張掖黑河濕地甘州區流域水體凈污效果監測分析

吳建東，雒天峰

(1.甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省水利廳水利工程建設造價與規費管理中心，甘肅 蘭州 730000)

隨著全球經濟的高速發展，水資源短缺問題日益嚴重，同時水資源污染問題日益突出。水資源的污染極大程度上造成了水資源浪費并且污染環境，嚴重制約了農業發展。生活污水與工業污水主要含有重金屬、氮、磷等物質，長期的污水排放會導致河道富營養化，浮游生物瘋長、土壤重金屬污染嚴重[1]。濕地具有完整的生態結構功能[2]，濕地不僅可以調整局部氣候，并且對減緩水污染具有重大作用。濕地集流一般包括生活污水、工業污水、自然河流等水源。濕地植物、土壤的生態系統對水質具有凈化作用。影響濕地凈污效果的因素眾多，比如濕地的構型、進水量大小、濕地植物和水力停留時間等[3]。濕地植物能大量吸收水體中的污染物。近年來由于城市化發展迅速，人工濕地因高效節能的特點及綠化與凈污效果好在城市建設中頻繁使用[4-5]。人工濕地的研究主要集中在濕地凈污效果研究方面，季節變化、植物種類等對凈污效果的影響等方面。張文藝等研究了植物浮島對太湖流域農村生活污水的凈化效果[6]，但是多數學者的研究僅僅局限于人工濕地的凈化效果研究[7-10]，主要原因是自然濕地存在較少且影響因素較多，不好控制研究因素。甘肅張掖黑河濕地國家級自然保護區濕地的水源補給除了地表水徑流主要為過境的黑河水、地下水外，還包括當地的生活污水和工業污水，其水質研究具有現實意義。濕地土壤重金屬污染一直是濕地土壤治理的難點，植物對土壤重金屬的去除效果甚微，同時由于濕地土壤酸堿性的影響，大部分重金屬以結合物的形態存在，可供于植物與微生物吸收利用的有效態重金屬占比很小。因此我們通過張掖黑河自然濕地的水質和土壤指標的變化來探究自然濕地的凈污效果。

1 材料與方法

1.1 監測區概況

張掖黑河濕地國家級自然保護區地處甘肅河西走廊中部“蜂腰”地帶，位于張掖市中北部，屬黑河流域中部平原區，以黑河中游河道為主線，地跨甘州、臨澤、高臺3縣(區)，呈帶狀分布。東至甘州區上秦鎮，西接酒泉市肅州區、金塔縣，南依祁連山，北靠合黎山和龍首山。

1.2 監測內容

本次研究我們選取張掖黑河濕地國家級自然保護區甘州縣區范圍內的濕地植物資源及地表水水質、水文、氣象等生態環境因素進行檢測研究。

張掖黑河濕地國家級自然保護區水質監測主要包括所轄的甘州區范圍內烏靖大橋、三閘二社、黑河濕地公園(甘泉府西)3個濕地流域進行水質檢測研究。2019年保護區水文監測共開展1次，甘州區濕地水域面積132.19hm2，總水量達71.88萬m3。該流域2019年平均水深0.94m，年平均氣溫10.04℃，最高氣溫36.6℃。2019年該區域降水量為142.5mm。降雨在一定程度上可以稀釋水體粒子濃度，導致檢測結果不夠客觀。2019年該區域全年降水量僅為142.5mm，且降雨時間分布不均，在同一降雨期的降雨量更少，因此降雨對該研究影響甚微。同時為防止降雨影響檢測精度，我們在高蒸發無降水的天氣進行水樣采樣，降雨后兩周之內不采樣檢測。因此本研究忽略了降雨對張掖黑河濕地甘州區流域水質檢測指標濃度的影響。2019年張掖黑河濕地水質監測的頻度為7次，4月至10月為檢測時間范圍，每月進行一次水質采樣、檢測。實驗室監測指標為pH、電導率、氨氮、化學需氧量(COD)、鎘、鉛、鋅、銅等水質指標。水溫采用水溫計進行現場監測。水質監測儀器見表1。

2 結果與分析

2.1 植物檢測結果

濕地植物隊水體中氮磷的去除具有重要作用，同時各植物的去除效果也不一致[11-12]。甘州區頻度排列前五的植物分別是冰草，蘆葦、蒲公英，披堿草、堿蓬、旋覆花，這些植物都是耐水性植物，適合濕地環境，能在生長期通過光合作用吸收水體中的營養元素，起到凈化水質的作用。

2.2 水質檢測結果

如圖1所示電導率隨季節的變化可知，烏靖大橋、三閘二社、黑河濕地公園3個濕地流域水質的電導率變化趨勢幾乎一致。在4—5月電導率值一致較高，6—8月電導率值明顯降低，8月后又明顯出現上升。同時由圖一可知水體中的重金屬濃度在6—8月份這段時間是降低的，8月后上升較快。重金屬濃度曲線與電導率曲線走勢一致。重金屬離子在水體中的濃度越高，水體導電性越強，檢測所得電導率值越大。電導率反映的是水中的可溶性物質的多少，其值在6—8月份出現降低表明該月份水質中的可溶性雜質濃度降低。6—8月正好是夏季，該段時間水體溫度較高，水體的電導率值卻較低，這說明濕地對水體可溶性粒子的凈化效果是顯著的。同時河道水體的重金屬濃度在6—8月份出現顯著降低，水體重金屬濃度能明顯影響電導率的大小，重金屬濃度越高，電導率越大。重金屬濃度的降低也是導致水體電導率值較小的原因之一。重金屬主要由河道中浮游植物的生長吸收、土壤的吸附沉降以及金屬與其他粒子的反應沉降去除。植物的凈化作用主要靠植物根系。甘州區濕地植物覆蓋度較高，這對去除水體重金屬有益。該濕地保護區濕地類型多樣，野生植物資源豐富，濕地植物樣方植被的平均覆蓋率達90.44%，甘州區監測到的濕地植物共42種，植物樣方平均蓋度為92.8%。河道浮游植物以及其他種類植物在夏季生長比較旺盛，吸收了水體中的金屬粒子。已經有很多研究證明植物具有凈化水體及土壤中重金屬污染的能力，多數金屬離子為正電性，一旦與植物組織中的帶負電的大分子化合物結合便將金屬離子吸收[13]。

表1 張掖黑河濕地國家級自然保護區地表水水質監測儀器及方法統計表

圖1 不同季節各流域水質指標變化曲線

甘州區水體COD的濃度隨季節變化趨勢如圖1所示，6—8月份間COD值明顯大于其他季節，4—5月、9—10月其值明顯降低。COD值能衡量水中有機物質的濃度，其值越大，說明水體中的有機質濃度越大。濕地COD濃度的降低與水體中有機污染物的分解、氧化有關，水體主要是靠氧化還原反應對有機污染物進行降解，溫度和水體溶解氧含量是去除水體COD的主要影響因素。5—8月甘州區溫度高于其他季節，溫度的上升導致水體溶解氧含量降低，所以水體對有機質的降解能力降低，導致水體檢測COD值較高。低溫季節水體含氧量較高，有益于有機質的降解。同時水體中存在多種微生物，微生物對水體有機物降解起到非常重要的作用，微生物可以通過自身或者和其他物質反應來分解水體中的有機物。微生物活性受溫度影響顯著，溫度越高，其活性越強，對有機質的同化吸收作用越強。在低溫季節微生物活性下降。因此溫度是影響濕地有機污染物去除效果的主要因素，在高溫季節能加速水體凈化，降低水體有機質。

水體中氨氮的濃度變化與COD不同，在高溫季節的氨氮濃度明顯低于低溫季節。氨氮是植物生長的必要營養元素，生活污水和工業污水的排放導致水體中存在大量氨氮。6—8月份張掖是夏季，該段時間濕地植物生長茂盛，植物根系吸收水體中的氨氮為自身生長所用，植物生長季節加速水體中氨氮的吸收利用；同時該季節微生物活性較強，微生物的硝化和反硝化作用降低水體中的氨氮濃度。10月份氨氮濃度突然增加是因為該月正好是張掖濕地植物的凋落枯萎季節，水生植物枯萎腐爛在水體中后，其本身所含的氮、磷等物質會短期釋放到水體中。因此10月份會出現氨氮濃度的突增。

水體中氮、磷的濃度隨季節的變化與氨氮濃度相似，4—5月氮、磷濃度較高，6—8月其濃度值又降低，9月后濃度升高。水體中氮濃度去除機理與氨氮濃度去除一致，大部分的氮通過植物的吸收及微生物硝化反應去除[14-15]，其中一部分氮是通過氨氮氣體的形式揮發到大氣中。溫度越高，硝化反應與揮發作用越明顯。所以在6—8月氮濃度是低于其他月份的。水體中的磷部分以磷酸鹽的形式存在，部分磷主要靠植物的生長吸收，微生物同化利用、土壤吸附沉降等作用去除。5—8月植物生長茂盛，微生物活躍，他們吸收同化了水體中的氮磷元素，因此該段時間水體中氮磷濃度下降。因此為保持濕地的凈化能力要定期清除濕地植物的凋謝枯萎莖稈。凋落物腐爛后釋放出部分氮、磷，通過清理莖稈可以移出濕地水體中的氮、磷等元素。

2.3 水質指標的時間關系

2.3.1河道水溫變化

該濕地流域的河道水溫隨季節變化有明顯趨勢，如圖2所示，6—8月份水溫高于其他月份，最高水溫24℃，最低水溫5.9℃。溫度是影響水體凈化能力的重要因素。適宜溫度下植物生長快，加速植物對水體氮、磷元素的吸收，同時甘州區植物大部分為冰草，蘆葦、蒲公英等耐水性水生植物。微生物在適宜的溫度下才能更好的發揮出本身的硝化作用與反硝化作用，微生物在20～40℃時的代謝作用最強。溫度越高微生物活性越強，代謝速率越快。

圖2 河道水溫隨季節變化曲線

圖3 水質指標與季節的相關關系

2.3.2水質指標的季節變化曲線

通過對水質指標的研究，我們發現水質各檢測指標隨濕地的季節變化有一個明顯的變化趨勢，在溫度較高季節河道水溫隨之也升高，此時水體中的COD濃度也較高，在低溫季節COD值也較低。但是水體電導率值、重金屬、氨氮濃度確隨著水溫升高而降低，高溫季節其值較小，低溫季節其值較大。為了量化這種季節與濃度變化關系，我們將月份設置為橫坐標(x)，水質指標值設置為縱坐標(y)來探尋兩者的相關關系，通過軟件Origin進行曲線的擬合和繪圖。水質指標隨季節變化的擬合曲線結果見表2、如圖3所示。

表2 水質指標隨季節變化的擬合曲線

由圖三可見，水體COD濃度與季節存在y=a+bx+cx2+dx3的相關關系，該擬合曲線的相關系數為0.830，這表明可以使用該曲線來表示張掖濕地甘州區河道COD隨季節的濃度變化。同時，水體重金屬、氨氮濃度、電導率值的變化也可以使用該公式表示，其相關系數分別為0.823、0.767、0.751，這表明該區段濕地重金屬、氨氮濃度、電導率值與季節的相關關系可以使用該公式表示。與COD濃度變化不同之處在于重金屬、氨氮濃度、電導率值在高溫季節明顯呈減小趨勢，在低溫季節呈上升趨勢。水質指標出現降低的月份正好是植物生長最茂盛季節，植物生長吸收了水體中部分氮、磷、重金屬，同時微生物在高溫季節的硝化作用、氨氮氣體的揮發降低了水體中的氨氮濃度。九月份以后該濕地大部分植物枯萎凋謝，植物根系在水中降解腐爛釋放出金屬與氮、磷等元素，導致水質指標上升。所以濕地對水體的凈化效果主要依賴于季節變化，這與人工濕地對水質的凈化研究結果一致。

高溫季節水體COD濃度增加的與氣候相關，一方面植物生長吸收了水體中的氧氣，另一方面是溫度升高水體溶解氧的能力降低，導致水中溶解氧濃度低于低溫季節，因此溶解氧濃度是導致水體本身對有機物的降解速度降低，COD濃度增加的主要原因。

圖3 水質指標與季節的相關關系

3 結語

本文通過對張掖濕地甘州區3個流域水體水質的監測分析，發現甘州區烏靖大橋、三閘二社、甘泉府西三個流域水體的水質指標變化趨勢相近，除了COD濃度在6—8月份出現上升外，其他水質指標濃度在該時間段都出現下降趨勢，水體凈化效果顯著，究其原因為該時間段水體溫度較高，植物生長速度快，微生物活性強，加速了水體中氮磷元素的吸收，符合人工濕地水質凈化特點。張掖濕地水體水質指標值與季節的擬合曲線符合多項式關系，相關性較高，該研究區域水體的水質指標變化關系可使用該曲線表示，為張掖濕地流域水體水質的監測和水量調控管理提供借鑒和技術指導。