小型河流清淤與行船控制的水質效應分析

顧艷 丁麗花 黃和 肖孟陽 劉茂松

摘要?江蘇吳江同里國家濕地公園在其合理利用區設計并聯交叉水系，使行船河道與不行船河道并聯且保持水體交換，輔以河道清淤以控制水體富營養化。為研究并聯水系、行船控制及清淤工程的生態效應，2016年12月和2017年4月分別選取研究地互相連通的行船河道與不行船河道，在清淤段、未清淤段采集水樣，比較行船控制及清淤的水質差異，為小型河道的生態修復與合理利用提供技術參考。結果發現12月和4月行船河道水體TP濃度均略高于相應的不行船河道，而在12月行船河道TN濃度略低于不行船河道，在4月行船河道TN濃度卻略高于不行船河道。在12月和4月行船河道清淤段TN、NH4+-N、NO3--N濃度均低于未清淤段，而在4月清淤段TP濃度低于未清淤段，在12月清淤段TP濃度高于未清淤段;在2個時段，不行船河道清淤段NH4+-N、NO3--N濃度也低于未清淤段，但清淤段水體TP濃度高于未清淤段。并聯交叉水系及行船控制可增加不同河段間水體水質的異質性，促進營養元素在不同河道間的轉移與再分配;在人為擾動較大的行船河道，清淤有較顯著的水質改善效果，但在人為擾動較小的不行船河道，不清淤更有利于水體中TP保持較低濃度。

關鍵詞?富營養化;并聯交叉水系;擾動;生態修復

中圖分類號?X?832文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2020）01-0065-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.01.021

開放科學（資源服務）標識碼（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

相關研究發現，面源輸入占河流和湖泊營養物質負荷總量的60%～80%[1-2]，是河流湖泊水體營養物質的主要來源[3-4]。位于集水區上游末端的小型河流作為陸地與水域的連接體，是陸地生態系統營養鹽、污染物及固體懸浮物等進入大型河流、湖泊水體的主要通道[5-7]。小型河道是數量最多的淡水環境之一，在生態系統中發揮著越來越重要的作用[8]。對小型河流等小微濕地的生態修復可有效減少進入河流、湖泊的營養負荷，是從源頭修復濕地生態系統、控制面源污染的重要措施。

平原區小型河道多位于水系源頭，水流速度緩慢，容易淤積，營養鹽也易在小型河道沉積物中累積，可能觸發二次污染，影響出流水體水質。相關研究發現，清淤不僅可保持水道暢通，一定條件下也可以降低水體和沉積物中C、N、P等營養元素含量，減輕水體富營養化程度[9-11];但也有研究發現，清淤破壞小型河道的生態系統結構，影響小型河道的生態功能[12]。相關研究表明，農田溝渠清淤后沉積物P負荷均有不同程度的降低[13]，溝渠清淤后沉積物釋放P元素減少[14]，但Smith等[15-16]在清淤前后沉積物吸附解吸試驗中發現，河道清淤后沉積物去除水體NH4+-N、NO3--N和P的能力減弱，清淤后沉積物釋放P元素速度加快，認為清淤后短期內水體中P元素會增加。

江蘇吳江同里國家濕地公園合理利用區的小型河流濕地由于鷺鳥密集、游船攪動等，水體富營養化嚴重。為改善水質，濕地公園設計了行船河道與不行船河道并聯交叉的水上游線，并對行船及不行船河道分別進行了局部清淤疏浚。筆者以江蘇吳江同里國家濕地公園合理利用區小型河道為研究對象，對并聯的行船與不行船河道清淤的水質效應進行比較，以期揭示并聯水系間不同擾動狀況的水質差異及元素遷移趨勢，不同擾動狀況下清淤的水質效應，不同水質指標對水體擾動及清淤措施響應的差異性，為小型河道濕地等小微濕地水體富營養化治理及保護、管理和合理利用提供技術參考。

1?材料與方法

1.1?研究地概況

蘇州地處長江三角洲，經濟發達，人口密集，年平均氣溫15～17 ℃，年均降水量1 076.2 mm，四季分明，屬亞熱帶季風氣候，地勢平坦，河網密布。江蘇吳江同里國家濕地公園位于蘇州市吳江區同里鎮東北部，屬太湖下游陽澄淀泖區。公園內有湖泊濕地、河流濕地、沼澤濕地、人工濕地等多種濕地類型，生物多樣性豐富，在太湖流域下游具典型性、代表性。公園合理利用區內有若干小型河道交叉連通，形成了無明顯上下游的網狀循環水系。河道水深1～2 m，寬5～10 m，總長約7.1 km。河道兩側分布有水杉林、毛竹林、樟樹林等林地，由于林中鳥類密集，水體富營養化較嚴重。

公園規劃水上游線時，通過限制部分河段通行，形成了行船河道與不行船河道并聯交叉的游線設計模式（采樣時段每日行船5～10次，游船為載客10人的電動游船）（圖1），增加了行船河道、不行船河道的景觀多樣性，并聯河道間也可通過水體流通實現營養鹽、懸浮物在行船河道與不行船河道間的遷移，增強水體自凈能力。

為控制水體富營養化，公園于2016年4—6月對部分河段，截流排水后采用高壓水槍沖刷成泥漿，再泵至周邊林地的方式進行清淤疏浚，清淤厚度約30 cm。形成了行船清淤段、行船未清淤段、不行船清淤段、不行船未清淤段等幾種河段類型。

1.2?樣品采集與處理

考慮到清淤后的水質效應隨著時間的延長會減弱[13]，而清淤后一段時間內水體水質不太穩定，該研究采樣時間選擇在清淤工程實施近半年后的2016年12月與一年后的2017年4月，分別在行船河道清淤段與未清淤段、不行船河道清淤段與未清淤段采集表層水水樣，并應用HACH HQ40d水質測試儀現場測定水體pH和DO。水樣裝于100 mL采集瓶，放于冷藏箱帶回實驗室測定主要水質指標。

采用水楊酸-次氯酸鹽光度法測定水體NH4+-N濃度;采用硫酸肼還原法測定水體NO3--N濃度;采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法測定水體NO2--N濃度;采用鉬酸銨分光光度法測定TP濃度;采用過硫酸鹽氧化法測定水體TN濃度。

1.3?數據分析

對各水質指標采用單因素方差分析比較不同采樣點間水體pH、DO、TN、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TP濃度的差異性，并對不同時段各主要水質指標的差異性進行比較研究，用廣義線性模型進行回歸分析，計算行船控制和清淤工程對水質指標變化的解釋率。相關統計和顯著性分析在SPSS 22支持下完成，回歸分析在R 3.5.1中完成，圖表用Origin 2017 SR1制作，顯著水平設定為α=0.05。

2?結果與分析

2.1?2個時段不同河段水體主要水質指標

該研究分別對2個時段不同河段的水質指標進行分析。比較12月各河段主要水質指標發現（圖2），行船河道NO3--N和TP濃度高于不行船河道，而pH、DO、TN、NH4+-N低于不行船河道，NO2--N濃度基本一致。在行船河道，清淤段DO略高于未清淤段，TP濃度顯著高于未清淤段，TN、NH4+-N濃度均略低于未清淤段，NO3--N濃度顯著低于未清淤段;不行船河道清淤與否水體中DO、NH4+-N、NO3--N、TP濃度差異與行船河道一致，清淤段與未清淤段間水體中TN濃度差異較小。綜合比較行船與不行船河道清淤與否水體水質，TN濃度在行船河道清淤段最低，在不行船河道清淤段最高，TP濃度在不行船河道未清淤段最低，在行船與不行船河道清淤段均較高。

比較4月各河段主要水質指標發現（圖2），行船河道pH、DO、TN和TP濃度略高于不行船河道，而NO3--N和NO2--N濃度略低于不行船河道。在行船河道，清淤段pH、DO顯著高于未清淤段，TN、NH4+-N、TP濃度低于未清淤段，NO3--N濃度顯著低于未清淤段;在不行船河道，清淤段DO和TP濃度略高于未清淤段，TN、NO3--N濃度低于未清淤段，NH4+-N濃度顯著低于未清淤段。綜合比較，TN濃度在不行船河道清淤段最低，在行船河道未清淤段最高，TP濃度在不行船河道未清淤段最低，在行船河道未清淤段最高。

對比不同時段各河段主要水質指標發現，pH均接近8，水體DO都為8～11 mg/L，4月水體TN濃度高于12月，而NH4+-N、NO3--N、TP濃度低于12月，NO2--N濃度基本一致。行船河道TP濃度高于不行船河道，但TN濃度在12月行船河道略低于不行船河道，在4月行船河道卻略高于不行船河道。

行船與不行船河道中，清淤河段水體DO均不同程度高于相應的未清淤河段;在行船河道，清淤段水體TN、NH4+-N、NO3--N濃度均低于未清淤水體，在4月清淤段TP濃度低于未清淤水體，而在12月清淤段TP濃度高于未清淤水體;在不行船河道，清淤段水體NH4+-N、NO3--N濃度也低于未清淤段，而TP濃度均高于未清淤段，4月清淤段TN濃度略低于未清淤段，12月清淤與否水體TN濃度差別很小。

2.2?N、P對水體擾動及清淤措施響應

為進一步研究行船控制及清淤對河道水質影響的相對大小，進行回歸分析，計算行船控制和清淤工程對主要水質指標的解釋率（表1）。

結果顯示，行船控制和清淤工程在12月對水體pH的解釋率均較低，但在4月清淤工程對pH解釋率較高，行船與不行船河道4月清淤段pH均顯著高于未清淤段。清淤工程在不同時段對DO解釋率均高于行船控制，行船與不行船河道清淤段水體DO均高于未清淤段。

行船控制對TN濃度解釋率在12月相對高于清淤工程，行船河道TN濃度低于不行船河道，而在4月，河道間清淤與否TN濃度差異較大，行船河道與不行船河道中清淤段TN濃度均低于未清淤段。清淤工程對NH4+-N濃度解釋率在2個時段均大于行船控制，行船與不行船河道中清淤段NH4+-N濃度均低于未清淤段，NO3--N分析結果與NH4+-N基本一致。不同時段河道間清淤與否NO2--N濃度差異均相對較小，行船河道中12月清淤段NO2--N濃度略低于未清淤段，但在4月略高于未清淤段。

比較發現，在12月，河道間行船與否TP濃度差異相對較小，清淤與否TP濃度差異較大，清淤段TP濃度均顯著高于未清淤段;而在4月，行船控制和清淤工程對TP解釋率均較低，行船控制對TP濃度解釋率略高于清淤工程，行船河道TP濃度高于相應的不行船河道。

綜合比較行船控制與清淤工程對各主要水質指標變化的解釋率，總體上清淤工程對水體DO、NH4+-N、NO3--N解釋率均相對較高，清淤增加水體pH、DO，降低NH4+-N、NO3--N濃度;但行船與否水體DO、TP濃度也有一定差異，行船河道水體DO、TP濃度高于不行船河道。

3?討論

3.1?行船控制的水質效應

水體的擾動，如風浪或行船等，增加水體流動性，往往可促進水體DO提高。一般水體DO的增加會促進水體P元素沉積[17]，加快水體中有機碳的降解[18]，但擾動也會使沉積物再懸浮，增加沉積物中營養鹽向水體的轉移[19]，增加上覆水體TN、TP濃度[20]。

研究地河流為相對封閉的循環式人工水系，為控制水體富營養化，濕地公園對部分河道實施行船控制。行船河道與不行船河道間水體各指標的差異性在不同時段有不同的表現。在12月行船河道與不行船河道DO差異極小，而4月行船河道DO總體上高于不行船河道，應由于12月水體溫度較低，生物活動耗氧量小，水體中DO均處于相對飽和狀態，而4月水體DO總體相對較低，行船擾動增加水體DO。但與水體中DO濃度相對高低的趨勢不同，2個時段行船河道水體TP濃度均略高于相應的不行船河道。可見，研究地行船擾動雖可增加水體的DO，有利于水體中P的沉積，但其對沉積物的擾動也會增加沉積物中P的釋放，導致行船段水體中TP濃度略高。與TP不同，TN濃度在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-解吸等物理過程對水體TP的影響相對N元素指標更大一些[21]，而N元素在生態系統中有多個價態，彼此間存在復雜的氧化還原過程，水體DO的相對高低對氨化、硝化、反硝化過程的促進與抑制趨勢顯著不同[22-24]。行船控制使并聯河道間水體N、P等主要營養元素濃度存在差異，以促進不同河道間營養元素的遷移。

3.2?清淤工程的水質效應

清淤是水體生態修復的常用技術措施。相關研究發現，清淤可顯著減少沉積物中的有機質及N、P元素含量[13，25]，減少沉積物P元素向水體的釋放[14，26-27]，降低水體NH4+-N和TN、TP濃度[10，28]，水體中DO往往也有不同程度的增加[23]，對沉積物NH4+-N的釋放有一定的抑制作用[29]。但清淤也將改變原有的水-泥界面過程，在一段時間內減弱沉積物吸收水體P元素的能力[14]，同時清淤也會破壞水生植被，使得水生植物量減少，削弱水生植物對水體凈化功能，導致清淤后水體TN濃度增加，水質下降[28]。

該研究發現，清淤后水體中DO均有不同程度的上升，上覆水體N、P濃度也有不同程度的差異，但在行船河道與不行船河道中存在一定差異，在不同時段也略有不同。在行船河道，清淤段水體TN、NH4+-N、NO3--N濃度均低于未清淤段，TP濃度在4月低于未清淤段，但在12月卻高于未清淤段;在不行船河道，清淤段水體NH4+-N、NO3--N濃度低于未清淤段，而TP濃度卻高于未清淤段。在干擾相對較大的行船河道中，清淤可以降低水體中TN、NH4+-N、NO3--N濃度，與其他水體清淤水質效應研究結果基本一致[10，28]，但清淤對行船河道水體TP濃度的影響在2個時段有所不同;在干擾相對較小的不行船河道中，清淤段水體TP濃度高于未清淤段，可能由于清淤破壞了水泥界面的平衡，增加了沉積物TP向上覆水體的釋放。

基于上述研究結果，對小型河道設計并聯水系，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間水體中N、P等營養元素濃度的差異性，促進N、P元素在不同河段間的再分配，有利于河道水體水質的生態修復。同時，該研究結果也顯示，清淤總體上有利于降低水體的富營養化水平，特別在行船等人為擾動較大的河段，清淤應是作為降低水體N素指標濃度、改善水體水質的重要措施;而在人為擾動相對較小的河段，如該文中的不行船河道，清淤對降低NH4+-N、NO3--N濃度有一定效果，但不清淤水體TP濃度總體上低于清淤段。對擾動較小的河道，如非必要，可減少清淤頻度。

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