张掖黑河湿地甘州区流域水体净污效果监测分析

吴建东，雒天峰

(1.甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省水利厅水利工程建设造价与规费管理中心，甘肃 兰州 730000)

随着全球经济的高速发展，水资源短缺问题日益严重，同时水资源污染问题日益突出。水资源的污染极大程度上造成了水资源浪费并且污染环境，严重制约了农业发展。生活污水与工业污水主要含有重金属、氮、磷等物质，长期的污水排放会导致河道富营养化，浮游生物疯长、土壤重金属污染严重[1]。湿地具有完整的生态结构功能[2]，湿地不仅可以调整局部气候，并且对减缓水污染具有重大作用。湿地集流一般包括生活污水、工业污水、自然河流等水源。湿地植物、土壤的生态系统对水质具有净化作用。影响湿地净污效果的因素众多，比如湿地的构型、进水量大小、湿地植物和水力停留时间等[3]。湿地植物能大量吸收水体中的污染物。近年来由于城市化发展迅速，人工湿地因高效节能的特点及绿化与净污效果好在城市建设中频繁使用[4-5]。人工湿地的研究主要集中在湿地净污效果研究方面，季节变化、植物种类等对净污效果的影响等方面。张文艺等研究了植物浮岛对太湖流域农村生活污水的净化效果[6]，但是多数学者的研究仅仅局限于人工湿地的净化效果研究[7-10]，主要原因是自然湿地存在较少且影响因素较多，不好控制研究因素。甘肃张掖黑河湿地国家级自然保护区湿地的水源补给除了地表水径流主要为过境的黑河水、地下水外，还包括当地的生活污水和工业污水，其水质研究具有现实意义。湿地土壤重金属污染一直是湿地土壤治理的难点，植物对土壤重金属的去除效果甚微，同时由于湿地土壤酸碱性的影响，大部分重金属以结合物的形态存在，可供于植物与微生物吸收利用的有效态重金属占比很小。因此我们通过张掖黑河自然湿地的水质和土壤指标的变化来探究自然湿地的净污效果。

1 材料与方法

1.1 监测区概况

张掖黑河湿地国家级自然保护区地处甘肃河西走廊中部“蜂腰”地带，位于张掖市中北部，属黑河流域中部平原区，以黑河中游河道为主线，地跨甘州、临泽、高台3县(区)，呈带状分布。东至甘州区上秦镇，西接酒泉市肃州区、金塔县，南依祁连山，北靠合黎山和龙首山。

1.2 监测内容

本次研究我们选取张掖黑河湿地国家级自然保护区甘州县区范围内的湿地植物资源及地表水水质、水文、气象等生态环境因素进行检测研究。

张掖黑河湿地国家级自然保护区水质监测主要包括所辖的甘州区范围内乌靖大桥、三闸二社、黑河湿地公园(甘泉府西)3个湿地流域进行水质检测研究。2019年保护区水文监测共开展1次，甘州区湿地水域面积132.19hm2，总水量达71.88万m3。该流域2019年平均水深0.94m，年平均气温10.04℃，最高气温36.6℃。2019年该区域降水量为142.5mm。降雨在一定程度上可以稀释水体粒子浓度，导致检测结果不够客观。2019年该区域全年降水量仅为142.5mm，且降雨时间分布不均，在同一降雨期的降雨量更少，因此降雨对该研究影响甚微。同时为防止降雨影响检测精度，我们在高蒸发无降水的天气进行水样采样，降雨后两周之内不采样检测。因此本研究忽略了降雨对张掖黑河湿地甘州区流域水质检测指标浓度的影响。2019年张掖黑河湿地水质监测的频度为7次，4月至10月为检测时间范围，每月进行一次水质采样、检测。实验室监测指标为pH、电导率、氨氮、化学需氧量(COD)、镉、铅、锌、铜等水质指标。水温采用水温计进行现场监测。水质监测仪器见表1。

2 结果与分析

2.1 植物检测结果

湿地植物队水体中氮磷的去除具有重要作用，同时各植物的去除效果也不一致[11-12]。甘州区频度排列前五的植物分别是冰草，芦苇、蒲公英，披碱草、碱蓬、旋覆花，这些植物都是耐水性植物，适合湿地环境，能在生长期通过光合作用吸收水体中的营养元素，起到净化水质的作用。

2.2 水质检测结果

如图1所示电导率随季节的变化可知，乌靖大桥、三闸二社、黑河湿地公园3个湿地流域水质的电导率变化趋势几乎一致。在4—5月电导率值一致较高，6—8月电导率值明显降低，8月后又明显出现上升。同时由图一可知水体中的重金属浓度在6—8月份这段时间是降低的，8月后上升较快。重金属浓度曲线与电导率曲线走势一致。重金属离子在水体中的浓度越高，水体导电性越强，检测所得电导率值越大。电导率反映的是水中的可溶性物质的多少，其值在6—8月份出现降低表明该月份水质中的可溶性杂质浓度降低。6—8月正好是夏季，该段时间水体温度较高，水体的电导率值却较低，这说明湿地对水体可溶性粒子的净化效果是显著的。同时河道水体的重金属浓度在6—8月份出现显著降低，水体重金属浓度能明显影响电导率的大小，重金属浓度越高，电导率越大。重金属浓度的降低也是导致水体电导率值较小的原因之一。重金属主要由河道中浮游植物的生长吸收、土壤的吸附沉降以及金属与其他粒子的反应沉降去除。植物的净化作用主要靠植物根系。甘州区湿地植物覆盖度较高，这对去除水体重金属有益。该湿地保护区湿地类型多样，野生植物资源丰富，湿地植物样方植被的平均覆盖率达90.44%，甘州区监测到的湿地植物共42种，植物样方平均盖度为92.8%。河道浮游植物以及其他种类植物在夏季生长比较旺盛，吸收了水体中的金属粒子。已经有很多研究证明植物具有净化水体及土壤中重金属污染的能力，多数金属离子为正电性，一旦与植物组织中的带负电的大分子化合物结合便将金属离子吸收[13]。

表1 张掖黑河湿地国家级自然保护区地表水水质监测仪器及方法统计表

图1 不同季节各流域水质指标变化曲线

甘州区水体COD的浓度随季节变化趋势如图1所示，6—8月份间COD值明显大于其他季节，4—5月、9—10月其值明显降低。COD值能衡量水中有机物质的浓度，其值越大，说明水体中的有机质浓度越大。湿地COD浓度的降低与水体中有机污染物的分解、氧化有关，水体主要是靠氧化还原反应对有机污染物进行降解，温度和水体溶解氧含量是去除水体COD的主要影响因素。5—8月甘州区温度高于其他季节，温度的上升导致水体溶解氧含量降低，所以水体对有机质的降解能力降低，导致水体检测COD值较高。低温季节水体含氧量较高，有益于有机质的降解。同时水体中存在多种微生物，微生物对水体有机物降解起到非常重要的作用，微生物可以通过自身或者和其他物质反应来分解水体中的有机物。微生物活性受温度影响显著，温度越高，其活性越强，对有机质的同化吸收作用越强。在低温季节微生物活性下降。因此温度是影响湿地有机污染物去除效果的主要因素，在高温季节能加速水体净化，降低水体有机质。

水体中氨氮的浓度变化与COD不同，在高温季节的氨氮浓度明显低于低温季节。氨氮是植物生长的必要营养元素，生活污水和工业污水的排放导致水体中存在大量氨氮。6—8月份张掖是夏季，该段时间湿地植物生长茂盛，植物根系吸收水体中的氨氮为自身生长所用，植物生长季节加速水体中氨氮的吸收利用；同时该季节微生物活性较强，微生物的硝化和反硝化作用降低水体中的氨氮浓度。10月份氨氮浓度突然增加是因为该月正好是张掖湿地植物的凋落枯萎季节，水生植物枯萎腐烂在水体中后，其本身所含的氮、磷等物质会短期释放到水体中。因此10月份会出现氨氮浓度的突增。

水体中氮、磷的浓度随季节的变化与氨氮浓度相似，4—5月氮、磷浓度较高，6—8月其浓度值又降低，9月后浓度升高。水体中氮浓度去除机理与氨氮浓度去除一致，大部分的氮通过植物的吸收及微生物硝化反应去除[14-15]，其中一部分氮是通过氨氮气体的形式挥发到大气中。温度越高，硝化反应与挥发作用越明显。所以在6—8月氮浓度是低于其他月份的。水体中的磷部分以磷酸盐的形式存在，部分磷主要靠植物的生长吸收，微生物同化利用、土壤吸附沉降等作用去除。5—8月植物生长茂盛，微生物活跃，他们吸收同化了水体中的氮磷元素，因此该段时间水体中氮磷浓度下降。因此为保持湿地的净化能力要定期清除湿地植物的凋谢枯萎茎秆。凋落物腐烂后释放出部分氮、磷，通过清理茎秆可以移出湿地水体中的氮、磷等元素。

2.3 水质指标的时间关系

2.3.1河道水温变化

该湿地流域的河道水温随季节变化有明显趋势，如图2所示，6—8月份水温高于其他月份，最高水温24℃，最低水温5.9℃。温度是影响水体净化能力的重要因素。适宜温度下植物生长快，加速植物对水体氮、磷元素的吸收，同时甘州区植物大部分为冰草，芦苇、蒲公英等耐水性水生植物。微生物在适宜的温度下才能更好的发挥出本身的硝化作用与反硝化作用，微生物在20～40℃时的代谢作用最强。温度越高微生物活性越强，代谢速率越快。

图2 河道水温随季节变化曲线

图3 水质指标与季节的相关关系

2.3.2水质指标的季节变化曲线

通过对水质指标的研究，我们发现水质各检测指标随湿地的季节变化有一个明显的变化趋势，在温度较高季节河道水温随之也升高，此时水体中的COD浓度也较高，在低温季节COD值也较低。但是水体电导率值、重金属、氨氮浓度确随着水温升高而降低，高温季节其值较小，低温季节其值较大。为了量化这种季节与浓度变化关系，我们将月份设置为横坐标(x)，水质指标值设置为纵坐标(y)来探寻两者的相关关系，通过软件Origin进行曲线的拟合和绘图。水质指标随季节变化的拟合曲线结果见表2、如图3所示。

表2 水质指标随季节变化的拟合曲线

由图三可见，水体COD浓度与季节存在y=a+bx+cx2+dx3的相关关系，该拟合曲线的相关系数为0.830，这表明可以使用该曲线来表示张掖湿地甘州区河道COD随季节的浓度变化。同时，水体重金属、氨氮浓度、电导率值的变化也可以使用该公式表示，其相关系数分别为0.823、0.767、0.751，这表明该区段湿地重金属、氨氮浓度、电导率值与季节的相关关系可以使用该公式表示。与COD浓度变化不同之处在于重金属、氨氮浓度、电导率值在高温季节明显呈减小趋势，在低温季节呈上升趋势。水质指标出现降低的月份正好是植物生长最茂盛季节，植物生长吸收了水体中部分氮、磷、重金属，同时微生物在高温季节的硝化作用、氨氮气体的挥发降低了水体中的氨氮浓度。九月份以后该湿地大部分植物枯萎凋谢，植物根系在水中降解腐烂释放出金属与氮、磷等元素，导致水质指标上升。所以湿地对水体的净化效果主要依赖于季节变化，这与人工湿地对水质的净化研究结果一致。

高温季节水体COD浓度增加的与气候相关，一方面植物生长吸收了水体中的氧气，另一方面是温度升高水体溶解氧的能力降低，导致水中溶解氧浓度低于低温季节，因此溶解氧浓度是导致水体本身对有机物的降解速度降低，COD浓度增加的主要原因。

图3 水质指标与季节的相关关系

3 结语

本文通过对张掖湿地甘州区3个流域水体水质的监测分析，发现甘州区乌靖大桥、三闸二社、甘泉府西三个流域水体的水质指标变化趋势相近，除了COD浓度在6—8月份出现上升外，其他水质指标浓度在该时间段都出现下降趋势，水体净化效果显著，究其原因为该时间段水体温度较高，植物生长速度快，微生物活性强，加速了水体中氮磷元素的吸收，符合人工湿地水质净化特点。张掖湿地水体水质指标值与季节的拟合曲线符合多项式关系，相关性较高，该研究区域水体的水质指标变化关系可使用该曲线表示，为张掖湿地流域水体水质的监测和水量调控管理提供借鉴和技术指导。