溫瑞塘河冬季水質晝夜變化研究

王振峰 何曉虎 陳序立 黃宏

摘 要：受太陽輻射變化的影響，河流水質具有不可忽略的晝夜變化性。本文以溫瑞塘河流域為研究區域，研究生態修復河段與對照河段冬季水質的晝夜變化規律。結果表明，不論是生態修復河道還是對照河道，其水質均具具有不可忽視晝夜變化現象。特別是生態修復河道和對照河道DO的晝夜變化規律差別較大，說明人工增氧能夠強烈影響DO，進而改變硝化反應和反硝化反應條件，影響氮素的晝夜變化。磷素在河流中顯得相對保守，單純依靠簡單的人工增氧難以大幅度地改變水體TP濃度。對于平原河網嚴重污染河道，只有將生態疏浚、人工增氧、生態護坡、人工濕地等多措施有機整合，才能實現水質的根本性改善。

關鍵詞：水質;晝夜變化;曝氣增氧;溫瑞塘河

中圖分類號：X824 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0005-04

科學地監測和評價河流水質是開展水環境保護的重要基礎。受太陽輻射變化的影響，河流水質具有不可忽略的晝夜變化性。假如忽略水質參數的晝夜變化，隨意在各種時間段進行水質監測，獲得的數據將無法客觀、準確地反映河流的水質。例如，春季的溫瑞塘河、夏季的三垟濕地[5]、春季的南盤河[10]等河流的水質參數都具有不可忽略的晝夜變異性。但是，在以往的河流水質監測中，往往忽略了水質晝夜變化的重要性，在監測時間的選擇上存在很大的隨意性，可能導致水質評價結果有失客觀。

由于環境保護長期滯后于經濟社會發展，我國許多地區地表水水質遭受極大破壞。江浙地區是典型的平原河網地區，由于河網水交換能力弱，加上工業發達和人口聚集，導致水質嚴重惡化。為此，平原河網地區不得不采取工程修復和生態修復等手段來改善水質，曝氣增氧則是應用作為廣泛的手段之一。目前，有關河流水質變化規律的研究主要集中于自然河段的季節變化和晝夜變化，關于生態修復河段水質的晝夜變化還鮮有報道。本文以溫瑞塘河流域為研究區域，研究生態修復河段與對照河段水質的晝夜變化規律，確定最佳的水質監測時間段，為科學地監測和評價河流水質提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域簡介

溫瑞塘河位于甌江以南、飛云江以北的溫瑞平原，主河道全長33.85公里，水系河網總長度1178.4公里。由于歷史上大量污染物被排放入河、大量河道被填埋侵占，導致水質惡化、河道淤積等問題日益嚴重，許多河道變成了“黑臭河”。自2013年以來，溫州市全面推進“五水共治”，已在一定程度上遏制了水環境惡化的勢頭。

研究河段位于茶山高教園區，分別為舜岙河（A）和橫江河上（B），詳見圖1。舜岙河長約200m，平均寬度20m;橫江河長約250m，平均寬度25m。舜岙河和橫江河均位于溫州醫科大學茶山校區教學區內，周圍沒有工業點源污染，以生活污染為主。但是，橫江河靠近舜岙村和南柳美食街，可能還受農村生活污水和餐飲污水的影響。自2015年9月以來，浙南水科學研究院在舜岙河實施生態修復工程，主要修復措施為曝氣增氧，還配套有人工濕地、生態浮床和生態護坡。橫江河無生態修復工程，為對照河段。

1.2 水質監測方法

水質監測日期為2016年1月9日～10日，監測期間天氣為多云，每隔2h監測一次表層水的水質。水質參數包括溫度（TM）、溶解氧（DO）、pH、總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3--N）、總磷（TP）和磷酸鹽（PO43--P）。TM、EC、DO和pH用YSI6920多參數水質監測儀現場測定。其余指標用聚乙烯瓶采集，加入固定液放入便攜式冷藏箱保存，帶回實驗室分析。TN的測定方法為堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，NH4+-N的測定方法為靛酚藍比色法，NO3--N的測定方法為紫外分光光度法，TP的測定方法為鉬酸銨分光光度法。

1.3 數據分析方法

數據的統計分析和繪圖分別在SPSS軟件和Origin軟件中進行。用SPSS軟件進行數據的獨立樣本T檢驗，用Origin繪制數據的散點圖和箱式圖。考慮到水質存在晝夜變化的現象，在不同的時間段監測水質可能會得出不同的結論，將折線圖和箱式圖相結合，通過觀察水質的動態變化及其分位數，直觀地確定最佳的水質監測時間段。

2 結果與討論

2.1 TM、DO和pH的晝夜變化

生態修復河段和對照河段TM的晝夜變化折線圖和箱式圖見圖2-1～2-3。生態修復河段和對照河段TM晝夜變化規律相似，晚上20點以后逐漸下降，到次日10點降到低谷，然后逐漸上升。水體TM主要太陽輻射的影響，晝夜變化規律很明顯，即入夜后迅速下降，次日白天隨著光照強度的增強逐漸上升[5]。至于兩個河段10點以后才開始上升，原因在于監測日為陰天，水體TM上升的速度滯后較長時間。兩個河段TM濃度在12點～18點接近中位數，在該時間段開展水質監測最具有代表性。

河流水體DO濃度主要受光合作用和呼吸作用的影響[1]。生態修復河段和對照河段DO的晝夜變化折線圖和箱式圖見圖2-2a和b。白天由于水生植物和藻類光合作用的增強，產生的氧氣大于水生有機體呼吸消耗的氧氣，因而溶解氧會增加，在夜間則相反。如圖2-2b所示，對照河段DO濃度在6點～14點期間達到一個較高的平臺，入夜以后有所下降，這根以往對溫瑞塘河水質晝夜變化的研究結果相符[5]。但是，生態修復河段DO濃度的變化情況卻顯得比較雜亂，在12點～18點期間能夠維持在一個較高水平，原因可能是曝氣增氧、人工濕地、生態浮床等工程措施的影響。生態修復河段和對照河段DO濃度分別在6點～8點和8點～10點接近中位數，在該時間段開展水質監測最具有代表性。

與DO類似，河流水體中pH的變化受很多因素影響，其中最重要的是有機體的呼吸作用和植物/浮游植物的光合作用[7]。有機體的呼吸能產生二氧化碳，光合作用能消耗二氧化碳。二氧化碳可溶于水，具有弱酸性，因而可以影響pH的晝夜變化。由圖3-3a和b可見，生態修復河段和對照河段pH的晝夜變化規律很相似，入夜以后光合作用停止而呼吸作用不停，有機體呼吸產生的二氧化碳導致水體酸性增加，因而pH值較低，白天則恰恰想反。生態修復河段和對照河段pH分別在4點～14點和4點～10點接近中位數，在該時間段開展水質監測最具有代表性。

2.2 氮素和磷素的晝夜變化

在研究區域的生態修復河段和對照河段，氮素污染程度較高，NH4+-N濃度的平均值分別為Ⅴ類和劣Ⅴ類，在每年的5～9月份期間，河道都會出現浮萍大量增值，甚至導致大量魚類因缺氧而死亡，進一步控制養分污染將是未來改善水質的關鍵所在。生態修復河段和對照河段TN、NH4+-N、NO3--N和TP的晝夜變化折線圖和箱式圖見圖3-1～圖3-4。

由圖3-1a可見，生態修復河段TN濃度的晝夜變化規律很明顯，晚上20點至次日12點具有緩慢下降趨勢，但是隨后迅速上升，到18點達到峰值。原因可能是生態修復河段DO濃度在12點～18點期間能夠維持在一個較高水平（圖3-1a），充足的溶解氧有利于硝化反應而抑制了反硝化反應[7]。相比之下，對照河段TN濃度的晝夜變化顯得雜亂，呈不規則波動（圖3-1b），跟DO的變化規律相似（圖2-2b）。晚上20點至次日12點具有緩慢下降趨勢，但是隨后迅速上升，到18點達到峰值。從水質監測角度，生態修復河段TN分別在8點～14點和4點～10點接近中位數，對照河段在8點和14點接近中位數，在該時間段開展水質監測最具有代表性。

河流水體中TN的主要形態是NH4+-N和NO3--N，這二者的變化決定了TN的變化。由3-2a和b可見，生態修復河段和對照河段NH4+-N濃度的晝夜變化規律比較相似，在夜間濃度較低而且相對平穩，在白天濃度較高而且波動較為劇烈。一方面原因是夜間生活污水排放較少，而白天生活污水較多;另一方面原因是白天隨著光照強度以及水體溶解氧的波動，硝化反應的速率也隨著改變，NH4+-N被轉化為NO3--N速率也隨之改變[8]，進而影響了NH4+-N的晝夜變化。從科學開展水質監測的角度，生態修復河段和對照河道的NH4+-N分別在10點和12點接近中位數，在該時間段開展水質監測最具有代表性。

生態修復河段和對照河段NO3--N濃度的晝夜變化規律差別很大（圖3-3）。生態修復河段NO3--N濃度在20點至次日14點濃度較低而且相對平穩，隨后迅速上升，這跟生態修復河段TN濃度的晝夜變化規律相似。由于生態修復河段DO濃度在12點～18點期間能夠維持在一個較高水平（圖2-2a），有利于硝化反應而抑制了反硝化反應[7]，因而14點以后NO3--N濃度迅速上升。生態修復河段NO3--N和TN濃度的平均值分別為3.302/mg·L-1和4.373/mg·L-1，二者比值達到0.76，說明生態修復河段的NO3--N濃度的晝夜變化影響了TN。對照河段NO3--N濃度在20點至次日10點濃度較高而且相對平穩，但是隨后卻迅速下降（圖3-3b），對照河段DO濃度在12點以后也降到一個低谷（圖2-2b），這說明了DO濃度的下降減少了NH4+-N轉化為NO3--N的速率。因此，生態修復河段和對照河道的NO3--N分別在10點～16點和8點～10點接近中位數，在該時間段開展水質監測最具有代表性。

生態修復河段和對照河段TP濃度晝夜變化折線圖和箱式圖見圖3-4。生態修復河段TP濃度從晚上20點至次日16點具有上升趨勢，隨后迅速下降，到18點達到波谷（圖3-4a）。對照河段TP濃度從晚上20點至次日12點具有上升趨勢，隨后迅速下降，到14點達到波谷，隨后開始上升（圖3-4b），與TM的晝夜變化趨勢恰恰相反（圖2-1a）。隨著外源污染逐步得到有效控制，底泥已成為影響上覆水體水質的重要因素[9]。在適宜條件下，在底泥中蓄積的污染物會通過擴散、解吸等方式重新釋放進入上覆水體，是影響河流水質的重要二次污染源[3]。水溫下降，有利于底泥吸附水體中的磷，導致水體TP濃度下降;水溫上升，有利于底泥釋放吸附的磷，導致水體TP濃度上升。生態修復河段和對照河段TP的晝夜變化，原因可能是底泥的污染釋放。生態修復河段和對照河段，TP濃度分別在12點～14點和16點～18點接近中位數，在該時間段開展水質監測最具有代表性。

2.3 水質晝夜變化規律對水環境保護的啟示

通過對生態修復河道和對照河道24h的連續水質監測，發現其水質均具有不同程度的晝夜變化現象。對于沒有開展生態修復的河道，導致水質晝夜變化的直接原因是太陽輻射的變化，太陽輻射的變化影響了水生植物/浮游植物的光合作用和有機體的呼吸作用，導致水體TM、DO和pH的變化，進而影響了各種污染物的晝夜變化。對于生態修復河道，除了受太陽輻射晝夜變化的影響，還受到曝氣增氧、人工濕地、生態浮床等工程措施的影響，各個水質參數也不斷發生著晝夜變化。本文將野外實驗、室內分析和統計分析相結合，通過觀察水質的動態變化及其分位數，直觀地確定最佳的水質監測時間段，為科學地監測和評價河流水質提供了依據。

根據生態修復河道和對照河道TM、DO和pH的晝夜變化的分析，發現生態修復河道和對照河道DO的晝夜變化規律差別較大，意味著生態修復（特別是人工增氧）能夠改變了DO這個重要參數的晝夜變化，進而能夠改變硝化反應和反硝化反應的條件，影響氮素的晝夜變化。但是，磷素在河流中顯得相對保守，單純依靠簡單的人工增氧難以大幅度地降低水體TP濃度。國內外許多河流和湖泊在外源污染得到有效控制的情況下，水質在一定時期內仍沒有得到明顯的改善，主要原因就在于內源污染的持續影響[2，4]。對溫瑞塘河生態修復河道和對照河道TP的晝夜變化研究結果表明，底泥是水體TP的“源”和“匯”，水體TP濃度的晝夜變化，很大程度上是因為水溫的變化引起了土-水界面TP的吸附-解吸附的改變。為此，將來的河道生態修復，要將生態疏浚、人工增氧、生態護坡、人工濕地等多種工程措施有機整合，才能實現水質的根本性改善。

3 結語

不論是生態修復河道還是對照河道，其水質均具具有不可忽視晝夜變化現象。只有將野外實驗、室內分析和統計分析相結合，通過觀察水質的動態變化及其分位數，才能確定最佳的水質監測時間段，科學、客觀地監測和評價河流水質。

生態修復河道和對照河道DO的晝夜變化規律差別較大，意味著人工增氧能夠強烈影響DO，進而改變硝化反應和反硝化反應條件，影響氮素的晝夜變化。磷素在河流中顯得相對保守，單純依靠簡單的人工增氧難以大幅度地降低水體TP濃度。只有將生態疏浚、人工增氧、生態護坡、人工濕地等多種工程措施有機整合，才能實現水質的根本性改善。

參考文獻

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