錢新++高海龍

摘要：基于國(guó)家水專項(xiàng)太湖貢湖生態(tài)修復(fù)區(qū)水質(zhì)水量調(diào)控以及沉水植物群落配置的需求，建立了生態(tài)修復(fù)區(qū)的等比例縮放中尺度模型。以小試試驗(yàn)結(jié)果篩選的馬來(lái)眼子菜、穗花狐尾藻、刺苦草和黑藻4種凈化效果較好的先鋒物種，在模型的西部和東部分別采取混合和分開(kāi)的不同方式種植。調(diào)水方式采用前期研究的最優(yōu)調(diào)水方案，分別進(jìn)行夏、秋2季試驗(yàn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)模型內(nèi)調(diào)水時(shí)流場(chǎng)數(shù)據(jù)以及調(diào)水后水質(zhì)變化情況，得出模型內(nèi)水質(zhì)凈化為原水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所需時(shí)間，同時(shí)通過(guò)對(duì)不同種植方式的沉水植物生長(zhǎng)狀況研究，論證該模型內(nèi)4種沉水植物凈化效果較好的種植方案，為生態(tài)修復(fù)區(qū)水質(zhì)水量調(diào)控以及沉水植物種植方式提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：中尺度模型；調(diào)水；流場(chǎng)；沉水植物；太湖；植物配置

中圖分類號(hào)： X171.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）05-0480-04

近年來(lái)，太湖富營(yíng)養(yǎng)化水平的持續(xù)居高不下，加之周邊城市的快速擴(kuò)張，污染發(fā)生地不斷向湖濱靠近，水體中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的增加，導(dǎo)致水體藍(lán)藻水華時(shí)有發(fā)生，引發(fā)貢湖草型生態(tài)系統(tǒng)的破壞，水質(zhì)總體處于V類，水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單一，污染凈化能力下降，生態(tài)服務(wù)功能衰退，嚴(yán)重影響貢湖飲用水源地用水安全，亟須采取果斷措施加以全面治理與保護(hù)。

當(dāng)前，通過(guò)種植沉水植物凈化水質(zhì)是受污染水體修復(fù)的重要有效手段之一[1]。沉水植物作為湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的重要調(diào)節(jié)者，在固定底泥、防止底泥再懸浮、凈化水質(zhì)等方面具有重要作用。武漢東湖水生植被恢復(fù)試驗(yàn)[2]、五里湖生態(tài)重建[3]以及北京什剎海生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)工程[4]中都通過(guò)選種優(yōu)良植物以優(yōu)化植被結(jié)構(gòu)，加速植被恢復(fù)進(jìn)程，進(jìn)而取得水體凈化效果。然而，生態(tài)修復(fù)手段存在周期長(zhǎng)，見(jiàn)效慢，對(duì)突發(fā)污染凈化效果不佳等缺點(diǎn)[5]。水體流動(dòng)性差、換水周期長(zhǎng)是太湖水質(zhì)難以迅速改善的主要原因，北部湖灣換水周期可能更長(zhǎng)[6]。引清調(diào)水作為受污染湖泊修復(fù)的另一種有效手段，有著以清釋污、以豐補(bǔ)枯、以動(dòng)治靜的作用[7]，目前已有巢湖生態(tài)調(diào)水[8]、汾河清水復(fù)流[9]、引江濟(jì)太[10]等成功案例。引清調(diào)水的重點(diǎn)是得出調(diào)水路線以及調(diào)水的水量，黎育紅等運(yùn)用二維水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型，對(duì)9種不同調(diào)水方案進(jìn)行模擬，得到不同流量下調(diào)水的水質(zhì)改善效果[11]，但模型模擬需要大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的支持驗(yàn)證。因此，本研究通過(guò)建立按一定比例縮放的貢湖灣生態(tài)修復(fù)區(qū)中尺度模型，在模型內(nèi)種植小試試驗(yàn)最優(yōu)種群配置的沉水植物，并采用前期試驗(yàn)所得出的調(diào)水方案[12]，根據(jù)沉水植物的生長(zhǎng)習(xí)性不同，進(jìn)行夏、秋2季試驗(yàn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)模型內(nèi)水質(zhì)變化以及沉水植物生長(zhǎng)情況，得出模型在試驗(yàn)調(diào)水流量下，模型內(nèi)水質(zhì)在不同季節(jié)凈化到調(diào)水前水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所需時(shí)間，從而為生態(tài)修復(fù)示范區(qū)水質(zhì)水量調(diào)控提供參考。

1研究區(qū)域

本研究區(qū)域?yàn)閲?guó)家“十二五”水專項(xiàng)課題太湖貢湖灣232 km2的生態(tài)修復(fù)示范區(qū)（圖1），示范區(qū)的調(diào)水水源是示范區(qū)北部的親水河（連通太湖），調(diào)水點(diǎn)在圖示的許仙港和典基港2處位置，示范區(qū)南部通過(guò)閘門與太湖相連通，從而能夠?yàn)樘峁┣逅?。本研究建立的貢湖生態(tài)修復(fù)區(qū)等比縮放中尺度模型（圖2），模型容積650 m3，平均水深約1.3 m，位于生態(tài)修復(fù)區(qū)的東北角位置（圖1），長(zhǎng)寬縮放比例均為1 ∶50。根據(jù)前期小試試驗(yàn)沉水植物最優(yōu)配置結(jié)果選取馬來(lái)眼子菜、穗花狐尾藻、刺苦草和黑藻4種沉水植物，分別在中尺度模型的西部和東部以混合種植和獨(dú)立種植2種方式種植，具體種植方式如圖3所示，北部2個(gè)箭頭分別模擬生態(tài)修復(fù)區(qū)從許仙港和典基港的引水放流，圖中1～8號(hào)點(diǎn)代表采樣的8個(gè)點(diǎn)位。

2研究方法

貢湖生態(tài)修復(fù)示范區(qū)通過(guò)先期在深水區(qū)種植先鋒優(yōu)勢(shì)種形成種群，然后進(jìn)行下層植被恢復(fù)，增加生物量和覆蓋度，最后輔助種植浮葉植物增加物種多樣性。形成比較成熟的生態(tài)修復(fù)區(qū)，全年水質(zhì)較好，能夠?yàn)樘圃旄嗟那逅ㄓH水河水位高時(shí)自流補(bǔ)水進(jìn)示范區(qū)）。為模擬示范區(qū)制造清水能力，在實(shí)體模型中選用流量為25 m3/h的水泵調(diào)水，根據(jù)前期研究結(jié)果[12]采用2臺(tái)水泵分別從西部入流口（模擬許仙港）和東部入流口（模擬典基港），每臺(tái)水泵調(diào)水流量為25 m3/h，連續(xù)調(diào)水5 d，每天連續(xù)調(diào)水3 h，可使模型換水一遍的最優(yōu)調(diào)水方案。

本次試驗(yàn)分為夏季試驗(yàn)（6月29日到7月15日）和秋季試驗(yàn)（10月20日到11月10日），2次試驗(yàn)調(diào)水水源都是太湖水。調(diào)水5 d期間每天采樣，采樣點(diǎn)包括出入流，以及模型內(nèi)8個(gè)點(diǎn)位。靜置期間每3 d采樣1次，采樣點(diǎn)為模型內(nèi)8個(gè)點(diǎn)位。

連續(xù)調(diào)水期間采用多普勒聲學(xué)流速剖面儀（River Surveyor M9）依次對(duì)中尺度實(shí)體模型內(nèi)從西向東劃分的5個(gè)橫截面測(cè)量流速。進(jìn)行流速測(cè)量時(shí)，將該儀器固定于微型船上漂浮于水面上，緩慢延橫截面方向拉動(dòng)船體，測(cè)定各橫截面不同深度瞬時(shí)流速，該儀器垂向流速精度為2 cm，并且模型內(nèi)垂向流速差異不大，因此選取表層20 cm平均流速進(jìn)行分析。采集水樣檢測(cè)氨氮、總氮、總磷、葉綠素a等水質(zhì)指標(biāo)；并且在夏季和秋季試驗(yàn)開(kāi)始前和結(jié)束后對(duì)模型內(nèi)的沉水植物生物量以及生長(zhǎng)分布情況進(jìn)行調(diào)查。

3結(jié)果與討論

3.1沉水植物對(duì)水流流場(chǎng)的影響

模型內(nèi)沉水植物種植前、夏季調(diào)水試驗(yàn)以及秋季調(diào)水試驗(yàn)的5個(gè)斷面（A、B、C、D、E）的流速矢量圖如圖4所示。

夏季試驗(yàn)中5個(gè)斷面的矢量圖與無(wú)沉水植物相似，主要是在馬來(lái)眼子菜的區(qū)域水流有所減弱，有的產(chǎn)生停滯或者回流（圖中虛線箭頭部分），但影響較小。秋季試驗(yàn)相比較夏季試驗(yàn)主要是在馬來(lái)眼子菜的區(qū)域水流受到沉水植物的阻礙效應(yīng)有所減小，但黑藻對(duì)水流的阻礙作用加強(qiáng)。秋季試驗(yàn)平均流速為0.021 m/s，比夏季試驗(yàn)的平均流速0.032 m/s有所減小，這是因?yàn)槭艿匠了参镒璧K作用更強(qiáng)，流速相對(duì)減弱。如果流速以東方（流向出水口方向）為正，A、B、C、D、E 5個(gè)截面在夏季試驗(yàn)中負(fù)方向流速占所有流速點(diǎn)的比例分別為393%、41.7%、42.1%、40.7%、36.4%；而秋季試驗(yàn)，雖然生物量減少，但是植株長(zhǎng)度增加，所以負(fù)方向流速所占比例分別為42.3%、50.6%、55.7%、45.7%、38%，5個(gè)橫截面的負(fù)方向流速所占比例都略微增加，這意味著回流區(qū)域稍微變大。但是從調(diào)水流場(chǎng)整體方向來(lái)看，都從入流口流向出流口，且方向性很明顯，所以沉水植物的影響雖有但可以忽略。

3.2模型內(nèi)水質(zhì)變化情況

夏季試驗(yàn)期間調(diào)水水質(zhì)為Ⅴ類：總氮3.14 mg/L，氨氮13 mg/L，總磷0.23 mg/L，葉綠素a 77.1 μg/L。調(diào)水前模型內(nèi)8個(gè)采樣點(diǎn)平均水質(zhì)為Ⅲ類：總氮0.83 mg/L，氨氮0.21 mg/L，總磷0.04 mg/L，葉綠素a 12.9 μg/L。調(diào)水期間模型內(nèi)水質(zhì)變化如圖5。模型西部和東部區(qū)域4個(gè)采樣點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)鹽平均值在靜置期間的去除率如表1。前5 d為連續(xù)調(diào)水期，后12 d是靜置期。各營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)除葉綠素a在調(diào)水最后一天達(dá)到峰值，其他3種指標(biāo)由于調(diào)水水質(zhì)較差，在調(diào)水第二天就達(dá)到峰值。在調(diào)水14 d以后，各水質(zhì)指標(biāo)都能達(dá)到調(diào)水前的Ⅲ類水質(zhì)，其中TN、氨氮已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，而TP、葉綠素a在調(diào)水17 d 時(shí)穩(wěn)定下來(lái)。從模型的東西部對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效率來(lái)看，除TP的去除率為40%以上，其他都要高于60%。并且除TN以外，西部對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果都要稍好于東部。所以模型西部混合種植的沉水植物比東部分散種植的沉水植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效率要稍高。

調(diào)水前模型內(nèi)8個(gè)采樣點(diǎn)平均水質(zhì)為（Ⅱ類）：總氮0.28 mg/L，氨氮0.05 mg/L，總磷0.02 mg/L，葉綠素a 0.29 μg/L。調(diào)水期間模型內(nèi)水質(zhì)變化如圖6。模型西部和東部區(qū)域4個(gè)采樣點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)鹽平均值在靜置期間的去除率如表1。前5 d為連續(xù)調(diào)水期，后15 d是靜置期。調(diào)水17 d時(shí)模型內(nèi)水質(zhì)已達(dá)調(diào)水前的試驗(yàn)結(jié)束模型內(nèi)水質(zhì)為Ⅱ類水質(zhì)，達(dá)到調(diào)水前的標(biāo)準(zhǔn)。TP、氨氮在靜置第一天達(dá)到最高值，TN與葉綠素a在調(diào)水的最后一天達(dá)到最高值。4種水質(zhì)指標(biāo)在調(diào)水期間都呈上升的趨勢(shì)，在靜置期間都呈下降趨勢(shì)，其中TN、葉綠素a在試驗(yàn) 17 d 的時(shí)候已經(jīng)穩(wěn)定，TP、氨氮在20 d的時(shí)候穩(wěn)定。從對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除率來(lái)看，模型內(nèi)沉水植物對(duì)葉綠素a的去除率最高，東部和西部都達(dá)到80%以上，對(duì)氨氮的去除率最低，這和入水氨氮濃度較低有一定關(guān)系，不過(guò)去除率也都達(dá)到20%以上?？傮w來(lái)看，同樣可以得出模型西部混合種植的沉水植物比東部分散種植的沉水植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效率要高。

綜上所述，模型內(nèi)水質(zhì)類別主要受到TP的限制，夏季試驗(yàn)在調(diào)水14 d后模型內(nèi)水質(zhì)恢復(fù)到原Ⅲ類水質(zhì)，秋季試驗(yàn)17 d 后模型內(nèi)水質(zhì)恢復(fù)到原Ⅱ類水質(zhì)。3.3沉水植物生長(zhǎng)狀況

模型西部的沉水植物采用混種方式種植，種植區(qū)域?yàn)椴蓸狱c(diǎn)1～4的4個(gè)區(qū)域，區(qū)域東部沉水植物采用分開(kāi)種植，定為區(qū)域5。西部混合種植密度為75 g/m2，東部分開(kāi)種植密度為每種植物300 g/m2。夏季和秋季試驗(yàn)沉水植物的相對(duì)生長(zhǎng)率（RGR）如圖7所示。相對(duì)生長(zhǎng)率（RGR）作為常用的生長(zhǎng)特征參數(shù)，可以用來(lái)判斷沉水植物生長(zhǎng)速度的快慢，其公式為式中：W1、W2分別表示試驗(yàn)開(kāi)始測(cè)定的生物量（g）和試驗(yàn)結(jié)束測(cè)定的生物量（g）；t表示2次測(cè)定的時(shí)間間隔（d）。

從相對(duì)生長(zhǎng)率來(lái)看，夏季試驗(yàn)中模型西部的混種區(qū)域，刺苦草相對(duì)生長(zhǎng)率最大，黑藻的相對(duì)生長(zhǎng)率最小且為負(fù)值；東部分開(kāi)種植區(qū)域，馬來(lái)眼子菜的相對(duì)生長(zhǎng)率最大，其次為刺苦草和穗花狐尾藻，黑藻的相對(duì)生長(zhǎng)率同樣最小且為負(fù)值。這與黑藻的生長(zhǎng)習(xí)性有關(guān)：黑藻春秋季生長(zhǎng)速度較快但不耐夏季的高溫?？傮w來(lái)看，黑藻在夏季調(diào)水試驗(yàn)中生長(zhǎng)不佳，而刺苦草表現(xiàn)出了很好的耐污生長(zhǎng)能力，因此在夏季的實(shí)際種植中應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加苦草的生物量，減少黑藻的生物量，可以達(dá)到更好的水體凈化效果。

秋季試驗(yàn)中，苦草、馬來(lái)眼子菜和穗花狐尾藻均出現(xiàn)衰亡，其中刺苦草衰亡最明顯，而黑藻則還可以繼續(xù)生長(zhǎng)，對(duì)水質(zhì)起到一定的凈化作用。黑藻在夏季試驗(yàn)生長(zhǎng)不佳，而在秋季試驗(yàn)卻生長(zhǎng)良好，這是黑藻自身最佳生長(zhǎng)溫度偏低造成的。

綜上所述，在夏季可以增加刺苦草的種植生物量，秋季多增加黑藻的種植生物量，可以最大限度地增加沉水植物的生物量，獲得最好的水體凈化效果。

4結(jié)論和展望

建立貢湖生態(tài)修復(fù)區(qū)的等比縮放中尺度模型，在模型內(nèi)分開(kāi)種植沉水植物，進(jìn)行夏秋2季試驗(yàn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)模型內(nèi)水質(zhì)變化、沉水植物生長(zhǎng)情況以及調(diào)水時(shí)模型內(nèi)流場(chǎng)圖，分析了該調(diào)水情景下和模型內(nèi)沉水植物的種植方式下，模型凈化調(diào)水到原水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所需時(shí)間，為貢湖生態(tài)示范區(qū)的調(diào)水方案以及沉水植物的種植方式提供參考，主要結(jié)論如下：

（1）秋季試驗(yàn)雖然沉水植物生物量減少但是植物植株普遍較長(zhǎng)，所以對(duì)流速的阻礙強(qiáng)于夏季。從整體流場(chǎng)圖來(lái)看，夏季和秋季2期調(diào)水的流向主要從入流口流向出流口，死水區(qū)與回流區(qū)較小，能夠起到調(diào)水的水質(zhì)混合效果，沉水植物的阻礙作用基本可以忽略。

（2）在現(xiàn)有調(diào)水方式下，夏季試驗(yàn)在調(diào)水14 d后模型內(nèi)水質(zhì)恢復(fù)到原Ⅲ類水質(zhì)，秋季試驗(yàn)17 d后模型內(nèi)水質(zhì)恢復(fù)到原Ⅱ類水質(zhì)。模型西部沉水植物的營(yíng)養(yǎng)鹽去除率稍高于東部區(qū)域的沉水植物，混合種植方式水體凈化效果更好，生態(tài)修復(fù)示范區(qū)沉水植物可以多采用類似的混合種植方式。

（3）刺苦草屬于耐高溫耐污效果好的沉水植物，而黑藻春秋季生長(zhǎng)較好，所以在生態(tài)修復(fù)示范區(qū)易污染的淺水區(qū)域或夏季補(bǔ)種刺苦草，而在秋季補(bǔ)種黑藻，沉水植物的生長(zhǎng)狀況較好，水體修復(fù)能力更強(qiáng)。

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