滨水人工照明影响水质的研究

段 然，杨春宇，阳佩良，李娟洁

(重庆大学 建筑城规学院；山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400050)



滨水人工照明影响水质的研究

段 然，杨春宇，阳佩良，李娟洁

(重庆大学 建筑城规学院；山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400050)

城市滨水区夜景照明数量增多，为城市带来了经济效益的同时也带来了一系列问题。人工照明改变了水中动植物生物环境，干扰水中动植物生物节律，并会对水体造成干扰。文章从理论上分析了滨水照明光源光谱、光照强度在水中的变化过程，并揭示了景观照明对水质产生的危害。

滨水照明；光谱能量分布；水生动植物

0 引 言

中国城市广泛开展夜景照明建设，美化了夜间环境，吸引了人们夜间旅游休闲消费，促进了经济发展。为促进商业氛围，提高建筑景观照明效果，夜间滨水区照明也迅速发展(图1)。由于缺乏对滨水区景观照明的标准规范，滨水区照明光源滥用现象极为普遍，在造成眩光的同时，也影响了水中动植物生长。如何正确使用人工照明，减少对生态环境的影响，研究人工照明对植物生长的影响具有重要意义。

图1 滨水照明现状

1 滨水区照明现状

滨水区景观建设与河流水质变化有着密切的关系 。城市滨水区夜景照明将人工光照投射到城市水域中，影响了城市水中生物生活节律。人工光照会延长水生动物活动时间，延长水生物在水内进行氧化作用，可能会造成水中氧气消耗，使水内氧气会迅速减少。水内生物会因氧气不足而死亡，大量厌氧细菌分解有机物发酵，会严重影响水质。滨水区选择适当的人工光照射也可能会促进水生植物进行光合作用，释放出氧气，增加溶解氧含量对水质有净化的作用，有效防止溶解氧降低。

溶解氧(Dissolved Oxygen)是指溶解于水中分子状态的氧，即水中的O2，用DO表示。溶解氧除了被通常水中硫化物、亚硝酸根、亚铁离子等还原性物质消耗外，也被水中微生物的呼吸作用以及水中有机物质的氧化分解所消耗。所以说溶解氧是水体的资本，是水体自净能力的表示。影响水溶解氧含量的因素包括水温、水深及光照强度等。

天然水中溶解氧近于饱和值(9 ppm)，藻类繁殖旺盛时，溶解氧含量下降。水体受有机物及还原性物质污染可使溶解氧降低，对于人类来说，健康的饮用水中溶解氧含量不得小于6 mg/L。当溶解氧(DO)消耗速率大于氧气向水体中溶入的速率时，溶解氧的含量趋近于0，此时厌氧菌得以繁殖，使水体恶化，所以溶解氧大小能反映出水体受到的污染，特别是有机物污染的程度，它是水体污染程度的重要指标，也是衡量水质的综合指标。因此，水体溶解氧含量的测量，对环境监测以及水产养殖业的发展都具有重要意义。

2 水中光谱特征变化

滨水区域夜景照明对河流水域的水质造成严重影响。当光射入水中会对周围的环境产生不同的影响，因为光照射入水中会产生折射、反射、透射等不同的现象，对水中动植物产生巨大影响。

2.1 日光在水中的衰减

太阳辐射进入大气和水后，由于大气和水中衰减物质的衰减作用，太阳辐射发生衰减。在整个光谱上，总辐射量和太阳辐射光谱特征也发生了变化，光线进入水中立即发生了折射，入射角和折射角之间的关系可以用Snell折射定律确定，即

sinθ=n sinθ＇

(1)

其中，θ为入射角，θ＇为反射角，n为折射率，城市水折射率为1.33。折射率改变了光线进入水中的角度，使光线更为集中。光线进入水中后迅速被水中物质吸收和散射，只有可见光可以进入较深的水体。根据研究可知，只有短波的太阳辐射能进入到较深的水层，穿透深层的太阳辐射集中在450 nm左右。浮游植物吸收光谱主要集中在443 nm与660 nm。

根据2006年加拿大海盆光学观测数据统计计算得到水表面与水下光谱特征的比较，可知，由于水中浮游物质等的折射及吸收，特定波长衰减，当特定波长达到70 m水层深后，积分范围从原来的400 nm～700 nm变化为480 nm～550 nm。下行辐射照度随深度增加呈指数衰减 ，慢衰减系数(Kd)表示为

(2)

其中：Ed(λ，z)是深度为z条件下波长为λ的下行辐射照度，且慢衰减系数受太阳高度角变化影响较小。

2.2 人工光源在水下的衰减

人工光源照射入水面，小部分被水面反射被人眼所感知，其他部分被水体吸收。滨水区人工光照强度较低，对可见光的衰减影响较小，根据公式(2)可知近水面区域水体中光谱偏移变化极小。目前滨水区域照明主要光源为景观照明的LED光源及少量的高压钠灯。

随水深增加，光透入强度减弱。光是光子以电磁波形式的能量传播，既满足波动方程：λ=c/V(λ——波长；C——光速；V——频率)，则光子能量满足

E=hV=hc/λ

(3)

h为普朗克常数，h=6.626×10-34J·s-1；c=2.979 245 8×108m·s-1。

则入射水体后光源光照强度

E＇=E·Kd

(4)

深Z处照度EZ与水面照度E0呈EZ=E0e-μ关系。式中μ为衰减系数，决定于湖水中悬浮物质和可溶性物质的数量和性质。水中照度也可用照度计测定,称为水深Z处的相对照度。

2.3 水生物光合有效辐射

水生植物为生活在水中或水分充足环境中的草本植物，分为阳性和阴性。水生植物需要光照进行光合作用，夜晚人工光源散射到水体中引起水生植物光合作用，促进水中植物光合作用释放氧气，增加水中溶解氧含量，对水质具有一定的影响。

植物对光辐射波长为400 nm～700 nm区域非常敏感 ，根据植物光合有效辐射图，绿色植物光合作用主要吸收光谱能量分布在400 nm～500 nm(紫光、蓝光)及600 nm～700 nm(橙光、红光)。那么根据人工光源光谱能量分布可知，LED光谱能量分布能提供植物生长所需蓝光光谱及少量红光光谱，可为植物生长提供大部分能量，高压钠灯为非连续光谱，其峰值在570 nm～600 mm之间，对植物生长作用影响较小。

3 小 结

滨水区景观照明影响水中动植物生物节律。过高的光照会引起水中动物活动量提高，消耗氧气降低水中溶氧量，同时干扰水质，破坏水体生态环境，人工照明也会对水中植物造成干扰，增加植物夜间光合作用。人工光照入射水中，会发生反射折射，并被水中微生物吸收，因此，深入研究人工光源水体照明有重要的实践意义。

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The Influence of Water Quality by Artificial Lighting in Waterfront

DUAN Ran，YANG Chunyu，YANG Peiliang，LI Juanjie

(KeyLaboratoryofNewTechnologyforConstructionofCitiesinMountainArea;FacultyofArchitectureand
UrbanPlanning,ChongqingUniversity,Chongqing400050,P.R.China)

With he rapid development of urban landscape lighting, a number of night scene illumination of urban waterfront has increased, which brings a series of problems for the city. Artificial lighting has changed the environment of animal and plant in water, disturbed the biological rhythm of animals and plants in the water, and caused the disturbance to the water body. In this paper, the changes of the spectrum and the intensity of the water in the water are analyzed theoretically, and the harm to the water quality of the landscape lighting will be revealed.

waterfront lighting; spectral energy distribution; water animal or plant

2016-08-20 作者简介：段然(1986—)，女，重庆大学建筑城规学院博士生，主要从事建筑光环境研究。