生態圍隔及沉水植物對東湖水質的凈化效果研究

胡勝華，劉漢民，馮 智，萬貝海，吳中奎

（武漢航發瑞華生態科技有限公司，湖北 武漢 438400）

湖泊富營養化可導致藻類水華、水生植被衰退、魚類死亡等一系列不良后果,最終導致生態系統退化甚至崩潰,是水生態系統面臨的主要環境問題之一。除此之外，水生態系統還面臨鹽堿化、水域面積減少等問題[1]。

生態圍隔是生態工程學中常用的一種人工設計組成的實驗生態系統。這種方法的目的是建立一個復雜的模型生態系統，能模擬自然環境下的生態系統并達到一定的精確度[2]。模型需包括設計污染物結構、一些機械和電子部件。圍隔模型最重要的特征是生態系統的自組織特征的管理，能達到某種預設目標，即一定的物種組成或生化機能。常見的圍隔生態系是用人工方法把自然海水或湖水圍起來的相對封閉的生態系統，水體積介于1～1 000 m3，與周圍水體沒有交換[3-4]。生態圍隔能對水體進行分隔，降低風浪。研究表明，風力產生的波浪作用于沉積于湖泊底部的沉積物，是沉積物中的污染物在水的攪動下融入水體中，特別是磷的釋放，進而增加水體污染負荷，水懸浮物含量高，透明度降低，懸浮物容易在植物表面黏附、使水生植物光合作用減弱，湖泊生態系統遭到破壞[5]。此外，生態圍隔能減少水體交換，增加水體停留時間，利于水生態修復。

1 研究區概況

1.1 采樣點選定

在東湖示范區北部建立生態修復區，圍隔大小26 210 m2，試驗開始前，圍隔區域內沒有大型水生植被生長，在圍隔內外設置A、B、C、D、E 共5 個采樣點，其中A、B、C 為圍隔內部采樣點，D、E 為圍隔外部采樣點，采樣點具體位置見圖1。

圖1 采樣點位分布圖

1.2 研究方法

采用不透水圍隔及沉水植物對研究區域進行水體生態修復。

1）不透水圍隔和圍網均可以一定程度上減少草食性魚類對沉水植物的牧食，減弱底棲型魚類造成的底泥再懸浮現象。

2）不透水圍隔的實施，還可明顯削減風動能，減少對沉水植物的造成的機械性損傷，減少種苗漂浮，增加成活率。圍網對改善透明度和抵御風浪能力較弱。

3）不透水圍隔可以有效減少各區域水體及圍隔外水體的交換，減弱水流的沖擊作用，從而使得圍隔區域內水體的波動相對穩定，部分懸浮物可以逐漸沉淀下來，從而提高水體的透明度。透水圍網區域水體交換頻繁，水體透明度和外圍水域區別不大，且在圍網條件下，D 區植物覆蓋度和生物量均較低。

4）不透水圍隔可以營造合適植物生長的環境。

于2020 年5 月至2020 年8 月，對水體水質進行定點監測，現場監測記錄透明度和pH，在實驗室監測的指標有總氮、總磷、COD、BOD5、氨氮?？偟捎脡A性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，總磷采用鉬酸銨風光光度法，COD 采用重鉻酸鉀法測定，BOD5采用稀釋與接種法測定，氨氮采用納氏試劑分光光度法。

2 結果與分析

2.1 水體透明度

湖水透明度是指湖水能使光線透過的程度，表示水的清澈情況，是水質評價指標之一。C 區外部圍隔于5 月完成，形成封閉區域。由圖2 可知，形成封閉區域的C 區域內部水體的透明度明顯改善，最高可達到2m，隨后逐步穩定在1.3m左右。5 月24 日—7 月11 日，A 區、B 區為半封閉狀態，無風浪天氣下，透明度達到0.7～0.9 m，提高了0.1～0.3 m，透明度顯著高于圍隔外部區域，但顯著低于封閉的C 區域。7 月12 日之后，A區、B 區封閉，透明度逐漸趨于穩定狀態，透明度達到1 m 左右。圍隔外部區域透明度受外部環境影響較大，初期在0.6 cm 左右，并顯著低于圍隔內部區域，后期圍隔外部透明度由一定程度的下降。

圖2 各區透明度變化情況

2.2 水質狀況分析

由圖3-1 可以得知，隨著時間的變化，各監測點的BOD5值略有起伏，在水體修復期間，圍隔內的BOD5值始終低于圍隔外BOD5值，圍隔內BOD5值較初期下降了9%。表明生態圍隔及沉水植物的種植對水體凈化有一定的作用。

圖3 圍隔內外水體水質指標變化

生態圍隔建立初期，圍隔內外水體中的COD 值均為18 mg/L，通過圍隔措施及圍隔內部相關沉水植物的凈化作用，2020 年8 月，東湖水體污染較為嚴重的情況下，圍隔內部的COD 值依然低于圍隔外部水體。

由圖3-3 對比圍隔內外氨氮濃度可知，采取圍隔措施的水體的氨氮濃度，始終低于圍隔外部氨氮質量濃度，并在7 月份，圍隔外氨氮質量濃度是圍隔內部氨氮質量濃度的2.6 倍，這表明采取圍隔措施和沉水植物對降低水體中氨氮質量濃度有一定的效果。

圍隔及沉水植物建立過程中，研究區內水體的總磷質量濃度呈現顯著下降的趨勢，初期圍隔內外的總磷質量濃度分別為0.055 mg/L 和0.045 mg/L，圍隔內部總磷質量濃度高于圍隔外部總磷濃度1.2 倍，截至2020 年8 月，圍隔內部水體總磷質量濃度下降至0.033 mg/L，低于圍隔外部總磷質量濃度0.035 mg/L，總磷質量濃度較初期下降了40%。表明生態圍隔及沉水植物措施對水體中總磷污染去除效果較好。

2020 年5 月份，建立生態圍隔修復初期，圍隔內部的總氮質量濃度為0.59 mg/L，圍隔外部總氮質量濃度為0.51 mg/L，圍隔外部總氮質量濃度高于圍隔內部濃度。圍隔內部經過一段時間的沉水植物修復后，氨氮濃度較明顯低于外部。

示范區內初期葉綠素a 質量濃度較高，圍隔外部的葉綠素質量濃度為127 μg/L，經過圍隔措施處理后圍隔內部的葉綠素質量濃度為18 μg/L，葉綠素濃度降低了7 倍，表明圍隔措施有良好的擋藻效果。

3 結果與討論

近年來，生物操控的湖泊水體富營養化修復措施愈來愈多。國內外的相關研究表明，對富營養化的水體單純以營養鹽控制難以取得較好的效果，因此大量研究開始將物理工程與生物操控相結合的方案，并取得一系列較好的成果。如太湖試驗水體修復后，水體透明度提升1.2 倍，各項水質狀況良好，太湖水質有了極大的改善[6]。滇池采用大型圍隔研究湖泊水體由藻型濁水態向草型清水態的轉換[7]。

總體來說，生態圍隔作為一種物理生態措施，其介質本身具有通過富集周叢生物和形成生物膜凈化水質的作用。圍隔不僅能起到隔離擋藻的目的，還能削減水面風浪，降低底泥懸浮，提高水體透明度。此次武漢市東湖水體修復工程對東湖水質有了極大的改善和提升，可為其他大型湖泊水體的修復提供參考。