濱水人工照明影響水質(zhì)的研究

段 然，楊春宇，陽(yáng)佩良，李娟潔

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院；山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400050)

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濱水人工照明影響水質(zhì)的研究

段 然，楊春宇，陽(yáng)佩良，李娟潔

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院；山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400050)

城市濱水區(qū)夜景照明數(shù)量增多，為城市帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也帶來(lái)了一系列問(wèn)題。人工照明改變了水中動(dòng)植物生物環(huán)境，干擾水中動(dòng)植物生物節(jié)律，并會(huì)對(duì)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(qiáng)度在水中的變化過(guò)程，并揭示了景觀照明對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生的危害。

濱水照明；光譜能量分布；水生動(dòng)植物

0 引 言

中國(guó)城市廣泛開(kāi)展夜景照明建設(shè)，美化了夜間環(huán)境，吸引了人們夜間旅游休閑消費(fèi)，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為促進(jìn)商業(yè)氛圍，提高建筑景觀照明效果，夜間濱水區(qū)照明也迅速發(fā)展(圖1)。由于缺乏對(duì)濱水區(qū)景觀照明的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，濱水區(qū)照明光源濫用現(xiàn)象極為普遍，在造成眩光的同時(shí)，也影響了水中動(dòng)植物生長(zhǎng)。如何正確使用人工照明，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，研究人工照明對(duì)植物生長(zhǎng)的影響具有重要意義。

圖1 濱水照明現(xiàn)狀

1 濱水區(qū)照明現(xiàn)狀

濱水區(qū)景觀建設(shè)與河流水質(zhì)變化有著密切的關(guān)系 。城市濱水區(qū)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(jié)律。人工光照會(huì)延長(zhǎng)水生動(dòng)物活動(dòng)時(shí)間，延長(zhǎng)水生物在水內(nèi)進(jìn)行氧化作用，可能會(huì)造成水中氧氣消耗，使水內(nèi)氧氣會(huì)迅速減少。水內(nèi)生物會(huì)因氧氣不足而死亡，大量厭氧細(xì)菌分解有機(jī)物發(fā)酵，會(huì)嚴(yán)重影響水質(zhì)。濱水區(qū)選擇適當(dāng)?shù)娜斯す庹丈湟部赡軙?huì)促進(jìn)水生植物進(jìn)行光合作用，釋放出氧氣，增加溶解氧含量對(duì)水質(zhì)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(tài)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(zhì)消耗外，也被水中微生物的呼吸作用以及水中有機(jī)物質(zhì)的氧化分解所消耗。所以說(shuō)溶解氧是水體的資本，是水體自?xún)裟芰Φ谋硎?。影響水溶解氧含量的因素包括水溫、水深及光照?qiáng)度等。

天然水中溶解氧近于飽和值(9 ppm)，藻類(lèi)繁殖旺盛時(shí)，溶解氧含量下降。水體受有機(jī)物及還原性物質(zhì)污染可使溶解氧降低，對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)，健康的飲用水中溶解氧含量不得小于6 mg/L。當(dāng)溶解氧(DO)消耗速率大于氧氣向水體中溶入的速率時(shí)，溶解氧的含量趨近于0，此時(shí)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(jī)物污染的程度，它是水體污染程度的重要指標(biāo)，也是衡量水質(zhì)的綜合指標(biāo)。因此，水體溶解氧含量的測(cè)量，對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)以及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展都具有重要意義。

2 水中光譜特征變化

濱水區(qū)域夜景照明對(duì)河流水域的水質(zhì)造成嚴(yán)重影響。當(dāng)光射入水中會(huì)對(duì)周?chē)沫h(huán)境產(chǎn)生不同的影響，因?yàn)楣庹丈淙胨袝?huì)產(chǎn)生折射、反射、透射等不同的現(xiàn)象，對(duì)水中動(dòng)植物產(chǎn)生巨大影響。

2.1 日光在水中的衰減

太陽(yáng)輻射進(jìn)入大氣和水后，由于大氣和水中衰減物質(zhì)的衰減作用，太陽(yáng)輻射發(fā)生衰減。在整個(gè)光譜上，總輻射量和太陽(yáng)輻射光譜特征也發(fā)生了變化，光線(xiàn)進(jìn)入水中立即發(fā)生了折射，入射角和折射角之間的關(guān)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(xiàn)進(jìn)入水中的角度，使光線(xiàn)更為集中。光線(xiàn)進(jìn)入水中后迅速被水中物質(zhì)吸收和散射，只有可見(jiàn)光可以進(jìn)入較深的水體。根據(jù)研究可知，只有短波的太陽(yáng)輻射能進(jìn)入到較深的水層，穿透深層的太陽(yáng)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(jù)2006年加拿大海盆光學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)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(zhì)等的折射及吸收，特定波長(zhǎng)衰減，當(dāng)特定波長(zhǎng)達(dá)到70 m水層深后，積分范圍從原來(lái)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(shù)衰減 ，慢衰減系數(shù)(Kd)表示為

(2)

其中：Ed(λ，z)是深度為z條件下波長(zhǎng)為λ的下行輻射照度，且慢衰減系數(shù)受太陽(yáng)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(qū)人工光照強(qiáng)度較低，對(duì)可見(jiàn)光的衰減影響較小，根據(jù)公式(2)可知近水面區(qū)域水體中光譜偏移變化極小。目前濱水區(qū)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(qiáng)度減弱。光是光子以電磁波形式的能量傳播，既滿(mǎn)足波動(dòng)方程：λ=c/V(λ——波長(zhǎng)；C——光速；V——頻率)，則光子能量滿(mǎn)足

E=hV=hc/λ

(3)

h為普朗克常數(shù)，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(qiáng)度

E＇=E·Kd

(4)

深Z處照度EZ與水面照度E0呈EZ=E0e-μ關(guān)系。式中μ為衰減系數(shù)，決定于湖水中懸浮物質(zhì)和可溶性物質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì)。水中照度也可用照度計(jì)測(cè)定,稱(chēng)為水深Z處的相對(duì)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(huán)境中的草本植物，分為陽(yáng)性和陰性。水生植物需要光照進(jìn)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(jìn)水中植物光合作用釋放氧氣，增加水中溶解氧含量，對(duì)水質(zhì)具有一定的影響。

植物對(duì)光輻射波長(zhǎng)為400 nm～700 nm區(qū)域非常敏感 ，根據(jù)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(lán)光)及600 nm～700 nm(橙光、紅光)。那么根據(jù)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(zhǎng)所需藍(lán)光光譜及少量紅光光譜，可為植物生長(zhǎng)提供大部分能量，高壓鈉燈為非連續(xù)光譜，其峰值在570 nm～600 mm之間，對(duì)植物生長(zhǎng)作用影響較小。

3 小 結(jié)

濱水區(qū)景觀照明影響水中動(dòng)植物生物節(jié)律。過(guò)高的光照會(huì)引起水中動(dòng)物活動(dòng)量提高，消耗氧氣降低水中溶氧量，同時(shí)干擾水質(zhì)，破壞水體生態(tài)環(huán)境，人工照明也會(huì)對(duì)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(huì)發(fā)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(shí)踐意義。

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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(jiǎn)介：段然(1986—)，女，重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院博士生，主要從事建筑光環(huán)境研究。