温瑞塘河冬季水质昼夜变化研究

王振峰 何晓虎 陈序立 黄宏

摘 要：受太阳辐射变化的影响，河流水质具有不可忽略的昼夜变化性。本文以温瑞塘河流域为研究区域，研究生态修复河段与对照河段冬季水质的昼夜变化规律。结果表明，不论是生态修复河道还是对照河道，其水质均具具有不可忽视昼夜变化现象。特别是生态修复河道和对照河道DO的昼夜变化规律差别较大，说明人工增氧能够强烈影响DO，进而改变硝化反应和反硝化反应条件，影响氮素的昼夜变化。磷素在河流中显得相对保守，单纯依靠简单的人工增氧难以大幅度地改变水体TP浓度。对于平原河网严重污染河道，只有将生态疏浚、人工增氧、生态护坡、人工湿地等多措施有机整合，才能实现水质的根本性改善。

关键词：水质;昼夜变化;曝气增氧;温瑞塘河

中图分类号：X824 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）06-0005-04

科学地监测和评价河流水质是开展水环境保护的重要基础。受太阳辐射变化的影响，河流水质具有不可忽略的昼夜变化性。假如忽略水质参数的昼夜变化，随意在各种时间段进行水质监测，获得的数据将无法客观、准确地反映河流的水质。例如，春季的温瑞塘河、夏季的三垟湿地[5]、春季的南盘河[10]等河流的水质参数都具有不可忽略的昼夜变异性。但是，在以往的河流水质监测中，往往忽略了水质昼夜变化的重要性，在监测时间的选择上存在很大的随意性，可能导致水质评价结果有失客观。

由于环境保护长期滞后于经济社会发展，我国许多地区地表水水质遭受极大破坏。江浙地区是典型的平原河网地区，由于河网水交换能力弱，加上工业发达和人口聚集，导致水质严重恶化。为此，平原河网地区不得不采取工程修复和生态修复等手段来改善水质，曝气增氧则是应用作为广泛的手段之一。目前，有关河流水质变化规律的研究主要集中于自然河段的季节变化和昼夜变化，关于生态修复河段水质的昼夜变化还鲜有报道。本文以温瑞塘河流域为研究区域，研究生态修复河段与对照河段水质的昼夜变化规律，确定最佳的水质监测时间段，为科学地监测和评价河流水质提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域简介

温瑞塘河位于瓯江以南、飞云江以北的温瑞平原，主河道全长33.85公里，水系河网总长度1178.4公里。由于历史上大量污染物被排放入河、大量河道被填埋侵占，导致水质恶化、河道淤积等问题日益严重，许多河道变成了“黑臭河”。自2013年以来，温州市全面推进“五水共治”，已在一定程度上遏制了水环境恶化的势头。

研究河段位于茶山高教园区，分别为舜岙河（A）和横江河上（B），详见图1。舜岙河长约200m，平均宽度20m;横江河长约250m，平均宽度25m。舜岙河和横江河均位于温州医科大学茶山校区教学区内，周围没有工业点源污染，以生活污染为主。但是，横江河靠近舜岙村和南柳美食街，可能还受农村生活污水和餐饮污水的影响。自2015年9月以来，浙南水科学研究院在舜岙河实施生态修复工程，主要修复措施为曝气增氧，还配套有人工湿地、生态浮床和生态护坡。横江河无生态修复工程，为对照河段。

1.2 水质监测方法

水质监测日期为2016年1月9日～10日，监测期间天气为多云，每隔2h监测一次表层水的水质。水质参数包括温度（TM）、溶解氧（DO）、pH、总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）、总磷（TP）和磷酸盐（PO43--P）。TM、EC、DO和pH用YSI6920多参数水质监测仪现场测定。其余指标用聚乙烯瓶采集，加入固定液放入便携式冷藏箱保存，带回实验室分析。TN的测定方法为碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，NH4+-N的测定方法为靛酚蓝比色法，NO3--N的测定方法为紫外分光光度法，TP的测定方法为钼酸铵分光光度法。

1.3 数据分析方法

数据的统计分析和绘图分别在SPSS软件和Origin软件中进行。用SPSS软件进行数据的独立样本T检验，用Origin绘制数据的散点图和箱式图。考虑到水质存在昼夜变化的现象，在不同的时间段监测水质可能会得出不同的结论，将折线图和箱式图相结合，通过观察水质的动态变化及其分位数，直观地确定最佳的水质监测时间段。

2 结果与讨论

2.1 TM、DO和pH的昼夜变化

生态修复河段和对照河段TM的昼夜变化折线图和箱式图见图2-1～2-3。生态修复河段和对照河段TM昼夜变化规律相似，晚上20点以后逐渐下降，到次日10点降到低谷，然后逐渐上升。水体TM主要太阳辐射的影响，昼夜变化规律很明显，即入夜后迅速下降，次日白天随着光照强度的增强逐渐上升[5]。至于两个河段10点以后才开始上升，原因在于监测日为阴天，水体TM上升的速度滞后较长时间。两个河段TM浓度在12点～18点接近中位数，在该时间段开展水质监测最具有代表性。

河流水体DO浓度主要受光合作用和呼吸作用的影响[1]。生态修复河段和对照河段DO的昼夜变化折线图和箱式图见图2-2a和b。白天由于水生植物和藻类光合作用的增强，产生的氧气大于水生有机体呼吸消耗的氧气，因而溶解氧会增加，在夜间则相反。如图2-2b所示，对照河段DO浓度在6点～14点期间达到一个较高的平台，入夜以后有所下降，这根以往对温瑞塘河水质昼夜变化的研究结果相符[5]。但是，生态修复河段DO浓度的变化情况却显得比较杂乱，在12点～18点期间能够维持在一个较高水平，原因可能是曝气增氧、人工湿地、生态浮床等工程措施的影响。生态修复河段和对照河段DO浓度分别在6点～8点和8点～10点接近中位数，在该时间段开展水质监测最具有代表性。

与DO类似，河流水体中pH的变化受很多因素影响，其中最重要的是有機体的呼吸作用和植物/浮游植物的光合作用[7]。有机体的呼吸能产生二氧化碳，光合作用能消耗二氧化碳。二氧化碳可溶于水，具有弱酸性，因而可以影响pH的昼夜变化。由图3-3a和b可见，生态修复河段和对照河段pH的昼夜变化规律很相似，入夜以后光合作用停止而呼吸作用不停，有机体呼吸产生的二氧化碳导致水体酸性增加，因而pH值较低，白天则恰恰想反。生态修复河段和对照河段pH分别在4点～14点和4点～10点接近中位数，在该时间段开展水质监测最具有代表性。

2.2 氮素和磷素的昼夜变化

在研究区域的生态修复河段和对照河段，氮素污染程度较高，NH4+-N浓度的平均值分别为Ⅴ类和劣Ⅴ类，在每年的5～9月份期间，河道都会出现浮萍大量增值，甚至导致大量鱼类因缺氧而死亡，进一步控制养分污染将是未来改善水质的关键所在。生态修复河段和对照河段TN、NH4+-N、NO3--N和TP的昼夜变化折线图和箱式图见图3-1～图3-4。

由图3-1a可见，生态修复河段TN浓度的昼夜变化规律很明显，晚上20点至次日12点具有缓慢下降趋势，但是随后迅速上升，到18点达到峰值。原因可能是生态修复河段DO浓度在12点～18点期间能够维持在一个较高水平（图3-1a），充足的溶解氧有利于硝化反应而抑制了反硝化反应[7]。相比之下，对照河段TN浓度的昼夜变化显得杂乱，呈不规则波动（图3-1b），跟DO的变化规律相似（图2-2b）。晚上20点至次日12点具有缓慢下降趋势，但是随后迅速上升，到18点达到峰值。从水质监测角度，生态修复河段TN分别在8点～14点和4点～10点接近中位数，对照河段在8点和14点接近中位数，在该时间段开展水质监测最具有代表性。

河流水体中TN的主要形态是NH4+-N和NO3--N，这二者的变化决定了TN的变化。由3-2a和b可见，生态修复河段和对照河段NH4+-N浓度的昼夜变化规律比较相似，在夜间浓度较低而且相对平稳，在白天浓度较高而且波动较为剧烈。一方面原因是夜间生活污水排放较少，而白天生活污水较多;另一方面原因是白天随着光照强度以及水体溶解氧的波动，硝化反应的速率也隨着改变，NH4+-N被转化为NO3--N速率也随之改变[8]，进而影响了NH4+-N的昼夜变化。从科学开展水质监测的角度，生态修复河段和对照河道的NH4+-N分别在10点和12点接近中位数，在该时间段开展水质监测最具有代表性。

生态修复河段和对照河段NO3--N浓度的昼夜变化规律差别很大（图3-3）。生态修复河段NO3--N浓度在20点至次日14点浓度较低而且相对平稳，随后迅速上升，这跟生态修复河段TN浓度的昼夜变化规律相似。由于生态修复河段DO浓度在12点～18点期间能够维持在一个较高水平（图2-2a），有利于硝化反应而抑制了反硝化反应[7]，因而14点以后NO3--N浓度迅速上升。生态修复河段NO3--N和TN浓度的平均值分别为3.302/mg·L-1和4.373/mg·L-1，二者比值达到0.76，说明生态修复河段的NO3--N浓度的昼夜变化影响了TN。对照河段NO3--N浓度在20点至次日10点浓度较高而且相对平稳，但是随后却迅速下降（图3-3b），对照河段DO浓度在12点以后也降到一个低谷（图2-2b），这说明了DO浓度的下降减少了NH4+-N转化为NO3--N的速率。因此，生态修复河段和对照河道的NO3--N分别在10点～16点和8点～10点接近中位数，在该时间段开展水质监测最具有代表性。

生态修复河段和对照河段TP浓度昼夜变化折线图和箱式图见图3-4。生态修复河段TP浓度从晚上20点至次日16点具有上升趋势，随后迅速下降，到18点达到波谷（图3-4a）。对照河段TP浓度从晚上20点至次日12点具有上升趋势，随后迅速下降，到14点达到波谷，随后开始上升（图3-4b），与TM的昼夜变化趋势恰恰相反（图2-1a）。随着外源污染逐步得到有效控制，底泥已成为影响上覆水体水质的重要因素[9]。在适宜条件下，在底泥中蓄积的污染物会通过扩散、解吸等方式重新释放进入上覆水体，是影响河流水质的重要二次污染源[3]。水温下降，有利于底泥吸附水体中的磷，导致水体TP浓度下降;水温上升，有利于底泥释放吸附的磷，导致水体TP浓度上升。生态修复河段和对照河段TP的昼夜变化，原因可能是底泥的污染释放。生态修复河段和对照河段，TP浓度分别在12点～14点和16点～18点接近中位数，在该时间段开展水质监测最具有代表性。

2.3 水质昼夜变化规律对水环境保护的启示

通过对生态修复河道和对照河道24h的连续水质监测，发现其水质均具有不同程度的昼夜变化现象。对于没有开展生态修复的河道，导致水质昼夜变化的直接原因是太阳辐射的变化，太阳辐射的变化影响了水生植物/浮游植物的光合作用和有机体的呼吸作用，导致水体TM、DO和pH的变化，进而影响了各种污染物的昼夜变化。对于生态修复河道，除了受太阳辐射昼夜变化的影响，还受到曝气增氧、人工湿地、生态浮床等工程措施的影响，各个水质参数也不断发生着昼夜变化。本文将野外实验、室内分析和统计分析相结合，通过观察水质的动态变化及其分位数，直观地确定最佳的水质监测时间段，为科学地监测和评价河流水质提供了依据。

根据生态修复河道和对照河道TM、DO和pH的昼夜变化的分析，发现生态修复河道和对照河道DO的昼夜变化规律差别较大，意味着生态修复（特别是人工增氧）能够改变了DO这个重要参数的昼夜变化，进而能够改变硝化反应和反硝化反应的条件，影响氮素的昼夜变化。但是，磷素在河流中显得相对保守，单纯依靠简单的人工增氧难以大幅度地降低水体TP浓度。国内外许多河流和湖泊在外源污染得到有效控制的情况下，水质在一定时期内仍没有得到明显的改善，主要原因就在于内源污染的持续影响[2，4]。对温瑞塘河生态修复河道和对照河道TP的昼夜变化研究结果表明，底泥是水体TP的“源”和“汇”，水体TP浓度的昼夜变化，很大程度上是因为水温的变化引起了土-水界面TP的吸附-解吸附的改变。为此，将来的河道生态修复，要将生态疏浚、人工增氧、生态护坡、人工湿地等多种工程措施有机整合，才能实现水质的根本性改善。

3 结语

不论是生态修复河道还是对照河道，其水质均具具有不可忽视昼夜变化现象。只有将野外实验、室内分析和统计分析相结合，通过观察水质的动态变化及其分位数，才能确定最佳的水质监测时间段，科学、客观地监测和评价河流水质。

生态修复河道和对照河道DO的昼夜变化规律差别较大，意味着人工增氧能够强烈影响DO，进而改变硝化反应和反硝化反应条件，影响氮素的昼夜变化。磷素在河流中显得相对保守，单纯依靠简单的人工增氧难以大幅度地降低水体TP浓度。只有将生态疏浚、人工增氧、生态护坡、人工湿地等多种工程措施有机整合，才能实现水质的根本性改善。

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