水下推流對北京筒子河水質及藻類生長影響研究

1、水下推流對北京筒子河水質及藻類生長影響研究大量研究表明，水體中浮游生物的種群演替和數量變化，受到水體的水動力作用影響。在大型淺水湖泊中，水動力對浮游生物的數量、分布的影響十分明顯。水動力過程與理化因子是影響水體富營養(yǎng)化狀態(tài)和水華暴發(fā)的重要因素，為探討水動力條件對浮游植物數量變動以及對水體環(huán)境的作用，筆者對實施水下推流工程的筒子河進行了監(jiān)測，以期為水資源短缺地區(qū)富營養(yǎng)化水體的水質改善提供參考。1 材料與方法1.1 筒子河推流工程概況筒子河作為故宮護城河，是故宮的重要組成部分。全長3.5 km，水面寬52 m。以神武門、午門為南北軸線，東、西華門為東西軸線，分為西北、東北、西南及東南等四部分。西華

2、門和神武門門前路面下各有涵洞將四部分連通。由于北京市連續(xù)干旱，上游補充水量減少，水體富營養(yǎng)化問題日益突出，夏秋季節(jié)出現水華現象，嚴重影響了水體功能的正常發(fā)揮。為在現有水資源條件下，有效改善水體水質，提高水體景觀價值，筒子河分期實施水質改善工程，安裝水下推流裝置54 臺，擬通過增加水體流動，改善筒子河水體現狀。1.2 采樣點設置推流裝置通常為葉輪通過高性能電動機帶動高速旋轉，使吸氣室產生真空低壓區(qū)，空氣經過吸氣管吸入的壓縮空氣與水充分混合，最后通過葉輪強力向水平方向噴入水中，達到曝氣充氧，推動水流的目的，最遠的可輸入水中35 m以上。為考察推流技術的實施效果，選取筒子河西華門一側作為研究區(qū)（如圖

3、1）。在推流器前0.5 m、5 m、10 m、大于40 m及推流器側向5 m處共設置5 個取樣點，其中大于40 m為對照點，對水質及藻細胞密度進行監(jiān)測，每一取樣點分別在水體表面、水下0.5 m、水下1.2 m設置3 個斷面（研究區(qū)水深約1.2 m），其中，流速由于設備原因只監(jiān)測水體表面和水下0.5 m。采樣時間為2010年8 月6 日。水下推流設備性能參數見表1。圖1 采樣點示意圖表1 水下推流設備性能參數1.3 分析方法筒子河水體目前存在主要問題是富營養(yǎng)化嚴重，在未采取工程措施前，夏季藻密度較高，部分時段出現水華，嚴重影響水體景觀。本次監(jiān)測針對筒子河水體特點，選取與富營養(yǎng)化水體有關的環(huán)境因子

4、、營養(yǎng)因子和生物指標，主要包括水溫、溶解氧（DO）、酸堿度（pH）、總氮（TN）、總磷（TP）、葉綠素a （Chla）及藻細胞密度等，各項指標的測定參照水和廢水監(jiān)測和分析方法（第四版）及富營養(yǎng)化調查規(guī)范。其中pH、DO 及水溫采用spectro Flex6100 多功能水質分析儀現場測定。流速采用HSLGY-流速儀現場測定，測定范圍為3100 cm / s。Chla 水樣采集后現場用飽和碳酸鎂固定，浮游植物采用25# 浮游生物網，現場用魯哥試劑固定。2 結果與分析2.1 推流對水體流速的影響水下推流對水體最直接的影響是水體流速的變化。筒子河由于補水量較小，通常只補充蒸發(fā)和滲漏的水量，河水基本沒

5、有流動。在沒有實施推流工程之前，水體運動主要是風引起的水面波動。圖2為各采樣點水體表面和垂向流速的變化情況，可以看出，水體表面流速的變化距推流器由近及遠呈下降趨勢，對照點流速降至3 cm /s，基本不再受推流器影響。從各監(jiān)測點的水體表面流速看，與對照點相比，距推流器0.5m流速提高6.2 倍，距推流器10 m流速提高2.2 倍，較好地達到了推動水體流動的作用，側向的推動作用稍差，但仍有一定的推動作用，在距推流器側向5 m處，水體表面流速可以達到5 cm /s，較對照提高0.4 倍。從監(jiān)測結果看，水下流速提高不多，距推流器0.5 m處，水下0.5 m的流速為5.23 cm/s，只比對照點提高0.

6、6 倍。這是由于本次監(jiān)測為水平流速，而水下推流主要通過壓入的空氣推動水體流動，而空氣受浮力作用迅速向上運動，接近水面后壓力驟減而體積膨脹推動水面水平移動。所以，推流器主要作用在于水體表面，而對水體下部的水平流速影響甚小。水平流速值只是水體運動的一個較小分量。2.2 推流對水體DO、pH 的影響通常淺水水體極少分層，各項指標質量濃度隨水深變化不大。而富營養(yǎng)化水體，由于浮游植物光合作用等因素影響，水體溶解氧濃度隨水深加大而明顯降低。從圖3、圖4 看出，筒子河推流器周圍pH 及水體表層（包括水體表面和水下0.5 m） DO濃度變化不大，其中DO 濃度接近飽和值（監(jiān)測時水溫28），但水體底層DO 濃度

7、隨著與推流器距離的加大逐漸減小。與表層DO 濃度相比，對照點底層DO 濃度降低達到54.0%，為2.56 mg / L，不滿足地表水類水體水質標準，可見，在自然狀態(tài)下，富營養(yǎng)化的淺水水體雖然表層DO 濃度接近飽和，但底層仍然可能出現缺氧現象。與對照點相比，其他各監(jiān)測點底層DO 濃度都有所增加，距推流器最近的點增加最多，達到1.82 倍，距推流器側向5 m處增加最少，為0.91 倍，但DO 濃度達到5.15 mg / L，能夠滿足地表水類水體水質要求。從各監(jiān)測點DO 濃度總體變化情況來看，推流有效增加了上下水體混合，提高了水體底層DO 濃度，并起到了一定的增氧作用，改善了水體底層生物的生存條件。

8、2.3 推流對水體TN、TP 的影響從圖5、圖6 可以看出，水體中TN 濃度沒有明顯的趨勢變化，說明推流對于水體TN 濃度影響不大，但水體中總磷濃度，特別是底層水體TP 濃度與推流器距離呈現較好的相關性，隨著距離的增加，底層水體TP 濃度有逐漸減小的趨勢。分析原因，可能是由于研究區(qū)域水深較淺，水體推流造成擾動增加，使底質再懸浮，同時，擾動也可能加快了底質中磷的釋放。2.4 各監(jiān)測點藻細胞變化2.4.1藻細胞密度的變化藻細胞密度是浮游植物生長情況的重要表征指標。大量研究表明，小擾動有利于藻類細胞的生長,而中強擾動則不利于其生長，龍?zhí)煊宓仍谘芯克畡恿l件對嘉陵江重慶主城段藻類生長影響時，提出流速在

9、0.04 m /s 左右最有利于藻類的生長繁殖；王紅萍等在研究漢江水華水文因素作用機理時，提出漢江宗關斷面發(fā)生水華的警戒流速為0.225 m /s。圖7 為各監(jiān)測斷面水中藻細胞密度情況?？梢钥闯?，藻細胞密度與推流器距離呈現較好的相關性，隨著與推流器距離的減小，水中藻細胞密度呈現降低趨勢。與對照點相比，距推流器0.5 m處藻細胞密度降低最多，藻細胞總密度和水體表層藻細胞密度降低分別達到50.2%和70.7%，藻細胞總密度降低最少的為距推流器10 m的監(jiān)測點，表層藻密度降低最少的為距推流器側向5 m的監(jiān)測斷面，分別為21.4%和6.0%。說明推流工程的實施有效降低了水體中藻細胞密度，達到了抑制藻類

10、生長的目的。2.4.2藻類聚集程度變化藍藻具有根據環(huán)境條件而調節(jié)自身在水體中垂直位置以適應生長需要的能力，這種調節(jié)能力有利于藍藻形成優(yōu)勢?？追毕杼岢鏊{藻水華暴發(fā)的4 階段假設，認為藍藻尤其微囊藻上浮是水華暴發(fā)的關鍵階段，微囊藻只有上浮才會在水體表面形成與空氣隔離的藻團，形成肉眼可見的水華。華錦彪等7對水體中的藻類進行分層采樣，建立藻類聚集趨勢的關系式，得到形如式（1）的聚集參數： = C1 / C0 （1）式中, C1為水體表層藻類生物量/（10 cells/ml） , C0為水體中平均藻類生物量/（10 cells/ml）。本文參照式（1）計算各采樣點的藻細胞表面聚集參數，結果見圖8，可以看出，藻細胞的表面聚集情況與采樣點距推流器的距離具有較好的相關性，隨著與推流器距離的減小，藻細胞的聚集參數逐漸變小，說明推流工程的實施較好地抑制了藻細胞的表面聚集，減少了水華的發(fā)生。3 結論與討論筒子河水下推流水質改善工程的監(jiān)測結果表明以下幾點。（1）水下推流主要通過壓入的空氣推動水體流動，能夠較好地達到