典型入湖河道生态过滤系统研究——以长荡湖东风河为例

吴苏舒，刘劲松，胡晓东，严云翔，羊 瑞(.江苏省水利科学研究院，南京 007；. 江苏省水利厅，南京 0098；.金坛区水利局，江苏 常州 00；.河海大学环境学院，南京 0098)

湖泊作为一种重要的自然资源，具有调蓄洪水、提供水资源、提供生物栖息地、维护生态多样性、净化水质、提供物质生产、调节气候、养殖、航运、休闲旅游等等功能，在整个自然界物质循环过程和经济社会持续发展中起着重要作用[1-3]。湖泊又是生态环境的重要保障，维持所在地区的生态平衡。但是，由于历史上一度出现的不合理开发利用模式[4],加之近年来大规模城市化发展，导致湖泊水质污染、生态退化，甚至已经影响到部分地区城乡居民的饮水安全，威胁到湖泊水资源的可持续利用，成为制约经济社会可持续发展的瓶颈之一[5,6]。湖泊营养化已经成为经济发达地区的水环境最为严重的问题，如何有效的治理湖泊营养化的问题成为了目前水环境治理的重点。

入湖河道的污染负荷占入湖污染负荷的主要来源，因此，入湖河道水质的改善对湖泊水质的改善具有重要的作用，湖泊富营养控制的关键在于对入湖河道水质的控制。本文通过自行设计建造的河道生态过滤系统，研究其对微污染的入湖河道水质的净化效果。

1 材料与方法

1.1 实验地点

生态过滤系统试验场地位于常州市金坛区指前镇东风河，指前镇位于长荡湖西岸，东风河是长荡湖入湖河流清水港的支流，本文选取约150 m河道作为生态过滤系统建设地。

1.2 生态过滤系统的建立

(1)砾石过滤系统。在生态过滤系统入口处设置砾石过滤系统，采用粒径30～70 mm的砾石，平铺河道中心位置，平铺面积为宽5 m，长20 m，共计铺设3层。砾石区域的两侧交替种植沉水植物金鱼藻以及狐尾藻，每块种植面积为5 m×2 m，共计种植8块。

(2)水生植物区域。在砾石过滤区的下游，以块状交替种植芦苇、香蒲、再力花以及梭鱼草，每块种植面积为5 m×3 m。块间间隔约3 m。在每块的岸边边角处种植一丛(共8株)黄花鸢尾，作为景观点缀。

(3)淤泥生态袋区域。淤泥生态袋布设于水生植物区的下游，在河道左右岸布设淤泥生态袋恢复区。左右岸均以块状布设，每块面积7 m×20 m。

1.3 采样及监测设计

(1)采样点布设。本实验设置5个采样点，分别位于生态过滤系统的入口断面中心(点位1)，砾石生态过滤系统结束断面中心(点位2)，植物生态过滤系统结束断面中心(点位3)，生态袋过滤系统结束断面中心(点位4)，生态过滤系统出口外10 m断面中心(点位5)。具体见图1。

(2)分析检测项目。本文主要分析生态过滤系统对水质、水生态的影响，检测项目包括：TP、TN、氨氮、高锰酸盐指数、流速、水位、浮游植物的镜检、浮游动物的镜检。

(3)实验方法。本实验的采样时间在6月5日-9月5日之间，以每周一次的频率采样，共采样13次。表1显示了采样期间水位及流速的变化情况，总体比较稳定。总氮的测定方法为《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》(HJ 636-2012)，总磷的测定方法为《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》(GB 11893-89)，氨氮的测定方法为《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》(HJ 535-2009)，高锰酸盐指数的测定方法为《水质 高锰酸盐指数的测定》(GB 11892-89)。其他水文数据采用现场仪器测定方法测定，浮游植物的采集按照《湖泊生态系统观测方法》的要求，进行浮游植物的采集，并进行分类鉴定和计数。

图1 生态过滤系统设置图

表1 采样期间水文状况

2 结果与讨论

2.1 水质的改善分析

(1)氨氮的变化。从图2中可以看出，试验河段生态过滤系统对氨氮有一定的截留，生态过滤系统建立之初，其截留率较低，为18.70%；随着时间的推移，截止7月31日，一直是增加的过程，达到了33.03%，可以看出随着生态过滤系统的自我完善过程，它对氨氮的截留率也在逐渐地增加。此后，在8月7日-9月5日之间，生态过滤系统对氨氮的截留率一直维持在一个较高的水平，其变化区间为29.46%～33.33%，在9月5日达到峰值，故可以认为生态过滤系统在此期间已经稳定成型。从整个过程来看，氨氮平均的截留率为28.33%，生态系统稳定后的氨氮平均截留率为29.90%。

图2 试验河段氨氮变化规律图

从生态过滤系统稳定后的点位之间氨氮的变化规律可以看出，点位1(生态过滤系统的入口前10 m断面中心)跟点位2(砾石过滤系统结束断面中心)之间的变化相对其他点位较大，可以说明砾石生态过滤系统在整个系统中对氨氮的截留效果最为明显，可能是因为砾石形成的生物膜系统发生了作用，砾石上生长的金鱼藻、狐尾藻也吸收了部分氨氮[7]。试验河段氨氮的进水总体属于3类水质，经过河道生态过滤系统的过滤，出水水质达到2类水质的要求。

(2)总氮的变化。从图3中可以看出，试验河段总氮的截留率变化规律与氨氮大致相同。最小值为17.50%，出现在生态过滤系统建立之初的6月12日，最大值为31.03%，出现在7月31日。从6月5日-7月31日，总氮的截留率是个逐渐上升的过程，说明河道的生态过滤系统在持续的自我完善。7月31日-9月5日，生态过滤系统的总氮截留率维持在较高的水平，在27.59%～31.03%之间波动，说明生态过滤系统已经趋于稳定，期间总氮的平均截留率为28.42%，高于整个过程的平均截留率25.76%。整个截留率整体处于上升-波动-稳定这样一个过程。

图3 试验河段总氮变化规律图

从稳定后的生态过滤系统来看，点位1与点位2之间的变化相对较大，由此可以看出，砾石生态系统在整个系统中发挥的作用最大，其次点位2与点位3之间，即植物生态过滤系统。就总氮而言，实验河段的进水水质为4类水质，个别采样时期为3类水质，经过生态过滤系统测过滤，出水水质全部达到了3类水质，接近2类水质的要求。

(3)总磷的变化。由图4可以看出，生态过滤系统对总磷的截留效果较好，截留率最小值为13.24%，最大值为31.82%，整个截留率整体处于波动中上升这样一个过程，总磷的平均截留率为24.43%。6月份，由于生态过滤系统处于建设后初期，故总磷的截留率仅仅依靠砾石等的截留作用，植物的吸收以及微生物的作用较小，故其截留处于较低的水平。7-8月中旬，总磷的截留率在波动中增长，8月中旬后几次采样，总氮的截留率呈现出低幅度的下降，总体还处于较高的水平，具体原因有待研究。

图4 实验河段总磷的变化规律图

从生态系统稳定后的监测数据来看，点位1到点位3之间的总磷降解的较多，进一步印证之前得出的结论，砾石生态过滤系统和植物过滤系统对水质的改善效果较好。说明该时期砾石形成了生物膜，植物生长旺盛，在水中形成了屏障，阻截、吸附了水中大量的不溶性磷污染物[8]，植物的生长也吸收了部分磷元素。

(4)高锰酸盐指数的变化。由图5可以看出，高锰酸盐指数的截留波动幅度较大，最小值为6.90%，出现在生态过滤系统建立之初；最大值为20.00%，出现在8月14日。就整个采样周期而言，生态过滤系统的截留率依然是上升的趋势，整个采样期间高锰酸盐指数的平均截留率为14.77%。生态过滤系统对CODMn的截留率较低主要是由于CODMn属于有机物值，不易被植物以及微生物直接吸收利用，其去除主要依靠砾石以及植物形成的生物膜的阻留作用。

图5 试验河段高锰酸盐指数变化规律

在生态过滤系统稳定后，点位1与点位3之间的变化较大，点位3与点位5之间的变化略小，说明砾石与植物生态系统对高锰酸盐指数的净化效果要优于生态袋过滤系统区域。

2.2 水生态的变化

(1)浮游动物的变化。2015年6月-9月份对试验区进行生态采样，根据浮游动物的定量水样分析，试验区浮游动物种类不少。包括桡足类的无节幼体和桡足幼体，6-9月份浮游动物水样镜检见到浮游动物的种类共有57种，其中原生动物19种，占总种类的33.3%；轮虫25种，占43.9%；枝角类7种，占12.3%；桡足类6种，占10.5%。

6-9月试验区浮游动物出现频率较多的种类。原生动物有：纤袋虫、太阳虫、球形砂壳虫；轮虫有：螺形龟甲轮虫、角突臂尾轮虫、针簇多肢轮虫、长肢多肢轮虫、刺盖异尾轮虫；枝角类有：短尾秀体溞、简弧象鼻溞；桡足类有：广布中剑水蚤。此外还有无节幼体和桡足幼体。试验区见到的浮游动物都属普生性种类。

本次试验区生态监测设置两个站点，分别是试验区上游的点位1和试验区下游的点位5。两个站点6-9月份水样定量镜检中，镜检见到的砂壳虫数量见图6。

图6 6-9月份两站点水样镜检砂壳虫数量对比分析

原生动物的多寡是影响试验区浮游动物密度的第二大因素，并且对指示水体富营养化和污染程度较有意义[9]。湖沼学研究、人工富营养化实验及不同营养级湖泊中浮游生物比较均表明：原生动物现存量一般随富营养化而增加。普遍认为在受有机污染较重的水体，耐污种类形成优势且具有很高的数量[10,11]。由图6可以看出：6月5号和6月12号站点5中有大量的耐污种砂壳虫，并随着日期的变化呈逐渐减少的趋势；而站点1中砂壳虫的数量变化不太明显。说明生态过滤系统的建立对改善下游的生态环境起着积极的作用，对上游生态环境的影响较不明显。

(2)浮游植物的变化。长荡湖实验区的2个样点中，共观察到浮游植物55属，96种，其中绿藻门的种类最多，有28属52种；其次是蓝藻门，有11属13种；硅藻门有8属12种；裸藻门4属10种；金藻门3属3种；甲藻门3属3种；隐藻门有2属3种。浮游植物的主要优势种为绿藻门的小球藻属一种、四尾栅藻和Monoraphidium contortum，硅藻门的小环藻属一种、颗粒直链藻极狭变种，蓝藻门的链状伪鱼腥藻、席藻一种，隐藻门的啮蚀隐藻。除此之外，绿藻门的衣藻属一种、实球藻、小型卵囊藻，隐藻门的蓝隐藻，蓝藻门的铜绿微囊藻、依沙束丝藻、细小平裂藻也具有较高的丰度。

图7可见，实验初期两样点的浮游植物丰度基本相等，在实验运行两周后，点位5的浮游植物丰度与点位1相比，下降了29.6%。随着气温的升高，两个样点浮游植物的丰度都有不同程度的增大，但点位5浮游植物的丰度增加趋势较为平缓，点位5浮游植物丰度比上1样点减少了50.9%，说明点位5水生植物对浮游植物的增殖起到一定抑制作用。

图7 实验期间两样点浮游植物丰度变化

从浮游植物群落结构组成上看(图8)，浮游植物三大优势类群(蓝藻门、绿藻门和硅藻门)中，点位1蓝藻门的比例最大，在47.7%～73.3%之间波动，至实验结束蓝藻门的比例为60.6%，与实验初期蓝藻门的比例相当。点位5蓝藻门的比例相对较低，在25.0%～60.0%之间波动，至实验结束蓝藻门的比例为37.7%，实验初期蓝藻门的比例下降了14.8%。自实验中期开始，两个样点绿藻门的比例逐渐增加，但点位5绿藻门的比例整体大于点位1。此外，至实验结束，点位5蓝藻门的优势种链状伪鱼腥藻的丰度与点位1相比，下降了21.4%，水华种铜绿微囊藻、卷曲鱼腥藻的丰度分别下降了50.0%和73.9%，说明点位5水生植物的种植，抑制了蓝藻门藻类的增殖，减少了蓝藻水华发生的风险。

图8 点位1与点位5各门类浮游植物比例变化

3 结 语

通过对生态过滤系统水质、浮游动物以及浮游植物的研究，分析了其降解的一般过程，认为该生态过滤系统能够对过境水质有一定的改善作用，主要结论如下。

(1)根据水质以及藻类的变化研究来看，东风河建立的生态过滤系统对水质有明显的改善，入湖的水质有了一定的提升。

(2)通过对选取指标的监测，可以看出，该生态过滤系统对污染物质的净化效果依次为氨氮>总氮>总磷>高锰酸盐指数。

(3)该项研究成果对长荡湖流域的入湖治理以及类似河道的治理具有示范作用。

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