濱水人工照明影響水質的研究

段 然，楊春宇，陽佩良，李娟潔

(重慶大學 建筑城規學院；山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400050)

?

濱水人工照明影響水質的研究

段 然，楊春宇，陽佩良，李娟潔

(重慶大學 建筑城規學院；山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400050)

城市濱水區夜景照明數量增多，為城市帶來了經濟效益的同時也帶來了一系列問題。人工照明改變了水中動植物生物環境，干擾水中動植物生物節律，并會對水體造成干擾。文章從理論上分析了濱水照明光源光譜、光照強度在水中的變化過程，并揭示了景觀照明對水質產生的危害。

濱水照明；光譜能量分布；水生動植物

0 引 言

中國城市廣泛開展夜景照明建設，美化了夜間環境，吸引了人們夜間旅游休閑消費，促進了經濟發展。為促進商業氛圍，提高建筑景觀照明效果，夜間濱水區照明也迅速發展(圖1)。由于缺乏對濱水區景觀照明的標準規范，濱水區照明光源濫用現象極為普遍，在造成眩光的同時，也影響了水中動植物生長。如何正確使用人工照明，減少對生態環境的影響，研究人工照明對植物生長的影響具有重要意義。

圖1 濱水照明現狀

1 濱水區照明現狀

濱水區景觀建設與河流水質變化有著密切的關系 。城市濱水區夜景照明將人工光照投射到城市水域中，影響了城市水中生物生活節律。人工光照會延長水生動物活動時間，延長水生物在水內進行氧化作用，可能會造成水中氧氣消耗，使水內氧氣會迅速減少。水內生物會因氧氣不足而死亡，大量厭氧細菌分解有機物發酵，會嚴重影響水質。濱水區選擇適當的人工光照射也可能會促進水生植物進行光合作用，釋放出氧氣，增加溶解氧含量對水質有凈化的作用，有效防止溶解氧降低。

溶解氧(Dissolved Oxygen)是指溶解于水中分子狀態的氧，即水中的O2，用DO表示。溶解氧除了被通常水中硫化物、亞硝酸根、亞鐵離子等還原性物質消耗外，也被水中微生物的呼吸作用以及水中有機物質的氧化分解所消耗。所以說溶解氧是水體的資本，是水體自凈能力的表示。影響水溶解氧含量的因素包括水溫、水深及光照強度等。

天然水中溶解氧近于飽和值(9 ppm)，藻類繁殖旺盛時，溶解氧含量下降。水體受有機物及還原性物質污染可使溶解氧降低，對于人類來說，健康的飲用水中溶解氧含量不得小于6 mg/L。當溶解氧(DO)消耗速率大于氧氣向水體中溶入的速率時，溶解氧的含量趨近于0，此時厭氧菌得以繁殖，使水體惡化，所以溶解氧大小能反映出水體受到的污染，特別是有機物污染的程度，它是水體污染程度的重要指標，也是衡量水質的綜合指標。因此，水體溶解氧含量的測量，對環境監測以及水產養殖業的發展都具有重要意義。

2 水中光譜特征變化

濱水區域夜景照明對河流水域的水質造成嚴重影響。當光射入水中會對周圍的環境產生不同的影響，因為光照射入水中會產生折射、反射、透射等不同的現象，對水中動植物產生巨大影響。

2.1 日光在水中的衰減

太陽輻射進入大氣和水后，由于大氣和水中衰減物質的衰減作用，太陽輻射發生衰減。在整個光譜上，總輻射量和太陽輻射光譜特征也發生了變化，光線進入水中立即發生了折射，入射角和折射角之間的關系可以用Snell折射定律確定，即

sinθ=n sinθ＇

(1)

其中，θ為入射角，θ＇為反射角，n為折射率，城市水折射率為1.33。折射率改變了光線進入水中的角度，使光線更為集中。光線進入水中后迅速被水中物質吸收和散射，只有可見光可以進入較深的水體。根據研究可知，只有短波的太陽輻射能進入到較深的水層，穿透深層的太陽輻射集中在450 nm左右。浮游植物吸收光譜主要集中在443 nm與660 nm。

根據2006年加拿大海盆光學觀測數據統計計算得到水表面與水下光譜特征的比較，可知，由于水中浮游物質等的折射及吸收，特定波長衰減，當特定波長達到70 m水層深后，積分范圍從原來的400 nm～700 nm變化為480 nm～550 nm。下行輻射照度隨深度增加呈指數衰減 ，慢衰減系數(Kd)表示為

(2)

其中：Ed(λ，z)是深度為z條件下波長為λ的下行輻射照度，且慢衰減系數受太陽高度角變化影響較小。

2.2 人工光源在水下的衰減

人工光源照射入水面，小部分被水面反射被人眼所感知，其他部分被水體吸收。濱水區人工光照強度較低，對可見光的衰減影響較小，根據公式(2)可知近水面區域水體中光譜偏移變化極小。目前濱水區域照明主要光源為景觀照明的LED光源及少量的高壓鈉燈。

隨水深增加，光透入強度減弱。光是光子以電磁波形式的能量傳播，既滿足波動方程：λ=c/V(λ——波長；C——光速；V——頻率)，則光子能量滿足

E=hV=hc/λ

(3)

h為普朗克常數，h=6.626×10-34J·s-1；c=2.979 245 8×108m·s-1。

則入射水體后光源光照強度

E＇=E·Kd

(4)

深Z處照度EZ與水面照度E0呈EZ=E0e-μ關系。式中μ為衰減系數，決定于湖水中懸浮物質和可溶性物質的數量和性質。水中照度也可用照度計測定,稱為水深Z處的相對照度。

2.3 水生物光合有效輻射

水生植物為生活在水中或水分充足環境中的草本植物，分為陽性和陰性。水生植物需要光照進行光合作用，夜晚人工光源散射到水體中引起水生植物光合作用，促進水中植物光合作用釋放氧氣，增加水中溶解氧含量，對水質具有一定的影響。

植物對光輻射波長為400 nm～700 nm區域非常敏感 ，根據植物光合有效輻射圖，綠色植物光合作用主要吸收光譜能量分布在400 nm～500 nm(紫光、藍光)及600 nm～700 nm(橙光、紅光)。那么根據人工光源光譜能量分布可知，LED光譜能量分布能提供植物生長所需藍光光譜及少量紅光光譜，可為植物生長提供大部分能量，高壓鈉燈為非連續光譜，其峰值在570 nm～600 mm之間，對植物生長作用影響較小。

3 小 結

濱水區景觀照明影響水中動植物生物節律。過高的光照會引起水中動物活動量提高，消耗氧氣降低水中溶氧量，同時干擾水質，破壞水體生態環境，人工照明也會對水中植物造成干擾，增加植物夜間光合作用。人工光照入射水中，會發生反射折射，并被水中微生物吸收，因此，深入研究人工光源水體照明有重要的實踐意義。

[1] Allan J D. Landscape and riverscapes：the influence of land use on stream ecosystems[J]. Annual Review of Ecology Evolution and Systematics,2004,35(1):257～284

[2] Lee S W, Hwang S J, Lee S B, Hwang H S. Landscape ecological approach to the relationships of land use patterns in watersheds to water quality characteristics[J]. Landscape and Urban Planning,2009,92(2):80～89

[3] 張昕，徐華，詹慶旋.景觀照明工程[M].北京:中國建筑工業出版社,2006

[4] Curtis D Mobley. Light and water: radiative transfer in natural waters[M].Academic Press, San Diego,1994

[5] 王德華.水生植物的定義與適應[J].生物學通報，1994,29(6):10

[6] Balegh S E, Biddulph O. The photosynthetic action spectrum of the bean plant. [J]. Plant Physiology, 1970, 46:1～5

The Influence of Water Quality by Artificial Lighting in Waterfront

DUAN Ran，YANG Chunyu，YANG Peiliang，LI Juanjie

(KeyLaboratoryofNewTechnologyforConstructionofCitiesinMountainArea;FacultyofArchitectureand
UrbanPlanning,ChongqingUniversity,Chongqing400050,P.R.China)

With he rapid development of urban landscape lighting, a number of night scene illumination of urban waterfront has increased, which brings a series of problems for the city. Artificial lighting has changed the environment of animal and plant in water, disturbed the biological rhythm of animals and plants in the water, and caused the disturbance to the water body. In this paper, the changes of the spectrum and the intensity of the water in the water are analyzed theoretically, and the harm to the water quality of the landscape lighting will be revealed.

waterfront lighting; spectral energy distribution; water animal or plant

2016-08-20 作者簡介：段然(1986—)，女，重慶大學建筑城規學院博士生，主要從事建筑光環境研究。