溫瑞塘河冬季水質(zhì)晝夜變化研究

王振峰 何曉虎 陳序立 黃宏

摘 要：受太陽輻射變化的影響，河流水質(zhì)具有不可忽略的晝夜變化性。本文以溫瑞塘河流域為研究區(qū)域，研究生態(tài)修復(fù)河段與對照河段冬季水質(zhì)的晝夜變化規(guī)律。結(jié)果表明，不論是生態(tài)修復(fù)河道還是對照河道，其水質(zhì)均具具有不可忽視晝夜變化現(xiàn)象。特別是生態(tài)修復(fù)河道和對照河道DO的晝夜變化規(guī)律差別較大，說明人工增氧能夠強烈影響DO，進而改變硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)條件，影響氮素的晝夜變化。磷素在河流中顯得相對保守，單純依靠簡單的人工增氧難以大幅度地改變水體TP濃度。對于平原河網(wǎng)嚴重污染河道，只有將生態(tài)疏浚、人工增氧、生態(tài)護坡、人工濕地等多措施有機整合，才能實現(xiàn)水質(zhì)的根本性改善。

關(guān)鍵詞：水質(zhì);晝夜變化;曝氣增氧;溫瑞塘河

中圖分類號：X824 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0005-04

科學(xué)地監(jiān)測和評價河流水質(zhì)是開展水環(huán)境保護的重要基礎(chǔ)。受太陽輻射變化的影響，河流水質(zhì)具有不可忽略的晝夜變化性。假如忽略水質(zhì)參數(shù)的晝夜變化，隨意在各種時間段進行水質(zhì)監(jiān)測，獲得的數(shù)據(jù)將無法客觀、準確地反映河流的水質(zhì)。例如，春季的溫瑞塘河、夏季的三垟濕地[5]、春季的南盤河[10]等河流的水質(zhì)參數(shù)都具有不可忽略的晝夜變異性。但是，在以往的河流水質(zhì)監(jiān)測中，往往忽略了水質(zhì)晝夜變化的重要性，在監(jiān)測時間的選擇上存在很大的隨意性，可能導(dǎo)致水質(zhì)評價結(jié)果有失客觀。

由于環(huán)境保護長期滯后于經(jīng)濟社會發(fā)展，我國許多地區(qū)地表水水質(zhì)遭受極大破壞。江浙地區(qū)是典型的平原河網(wǎng)地區(qū)，由于河網(wǎng)水交換能力弱，加上工業(yè)發(fā)達和人口聚集，導(dǎo)致水質(zhì)嚴重惡化。為此，平原河網(wǎng)地區(qū)不得不采取工程修復(fù)和生態(tài)修復(fù)等手段來改善水質(zhì)，曝氣增氧則是應(yīng)用作為廣泛的手段之一。目前，有關(guān)河流水質(zhì)變化規(guī)律的研究主要集中于自然河段的季節(jié)變化和晝夜變化，關(guān)于生態(tài)修復(fù)河段水質(zhì)的晝夜變化還鮮有報道。本文以溫瑞塘河流域為研究區(qū)域，研究生態(tài)修復(fù)河段與對照河段水質(zhì)的晝夜變化規(guī)律，確定最佳的水質(zhì)監(jiān)測時間段，為科學(xué)地監(jiān)測和評價河流水質(zhì)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域簡介

溫瑞塘河位于甌江以南、飛云江以北的溫瑞平原，主河道全長33.85公里，水系河網(wǎng)總長度1178.4公里。由于歷史上大量污染物被排放入河、大量河道被填埋侵占，導(dǎo)致水質(zhì)惡化、河道淤積等問題日益嚴重，許多河道變成了“黑臭河”。自2013年以來，溫州市全面推進“五水共治”，已在一定程度上遏制了水環(huán)境惡化的勢頭。

研究河段位于茶山高教園區(qū)，分別為舜岙河（A）和橫江河上（B），詳見圖1。舜岙河長約200m，平均寬度20m;橫江河長約250m，平均寬度25m。舜岙河和橫江河均位于溫州醫(yī)科大學(xué)茶山校區(qū)教學(xué)區(qū)內(nèi)，周圍沒有工業(yè)點源污染，以生活污染為主。但是，橫江河靠近舜岙村和南柳美食街，可能還受農(nóng)村生活污水和餐飲污水的影響。自2015年9月以來，浙南水科學(xué)研究院在舜岙河實施生態(tài)修復(fù)工程，主要修復(fù)措施為曝氣增氧，還配套有人工濕地、生態(tài)浮床和生態(tài)護坡。橫江河無生態(tài)修復(fù)工程，為對照河段。

1.2 水質(zhì)監(jiān)測方法

水質(zhì)監(jiān)測日期為2016年1月9日～10日，監(jiān)測期間天氣為多云，每隔2h監(jiān)測一次表層水的水質(zhì)。水質(zhì)參數(shù)包括溫度（TM）、溶解氧（DO）、pH、總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）、總磷（TP）和磷酸鹽（PO43--P）。TM、EC、DO和pH用YSI6920多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀現(xiàn)場測定。其余指標用聚乙烯瓶采集，加入固定液放入便攜式冷藏箱保存，帶回實驗室分析。TN的測定方法為堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，NH4+-N的測定方法為靛酚藍比色法，NO3--N的測定方法為紫外分光光度法，TP的測定方法為鉬酸銨分光光度法。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和繪圖分別在SPSS軟件和Origin軟件中進行。用SPSS軟件進行數(shù)據(jù)的獨立樣本T檢驗，用Origin繪制數(shù)據(jù)的散點圖和箱式圖?？紤]到水質(zhì)存在晝夜變化的現(xiàn)象，在不同的時間段監(jiān)測水質(zhì)可能會得出不同的結(jié)論，將折線圖和箱式圖相結(jié)合，通過觀察水質(zhì)的動態(tài)變化及其分位數(shù)，直觀地確定最佳的水質(zhì)監(jiān)測時間段。

2 結(jié)果與討論

2.1 TM、DO和pH的晝夜變化

生態(tài)修復(fù)河段和對照河段TM的晝夜變化折線圖和箱式圖見圖2-1～2-3。生態(tài)修復(fù)河段和對照河段TM晝夜變化規(guī)律相似，晚上20點以后逐漸下降，到次日10點降到低谷，然后逐漸上升。水體TM主要太陽輻射的影響，晝夜變化規(guī)律很明顯，即入夜后迅速下降，次日白天隨著光照強度的增強逐漸上升[5]。至于兩個河段10點以后才開始上升，原因在于監(jiān)測日為陰天，水體TM上升的速度滯后較長時間。兩個河段TM濃度在12點～18點接近中位數(shù)，在該時間段開展水質(zhì)監(jiān)測最具有代表性。

河流水體DO濃度主要受光合作用和呼吸作用的影響[1]。生態(tài)修復(fù)河段和對照河段DO的晝夜變化折線圖和箱式圖見圖2-2a和b。白天由于水生植物和藻類光合作用的增強，產(chǎn)生的氧氣大于水生有機體呼吸消耗的氧氣，因而溶解氧會增加，在夜間則相反。如圖2-2b所示，對照河段DO濃度在6點～14點期間達到一個較高的平臺，入夜以后有所下降，這根以往對溫瑞塘河水質(zhì)晝夜變化的研究結(jié)果相符[5]。但是，生態(tài)修復(fù)河段DO濃度的變化情況卻顯得比較雜亂，在12點～18點期間能夠維持在一個較高水平，原因可能是曝氣增氧、人工濕地、生態(tài)浮床等工程措施的影響。生態(tài)修復(fù)河段和對照河段DO濃度分別在6點～8點和8點～10點接近中位數(shù)，在該時間段開展水質(zhì)監(jiān)測最具有代表性。

與DO類似，河流水體中pH的變化受很多因素影響，其中最重要的是有機體的呼吸作用和植物/浮游植物的光合作用[7]。有機體的呼吸能產(chǎn)生二氧化碳，光合作用能消耗二氧化碳。二氧化碳可溶于水，具有弱酸性，因而可以影響pH的晝夜變化。由圖3-3a和b可見，生態(tài)修復(fù)河段和對照河段pH的晝夜變化規(guī)律很相似，入夜以后光合作用停止而呼吸作用不停，有機體呼吸產(chǎn)生的二氧化碳導(dǎo)致水體酸性增加，因而pH值較低，白天則恰恰想反。生態(tài)修復(fù)河段和對照河段pH分別在4點～14點和4點～10點接近中位數(shù)，在該時間段開展水質(zhì)監(jiān)測最具有代表性。

2.2 氮素和磷素的晝夜變化

在研究區(qū)域的生態(tài)修復(fù)河段和對照河段，氮素污染程度較高，NH4+-N濃度的平均值分別為Ⅴ類和劣Ⅴ類，在每年的5～9月份期間，河道都會出現(xiàn)浮萍大量增值，甚至導(dǎo)致大量魚類因缺氧而死亡，進一步控制養(yǎng)分污染將是未來改善水質(zhì)的關(guān)鍵所在。生態(tài)修復(fù)河段和對照河段TN、NH4+-N、NO3--N和TP的晝夜變化折線圖和箱式圖見圖3-1～圖3-4。

由圖3-1a可見，生態(tài)修復(fù)河段TN濃度的晝夜變化規(guī)律很明顯，晚上20點至次日12點具有緩慢下降趨勢，但是隨后迅速上升，到18點達到峰值。原因可能是生態(tài)修復(fù)河段DO濃度在12點～18點期間能夠維持在一個較高水平（圖3-1a），充足的溶解氧有利于硝化反應(yīng)而抑制了反硝化反應(yīng)[7]。相比之下，對照河段TN濃度的晝夜變化顯得雜亂，呈不規(guī)則波動（圖3-1b），跟DO的變化規(guī)律相似（圖2-2b）。晚上20點至次日12點具有緩慢下降趨勢，但是隨后迅速上升，到18點達到峰值。從水質(zhì)監(jiān)測角度，生態(tài)修復(fù)河段TN分別在8點～14點和4點～10點接近中位數(shù)，對照河段在8點和14點接近中位數(shù)，在該時間段開展水質(zhì)監(jiān)測最具有代表性。

河流水體中TN的主要形態(tài)是NH4+-N和NO3--N，這二者的變化決定了TN的變化。由3-2a和b可見，生態(tài)修復(fù)河段和對照河段NH4+-N濃度的晝夜變化規(guī)律比較相似，在夜間濃度較低而且相對平穩(wěn)，在白天濃度較高而且波動較為劇烈。一方面原因是夜間生活污水排放較少，而白天生活污水較多;另一方面原因是白天隨著光照強度以及水體溶解氧的波動，硝化反應(yīng)的速率也隨著改變，NH4+-N被轉(zhuǎn)化為NO3--N速率也隨之改變[8]，進而影響了NH4+-N的晝夜變化。從科學(xué)開展水質(zhì)監(jiān)測的角度，生態(tài)修復(fù)河段和對照河道的NH4+-N分別在10點和12點接近中位數(shù)，在該時間段開展水質(zhì)監(jiān)測最具有代表性。

生態(tài)修復(fù)河段和對照河段NO3--N濃度的晝夜變化規(guī)律差別很大（圖3-3）。生態(tài)修復(fù)河段NO3--N濃度在20點至次日14點濃度較低而且相對平穩(wěn)，隨后迅速上升，這跟生態(tài)修復(fù)河段TN濃度的晝夜變化規(guī)律相似。由于生態(tài)修復(fù)河段DO濃度在12點～18點期間能夠維持在一個較高水平（圖2-2a），有利于硝化反應(yīng)而抑制了反硝化反應(yīng)[7]，因而14點以后NO3--N濃度迅速上升。生態(tài)修復(fù)河段NO3--N和TN濃度的平均值分別為3.302/mg·L-1和4.373/mg·L-1，二者比值達到0.76，說明生態(tài)修復(fù)河段的NO3--N濃度的晝夜變化影響了TN。對照河段NO3--N濃度在20點至次日10點濃度較高而且相對平穩(wěn)，但是隨后卻迅速下降（圖3-3b），對照河段DO濃度在12點以后也降到一個低谷（圖2-2b），這說明了DO濃度的下降減少了NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N的速率。因此，生態(tài)修復(fù)河段和對照河道的NO3--N分別在10點～16點和8點～10點接近中位數(shù)，在該時間段開展水質(zhì)監(jiān)測最具有代表性。

生態(tài)修復(fù)河段和對照河段TP濃度晝夜變化折線圖和箱式圖見圖3-4。生態(tài)修復(fù)河段TP濃度從晚上20點至次日16點具有上升趨勢，隨后迅速下降，到18點達到波谷（圖3-4a）。對照河段TP濃度從晚上20點至次日12點具有上升趨勢，隨后迅速下降，到14點達到波谷，隨后開始上升（圖3-4b），與TM的晝夜變化趨勢恰恰相反（圖2-1a）。隨著外源污染逐步得到有效控制，底泥已成為影響上覆水體水質(zhì)的重要因素[9]。在適宜條件下，在底泥中蓄積的污染物會通過擴散、解吸等方式重新釋放進入上覆水體，是影響河流水質(zhì)的重要二次污染源[3]。水溫下降，有利于底泥吸附水體中的磷，導(dǎo)致水體TP濃度下降;水溫上升，有利于底泥釋放吸附的磷，導(dǎo)致水體TP濃度上升。生態(tài)修復(fù)河段和對照河段TP的晝夜變化，原因可能是底泥的污染釋放。生態(tài)修復(fù)河段和對照河段，TP濃度分別在12點～14點和16點～18點接近中位數(shù)，在該時間段開展水質(zhì)監(jiān)測最具有代表性。

2.3 水質(zhì)晝夜變化規(guī)律對水環(huán)境保護的啟示

通過對生態(tài)修復(fù)河道和對照河道24h的連續(xù)水質(zhì)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)其水質(zhì)均具有不同程度的晝夜變化現(xiàn)象。對于沒有開展生態(tài)修復(fù)的河道，導(dǎo)致水質(zhì)晝夜變化的直接原因是太陽輻射的變化，太陽輻射的變化影響了水生植物/浮游植物的光合作用和有機體的呼吸作用，導(dǎo)致水體TM、DO和pH的變化，進而影響了各種污染物的晝夜變化。對于生態(tài)修復(fù)河道，除了受太陽輻射晝夜變化的影響，還受到曝氣增氧、人工濕地、生態(tài)浮床等工程措施的影響，各個水質(zhì)參數(shù)也不斷發(fā)生著晝夜變化。本文將野外實驗、室內(nèi)分析和統(tǒng)計分析相結(jié)合，通過觀察水質(zhì)的動態(tài)變化及其分位數(shù)，直觀地確定最佳的水質(zhì)監(jiān)測時間段，為科學(xué)地監(jiān)測和評價河流水質(zhì)提供了依據(jù)。

根據(jù)生態(tài)修復(fù)河道和對照河道TM、DO和pH的晝夜變化的分析，發(fā)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)河道和對照河道DO的晝夜變化規(guī)律差別較大，意味著生態(tài)修復(fù)（特別是人工增氧）能夠改變了DO這個重要參數(shù)的晝夜變化，進而能夠改變硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)的條件，影響氮素的晝夜變化。但是，磷素在河流中顯得相對保守，單純依靠簡單的人工增氧難以大幅度地降低水體TP濃度。國內(nèi)外許多河流和湖泊在外源污染得到有效控制的情況下，水質(zhì)在一定時期內(nèi)仍沒有得到明顯的改善，主要原因就在于內(nèi)源污染的持續(xù)影響[2，4]。對溫瑞塘河生態(tài)修復(fù)河道和對照河道TP的晝夜變化研究結(jié)果表明，底泥是水體TP的“源”和“匯”，水體TP濃度的晝夜變化，很大程度上是因為水溫的變化引起了土-水界面TP的吸附-解吸附的改變。為此，將來的河道生態(tài)修復(fù)，要將生態(tài)疏浚、人工增氧、生態(tài)護坡、人工濕地等多種工程措施有機整合，才能實現(xiàn)水質(zhì)的根本性改善。

3 結(jié)語

不論是生態(tài)修復(fù)河道還是對照河道，其水質(zhì)均具具有不可忽視晝夜變化現(xiàn)象。只有將野外實驗、室內(nèi)分析和統(tǒng)計分析相結(jié)合，通過觀察水質(zhì)的動態(tài)變化及其分位數(shù)，才能確定最佳的水質(zhì)監(jiān)測時間段，科學(xué)、客觀地監(jiān)測和評價河流水質(zhì)。

生態(tài)修復(fù)河道和對照河道DO的晝夜變化規(guī)律差別較大，意味著人工增氧能夠強烈影響DO，進而改變硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)條件，影響氮素的晝夜變化。磷素在河流中顯得相對保守，單純依靠簡單的人工增氧難以大幅度地降低水體TP濃度。只有將生態(tài)疏浚、人工增氧、生態(tài)護坡、人工濕地等多種工程措施有機整合，才能實現(xiàn)水質(zhì)的根本性改善。

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