吳蘇舒，劉勁松，胡曉東，嚴云翔，羊 瑞(.江蘇省水利科學研究院，南京 007；. 江蘇省水利廳，南京 0098；.金壇區(qū)水利局，江蘇 常州 00；.河海大學環(huán)境學院，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、休閑旅游等等功能，在整個自然界物質(zhì)循環(huán)過程和經(jīng)濟社會持續(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)濟社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一[5,6]。湖泊營養(yǎng)化已經(jīng)成為經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的水環(huán)境最為嚴重的問題，如何有效的治理湖泊營養(yǎng)化的問題成為了目前水環(huán)境治理的重點。

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

1 材料與方法

1.1 實驗地點

生態(tài)過濾系統(tǒng)試驗場地位于常州市金壇區(qū)指前鎮(zhèn)東風河，指前鎮(zhèn)位于長蕩湖西岸，東風河是長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20 m，共計鋪設3層。礫石區(qū)域的兩側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，作為景觀點綴。

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

1.3 采樣及監(jiān)測設計

(1)采樣點布設。本實驗設置5個采樣點，分別位于生態(tài)過濾系統(tǒng)的入口斷面中心(點位1)，礫石生態(tài)過濾系統(tǒng)結束斷面中心(點位2)，植物生態(tài)過濾系統(tǒng)結束斷面中心(點位3)，生態(tài)袋過濾系統(tǒng)結束斷面中心(點位4)，生態(tài)過濾系統(tǒng)出口外10 m斷面中心(點位5)。具體見圖1。

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

(3)實驗方法。本實驗的采樣時間在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?？偟臏y定方法為《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636-2012)，總磷的測定方法為《水質(zhì) 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893-89)，氨氮的測定方法為《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535-2009)，高錳酸鹽指數(shù)的測定方法為《水質(zhì) 高錳酸鹽指數(shù)的測定》(GB 11892-89)。其他水文數(shù)據(jù)采用現(xiàn)場儀器測定方法測定，浮游植物的采集按照《湖泊生態(tài)系統(tǒng)觀測方法》的要求，進行浮游植物的采集，并進行分類鑒定和計數(shù)。

圖1 生態(tài)過濾系統(tǒng)設置圖

表1 采樣期間水文狀況

2 結果與討論

2.1 水質(zhì)的改善分析

(1)氨氮的變化。從圖2中可以看出，試驗河段生態(tài)過濾系統(tǒng)對氨氮有一定的截留，生態(tài)過濾系統(tǒng)建立之初，其截留率較低，為18.70%；隨著時間的推移，截止7月31日，一直是增加的過程，達到了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)對氨氮的截留率一直維持在一個較高的水平，其變化區(qū)間為29.46%～33.33%，在9月5日達到峰值，故可以認為生態(tài)過濾系統(tǒng)在此期間已經(jīng)穩(wěn)定成型。從整個過程來看，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)定后的點位之間氨氮的變化規(guī)律可以看出，點位1(生態(tài)過濾系統(tǒng)的入口前10 m斷面中心)跟點位2(礫石過濾系統(tǒng)結束斷面中心)之間的變化相對其他點位較大，可以說明礫石生態(tài)過濾系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中對氨氮的截留效果最為明顯，可能是因為礫石形成的生物膜系統(tǒng)發(fā)生了作用，礫石上生長的金魚藻、狐尾藻也吸收了部分氨氮[7]。試驗河段氨氮的進水總體屬于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，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%，高于整個過程的平均截留率25.76%。整個截留率整體處于上升-波動-穩(wěn)定這樣一個過程。

圖3 試驗河段總氮變化規(guī)律圖

從穩(wěn)定后的生態(tài)過濾系統(tǒng)來看，點位1與點位2之間的變化相對較大，由此可以看出，礫石生態(tài)系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中發(fā)揮的作用最大，其次點位2與點位3之間，即植物生態(tài)過濾系統(tǒng)。就總氮而言，實驗河段的進水水質(zhì)為4類水質(zhì)，個別采樣時期為3類水質(zhì)，經(jīng)過生態(tài)過濾系統(tǒng)測過濾，出水水質(zhì)全部達到了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%，整個截留率整體處于波動中上升這樣一個過程，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中增長，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 實驗河段總磷的變化規(guī)律圖

從生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定后的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，點位1到點位3之間的總磷降解的較多，進一步印證之前得出的結論，礫石生態(tài)過濾系統(tǒng)和植物過濾系統(tǒng)對水質(zhì)的改善效果較好。說明該時期礫石形成了生物膜，植物生長旺盛，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，整個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CODMn的截留率較低主要是由于CODMn屬于有機物值，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，點位1與點位3之間的變化較大，點位3與點位5之間的變化略小，說明礫石與植物生態(tài)系統(tǒng)對高錳酸鹽指數(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)浮游動物的變化。2015年6月-9月份對試驗區(qū)進行生態(tài)采樣，根據(jù)浮游動物的定量水樣分析，試驗區(qū)浮游動物種類不少。包括橈足類的無節(jié)幼體和橈足幼體，6-9月份浮游動物水樣鏡檢見到浮游動物的種類共有57種，其中原生動物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月試驗區(qū)浮游動物出現(xiàn)頻率較多的種類。原生動物有：纖袋蟲、太陽蟲、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、長肢多肢輪蟲、刺蓋異尾輪蟲；枝角類有：短尾秀體溞、簡弧象鼻溞；橈足類有：廣布中劍水蚤。此外還有無節(jié)幼體和橈足幼體。試驗區(qū)見到的浮游動物都屬普生性種類。

本次試驗區(qū)生態(tài)監(jiān)測設置兩個站點，分別是試驗區(qū)上游的點位1和試驗區(qū)下游的點位5。兩個站點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月份兩站點水樣鏡檢砂殼蟲數(shù)量對比分析

原生動物的多寡是影響試驗區(qū)浮游動物密度的第二大因素，并且對指示水體富營養(yǎng)化和污染程度較有意義[9]。湖沼學研究、人工富營養(yǎng)化實驗及不同營養(yǎng)級湖泊中浮游生物比較均表明：原生動物現(xiàn)存量一般隨富營養(yǎng)化而增加。普遍認為在受有機污染較重的水體，耐污種類形成優(yōu)勢且具有很高的數(shù)量[10,11]。由圖6可以看出：6月5號和6月12號站點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；而站點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)的建立對改善下游的生態(tài)環(huán)境起著積極的作用，對上游生態(tài)環(huán)境的影響較不明顯。

(2)浮游植物的變化。長蕩湖實驗區(qū)的2個樣點中，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、實球藻、小型卵囊藻，隱藻門的藍隱藻，藍藻門的銅綠微囊藻、依沙束絲藻、細小平裂藻也具有較高的豐度。

圖7可見，實驗初期兩樣點的浮游植物豐度基本相等，在實驗運行兩周后，點位5的浮游植物豐度與點位1相比，下降了29.6%。隨著氣溫的升高，兩個樣點浮游植物的豐度都有不同程度的增大，但點位5浮游植物的豐度增加趨勢較為平緩，點位5浮游植物豐度比上1樣點減少了50.9%，說明點位5水生植物對浮游植物的增殖起到一定抑制作用。

圖7 實驗期間兩樣點浮游植物豐度變化

從浮游植物群落結構組成上看(圖8)，浮游植物三大優(yōu)勢類群(藍藻門、綠藻門和硅藻門)中，點位1藍藻門的比例最大，在47.7%～73.3%之間波動，至實驗結束藍藻門的比例為60.6%，與實驗初期藍藻門的比例相當。點位5藍藻門的比例相對較低，在25.0%～60.0%之間波動，至實驗結束藍藻門的比例為37.7%，實驗初期藍藻門的比例下降了14.8%。自實驗中期開始，兩個樣點綠藻門的比例逐漸增加，但點位5綠藻門的比例整體大于點位1。此外，至實驗結束，點位5藍藻門的優(yōu)勢種鏈狀偽魚腥藻的豐度與點位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%，說明點位5水生植物的種植，抑制了藍藻門藻類的增殖，減少了藍藻水華發(fā)生的風險。

圖8 點位1與點位5各門類浮游植物比例變化

3 結 語

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

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

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

(3)該項研究成果對長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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