Change of main extinction factors by ecological purification

2.3 生態(tài)凈化措施對水體光學指標的影響機制討論

水庫的理化因子對各光學指標的大小有著間接或直接的影響,根據(jù)表1可知各光學指標間相關性顯著,選擇其中一個指標光學衰減系數(shù)進行機制分析.

2.3.1 微納米曝氣 經(jīng)過逐步回歸方程得到各監(jiān)測點位理化因子與光學衰減系數(shù)間的線性方程見表2.根據(jù)表2,微納米曝氣區(qū)光學衰減系數(shù)和溶解性有機物、溫度顯著負相關,與葉綠素a、溶解氧顯著正相關,相關系數(shù)均在0.9以上,表明納米曝氣主要通過影響葉綠素a和溶解性有機物、溫度及溶解氧影響光學衰減系數(shù).單從某個季節(jié)曝氣區(qū)溶解氧變化情況來看,該納米曝氣的曝氣效果不明顯,因此有必要加強曝氣裝置的曝氣效果從而進一步減小光在水中的衰減.

表2 曝氣區(qū)各指標線性回歸方程

注: DO-溶解氧,T-溫度,Chl-a-葉綠素a,Turbidity-濁度,FDOM-熒光溶解性有機物,TN-總氮.

各理化因子間的Pearson相關系數(shù)及其檢驗結果見表3,根據(jù)表3,光學衰減系數(shù)的顯著影響因子葉綠素a與溶解性有機物顯著負相關,主要原因是因為溶解性有機物來源復雜,可能來自懸浮物的光降解,浮游植物的腐爛降解及其他植被[11].葉綠素a與濁度顯著正相關,表明納米曝氣也可能通過濁度影響光,這是因為濁度包括浮游植物和葉綠素a,但從變化值來看,幾次監(jiān)測得到的表層濁度值較小,懸浮質濃度引起的光學指標變化因此也顯的不那么明顯,有待進一步研究.

表3 曝氣區(qū)各水質指標間的相關性分析(R2)

2.3.2 水生植物凈化 經(jīng)回歸和逐步回歸方程得到水生植物區(qū)各監(jiān)測點位理化因子與光學衰減系數(shù)間的線性方程見表4.回歸結果表明水生植物主要通過濁度作用影響光學衰減系數(shù).水生植物可以通過莖葉攔截、吸附水中顆粒物質且通過顆粒物質吸收水中可溶性營養(yǎng)鹽、吸附有機物,濁度主要是表現(xiàn)水中懸浮物對光線透過時所發(fā)生的阻礙程度,既反映水的表觀質量,也反映水的內(nèi)在質量[38],因此水生植物主要通過濁度影響增加了可被生物利用的光環(huán)境空間.各理化因子間的Pearson相關系數(shù)及其檢驗結果見表5,由于光學衰減系數(shù)和濁度正相關,而根據(jù)表5,濁度又和溶解性有機物、溫度、溶解氧相關,因此光學衰減系數(shù)和溶解性有機物、溫度、溶解氧偏相關,光學衰減系數(shù)和溶解性有機物、溫度、溶解氧偏相關,這是因為懸浮泥沙會通過吸收、散射可見光從而影響光的入射效果,而光合作用產(chǎn)生有機物的主要參與指標包括溶解氧、溫度等,另外,溶解氧的變化可能會影響藻類的生長與消亡,所以溶解氧、溫度也是光場重要的影響因子.

表4 水生植物凈化區(qū)各指標線性回歸

表5 水生植物凈化區(qū)各水質指標間的相關性分析(R2)

3 結論

3.1 微納米曝氣和水生植物凈化措施有利于增大水體透明度和真光層深度,降低水體光學衰減系數(shù),微納米曝氣和水生植物凈化有利于水體光學環(huán)境改善.上海金澤水庫水體經(jīng)微納米曝氣后,透明度增大20%~25%,真光層深度增大2.2%~14.8%,光學衰減系數(shù)降低0.4%~4.4%;經(jīng)水生植物凈化后,透明度增大20%~29.4%,真光層深度增大6%~20%,光學衰減系數(shù)降低17.3%~20.5%,增加了可被生物利用的光環(huán)境空間.

3.2 冬季,光學影響指標(總氮和溶解性有機物)不降反升,微納米曝氣和水生植物凈化兩種凈化措施對光學影響指標(總氮和溶解性有機物)均沒有去除效果.

3.3 兩種生態(tài)凈化措施對光學指標的影響機制不同.回歸和相關性分析結果表明,曝氣主要通過葉綠素a、溶解性有機物、溫度和溶解氧影響光學環(huán)境,水生植物凈化主要通過濁度的作用影響光學環(huán)境.

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致謝：本研究的野外采樣工作得到了金澤水庫管理公司的大力協(xié)助,在此表示感謝.

Influence of two ecological purification measures on water optical environment in a source water reservoir.

YU Rou-rou1, QIAN Jia-huan2, ZHU Yi-ping3, ZHANG Hai-ping1*

(1.Department of Environmental Science, Tongji University, Shanghai 200092；2.Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co., Ltd, Shanghai 200120, China；3.Shanghai Chengtou Raw Water, Ltd., Shanghai 200050, China)., 2019,39(2)：785~791

Photosynthetic active radiation (PAR) attenuation coefficient, euphotic depth, transparency and related water quality indices were measured in Jinze Reservoir in Shanghai to evaluate the influence of two ecological purification measures, i.e., aquatic plant purification and micro nano aeration, on water optical environment. Results showed that the two ecological purification measures could significantly improve the water optical environment. After aeration, transparency was increased by 20%~25% and euphotic depth by 2.2%~14.8%; PAR attenuation coefficient was decreased by 0.4%~4.4%. After aquatic plant purification, transparency was increased by 20%~29.4% and euphotic depth by 6%~20%; PAR attenuation coefficient was reduced by 17.3%~20.5%. The panel regressions results indicated that the influence mechanism of these two ecological purification measures were different. The water optical environment was improved by the micro nano aeration through control of chlorophyll, dissolved organic matter, temperature and dissolved oxygen, while it was improved by aquatic plants through turbidity control. On the other hand, the two ecological purification measures had no influence on the removal of total nitrogen and dissolved organic matter in winter.

micro nano aeration；aquatic plant purification；ecological purification；photosynthetic attenuation coefficient；aquatic water environment

X524

A

1000-6923(2019)02-0785-07

余柔柔(1992-),女,江西上饒人,同濟大學碩士研究生,主要從事水環(huán)境治理和富營養(yǎng)化模擬.

2018-07-14

國家“十三五”水專項子課題(2017ZX07207003-02)

* 責任作者, 教授, hpzhang@#edu.cn