小型河流清淤與行船控制的水質(zhì)效應(yīng)分析

顧艷 丁麗花 黃和 肖孟陽 劉茂松

摘要?江蘇吳江同里國家濕地公園在其合理利用區(qū)設(shè)計(jì)并聯(lián)交叉水系，使行船河道與不行船河道并聯(lián)且保持水體交換，輔以河道清淤以控制水體富營養(yǎng)化。為研究并聯(lián)水系、行船控制及清淤工程的生態(tài)效應(yīng)，2016年12月和2017年4月分別選取研究地互相連通的行船河道與不行船河道，在清淤段、未清淤段采集水樣，比較行船控制及清淤的水質(zhì)差異，為小型河道的生態(tài)修復(fù)與合理利用提供技術(shù)參考。結(jié)果發(fā)現(xiàn)12月和4月行船河道水體TP濃度均略高于相應(yīng)的不行船河道，而在12月行船河道TN濃度略低于不行船河道，在4月行船河道TN濃度卻略高于不行船河道。在12月和4月行船河道清淤段TN、NH4+-N、NO3--N濃度均低于未清淤段，而在4月清淤段TP濃度低于未清淤段，在12月清淤段TP濃度高于未清淤段;在2個(gè)時(shí)段，不行船河道清淤段NH4+-N、NO3--N濃度也低于未清淤段，但清淤段水體TP濃度高于未清淤段。并聯(lián)交叉水系及行船控制可增加不同河段間水體水質(zhì)的異質(zhì)性，促進(jìn)營養(yǎng)元素在不同河道間的轉(zhuǎn)移與再分配;在人為擾動(dòng)較大的行船河道，清淤有較顯著的水質(zhì)改善效果，但在人為擾動(dòng)較小的不行船河道，不清淤更有利于水體中TP保持較低濃度。

關(guān)鍵詞?富營養(yǎng)化;并聯(lián)交叉水系;擾動(dòng);生態(tài)修復(fù)

中圖分類號(hào)?X?832文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A

文章編號(hào)?0517-6611（2020）01-0065-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.01.021

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Effects of Dredging and Boating Control on Water Quality in Small Rivers

GU Yan1， DING Li?hua1， HUANG He2 et al

（1.School of Life Sciences， Nanjing University， Nanjing， Jiangsu 210023; 2.Jiangsu Tongli National Wetland Park， Suzhou， Jiangsu 215216）

Abstract?Crossed parallel water system （CPWS） and dredging have been implemented to control eutrophication in small rivers in Tongli National Wetland Park. In the CPWS， water exchange can be maintained; boating is allowed in one river but not in the parallel river. To study the effects of CPWS， boating control and dredging， water samples were collected from dredged and undredged sections in the CPWS to analyze the effects of boating and dredging on water quality in December， 2016 and April， 2017. The obtained research results may be taken as technical references for the ecological restoration and rational use of small rivers. First， compared with rivers without boating， the concentration of TP in boating rivers was higher， but the concentration of TN in boating rivers was relatively lower in December and was higher in April. Second， in the boating rivers， the concentrations of TN， NH4+?N and NO3-?N were lower in the dredging sections than those in the undredged sections in December and April while the concentration of TP was also lower in April but higher in December in the dredging sections. In the dredged sections of rivers without boating the concentrations of NH4+?N and NO3-?N were lower but the concentration of TP was higher in both December and April. Our study showed that the design of crossed parallel water system could increase the heterogeneity of water quality and promote the transfer and redistribution of nutrients among rivers. Dredging was effective in improving water quality under relatively strong disturbance. No dredging was of great help to keep the concentration of TN low in water when disturbance was weak.

Key words?Eutrophication;Crossed parallel water system;Disturbance;Ecological restoration

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，面源輸入占河流和湖泊營養(yǎng)物質(zhì)負(fù)荷總量的60%～80%[1-2]，是河流湖泊水體營養(yǎng)物質(zhì)的主要來源[3-4]。位于集水區(qū)上游末端的小型河流作為陸地與水域的連接體，是陸地生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)鹽、污染物及固體懸浮物等進(jìn)入大型河流、湖泊水體的主要通道[5-7]。小型河道是數(shù)量最多的淡水環(huán)境之一，在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用[8]。對小型河流等小微濕地的生態(tài)修復(fù)可有效減少進(jìn)入河流、湖泊的營養(yǎng)負(fù)荷，是從源頭修復(fù)濕地生態(tài)系統(tǒng)、控制面源污染的重要措施。

平原區(qū)小型河道多位于水系源頭，水流速度緩慢，容易淤積，營養(yǎng)鹽也易在小型河道沉積物中累積，可能觸發(fā)二次污染，影響出流水體水質(zhì)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，清淤不僅可保持水道暢通，一定條件下也可以降低水體和沉積物中C、N、P等營養(yǎng)元素含量，減輕水體富營養(yǎng)化程度[9-11];但也有研究發(fā)現(xiàn)，清淤破壞小型河道的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，影響小型河道的生態(tài)功能[12]。相關(guān)研究表明，農(nóng)田溝渠清淤后沉積物P負(fù)荷均有不同程度的降低[13]，溝渠清淤后沉積物釋放P元素減少[14]，但Smith等[15-16]在清淤前后沉積物吸附解吸試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，河道清淤后沉積物去除水體NH4+-N、NO3--N和P的能力減弱，清淤后沉積物釋放P元素速度加快，認(rèn)為清淤后短期內(nèi)水體中P元素會(huì)增加。

江蘇吳江同里國家濕地公園合理利用區(qū)的小型河流濕地由于鷺鳥密集、游船攪動(dòng)等，水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重。為改善水質(zhì)，濕地公園設(shè)計(jì)了行船河道與不行船河道并聯(lián)交叉的水上游線，并對行船及不行船河道分別進(jìn)行了局部清淤疏浚。筆者以江蘇吳江同里國家濕地公園合理利用區(qū)小型河道為研究對象，對并聯(lián)的行船與不行船河道清淤的水質(zhì)效應(yīng)進(jìn)行比較，以期揭示并聯(lián)水系間不同擾動(dòng)狀況的水質(zhì)差異及元素遷移趨勢，不同擾動(dòng)狀況下清淤的水質(zhì)效應(yīng)，不同水質(zhì)指標(biāo)對水體擾動(dòng)及清淤措施響應(yīng)的差異性，為小型河道濕地等小微濕地水體富營養(yǎng)化治理及保護(hù)、管理和合理利用提供技術(shù)參考。

1?材料與方法

1.1?研究地概況

蘇州地處長江三角洲，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口密集，年平均氣溫15～17 ℃，年均降水量1 076.2 mm，四季分明，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，地勢平坦，河網(wǎng)密布。江蘇吳江同里國家濕地公園位于蘇州市吳江區(qū)同里鎮(zhèn)東北部，屬太湖下游陽澄淀泖區(qū)。公園內(nèi)有湖泊濕地、河流濕地、沼澤濕地、人工濕地等多種濕地類型，生物多樣性豐富，在太湖流域下游具典型性、代表性。公園合理利用區(qū)內(nèi)有若干小型河道交叉連通，形成了無明顯上下游的網(wǎng)狀循環(huán)水系。河道水深1～2 m，寬5～10 m，總長約7.1 km。河道兩側(cè)分布有水杉林、毛竹林、樟樹林等林地，由于林中鳥類密集，水體富營養(yǎng)化較嚴(yán)重。

公園規(guī)劃水上游線時(shí)，通過限制部分河段通行，形成了行船河道與不行船河道并聯(lián)交叉的游線設(shè)計(jì)模式（采樣時(shí)段每日行船5～10次，游船為載客10人的電動(dòng)游船）（圖1），增加了行船河道、不行船河道的景觀多樣性，并聯(lián)河道間也可通過水體流通實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)鹽、懸浮物在行船河道與不行船河道間的遷移，增強(qiáng)水體自凈能力。

為控制水體富營養(yǎng)化，公園于2016年4—6月對部分河段，截流排水后采用高壓水槍沖刷成泥漿，再泵至周邊林地的方式進(jìn)行清淤疏浚，清淤厚度約30 cm。形成了行船清淤段、行船未清淤段、不行船清淤段、不行船未清淤段等幾種河段類型。

1.2?樣品采集與處理

考慮到清淤后的水質(zhì)效應(yīng)隨著時(shí)間的延長會(huì)減弱[13]，而清淤后一段時(shí)間內(nèi)水體水質(zhì)不太穩(wěn)定，該研究采樣時(shí)間選擇在清淤工程實(shí)施近半年后的2016年12月與一年后的2017年4月，分別在行船河道清淤段與未清淤段、不行船河道清淤段與未清淤段采集表層水水樣，并應(yīng)用HACH HQ40d水質(zhì)測試儀現(xiàn)場測定水體pH和DO。水樣裝于100 mL采集瓶，放于冷藏箱帶回實(shí)驗(yàn)室測定主要水質(zhì)指標(biāo)。

采用水楊酸-次氯酸鹽光度法測定水體NH4+-N濃度;采用硫酸肼還原法測定水體NO3--N濃度;采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法測定水體NO2--N濃度;采用鉬酸銨分光光度法測定TP濃度;采用過硫酸鹽氧化法測定水體TN濃度。

1.3?數(shù)據(jù)分析

對各水質(zhì)指標(biāo)采用單因素方差分析比較不同采樣點(diǎn)間水體pH、DO、TN、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TP濃度的差異性，并對不同時(shí)段各主要水質(zhì)指標(biāo)的差異性進(jìn)行比較研究，用廣義線性模型進(jìn)行回歸分析，計(jì)算行船控制和清淤工程對水質(zhì)指標(biāo)變化的解釋率。相關(guān)統(tǒng)計(jì)和顯著性分析在SPSS 22支持下完成，回歸分析在R 3.5.1中完成，圖表用Origin 2017 SR1制作，顯著水平設(shè)定為α=0.05。

2?結(jié)果與分析

2.1?2個(gè)時(shí)段不同河段水體主要水質(zhì)指標(biāo)

該研究分別對2個(gè)時(shí)段不同河段的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析。比較12月各河段主要水質(zhì)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)（圖2），行船河道NO3--N和TP濃度高于不行船河道，而pH、DO、TN、NH4+-N低于不行船河道，NO2--N濃度基本一致。在行船河道，清淤段DO略高于未清淤段，TP濃度顯著高于未清淤段，TN、NH4+-N濃度均略低于未清淤段，NO3--N濃度顯著低于未清淤段;不行船河道清淤與否水體中DO、NH4+-N、NO3--N、TP濃度差異與行船河道一致，清淤段與未清淤段間水體中TN濃度差異較小。綜合比較行船與不行船河道清淤與否水體水質(zhì)，TN濃度在行船河道清淤段最低，在不行船河道清淤段最高，TP濃度在不行船河道未清淤段最低，在行船與不行船河道清淤段均較高。

比較4月各河段主要水質(zhì)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)（圖2），行船河道pH、DO、TN和TP濃度略高于不行船河道，而NO3--N和NO2--N濃度略低于不行船河道。在行船河道，清淤段pH、DO顯著高于未清淤段，TN、NH4+-N、TP濃度低于未清淤段，NO3--N濃度顯著低于未清淤段;在不行船河道，清淤段DO和TP濃度略高于未清淤段，TN、NO3--N濃度低于未清淤段，NH4+-N濃度顯著低于未清淤段。綜合比較，TN濃度在不行船河道清淤段最低，在行船河道未清淤段最高，TP濃度在不行船河道未清淤段最低，在行船河道未清淤段最高。

對比不同時(shí)段各河段主要水質(zhì)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，pH均接近8，水體DO都為8～11 mg/L，4月水體TN濃度高于12月，而NH4+-N、NO3--N、TP濃度低于12月，NO2--N濃度基本一致。行船河道TP濃度高于不行船河道，但TN濃度在12月行船河道略低于不行船河道，在4月行船河道卻略高于不行船河道。

行船與不行船河道中，清淤河段水體DO均不同程度高于相應(yīng)的未清淤河段;在行船河道，清淤段水體TN、NH4+-N、NO3--N濃度均低于未清淤水體，在4月清淤段TP濃度低于未清淤水體，而在12月清淤段TP濃度高于未清淤水體;在不行船河道，清淤段水體NH4+-N、NO3--N濃度也低于未清淤段，而TP濃度均高于未清淤段，4月清淤段TN濃度略低于未清淤段，12月清淤與否水體TN濃度差別很小。

2.2?N、P對水體擾動(dòng)及清淤措施響應(yīng)

為進(jìn)一步研究行船控制及清淤對河道水質(zhì)影響的相對大小，進(jìn)行回歸分析，計(jì)算行船控制和清淤工程對主要水質(zhì)指標(biāo)的解釋率（表1）。

結(jié)果顯示，行船控制和清淤工程在12月對水體pH的解釋率均較低，但在4月清淤工程對pH解釋率較高，行船與不行船河道4月清淤段pH均顯著高于未清淤段。清淤工程在不同時(shí)段對DO解釋率均高于行船控制，行船與不行船河道清淤段水體DO均高于未清淤段。

行船控制對TN濃度解釋率在12月相對高于清淤工程，行船河道TN濃度低于不行船河道，而在4月，河道間清淤與否TN濃度差異較大，行船河道與不行船河道中清淤段TN濃度均低于未清淤段。清淤工程對NH4+-N濃度解釋率在2個(gè)時(shí)段均大于行船控制，行船與不行船河道中清淤段NH4+-N濃度均低于未清淤段，NO3--N分析結(jié)果與NH4+-N基本一致。不同時(shí)段河道間清淤與否NO2--N濃度差異均相對較小，行船河道中12月清淤段NO2--N濃度略低于未清淤段，但在4月略高于未清淤段。

比較發(fā)現(xiàn)，在12月，河道間行船與否TP濃度差異相對較小，清淤與否TP濃度差異較大，清淤段TP濃度均顯著高于未清淤段;而在4月，行船控制和清淤工程對TP解釋率均較低，行船控制對TP濃度解釋率略高于清淤工程，行船河道TP濃度高于相應(yīng)的不行船河道。

綜合比較行船控制與清淤工程對各主要水質(zhì)指標(biāo)變化的解釋率，總體上清淤工程對水體DO、NH4+-N、NO3--N解釋率均相對較高，清淤增加水體pH、DO，降低NH4+-N、NO3--N濃度;但行船與否水體DO、TP濃度也有一定差異，行船河道水體DO、TP濃度高于不行船河道。

3?討論

3.1?行船控制的水質(zhì)效應(yīng)

水體的擾動(dòng)，如風(fēng)浪或行船等，增加水體流動(dòng)性，往往可促進(jìn)水體DO提高。一般水體DO的增加會(huì)促進(jìn)水體P元素沉積[17]，加快水體中有機(jī)碳的降解[18]，但擾動(dòng)也會(huì)使沉積物再懸浮，增加沉積物中營養(yǎng)鹽向水體的轉(zhuǎn)移[19]，增加上覆水體TN、TP濃度[20]。

研究地河流為相對封閉的循環(huán)式人工水系，為控制水體富營養(yǎng)化，濕地公園對部分河道實(shí)施行船控制。行船河道與不行船河道間水體各指標(biāo)的差異性在不同時(shí)段有不同的表現(xiàn)。在12月行船河道與不行船河道DO差異極小，而4月行船河道DO總體上高于不行船河道，應(yīng)由于12月水體溫度較低，生物活動(dòng)耗氧量小，水體中DO均處于相對飽和狀態(tài)，而4月水體DO總體相對較低，行船擾動(dòng)增加水體DO。但與水體中DO濃度相對高低的趨勢不同，2個(gè)時(shí)段行船河道水體TP濃度均略高于相應(yīng)的不行船河道。可見，研究地行船擾動(dòng)雖可增加水體的DO，有利于水體中P的沉積，但其對沉積物的擾動(dòng)也會(huì)增加沉積物中P的釋放，導(dǎo)致行船段水體中TP濃度略高。與TP不同，TN濃度在12月行船河道略低于不行船河道，在4月行船河道略高于不行船河道。

一般地，沉淀、吸附-解吸等物理過程對水體TP的影響相對N元素指標(biāo)更大一些[21]，而N元素在生態(tài)系統(tǒng)中有多個(gè)價(jià)態(tài)，彼此間存在復(fù)雜的氧化還原過程，水體DO的相對高低對氨化、硝化、反硝化過程的促進(jìn)與抑制趨勢顯著不同[22-24]。行船控制使并聯(lián)河道間水體N、P等主要營養(yǎng)元素濃度存在差異，以促進(jìn)不同河道間營養(yǎng)元素的遷移。

3.2?清淤工程的水質(zhì)效應(yīng)

清淤是水體生態(tài)修復(fù)的常用技術(shù)措施。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，清淤可顯著減少沉積物中的有機(jī)質(zhì)及N、P元素含量[13，25]，減少沉積物P元素向水體的釋放[14，26-27]，降低水體NH4+-N和TN、TP濃度[10，28]，水體中DO往往也有不同程度的增加[23]，對沉積物NH4+-N的釋放有一定的抑制作用[29]。但清淤也將改變原有的水-泥界面過程，在一段時(shí)間內(nèi)減弱沉積物吸收水體P元素的能力[14]，同時(shí)清淤也會(huì)破壞水生植被，使得水生植物量減少，削弱水生植物對水體凈化功能，導(dǎo)致清淤后水體TN濃度增加，水質(zhì)下降[28]。

該研究發(fā)現(xiàn)，清淤后水體中DO均有不同程度的上升，上覆水體N、P濃度也有不同程度的差異，但在行船河道與不行船河道中存在一定差異，在不同時(shí)段也略有不同。在行船河道，清淤段水體TN、NH4+-N、NO3--N濃度均低于未清淤段，TP濃度在4月低于未清淤段，但在12月卻高于未清淤段;在不行船河道，清淤段水體NH4+-N、NO3--N濃度低于未清淤段，而TP濃度卻高于未清淤段。在干擾相對較大的行船河道中，清淤可以降低水體中TN、NH4+-N、NO3--N濃度，與其他水體清淤水質(zhì)效應(yīng)研究結(jié)果基本一致[10，28]，但清淤對行船河道水體TP濃度的影響在2個(gè)時(shí)段有所不同;在干擾相對較小的不行船河道中，清淤段水體TP濃度高于未清淤段，可能由于清淤破壞了水泥界面的平衡，增加了沉積物TP向上覆水體的釋放。

基于上述研究結(jié)果，對小型河道設(shè)計(jì)并聯(lián)水系，分行船河道、不行船河道等管理措施，可以有效增加不同河段間水體中N、P等營養(yǎng)元素濃度的差異性，促進(jìn)N、P元素在不同河段間的再分配，有利于河道水體水質(zhì)的生態(tài)修復(fù)。同時(shí)，該研究結(jié)果也顯示，清淤總體上有利于降低水體的富營養(yǎng)化水平，特別在行船等人為擾動(dòng)較大的河段，清淤應(yīng)是作為降低水體N素指標(biāo)濃度、改善水體水質(zhì)的重要措施;而在人為擾動(dòng)相對較小的河段，如該文中的不行船河道，清淤對降低NH4+-N、NO3--N濃度有一定效果，但不清淤水體TP濃度總體上低于清淤段。對擾動(dòng)較小的河道，如非必要，可減少清淤頻度。

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