沉水植物及组合对城市缓滞水体水质的净化

崔庆飞，崔晓宇，彭文启，骆辉煌，高云霞，赵进勇

(1.中国水利水电科学研究院，水生态环境研究所，北京 100038；2.河北建筑工程学院市政与环境工程系，河北张家口 075000)

永定河平原城市段贯穿北京西部区域，自1996年完全断流以来，水文资源与环境条件严重恶化。 2010年，建设以门城湖、晓月湖、莲石湖、园博湖为主体的 “五湖一线”景观水体后，南六环路为界三家店至南六环路区段形成缓滞水体，其中的永定河(北京段)莲石湖位于北京石景山、门头沟和丰台河西交界之地，湖泊沿线全长为5.8 km，湖面面积为106 km2[1]。自莲石湖人工景观蓄水河段景体建成以来，其生态功能稳定维护问题十分突出，尽管采取的一系列工程和生物措施对水质改善起到了一定作用，但其作用仍然有限，水质未能达到预期目标。分析2013年—2016年永定河石景山段莲石湖中游湖面断面水质的监测结果：该断面DO均值仅为1.0 mg/L，CODCr均值为6.43 mg/L，TP均值为5.39 mg/L，TN均值为9.07 mg/L，多数水质指标浓度远超V类水标准。2018年—2019年水质有所改善，但夏季仍然存在藻华暴发的风险，水质还需进一步提升。

为了打造贯穿京津冀晋的绿色生态廊道，逐步恢复永定河，成为“流动的河、绿色的河、清洁的河、安全的河”，选用多种原位修复技术来治理永定河(北京段)[2]。莲石湖区域采用种植不同沉水植物来构建“水下森林”的原位修复技术来修复水体。沉水植物有治理和维护水质的作用，既能通过根系吸收底泥、水体中的氮、磷营养物，改善水体和底泥[3-4]，增加水体溶解氧；又能抑制有害微生物和藻类的生长和繁殖[5-6]；还可以作为水生态系统中的生产者，恢复水体生态环境，提高生物多样性[7-9]。

根据现场调查，莲石湖河道水流流速较低，属于典型的缓滞水体，湖底沉水植物以菹草为主，菹草是一种反季节生长的沉水植物，秋季发芽，冬春生长，夏季腐烂死亡[10]，易导致水体有机氮、磷升高。针对此特点，现选用4种较为耐热、良好维护水质的沉水植物[11-12]，研究它们及其组合在水质净化能力的差异，选择最优的方案实现莲石湖夏季沉水植物的演替，防止夏季水质恶化，构建适于四季的沉水植物净化体系。

1 试验材料和方法

1.1 试验植物

甄选4种耐热的沉水植物：伊乐藻(ElodeacanadensisMichx)、轮叶黑藻(Hydrillaverticillata)、轮叶狐尾藻(MyriophyllumverticillatumL.)、苦草(Vallisnerianatans)。所选沉水植物除苦草为种子外，其余3种均为幼株。试验前先将苦草种子萌发，生长成为合格的幼株后，精选4种植物优良的生长体，在装有永定河引水渠河水的容器中适应培养，时间为一周左右[13-14]。

1.2 试验水体和底泥

1.3 试验设计

表1 试验容器和种植规格Tab.1 Size of Test Containers and Quantity of Submerged Plant

1.4 检测指标和方法

试验涉及的检测指标和方法如表2所示[17-18]。

表2 检测指标和方法Tab.2 Detection Indicators and Methods

1.5 数据分析方法

各指标的去除率(η)表征各沉水植物及组合对模拟水体中污染物的去除效果，如式(1)。

η=(C0-Ct)/C0×100%

(1)

其中：η——去除率；

C0——初始水体中污染物的浓度，mg/L；

Ct——t时刻测得水体的污染物的浓度，mg/L[19]。

试验组中单个植株对污染物平均处理能力(T)表征各组合处理效果的好坏，如式(2)。

T=C0×V0-Ct×Vt/An

(2)

其中：T——单个植株对污染物平均处理能力，mg；

V0——初始水体的体积，L；

Vt——t时刻水体的体积，L；

An——第n个试验组的沉水植物的数量，株。

受污水体中各污染物的衰减通式如式(3)。a与试验的始末浓度有关，b的大小可以判断衰减的速率，b越大，说明植物在前期对营养盐的去除速率越快。

y=a×e-bxt(a>0，b>0)

(3)

其中：y——水体中污染物的浓度，mg /L；

x——待测时间，d;

t——试验时间，d；

a、b——衰减通式的净化系数，表征每个沉水植物的净化能力。

2 试验结果和讨论

受河水和底泥的影响，初始污染物的初始浓度略有差异，试验均以实测值为准[20]。由于试验容器规格不同，初始数据中TN，NH3-N和TP的浓度均差异较大，但同种规格的种植容器初始数值差异较小。一般情况，不同规格的试验容器，底面积不同，所需的底泥量不同，导致底面积大的试验容器初始TN、NH3-N和TP的浓度高于底面积小的试验容器的浓度[21]。因此，除了比较去除率的大小，还将各试验组的单株平均处理能力作为衡量净化效果的参考标准，综合去除率和单株平均处理能力分析选择最优组合。

2.1 不同沉水植物组合对TN的去除效果

试验过程中，各试验组体系TN浓度的变化情况如图1所示，不同沉水植物组合体系对TN的处理效果如表3所示。由图1可知，由于沉水植物的作用，各个试验组体系中的TN浓度均随时间的增加而大幅度下降，从水体初始TN为9.53～12.43 mg/L下降到试验完成时的1.56～3.27 mg/L，空白组的TN浓度从初始的12.26 mg/L降到9.51 mg/L。各试验组对TN的处理效果优于空白组。

由表3可知，对TN平均处理能力最好的是伊乐藻+轮叶黑藻+轮叶狐尾藻的沉水植物组合，单株的平均处理能力为141.36 mg。从单一种植来看，平均处理能力从大到小为：轮叶狐尾藻(99.91 mg)>伊乐藻(90.86 mg)>轮叶黑藻(89.08 mg)>苦草(80.09 mg)。而对TN平均处理能力最好的组合，恰好是平均处理能力最好的3种沉水植物的组合，全组合的平均处理能力为100.55 mg，平均处理能力均大于单一种植，且均小于三组合。2种组合与其各个植物的单一生长相比，无明显差异。氮素是合成蛋白质和植物生长的重要元素，因此，从沉水植物的形体和生长量来说，单一的沉水植物对TN的处理能力与其生长量相符[22-23]，试验沉水植物平均植株高度从大到小为：轮叶狐尾藻(94.3 cm)>伊乐藻(81.4 cm)>轮叶黑藻(78.6 cm)>苦草(54.9 cm)。从生长情况上看，伊乐藻与轮叶黑藻的生长高度相近，且在生长过程中，这2种植株分枝数多，易遮蔽阳光，因此，光照竞争是抑制这2种植物生长的主要原因。轮叶狐尾藻和苦草在相同时期，生长高度差异很大，生长模式均单一，很少有分枝生长，可以形成垂直方向良好的生长模式，各沉水植物在不同的深度有良好的空间生长。从衰减通式上看，对TN处理效果最快的是伊乐藻+苦草的组合，该组合在前期对TN有较高的去除率。

图1 不同沉水植物组合水中TN浓度变化Fig.1 Variation of TN Concentration in Different Submerged Plant Combinations

表3 不同沉水植物组合对TN的处理效果Tab.3 TN Removal in Different Submerged Plant Combinations

图2 不同沉水植物组合水中NH3-N浓度变化Fig.2 Variation of NH3-N Concentration in Different Submerged Plant Combinations

2.2 不同沉水植物组合对NH3-N的去除效果

试验过程中，各试验组体系中NH3-N浓度的变化情况如图2所示，不同沉水植物组合体系对NH3-N的处理效果如表4所示。由图2可知，由于沉水植物的作用，各个试验组体系中的NH3-N浓度均随时间的增加而大幅度下降，从水体初始NH3-N为4.64～6.82 mg/L下降到试验完成时的0.43～0.91 mg/L，空白组的TN浓度从初始的6.40 mg/L降到5.11 mg/L。各试验组对TN的处理效果均优于空白组。

由表4可知，对NH3-N平均处理能力最好的是苦草+轮叶黑藻+轮叶狐尾藻的沉水植物组合，单株的平均处理能力为96.12 mg。从单一种植来看，平均处理能力从大到小为：苦草(78.41 mg)>轮叶黑藻(70.21 mg)>轮叶狐尾藻(70.1 mg)>伊乐藻(64.45 mg)。而对TN平均处理能力最好的组合，是平均处理能力最好的3种沉水植物的组合，全组合的平均处理能力为64.41 mg，平均处理能力均小于单一种植，且均小于三组合。两两组合中，苦草+轮叶黑藻的组合较好。含有伊乐藻的组合，处理NH3-N时能力受抑制，其组合数值偏低[24-25]。从空白对照组上看，NH3-N在自然条件下也可以分解，与温度有很大的关系，苦草对NH3-N的处理效果与其生长形态也有很大的关系。除了苦草自身的作用，在试验过程中，苦草很少分枝，无茎叶细长，无遮蔽阳光的效果，水体温度略高，有利于NH3-N的转化。而与苦草的组合相比，其他植物易形成遮蔽效果，水体温度低，NH3-N转化效率降低。从衰减通式上看，对NH3-N处理效果最快的是单独的轮叶黑藻。

表4 不同沉水植物组合对NH3-N的处理效果Tab.4 NH3-N Removal in Different Submerged Plant Combinations

2.3 不同沉水植物组合对TP的去除效果

试验过程中，各试验组体系中TP浓度的变化情况如图3所示，不同沉水植物组合体系对TP的处理效果如表5所示。由图3可知，由于沉水植物的作用，各个试验组体系中的TP浓度均随时间的增加而下降，从水体初始TP为1.18～1.89 mg/L下降到试验完成时的0.51～0.97 mg/L，空白组的TP浓度从初始的1.30 mg/L降到1.15 mg/L。各试验组对TP的处理效果明显优于空白组。

由表5可知，对TP平均处理能力最好的是苦草+轮叶黑藻+轮叶狐尾藻的沉水植物组合，单株的平均处理能力为11.11 mg。从单一种植来看，平均处理能力从大到小为：轮叶黑藻(9.74 mg)>苦草(8.63 mg)>轮叶狐尾藻(8.17 mg)>伊乐藻(8.03 mg)。最好的组合是由平均处理能力最好的3种沉水植物构成，而全组合的平均处理能力为9.14 mg，可能是伊乐藻与轮叶黑藻形成了生长抑制的关系，导致有伊乐藻和轮叶黑藻的组合对TP的平均处理能力有所下降[26-28]。从衰减通式上看，对TP处理效果最快的是伊乐藻+苦草的组合。

2.4 不同沉水植物组合体系中浓度变化

2.5 其他指标说明

河水水体中含有一定量的藻类，因此，采取测定水体中叶绿素a的含量来反映水体中藻类数量的变化。由于沉水植物抑制藻类生长，与空白对照组相比，各个试验组叶绿素a的浓度很低，浅水阶段试验组的叶绿素a浓度在4.32～10.69 μg/L，而空白组的叶绿素a浓度高达67.27 μg/L。深水阶段，由于氮、磷的降低和沉水植物的抑制作用，试验组叶绿素a浓度在0.41～0.91 μg/L，空白组的叶绿素a浓度为43.67 μg/L[30-31]。

图3 不同沉水植物组合水中TP浓度变化Fig.3 Variation of TP Concentration in Different Submerged Plant Combinations

表5 不同沉水植物组合对TP的处理效果Tab.5 TP Removal in Different Submerged Plant Combinations

图4 不同沉水植物组合水中浓度变化Fig.4 Variation of Concentration in Different Submerged Plant Combinations

使用河水，除了影响叶绿素a指标外，还影响溶解氧DO的数值。试验过程发现，除了第1 d各试验组DO有略微差异，其余时间所测到DO恒定在5.69～10.71 mg/L，每天同一时间各个试验组溶解氧差异不大[32-33]。

3 结论

(1)对TP的处理能力：轮叶黑藻(9.74 mg)>苦草(8.63 mg)>轮叶狐尾藻(8.17 mg)>伊乐藻(8.03 mg)。处理效果最好的是苦草+轮叶黑藻+轮叶狐尾藻的组合，平均每株的处理能力为11.11 mg。对TN的处理能力：轮叶狐尾藻(99.91 mg)>伊乐藻(90.86 mg)>轮叶黑藻(89.08 mg)>苦草(80.09 mg)。最好的是伊乐藻+轮叶黑藻+轮叶狐尾藻的组合，平均每株的处理能力为141.36 mg。对NH3-N的处理能力：轮叶苦草(78.41 mg)>轮叶黑藻(70.21 mg)>轮叶狐尾藻(70.1 mg)>伊乐藻(64.45 mg)，最好的是苦草+轮叶黑藻+轮叶狐尾藻的组合，平均每株的处理能力为96.12 mg。

(2)轮叶黑藻对TP的吸收效果最好，轮叶狐尾藻对TN的削减效果最好，苦草对NH3-N的转化效果最好。且三者的组合对TP的处理能力平均每株为11.11 mg、对TN的处理能力平均每株为122.64 mg、对TN的处理能力平均每株为96.12 mg，均大于单一种植。结合每种植物的生长情况和特性[34-35]，优选苦草+轮叶黑藻+轮叶狐尾藻的组合作为莲石湖夏季菹草演替的方案。

(3)在浅水和深水两阶段试验过程中，不同的沉水植物生长状态也有所差异，苦草、轮叶黑藻更适宜浅水区域种植，伊乐藻、轮叶狐尾藻更适宜深水区域种植。同时，考虑竞争和抑制作用，伊乐藻和轮叶黑藻不适宜种植过近，且密度不宜太大；苦草和轮叶狐尾藻可以形成良好的垂直生长关系，互相影响较小。在湖底水深有差异的情况下，从平面角度合理优化苦草、轮叶黑藻、轮叶狐尾藻的种植布局，能更好地发挥沉水植物的净化效果。

(4)为了避免微生物的过度干扰，影响对沉水植物吸收营养盐效果的分析，本试验设置了能满足沉水植物正常生长的较短的试验周期。试验组的叶绿素水平不高，反映了藻类对试验的影响程度较小；试验周期较短，削弱了底泥微生物对试验组的影响。通过试验组与空白组的对照分析，对氮的去除，最优组合中植物去除占84.8%，微生物去除占15.2%；对磷的去除，最优组合中植物去除占85.4%，微生物去除占14.6%。

4 展望

研究沉水植物在水质净化中的作用意义重大，合理规划沉水植物的分布种类、数量情况，了解沉水植物在各个季节的群落演替变化，能保证沉水植物长期维护水质的良好状态。虽然水下森林技术研究已运用于实际工程，但大多数情况的效果持续时间不长，缺乏合理的科学研究和规划方案。多数沉水植物水质净化研究局限于实验室和中试范围内，不能充分体现研究内容在实际工程中的应用效果。对于得到的结果，未能开展沉水植物轮叶黑藻、伊乐藻、苦草和菹草组合试验，但可以考虑在合适的季节对这种推荐的组合进行试验或调查研究，下阶段需基于实际工程出发，为工程实践提供科学的依据和运行参数。