小型河流清淤与行船控制的水质效应分析

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　　摘要 江苏吴江同里国家湿地公园在其合理利用区设计并联交叉水系，使行船河道与不行船河道并联且保持水体交换，辅以河道清淤以控制水体富营养化。为研究并联水系、行船控制及清淤工程的生態效应，2016年12月和2017年4月分别选取研究地互相连通的行船河道与不行船河道，在清淤段、未清淤段采集水样，比较行船控制及清淤的水质差异，为小型河道的生态修复与合理利用提供技术参考。结果发现12月和4月行船河道水体TP浓度均略高于相应的不行船河道，而在12月行船河道TN浓度略低于不行船河道，在4月行船河道TN浓度却略高于不行船河道。在12月和4月行船河道清淤段TN、NH4+-N、NO3--N浓度均低于未清淤段，而在4月清淤段TP浓度低于未清淤段，在12月清淤段TP浓度高于未清淤段;在2个时段，不行船河道清淤段NH4+-N、NO3--N浓度也低于未清淤段，但清淤段水体TP浓度高于未清淤段。并联交叉水系及行船控制可增加不同河段间水体水质的异质性，促进营养元素在不同河道间的转移与再分配;在人为扰动较大的行船河道，清淤有较显著的水质改善效果，但在人为扰动较小的不行船河道，不清淤更有利于水体中TP保持较低浓度。
　　关键词 富营养化;并联交叉水系;扰动;生态修复
　　中图分类号 X 832文献标识码 A
　　文章编号 0517-6611（2020）01-0065-05
　　doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.01.021
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Effects of Dredging and Boating Control on Water Quality in Small Rivers
　　GU Yan1， DING Li hua1， HUANG He2 et al
　　（1.School of Life Sciences， Nanjing University， Nanjing， Jiangsu 210023; 2.Jiangsu Tongli National Wetland Park， Suzhou， Jiangsu 215216）
　　Abstract Crossed parallel water system （CPWS） and dredging have been implemented to control eutrophication in small rivers in Tongli National Wetland Park. In the CPWS， water exchange can be maintained; boating is allowed in one river but not in the parallel river. To study the effects of CPWS， boating control and dredging， water samples were collected from dredged and undredged sections in the CPWS to analyze the effects of boating and dredging on water quality in December， 2016 and April， 2017. The obtained research results may be taken as technical references for the ecological restoration and rational use of small rivers. First， compared with rivers without boating， the concentration of TP in boating rivers was higher， but the concentration of TN in boating rivers was relatively lower in December and was higher in April. Second， in the boating rivers， the concentrations of TN， NH4+ N and NO3- N were lower in the dredging sections than those in the undredged sections in December and April while the concentration of TP was also lower in April but higher in December in the dredging sections. In the dredged sections of rivers without boating the concentrations of NH4+ N and NO3- N were lower but the concentration of TP was higher in both December and April. Our study showed that the design of crossed parallel water system could increase the heterogeneity of water quality and promote the transfer and redistribution of nutrients among rivers. Dredging was effective in improving water quality under relatively strong disturbance. No dredging was of great help to keep the concentration of TN low in water when disturbance was weak. 　　Key words Eutrophication;Crossed parallel water system;Disturbance;Ecological restoration
　　相关研究发现，面源输入占河流和湖泊营养物质负荷总量的60%～80%[1-2]，是河流湖泊水体营养物质的主要来源[3-4]。位于集水区上游末端的小型河流作为陆地与水域的连接体，是陆地生态系统营养盐、污染物及固体悬浮物等进入大型河流、湖泊水体的主要通道[5-7]。小型河道是数量最多的淡水环境之一，在生态系统中发挥着越来越重要的作用[8]。对小型河流等小微湿地的生态修复可有效减少进入河流、湖泊的营养负荷，是从源头修复湿地生态系统、控制面源污染的重要措施。
　　平原区小型河道多位于水系源头，水流速度缓慢，容易淤积，营养盐也易在小型河道沉积物中累积，可能触发二次污染，影响出流水体水质。相关研究发现，清淤不仅可保持水道畅通，一定条件下也可以降低水体和沉积物中C、N、P等营养元素含量，减轻水体富营养化程度[9-11];但也有研究发现，清淤破坏小型河道的生态系统结构，影响小型河道的生态功能[12]。相关研究表明，农田沟渠清淤后沉积物P负荷均有不同程度的降低[13]，沟渠清淤后沉积物释放P元素减少[14]，但Smith等[15-16]在清淤前后沉积物吸附解吸试验中发现，河道清淤后沉积物去除水体NH4+-N、NO3--N和P的能力减弱，清淤后沉积物释放P元素速度加快，认为清淤后短期内水体中P元素会增加。
　　江苏吴江同里国家湿地公园合理利用区的小型河流湿地由于鹭鸟密集、游船搅动等，水体富营养化严重。为改善水质，湿地公园设计了行船河道与不行船河道并联交叉的水上游线，并对行船及不行船河道分别进行了局部清淤疏浚。笔者以江苏吴江同里国家湿地公园合理利用区小型河道为研究对象，对并联的行船与不行船河道清淤的水质效应进行比较，以期揭示并联水系间不同扰动状况的水质差异及元素迁移趋势，不同扰动状况下清淤的水质效应，不同水质指标对水体扰动及清淤措施响应的差异性，为小型河道湿地等小微湿地水体富营养化治理及保护、管理和合理利用提供技术参考。
　　1 材料与方法
　　1.1 研究地概况
　　苏州地处长江三角洲，经济发达，人口密集，年平均气温15～17 ℃，年均降水量1 076.2 mm，四季分明，属亚热带季风气候，地势平坦，河网密布。江苏吴江同里国家湿地公园位于苏州市吴江区同里镇东北部，属太湖下游阳澄淀泖区。公园内有湖泊湿地、河流湿地、沼泽湿地、人工湿地等多种湿地类型，生物多样性丰富，在太湖流域下游具典型性、代表性。公园合理利用区内有若干小型河道交叉连通，形成了无明显上下游的网状循环水系。河道水深1～2 m，宽5～10 m，总长约7.1 km。河道两侧分布有水杉林、毛竹林、樟树林等林地，由于林中鸟类密集，水体富营养化较严重。
　　公园规划水上游线时，通过限制部分河段通行，形成了行船河道与不行船河道并联交叉的游线设计模式（采样时段每日行船5～10次，游船为载客10人的电动游船）（图1），增加了行船河道、不行船河道的景观多样性，并联河道间也可通过水体流通实现营养盐、悬浮物在行船河道与不行船河道间的迁移，增强水体自净能力。
　　为控制水体富营养化，公园于2016年4—6月对部分河段，截流排水后采用高压水枪冲刷成泥浆，再泵至周边林地的方式进行清淤疏浚，清淤厚度约30 cm。形成了行船清淤段、行船未清淤段、不行船清淤段、不行船未清淤段等几种河段类型。
　　1.2 样品采集与处理
　　考虑到清淤后的水质效应随着时间的延长会减弱[13]，而清淤后一段时间内水体水质不太稳定，该研究采样时间选择在清淤工程实施近半年后的2016年12月与一年后的2017年4月，分别在行船河道清淤段与未清淤段、不行船河道清淤段与未清淤段采集表层水水样，并应用HACH HQ40d水质测试仪现场测定水体pH和DO。水样装于100 mL采集瓶，放于冷藏箱带回实验室测定主要水质指标。
　　采用水杨酸-次氯酸盐光度法测定水体NH4+-N浓度;采用硫酸肼还原法测定水体NO3--N浓度;采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法测定水体NO2--N浓度;采用钼酸铵分光光度法测定TP浓度;采用过硫酸盐氧化法测定水体TN浓度。
　　1.3 数据分析
　　对各水质指标采用单因素方差分析比较不同采样点间水体pH、DO、TN、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TP浓度的差异性，并对不同时段各主要水质指标的差异性进行比较研究，用广义线性模型进行回归分析，计算行船控制和清淤工程对水质指标变化的解释率。相关统计和显著性分析在SPSS 22支持下完成，回归分析在R 3.5.1中完成，图表用Origin 2017 SR1制作，显著水平设定为α=0.05。
　　2 结果与分析
　　2.1 2个时段不同河段水体主要水质指标
　　该研究分别对2个时段不同河段的水质指标进行分析。比较12月各河段主要水质指标发现（图2），行船河道NO3--N和TP浓度高于不行船河道，而pH、DO、TN、NH4+-N低于不行船河道，NO2--N浓度基本一致。在行船河道，清淤段DO略高于未清淤段，TP浓度显著高于未清淤段，TN、NH4+-N浓度均略低于未清淤段，NO3--N浓度显著低于未清淤段;不行船河道清淤与否水体中DO、NH4+-N、NO3--N、TP浓度差异与行船河道一致，清淤段与未清淤段间水体中TN濃度差异较小。综合比较行船与不行船河道清淤与否水体水质，TN浓度在行船河道清淤段最低，在不行船河道清淤段最高，TP浓度在不行船河道未清淤段最低，在行船与不行船河道清淤段均较高。
　　比较4月各河段主要水质指标发现（图2），行船河道pH、DO、TN和TP浓度略高于不行船河道，而NO3--N和NO2--N浓度略低于不行船河道。在行船河道，清淤段pH、DO显著高于未清淤段，TN、NH4+-N、TP浓度低于未清淤段，NO3--N浓度显著低于未清淤段;在不行船河道，清淤段DO和TP浓度略高于未清淤段，TN、NO3--N浓度低于未清淤段，NH4+-N浓度显著低于未清淤段。综合比较，TN浓度在不行船河道清淤段最低，在行船河道未清淤段最高，TP浓度在不行船河道未清淤段最低，在行船河道未清淤段最高。 　　对比不同时段各河段主要水质指标发现，pH均接近8，水体DO都为8～11 mg/L，4月水体TN浓度高于12月，而NH4+-N、NO3--N、TP浓度低于12月，NO2--N浓度基本一致。行船河道TP浓度高于不行船河道，但TN浓度在12月行船河道略低于不行船河道，在4月行船河道却略高于不行船河道。
　　行船与不行船河道中，清淤河段水体DO均不同程度高于相应的未清淤河段;在行船河道，清淤段水体TN、NH4+-N、NO3--N浓度均低于未清淤水体，在4月清淤段TP浓度低于未清淤水体，而在12月清淤段TP浓度高于未清淤水体;在不行船河道，清淤段水体NH4+-N、NO3--N浓度也低于未清淤段，而TP浓度均高于未清淤段，4月清淤段TN浓度略低于未清淤段，12月清淤与否水体TN浓度差别很小。
　　2.2 N、P对水体扰动及清淤措施响应
　　为进一步研究行船控制及清淤对河道水质影响的相对大小，进行回归分析，计算行船控制和清淤工程对主要水质指标的解释率（表1）。
　　结果显示，行船控制和清淤工程在12月对水体pH的解释率均较低，但在4月清淤工程对pH解释率较高，行船与不行船河道4月清淤段pH均显著高于未清淤段。清淤工程在不同时段对DO解释率均高于行船控制，行船与不行船河道清淤段水体DO均高于未清淤段。
　　行船控制对TN浓度解释率在12月相对高于清淤工程，行船河道TN浓度低于不行船河道，而在4月，河道间清淤与否TN浓度差异较大，行船河道与不行船河道中清淤段TN浓度均低于未清淤段。清淤工程对NH4+-N浓度解释率在2个时段均大于行船控制，行船与不行船河道中清淤段NH4+-N浓度均低于未清淤段，NO3--N分析结果与NH4+-N基本一致。不同时段河道间清淤与否NO2--N浓度差异均相对较小，行船河道中12月清淤段NO2--N浓度略低于未清淤段，但在4月略高于未清淤段。
　　比较发现，在12月，河道间行船与否TP浓度差异相对较小，清淤与否TP浓度差异较大，清淤段TP浓度均显著高于未清淤段;而在4月，行船控制和清淤工程对TP解释率均较低，行船控制对TP浓度解释率略高于清淤工程，行船河道TP浓度高于相应的不行船河道。
　　综合比较行船控制与清淤工程对各主要水质指标变化的解释率，总体上清淤工程对水体DO、NH4+-N、NO3--N解释率均相对较高，清淤增加水体pH、DO，降低NH4+-N、NO3--N浓度;但行船与否水体DO、TP浓度也有一定差异，行船河道水体DO、TP浓度高于不行船河道。
　　3 讨论
　　3.1 行船控制的水质效应
　　水体的扰动，如风浪或行船等，增加水体流动性，往往可促进水体DO提高。一般水体DO的增加会促进水体P元素沉积[17]，加快水体中有机碳的降解[18]，但扰动也会使沉积物再悬浮，增加沉积物中营养盐向水体的转移[19]，增加上覆水体TN、TP浓度[20]。
　　研究地河流为相对封闭的循环式人工水系，为控制水体富营养化，湿地公园对部分河道实施行船控制。行船河道与不行船河道间水体各指标的差异性在不同时段有不同的表现。在12月行船河道与不行船河道DO差异极小，而4月行船河道DO总体上高于不行船河道，应由于12月水体温度较低，生物活动耗氧量小，水体中DO均处于相对饱和状态，而4月水体DO总体相对较低，行船扰动增加水体DO。但与水体中DO浓度相对高低的趋势不同，2个时段行船河道水体TP浓度均略高于相应的不行船河道。可见，研究地行船扰动虽可增加水体的DO，有利于水体中P的沉积，但其对沉积物的扰动也会增加沉积物中P的释放，导致行船段水体中TP浓度略高。与TP不同，TN浓度在12月行船河道略低于不行船河道，在4月行船河道略高于不行船河道。
　　一般地，沉淀、吸附-解吸等物理过程对水体TP的影响相对N元素指标更大一些[21]，而N元素在生态系统中有多个价态，彼此间存在复杂的氧化还原过程，水体DO的相对高低对氨化、硝化、反硝化过程的促进与抑制趋势显著不同[22-24]。行船控制使并联河道间水体N、P等主要营养元素浓度存在差异，以促进不同河道间营养元素的迁移。
　　3.2 清淤工程的水质效应
　　清淤是水体生态修复的常用技术措施。相关研究发现，清淤可显著减少沉积物中的有机质及N、P元素含量[13，25]，减少沉积物P元素向水体的释放[14，26-27]，降低水体NH4+-N和TN、TP浓度[10，28]，水体中DO往往也有不同程度的增加[23]，对沉积物NH4+-N的释放有一定的抑制作用[29]。但清淤也将改变原有的水-泥界面过程，在一段时间内减弱沉积物吸收水体P元素的能力[14]，同时清淤也会破坏水生植被，使得水生植物量减少，削弱水生植物对水体净化功能，导致清淤后水体TN浓度增加，水质下降[28]。
　　该研究发现，清淤后水体中DO均有不同程度的上升，上覆水体N、P浓度也有不同程度的差异，但在行船河道与不行船河道中存在一定差异，在不同时段也略有不同。在行船河道，清淤段水体TN、NH4+-N、NO3--N浓度均低于未清淤段，TP浓度在4月低于未清淤段，但在12月却高于未清淤段;在不行船河道，清淤段水体NH4+-N、NO3--N浓度低于未清淤段，而TP浓度却高于未清淤段。在干扰相对较大的行船河道中，清淤可以降低水体中TN、NH4+-N、NO3--N浓度，与其他水体清淤水质效应研究结果基本一致[10，28]，但清淤对行船河道水体TP浓度的影响在2个时段有所不同;在干擾相对较小的不行船河道中，清淤段水体TP浓度高于未清淤段，可能由于清淤破坏了水泥界面的平衡，增加了沉积物TP向上覆水体的释放。
　　基于上述研究结果，对小型河道设计并联水系，分行船河道、不行船河道等管理措施，可以有效增加不同河段间水体中N、P等营养元素浓度的差异性，促进N、P元素在不同河段间的再分配，有利于河道水体水质的生态修复。同时，该研究结果也显示，清淤总体上有利于降低水体的富营养化水平，特别在行船等人为扰动较大的河段，清淤应是作为降低水体N素指标浓度、改善水体水质的重要措施;而在人为扰动相对较小的河段，如该文中的不行船河道，清淤对降低NH4+-N、NO3--N浓度有一定效果，但不清淤水体TP浓度总体上低于清淤段。对扰动较小的河道，如非必要，可减少清淤频度。 　　参考文献
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