南湖水系水体透明度时空分布、影响因素及控制对策

2020-11-26陈俊伊王书航郑朔方姜霞包文旗

环境工程技术学报 2020年6期

陈俊伊，王书航*，郑朔方，姜霞,包文旗

1.国家环境保护湖泊污染控制重点实验室，中国环境科学研究院 2.湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室，中国环境科学研究院

水体透明度(SD)作为水质评价和水生态修复的重要参数，指水体能使光线透过的程度，是水体生态系统健康状况中最明显和最直观的指标，同时也是沉水植物恢复成功与否的关键因素之一。近年来，张运林等[1-6]针对水体SD的时空分布、影响因素、沉水植物恢复工程应用等方面开展了广泛研究，结果表明，不同湖泊水体SD的影响因素不同，但主要集中在悬浮物、浮游藻类和溶解性有机物(DOM)3个方面。水体中的SS会增加对光辐射的衰减，从而降低水体SD；浮游藻类和DOM对光具有吸收和散射作用，从而影响水体SD。

南湖是嘉兴市各主要河流蓄泄的枢纽，是海盐塘、平湖塘、嘉善塘等多条河流的起点、终点交汇处。近年来，随着城市化和人为干扰的加剧，加之杭嘉湖平原土壤主要以细颗粒的黏土为主，导致南湖水体SD不足30.0 cm。随着地方政府水环境保护修复力度的加强，区域水质有所好转，但代表感官指标的SD仍然较低。笔者通过分析南湖水体SD的季节变化、空间分布以及SD与悬浮物、DOM的相互关系，结合水下地形和光补偿深度探讨沉水植物恢复所需水体SD目标值，以期为南湖水环境保护修复提供数据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与样品采集

嘉兴南湖素来以“湖中有岛，岛中有湖”的独特景观闻名于世，被称为“南湖红船”的中共一大纪念船就坐落于此。南湖地处嘉兴市城东南部，中心地理坐标为120°76′E、30°76′N，由运河各渠汇流而成，上承长水塘和海盐塘，下泄于平湖塘和长纤塘，四周地势低平，河港纵横，水域面积为0.42 km2，水深1.00～3.75 m，南湖换水周期为2～3 d，是典型的过水性湖泊。

分别于2018年8月、2019年1月在南湖及周边河网设置56个采样点，采样点分布见图1(a)；2018年8月—2019年7月，在南湖设置3个采样点，开展每月样品采集；2018年10月在南湖湖区布设50个采样点，开展详细样品采集，采样点分布见图1(b)；在每个采样点用有机玻璃采水器采集表层0.50 m处水样(均采用GPS定位)，同时测定该采样点水深和SD，将采集的样品低温保存并立即送往实验室，48 h内进行相关水质指标的测定，水样经过0.45 μm玻璃纤维微孔膜后进行全波长扫描。

图1 采样点分布示意Fig.1 Sampling points and location

1.2 分析指标与测定方法

SD直接利用赛氏盘测定，为了避免风浪造成的测量误差，每个采样点均测量3次，取平均。有色溶解性有机物(CDOM)的光谱吸收系数利用哈希DR5000紫外分光光度计进行测定，不同波长下的吸收系数计算公式如下[7]：

a(λ)=2.303D(λ)r

(1)

式中：a(λ)为CDOM在波长λ处的吸收系数；D(λ)为CDOM在λ波长处的吸光度；r为比色皿的长度，1 cm。

悬浮物浓度参照GB 11901—89《水质悬浮物的测定重量法》测定，即将一定体积的水样过0.45 μm滤膜(GFC膜)，含SS的滤膜于103～105 ℃烘干至恒重，固体物质质量与过滤水样的体积之比为总悬浮物(TSS)的浓度；无机悬浮物(ISS)浓度采用烧失量法测定，取已烘干含悬浮物的滤膜于550 ℃马弗炉中煅烧6 h至恒重，悬浮物在煅烧后剩余的质量与过滤水样的体积之比为ISS的浓度；有机悬浮物(OSS)的浓度等于TSS浓度与ISS浓度差值；SS中值粒径采用激光粒度仪(Marlvern Mastersizer 2000)进行测定。

水质指标中总氮(TN)浓度参照GB 11894—89《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》测定；总磷(TP)浓度参照GB 11893—89《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》测定；氨氮浓度参照HJ 535—2009《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》测定；叶绿素a浓度的测定采用丙酮萃取分光光度法(HJ 897—2017)。

1.3 数据处理

所有实测指标均做3次平行，结果以3次样品测定的平均值表示(误差范围<5%)，相关分析采用皮尔逊(Pearson)相关系数法，空间分布采用ArcGIS反距离权重法，试验数据采用Excel 2010、Sufer14、Origin 2018和SPSS 19.0软件进行统计检验、绘图和分析。

2 结果与分析

2.1 水质参数的变化

根据2018—2019年现场调查数据(表1)，南湖水深为1.00～3.75 m，平均值为3.00 m；水中TSS、OSS、ISS浓度分别为29.20～75.20、11.20～16.40、17.60～59.60 mgL，平均值分别为38.95、12.74、26.21 mgL，其中ISS平均占比高达67.49%；水体中氮、磷浓度均较高，TN、氨氮、TP浓度的平均值分别为4.32、1.22、0.246 mgL，TN浓度远超GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类水质标准，氨氮浓度处于Ⅳ类水平，TP浓度处于Ⅴ类水平；水体叶绿素a浓度(0.77～2.47 mgm3)较低，平均值为1.80 mgm3；悬浮物中值粒径(4.49～13.63 μm)整体较小，平均值为8.01 μm。

表1 主要水质参数

2.2 南湖水体SD月际变化特征

2018年8月—2019年7月南湖水体监测结果显示(图2)，SD为23.3～35.0 cm，平均值为29.4 cm；南湖水体SD无明显月际变化特征，在5月、9月、10月出现相对低值，分别为23.3、26.6、26.6 cm，可能是因为这3个月处于旅游旺季，湖区游船航行频繁，船舶扰动引起底泥再悬浮作用相对较强。有研究指出，沉水植物对水体可起到过滤、消浪和抑制底泥再悬浮的作用[8]，调查发现南湖湖区无水生植物生长，因此南湖水体不具有抑制悬浮物的生态条件。总的来说，南湖水体SD整体较低，其最大值低于受风浪扰动和藻类影响较大的太湖(54 cm)[1]。

图2 南湖水体SD月际变化Fig.2 Monthly variations of SD in Nanhu Lake

2.3 南湖水体SD空间变化特征

为探究南湖水体SD较低的原因，于2018年10月对南湖水体SD做了详细调查，结果发现，南湖水体SD整体上为10.0～46.0 cm，平均值为24.8 cm。从空间分布(图3)来看，差异较为显著，水体SD较高值主要集中在北部和南部小岛内侧，为24.0～46.0 cm，平均值为29.4 cm。该区域是景区亲水平台休闲娱乐区，基本无游船航行扰动；SD低值分布在南湖西南、东南入湖河口处及湖中3条航道附近，最低值仅为10.0 cm，平均值为18.4 cm。湖区航道是南湖的旅游航线，大量游客乘游船至湖心岛瞻仰“南湖红船”，该区域船舶对水体的扰动程度明显高于其他区域。研究表明，河流、湖泊中船舶的航行对于水体底部的沉积物具有很大的扰动作用，特别是船舶尾部的螺旋桨对于浅水河流及湖泊底泥扰动的作用更为巨大[9]。南湖水不深，游船频繁扰动势必引起底泥再悬浮，从而引起悬浮物浓度的增加，进而导致水体SD降低；西南、东南入湖河口处SD也较低，这可能与来水水质有关。

图3 南湖水体SD的空间分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of SD in Nanhu Lake

2.4 南湖及周边水体SD变化特征

为进一步探究来水水质对南湖水体SD的影响，分别于2019年1月和2018年8月对南湖水系水体SD进行了详细调查，结果如图4所示。总体来看，南湖水系水体的SD为8.0～71.0 cm，平均值为27.6 cm；其中1月水体SD为10.0～71.0 cm，平均值为29.7 cm，8月水体SD为8.0～55.0 cm，平均值为24.9 cm。1月的SD稍高于8月，但二者间无显著差异(P>0.5)。

从空间分布上看，南湖水体SD高于外环河道西部和北部，与内环河道及入湖河道相近。外环河道的西部及北部区域是嘉兴市航运主要航道——京杭运河，据统计嘉兴市拥有营运货船5 545艘，共计载重94.28万t，水路每年货运量超过7 000万t，内河航运占全市航运的68.45%[10]，因此大吨位船舶和高频率航运对河道底泥扰动强度较大，底泥极易被扰动再悬浮到上覆水中，导致航运河道比非航运河道水体SD低；加之京杭运河受流经区域土壤类型和补给水的影响，本身携带大量泥沙，从而导致运河航道水体SD较低；而当河道水输入南湖，水域面积突然变宽，水动力减弱，原河道中部分泥沙会沉降下来，使SD稍有改善。而位于河网东北角的姚家荡是一个开阔封闭的水体，无航运和其他扰动，该处水体SD明显高于其他区域，由此进一步证明南湖水体SD不仅受到外部输入水的影响，同时湖区游船扰动作用也不能忽视。

3 讨论

3.1 南湖水体SD的影响因素

水体SD是评估水体感官和污染程度的重要参数，也是评估水生态健康和富营养化水平的核心指标，研究表明，悬浮物、浮游藻类和DOM是影响SD的主要因素。本研究中，代表藻类生物量的叶绿素a浓度全年较低，夏季平均值仅为1.80 mgm3，叶绿素a浓度对SD的影响较小，在此不做深入讨论。通过建立SD与TSS、OSS、ISS拟合曲线(图5)发现，南湖水体SD与TSS、OSS、ISS均呈负相关，其中SD与ISS的拟合曲线相关系数(R2=0.68，P<0.05)较OSS(R2=0.23，P<0.05)大，而ISS占TSS比例平均值为66.80%，进一步说明南湖水体SD受ISS的影响更大。CDOM作为DOM的主要组成部分会吸收水体中太阳光辐射，使光辐射得到衰减，从而改变水下光场的分布，进而导致水体SD降低。研究表明，CDOM的浓度可以用254 nm处的吸收系数〔a(254)〕表征,a(254)越大CDOM浓度越高[11]。从图5(b)可以看出，a(254)为17.55～36.50 m-1，平均值为26.18 m-1，南湖水体SD与a(254)呈显著负相关(R2=0.34，P<0.01)，说明南湖水体中DOM对SD具有一定影响。

表2为南湖水体SD与国内湖泊水体SD的总体水平的对比。由表2可见，南湖水体SD总体处于较低水平，但其影响因素与其他湖泊差异较大。南湖与高风浪浅水湖泊太湖、鄱阳湖具有相同影响因素，主导因子为悬浮物，而洞庭湖、巢湖主要影响因素是浮游藻类等。南湖水体悬浮物中难沉降的无机细小颗粒物是影响水体SD的主要因素，这可能因为南湖由运河各渠汇流而成，是一个典型的过水型湖泊，主要为河流属性所致。

3.2 南湖水质改善SD目标值确定

水体SD的提高是水质改善的直观表现，因此要想改善南湖水质，SD需提高到一定目标值。目标值的设定主要考虑以下因素：1)已有的国家标准、国际标准或经过研究已经确定的区域标准；2)流域水质、水生态、环境管理的目标，或者参考国内外具有良好特色的流域现状值作为参照标准；3)依据现有的水库与流域社会经济协调发展的理论，以定量化指标作为参照标准；4)对于那些目前研究较少，但对流域生态环境评估较为重要的指标，在缺乏有关指标统计数据时，暂时以经验数据作为参照标准。

南湖虽然被认定为湖，但其主要表现为河流属性，换水周期短，国内鲜见SD目标值确定的相关研究经验，而通过王书航等[2]对蠡湖水体SD的研究发现，有沉水植物分布的区域，SD均高于其他区域，这主要是因为沉水植物不但通过对ISS的阻挡沉降及吸附作用降低水体的ISS，还会与浮游藻类竞争营养盐和光能，进一步抑制浮游藻类的生长，起到改善水质并有效提高水体SD的效果。因此本研究重点考虑南湖局部区域恢复沉水植物所需要的光补偿深度对应的SD，同时考虑将营养状态指数中营养到富营养的阈值(50)时对应的SD作为南湖水质改善SD的目标值。

沉水植物光补偿深度是指光照强度等于种群(或群落)昼夜光补偿点时的水深，其与水体SD呈显著正相关，相关系数均大于0.9。一般来说，对于特定的沉水植物来说，只有在实际水深小于或等于光补偿深度的水域，沉水植物才有可能生长，同时通过沉水植物光补偿深度与SD的拟合方程可以判断，在浅水区域SD只要达到水深的13左右，就有可能恢复稀疏沉水植物[25]。本研究利用南湖水下地形资料，初步判断南湖水深为1.00～3.75 m，均值为3.00 m。通过水深和SD累积频率分析(图6)，其中10%的水深为2.58 m，50%的水深为3.06 m，因此要恢复10%～50%水深区域沉水植物，SD应为80～100 cm。考虑到部分区域恢复沉水植物后，其可作为初级生产者，可以通过构建“水下森林”来增加空间生态位，提供浮游动物和底栖生物的避难场所，抑制底泥再悬浮，缓冲营养物质循环速度，提高水体SD，进而形成良性循环。因此，南湖水体SD恢复初期目标值可设置为80 cm，中远期设定为100 cm以上。而SD为100 cm时对应的营养状态指数为51.2，与中营养到富营养阈值基本相符。

3.3 提升水体SD的控制措施

3.1节研究表明，南湖水体SD与TSS浓度关系密切，同时受DOM的影响，因此要提高南湖水体SD，应从减少水体TSS浓度和控制DOM方面入手。由SD与TSS浓度的拟合公式(y=2 955.7x-1.273，R2=0.69,P<0.01，n=112)可知，在湖体SD达到80～100 cm时，南湖水体TSS浓度为8.40～11.20 mgL，平均值为10.0 mgL左右。需要指出的是，TSS浓度与SD的拟合公式是一个分段函数，本研究仅在TSS浓度较高和SD较低时计算得到，在TSS浓度较低而SD较高时，拟合公式需要通过中试试验进一步构建。多次调查表明，湖体TSS浓度显著低于入湖河流，并且受游船影响较小的南部、北部区域SD是入湖河流SD的1.5倍左右，入湖河流TSS浓度与湖体TSS浓度比值也接近1.5倍。因此，现阶段要实现南湖水体SD目标为80.0 cm，根据已有公式推断，可将入湖河道的TSS浓度控制在15.00 mgL以下。

由于南湖属于过水性水体，因此可通过水利调节，尽量引南部长水塘、海盐塘等SD相对高的河水进入南湖，从源头上控制悬浮物，提高入湖河流及南湖水体SD水平；同时在进水河道采用多级拦截净化工艺措施，如湿地净化补水工程、原位河道净化工程、入湖河口前置库工程等，吸收、吸附和截留悬浮物和DOM，从而降低进入南湖水体中悬浮物的浓度；针对南湖局部区域SD较低的情况，可考虑采取减少游船扰动，进行底泥环保疏浚，并在适宜区域开展沉水植物的恢复和重建等手段，有效减少表层底泥再悬浮，在提高水体SD的同时降低水体氮、磷和DOM浓度。在开展沉水植物恢复和重建时应优先选择生命力强，适应水深较深，光补偿强度要求较低，净化效果好的水生植物作为先锋种，同时少量配置一些伴生种，增加物种多样性和生物量，提升水体SD，改善水环境。适用种类有狐尾藻、微齿眼子菜、龙须眼子菜、轮叶黑藻、苦草、金鱼藻，其中微齿眼子菜能保证在冬季生长，发挥净化水质效果，其余沉水植物在其他季节能发挥水质净化效果，保证全年水系沉水植物系统稳定。目前，在其他措施尚未有效实施时，可通过应急生态补水，在湖体或者入湖河流处开展应急生态补水工程，通过高效沉淀净化补水，使入湖河流悬浮物浓度降至15.00 mgL以下。