两种生态净化措施对水源水库光学环境的影响

余柔柔,钱佳欢,朱宜平,张海平*



两种生态净化措施对水源水库光学环境的影响

余柔柔1,钱佳欢2,朱宜平3,张海平1*

(1.同济大学环境科学与工程学院,上海 200092；2.中交上海航道勘察设计研究院有限公司,上海 200120；3.上海城投原水有限公司,上海 200050)

为了评估生态净化措施对水体光学环境的影响,以上海金泽水库为例,在微纳米曝气复氧和水生植物净化两种生态净化措施前后布设采样点进行了光学衰减系数(水体光合辐照度(PAR)衰减系数)、真光层深度和透明度及相关水质指标的监测和分析.结果表明:水生植物净化和曝气复氧净化措施有利于水体光学环境的改善,经微纳米曝气后,水体透明度增大20%~25%,真光层深度增大2.2%~14.8%,光学衰减系数降低0.4%~4.4%;经水生植物净化后,水体透明度增大20%~29.4%,真光层深度增大6%~20%,光学衰减系数降低17.3%~20.5%.逐步回归结果表明不同生态净化措施的光学环境改善机制不同,微纳米曝气主要通过叶绿素、溶解性有机物、温度、溶解氧影响水体光学环境,水生植物净化主要通过浊度影响水体光学环境.冬季,两种生态净化措施对总氮和溶解性有机物均没有改善效果.

微纳米曝气；水生植物净化；生态净化；光学衰减系数；水体光学环境

湖泊水下光照对水生生态系统影响深刻,不仅影响浮游藻类、沉水植物的生长、繁殖,还决定了水体的初级生产力[1-2],浮游动物和鱼类的捕食[3],因此有必要研究水下光场的特征,为水生生态系统的变化及水体富营养化研究提供基础数据.

已有大量针对如Apopka湖[4-5]、太湖[6-7]、三峡支流[8]、巢湖[9-10]、丹江口水库[11]、长江中下游浅水湖泊[12]等主要富营养化湖库水体的光学衰减特性和透明度、真光层深度的研究,研究表明,光的衰减主要影响因素有四方面,分别是纯水自身、水体溶解性有机物、悬浮颗粒物和叶绿素a.学者针对纯水自身、水体溶解性有机物、悬浮颗粒物、叶绿素a等消光因子对不同波长光的衰减效应做过大量分析,同时也得出了一些与光的衰减有关的参数化的结果[13-14],为各光学指标的数学模拟提供了很好的模型支撑.然而,这些研究多集中在一些天然湖泊,针对人工型水源湖库的研究较少.所谓人工型水源湖库,指的是为满足水质提升的要求,人工生态净化技术诸如人工曝气[15-17]、水生植物强化净化[18-19]等在景观水体和湖泊河流的广泛应用.其中,水体曝气作为一种投资少、见效快的治理技术得到广泛应用,我国常用曝气设备溶氧率低、能耗高,微纳米气泡发生装置能生产直径在50µm和数十nm之间的微小气泡,溶氧效率高;水生植物净化技术利用水生植物治理水体富营养化,由于具有净化效果好、投资少,并且不产生二次污染等优点,越来受到人们的广泛重视和研究.从提升水体景观与改善水质的角度出发,人们通常在水域内种植浮水植物、挺水植物、沉水植物等水生植物[18-19],通过植物的吸附、沉淀等作用改善水体污染状况,提升水域自净能力[21-22].近年来,还出现了纳米吸附膜、沸石床面、物理化学试剂等各种水体生态净化措施[21,23-24].

当下针对人工湖库研究较多的是富营养化条件下人工生态净化措施的氮磷等的去除效果[25-26]及对水质的影响[27].有关人工生态净化措施对水体光学环境的影响鲜见报道.金泽水库是典型的人工水源水库,布设有多种人工生态净化措施,目前还没有学者研究金泽水库人工净化措施对光学环境的影响,本文以金泽水库这一水源水库为例,针对人工生态净化措施对水体光学环境的影响展开研究和分析,为其他人工水源水库的生态光学影响提供数据支撑,为水源地生态规划的完善提供思路,有利于水体富营养化的预防.由于金泽水库处于运行初期阶段,因此本研究针对秋冬季基于上海金泽水库的野外原位水下光场的测定和实验室分析,得到微纳米曝气和水生植物净化两种生态净化措施对光学衰减系数、透明度、真光层深度的影响.

1 材料与方法

1.1 样点布设

金泽水库位于上海市青浦区金泽镇,于2016年12月29日正式投入使用.水库占地面积约2.7km2,水面积1.92km2,总库容约910万m3,根据各功能区的分布、近岸环境等情况,于2017年11月21日和2018年1月17日在金泽水库进行了2次采样.金泽水库生态净化措施由水生植物净化及微纳米曝气复氧构成.微纳米气泡发生装置主要由发生装置、微纳米曝气头及连接管件组成.通过水泵加压,由曝气头内部的曝气石高速旋转,在离心作用下,使其内部形成负压区,空气通过进气口进入负压区,在容器内部分成周边液体带和中心气体带,由高速旋转的气石出气,将空气均匀切割成直径5~30µm的微纳米气泡.由于气泡细小,不受空气在水中溶解度的影响,不受温度、压力等外部条件限制,可以在水体中长时间停留,具有良好的气浮效果[28-29].水库共设30套微纳米气泡发生装置,左右河岸各15套并联排列.设备特点是采用纯度达93%~96%的氧气作为气源,产生超饱和状态的微纳米气泡水,设备运行功率为7.5kW,增氧流量为20m3/h,进口管径DN40,出口管径DN50.金泽水库采用沉水植物和挺水植物结合的生态净化方式,沉水植物种植面积12000m2,种类为苦草和轮叶黑藻,各6000m2,挺水植物种植面积为41300m2,种类为芦苇、千屈菜、小叶香蒲等,挺水植物种植7~8月完成,沉水植物种植9月完成.分别在微纳米曝气区和水生植物净化区的上下游各布置1个测量点位,见图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#点位和2#点位分布在微纳米曝气区进出口(前后)位置,3#和4#点位分布在水生植物净化区进出口(前后)位置.

图1 微纳米曝气区和水生植物净化区前后采样点布置

1.2 测定方法

光合辐照度(PAR)的测定选用LICOR192SA水下光量子仪(美国LICOR公司),分水下0、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5m共8层来测定,每个水深测量10次,用平均值代替该层数据.透明度采用塞式圆盘法测定.浊度和叶绿素a、溶解性有机物、温度、溶解氧采用YSI-EXO2多参数水质分析仪测定.水样采自表层0.5m深度处,总氮采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法(GB 11894-89)[30]测定.真光层深度为水柱中支持净初级生产力的部分,又称光合层厚度、光补偿深度,浮游植物基本上分布在这一层,采用1%表面光强深度统计[31].

1.3 数据处理

PAR在光学性质均一的水体中的衰减遵从下列衰减规律[32]:

式中:K为光学衰减系数,m-1;为从湖面到测量处的深度,m;E(PAR,)为深度处的向下辐照度;E(PAR,0)为水面起始向下辐照度.K值通过对不同深度水下PAR强度进行指数回归得到,回归效果只有当2³0.95、深度数³3时其值才被接受,否则视为无用值[33].

各指标变化趋势采用Origin2017软件完成,简单线性相关、一元线性回归和多元逐步回归均采用SPSS 23.0完成,<0.05表示结果差异显著,<0.01表示结果差异极显著.

2 结果与讨论

2.1 水体光学指标的变化

用于求解K的指数回归决定系数均在0.95以上,表明可利用式(1)计算有效光学衰减系数.经测量或计算得到的光学衰减系数、透明度和真光层深度的变化情况见图2.

表1 各光学指标间的相关性(R2)

注:***£0.001;**£0.01;*£0.05.

经微纳米曝气后,水体透明度增大20%~25%,真光层深度增大2.2%~14.8%,光学衰减系数降低0.4%~4.4%;经水生植物净化后,水体透明度增大20%~29.4%,真光层深度增大6%~20%,光学衰减系数降低17.3%~20.5%.说明经微纳米曝气和水生植物净化后,可被生物利用的光环境空间在增加,水生环境得到改善.同时,根据表1,水体透明度和光学衰减系数呈显著负相关,和真光层深度呈显著正相关.这与张运林等[34]、张彦等[35]的研究结果一致.

2.2 水体各光学影响因子的变化

光学影响因子种类众多,变化复杂,选择监测因子溶解氧、水温,变化情况见图3,秋季水温14℃左右,溶解氧8mg/L左右,冬季水温6.5℃左右,溶解氧11mg/L左右,对某一季节来说,微纳米曝气前后水温和溶解氧变化不明显.

由图3可见,从曝气前后和水生植物净化前后数据对比,水体叶绿素a表现为曝气后变化不明显;水生植物净化后增加12.1%~17.5%,叶绿素a增加可能是因为水生植物净化区水体流速较缓[36].溶解性有机物经曝气后秋季略有下降,冬季升高;经水生植物净化后下降幅度增大,冬季略有升高这是因为冬季低温环境下,微生物的代谢活动降低或接近停止,水生植物腐败分解的废弃物增多.水体浊度经曝气后降低6.3%~31.8%,浊度变化表现出明显的季节变化,冬季变化比秋季明显,其机理有待进一步分析;经水生植物净化后降低27.3%~33.3%,秋季,总氮经曝气后降低31.8%,经水生植物净化后降低27.3%,冬季总氮和溶解性有机物不降反升,说明曝气和净化对TN没有去除效果,这与贡湖夏季生态修复区对总氮稀释净化效率高达73.20%的结果[37]截然不同,这是因为冬季低温环境下,微生物的代谢活动降低或者接近停止,微生物、植物的净化效果较差,净化能力降低,植物腐败分解释放氮气增多.

图3 生态净化措施前后光学影响因子变化

Fig.3 Change of main extinction factors by ecological purification

2.3 生态净化措施对水体光学指标的影响机制讨论

水库的理化因子对各光学指标的大小有着间接或直接的影响,根据表1可知各光学指标间相关性显著,选择其中一个指标光学衰减系数进行机制分析.

2.3.1 微纳米曝气 经过逐步回归方程得到各监测点位理化因子与光学衰减系数间的线性方程见表2.根据表2,微纳米曝气区光学衰减系数和溶解性有机物、温度显著负相关,与叶绿素a、溶解氧显著正相关,相关系数均在0.9以上,表明纳米曝气主要通过影响叶绿素a和溶解性有机物、温度及溶解氧影响光学衰减系数.单从某个季节曝气区溶解氧变化情况来看,该纳米曝气的曝气效果不明显,因此有必要加强曝气装置的曝气效果从而进一步减小光在水中的衰减.

表2 曝气区各指标线性回归方程

注: DO-溶解氧,T-温度,Chl-a-叶绿素a,Turbidity-浊度,FDOM-荧光溶解性有机物,TN-总氮.

各理化因子间的Pearson相关系数及其检验结果见表3,根据表3,光学衰减系数的显著影响因子叶绿素a与溶解性有机物显著负相关,主要原因是因为溶解性有机物来源复杂,可能来自悬浮物的光降解,浮游植物的腐烂降解及其他植被[11].叶绿素a与浊度显著正相关,表明纳米曝气也可能通过浊度影响光,这是因为浊度包括浮游植物和叶绿素a,但从变化值来看,几次监测得到的表层浊度值较小,悬浮质浓度引起的光学指标变化因此也显的不那么明显,有待进一步研究.

表3 曝气区各水质指标间的相关性分析(R2)

2.3.2 水生植物净化 经回归和逐步回归方程得到水生植物区各监测点位理化因子与光学衰减系数间的线性方程见表4.回归结果表明水生植物主要通过浊度作用影响光学衰减系数.水生植物可以通过茎叶拦截、吸附水中颗粒物质且通过颗粒物质吸收水中可溶性营养盐、吸附有机物,浊度主要是表现水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度,既反映水的表观质量,也反映水的内在质量[38],因此水生植物主要通过浊度影响增加了可被生物利用的光环境空间.各理化因子间的Pearson相关系数及其检验结果见表5,由于光学衰减系数和浊度正相关,而根据表5,浊度又和溶解性有机物、温度、溶解氧相关,因此光学衰减系数和溶解性有机物、温度、溶解氧偏相关,光学衰减系数和溶解性有机物、温度、溶解氧偏相关,这是因为悬浮泥沙会通过吸收、散射可见光从而影响光的入射效果,而光合作用产生有机物的主要参与指标包括溶解氧、温度等,另外,溶解氧的变化可能会影响藻类的生长与消亡,所以溶解氧、温度也是光场重要的影响因子.

表4 水生植物净化区各指标线性回归

表5 水生植物净化区各水质指标间的相关性分析(R2)

3 结论

3.1 微纳米曝气和水生植物净化措施有利于增大水体透明度和真光层深度,降低水体光学衰减系数,微纳米曝气和水生植物净化有利于水体光学环境改善.上海金泽水库水体经微纳米曝气后,透明度增大20%~25%,真光层深度增大2.2%~14.8%,光学衰减系数降低0.4%~4.4%;经水生植物净化后,透明度增大20%~29.4%,真光层深度增大6%~20%,光学衰减系数降低17.3%~20.5%,增加了可被生物利用的光环境空间.

3.2 冬季,光学影响指标(总氮和溶解性有机物)不降反升,微纳米曝气和水生植物净化两种净化措施对光学影响指标(总氮和溶解性有机物)均没有去除效果.

3.3 两种生态净化措施对光学指标的影响机制不同.回归和相关性分析结果表明,曝气主要通过叶绿素a、溶解性有机物、温度和溶解氧影响光学环境,水生植物净化主要通过浊度的作用影响光学环境.

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致谢：本研究的野外采样工作得到了金泽水库管理公司的大力协助,在此表示感谢.

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

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1000-6923(2019)02-0785-07

余柔柔(1992-),女,江西上饶人,同济大学硕士研究生,主要从事水环境治理和富营养化模拟.

2018-07-14

国家“十三五”水专项子课题(2017ZX07207003-02)

* 责任作者, 教授, hpzhang@tongji.edu.cn