太湖流域生態(tài)修復示范區(qū)水動力調(diào)控模式研究

張艷晴 周東 周升 韓國勝 艾爭

摘要 通過建立貢湖灣生態(tài)修復區(qū)等比例縮放中尺度模型，同時在模型內(nèi)模擬示范區(qū)沉水植物分布，在不同季節(jié)從流域親水河調(diào)水入實體模型，研究模型對調(diào)入水的凈化時間和凈化效率，并總結(jié)生態(tài)修復區(qū)水動力調(diào)控模式。結(jié)果表明，水質(zhì)由Ⅴ類恢復到Ⅱ類春季約需要14 d，夏季約需要17 d，秋季約需要20 d。冬季由于大部分沉水植物無法生長，因此其凈化能力較差，水質(zhì)檢測20 d數(shù)據(jù)顯示仍無法恢復到調(diào)水前水質(zhì)。生態(tài)修復區(qū)水動力調(diào)控模式為春低秋常冬高夏循環(huán)。

關(guān)鍵詞 模型;水動力調(diào)控;水質(zhì);沉水植物;生態(tài)修復示范區(qū)

中圖分類號 X171.4? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）11-0074-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.11.019

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Research on Hydrodynamic Regulation Mode of Ecological Restoration Demonstration Area in Taihu Lake Basin

ZHANG Yan-qing，ZHOU Dong，ZHOU Sheng et al

（Pulizi Environmental Technology （Suzhou） Co.， Ltd.， Suzhou， Jiangsu 215000）

Abstract By establishing a proportional scaling mesoscale model for the ecological restoration area of Gonghu Bay， and at the same time simulating the distribution of submerged plants in the demonstration area in the model，water was transferred from the hydrophilic river in the basin into the physical model in different seasons.The purification time and purification efficiency of the transferred water were studied by the model， and the hydrodynamic regulation mode of the ecological restoration area was summarized.The results showed that：in spring， water recovery by class II to V need about 14 days;summer need about 17 days and autumn need about 20 days. Because most submerged plants cannot grow in winter， so its purification ability was poor， water quality test data showed that 20 days was still unable to restore water quality before the transfer. The hydrodynamic regulation mode of the ecological restoration area was a cycle of spring low autumn constant，winter high and summer circulation .

Key words Model;Hydrodynamic regulation;Water quality;Submerged plants;Ecological restoration demonstration area

20世紀90年代起，貢湖水質(zhì)由《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）Ⅲ類下降到V類，主要污染指標為TN、TP類物質(zhì)。湖泊水質(zhì)改善和綜合治理方式包括控源截污、疏浚底泥、生態(tài)修復、引清釋污等。引清釋污作為受污染湖泊修復的一種有效手段，不僅加大了水體交換量、補給了湖泊水量，而且稀釋了污染物濃度，起到改善水質(zhì)的作用[1-4]。已有研究表明，引清調(diào)水能夠?qū)ξ廴舅h(huán)境起到明顯的改善效果。巢湖生態(tài)調(diào)水結(jié)果顯示，東半湖TN、CODMn、Chl-a濃度均顯著降低[5]。孫娟等[6]通過建立河網(wǎng)水量水質(zhì)數(shù)學模型引清調(diào)水改善城市內(nèi)河水環(huán)境，取得了良好的效果。2002年實施的引江濟太調(diào)水工程，在解決防洪除澇的水安全問題的同時，也顯著改善了太湖流域的經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境改善[7]。

關(guān)于沉水植物在水質(zhì)凈化和水生態(tài)修復中的作用目前已有很多研究，研究表明，影響湖泊水生植被生長的核心因子包括水位的高低及其變動范圍、水位變動的頻率、變動發(fā)生的時間、水位變動持續(xù)的時長以及變動的規(guī)律等[8-10]。貢湖生態(tài)修復區(qū)西北部島嶼眾多、水動力條件復雜，水體流動性差，換水周期長，易形成死水區(qū)使部分水域水質(zhì)惡化，不利于沉水植物的生長。因此，該研究通過對貢湖灣生態(tài)修復示范區(qū)進行1∶50等比例縮放，在示范區(qū)建立中尺度模型，開展水動力調(diào)控技術(shù)研究，從而確定生態(tài)修復示范區(qū)的最佳水動力調(diào)控模式;采用前期試驗所得出的調(diào)水方案和植物配置方案[11-12]，在中尺度模型內(nèi)開展不同季節(jié)的水動力調(diào)控試驗，根據(jù)模型內(nèi)水質(zhì)隨時間變化情況確定不同季節(jié)調(diào)水的水質(zhì)凈化所需要的時間和各水質(zhì)指標的去除率，從而總結(jié)得出適宜生態(tài)修復示范區(qū)的水動力調(diào)控模式，為太湖流域生態(tài)修復示范區(qū)水質(zhì)水量調(diào)控提供理論依據(jù)和參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

該試驗的研究區(qū)域為太湖貢湖生態(tài)修復示范區(qū)，示范區(qū)面積2.32 km2（圖1），開展研究期間調(diào)水水源為親水河，親水河位于示范區(qū)北部。共設(shè)置許仙港和典基港2個調(diào)水點，位置如圖1所示。示范區(qū)水流方向為自西向東，出口位于示范區(qū)東南部，出水入太湖。示范區(qū)與太湖聯(lián)通處通過閘門調(diào)控技術(shù)在調(diào)控示范區(qū)水位的同時向太湖輸送清水。根據(jù)示范區(qū)的地形地貌，該研究在示范區(qū)的東北角位置（圖1）建立了按1∶50比例等比例縮放的中尺度模型，北部2個箭頭分別模擬生態(tài)修復區(qū)從許仙港和典基港的引水放流，南部出水口。并根據(jù)示范區(qū)沉水植物種類、分布及覆蓋度調(diào)查結(jié)果，在中尺度模型內(nèi)模擬示范區(qū)沉水植物分布。

1.2 研究方法

在生態(tài)修復示范區(qū)構(gòu)建完整的生態(tài)系統(tǒng)，通過水動力調(diào)控機制，不僅能夠為水生植物生態(tài)系統(tǒng)提供良好的生長環(huán)境，同時能夠為太湖制造更多的清水（親水河水位高時自流補水進示范區(qū)）。該試驗研究不同季節(jié)從流域親水河調(diào)水入實體中尺度模型，研究模型在春季、夏季、秋季、冬季對調(diào)入水的凈化時間和凈化效率，從而為生態(tài)修復區(qū)水質(zhì)水量調(diào)控模式提供參考依據(jù)。

調(diào)水方式：示范區(qū)設(shè)置調(diào)水點2個，模型西部入流口和東部入流口分別模擬許仙港和典基港;2個調(diào)水點調(diào)水流量均為25 m3/h;2個調(diào)水點同時連續(xù)調(diào)水1 h，1次/d。

此次試驗分為春季、夏季、秋季、冬季試驗，采用上文提到的調(diào)水方式連續(xù)調(diào)水5 d，正好完成一次換水，然后堵上出水口，靜置。調(diào)水期間每天采集水樣檢測水質(zhì)，共布置7個采樣點位，分別是西部入流口、東南部出流口、模型內(nèi)5個斷面的5個點位。模型靜置期間，采樣頻次為3 d/次，共布置5個采樣點，分別為模型內(nèi)5個斷面的5個點位。采集水樣檢測水質(zhì)指標包括總氮（TN）、總磷（TP）、濁度、葉綠素a（Chl-a）。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型內(nèi)不同季節(jié)水質(zhì)指標變化

2.1.1 春季。春季調(diào)水前模型內(nèi)平均水質(zhì)為Ⅱ類，各水質(zhì)指標分別為TP 0.028 mg/L、TN 0.600 mg/L、濁度10.520 NTU、Chl-a 3.290 mg/m3。調(diào)入水后模型內(nèi)各水質(zhì)指標均有所增加，水質(zhì)從Ⅱ類變?yōu)榱英躅?，調(diào)水后各水質(zhì)指標分別為TP 0.250 mg/L、TN 2.340 mg/L、濁度50.420 NTU、Chl-a 32.540 mg/m3。結(jié)果表明，TP較調(diào)水前增加7.93倍，TN較調(diào)水前增加2.90倍，濁度較調(diào)水前增加3.79倍，Chl-a較調(diào)水前增加8.89倍，水質(zhì)明顯變差。

2.1.2 夏季。夏季調(diào)水前模型內(nèi)平均水質(zhì)為Ⅱ類，各水質(zhì)指標分別為TP 0.040 mg/L、TN 0.450 mg/L、濁度2.420 NTU、Chl-a 3.450 mg/m3。調(diào)入水后模型內(nèi)各水質(zhì)指標均有所增加，水質(zhì)從Ⅱ類變?yōu)榱英躅?，調(diào)水后各水質(zhì)指標分別為TP 0.340 mg/L、TN 3.550 mg/L、濁度40.560 NTU、Chl-a 36.580 mg/m3。與調(diào)水前水質(zhì)相比，調(diào)水后水質(zhì)明顯變差。

2.1.3 秋季。秋季調(diào)水前模型內(nèi)平均水質(zhì)為Ⅱ類，各水質(zhì)指標分別為TP 0.020 mg/L、TN 0.290 mg/L、濁度11.540 NTU、Chl-a 0.200 mg/m3。調(diào)入水后模型內(nèi)各水質(zhì)指標均有所增加，水質(zhì)從Ⅱ類變?yōu)棰躅?，調(diào)水后各水質(zhì)指標分別為TP

0.252 mg/L、TN 2.050 mg/L、濁度50.260 NTU、Chl-a 37.200 mg/m3。與調(diào)水前水質(zhì)相比，調(diào)水后水質(zhì)明顯變差。

2.1.4 冬季。冬季調(diào)水前模型內(nèi)平均水質(zhì)為Ⅱ類，各水質(zhì)指標分別為TP 0.034 mg/L、TN 0.560 mg/L、濁度6.500 NTU、Chl-a 2.340 mg/m3。調(diào)入水后模型內(nèi)各水質(zhì)指標均有所增加，水質(zhì)從Ⅱ類變?yōu)棰躅?，調(diào)水后各水質(zhì)指標分別為TP 0.210 mg/L、TN 1.550 mg/L、濁度60.540 NTU、Chl-a 17.780 mg/m3。與調(diào)水前水質(zhì)相比，調(diào)水后水質(zhì)明顯變差。

2.2 靜置期間模型內(nèi)水質(zhì)指標變化

連續(xù)調(diào)水5 d后，模型處于靜置狀態(tài)。靜置期間，模型內(nèi)各水質(zhì)指標在不同季節(jié)呈現(xiàn)出不同的變化趨勢（圖2）。試驗第5天，受調(diào)入水質(zhì)影響，各季節(jié)TP濃度均達到試驗期間最大值。

2.2.1 TP。從試驗第8天開始，春季、夏季、秋季TP濃度均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，其中夏季下降幅度最大，春季次之，秋季最小。整個模型靜置期間，冬季TP濃度無明顯下降趨勢。試驗第14天，夏季TP指標由劣Ⅴ類恢復到Ⅱ類，之后維持在Ⅱ類標準;試驗第17天，春季TP指標由劣Ⅴ類恢復到Ⅱ類，之后維持在Ⅱ類標準;試驗第20天，秋季TP指標由劣Ⅴ類恢復到Ⅱ類，之后維持在Ⅱ類標準;冬季TP指標在整個模型靜置期間基本無變化（圖2）。

2.2.2 TN。從試驗第8天開始，春季、夏季、冬季TN濃度均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，其中夏季下降幅度最大，春季次之，冬季最小。秋季TN濃度在試驗第11天時呈現(xiàn)小幅上升，之后持續(xù)下降。試驗第14天，夏季TN指標由劣Ⅴ類恢復到Ⅱ類，之后維持在Ⅱ類標準;試驗第17天，春季TN指標由劣Ⅴ類恢復到Ⅱ類，之后維持在Ⅱ類標準;試驗第20天，秋季TN指標由劣Ⅴ類恢復到Ⅱ類，之后維持在Ⅱ類標準;冬季TN指標在整個模型靜置期間下降趨勢不明顯，到試驗結(jié)束時，TN指標仍處于Ⅳ類標準（圖2）。

2.2.3 濁度。從試驗第8天開始，夏季、秋季、冬季濁度指標均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，其中夏季下降幅度最大，冬季次之，秋季最小。春季濁度指標在試驗第8天時呈現(xiàn)小幅上升，之后持續(xù)下降。到試驗結(jié)束時，4個季節(jié)濁度指標均下降到15 NTU以下，下降幅度明顯（圖2）。

2.2.4 Chl-a。模型靜置期間，春季Chl-a濃度第14天降到最低值后保持穩(wěn)定;夏季Chl-a濃度試驗第8天有明顯下降后基本保持不變直到第14天又繼續(xù)下降;秋季Chl-a濃度表現(xiàn)出與夏季相同的趨勢;冬季Chl-a濃度在第8天降到最低值后保持穩(wěn)定（圖2）。

2.3 模型內(nèi)不同季節(jié)水質(zhì)指標去除率

試驗結(jié)果顯示（表1），不同季節(jié)模型內(nèi)各指標去除率不同。夏季對TN、TP去除率均高于其他季節(jié)，夏季對TN、TP的去除率分別達到85.92%、87.94%;春季對TN、TP的去除率高于秋季;對Chl-a的去除效果最好的是秋季，去除率達到87.90%;除濁度指標外，冬季對其他水質(zhì)指標去除效果均較差，其中對TN、TP的去除率分別僅為32.26%、14.29%。

2.4 模型內(nèi)不同季節(jié)水質(zhì)凈化時間

模型內(nèi)水質(zhì)從調(diào)入水Ⅴ類水質(zhì)恢復到調(diào)水前Ⅱ類水質(zhì)需要一定的凈化時間。不同季節(jié)由于沉水植物的生長狀況、生物量和覆蓋度的差異而使得凈化時間也有一定差異。經(jīng)試驗檢測分析（圖3），春季水質(zhì)由Ⅴ類恢復到Ⅱ類約需要14 d，夏季約需要17 d，秋季約需要20 d。冬季由于大部分沉水植物無法生長，因此其凈化能力較差，水質(zhì)檢測20 d數(shù)據(jù)顯示仍無法恢復到調(diào)水前水質(zhì)。

3 討論

經(jīng)過近多年來世界各國學者的潛心研究，充分證明沉水植物具備凈化水體的作用，且效果較好。沉水植物能夠通過自身的光合作用，將從水層和底泥中吸收的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為自身生長所需要的物質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸[13-14]，從而降低水體中的氮磷污染負荷，提升水體水質(zhì)。同時，沉水植物還具有提升水體透明度、改善水體感官效果的作用[15-16]。沉水植物豐富的葉片能夠吸附水體中的懸浮物質(zhì)，從而改善水下光照條件，促進植物對氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，實現(xiàn)對水質(zhì)的改良[17-18]。上述研究也表明，配置合理地沉水植物群落具有非常好的凈化能力，在春季、夏季、秋季沉水植物生長發(fā)育階段均能在一定的較短時間內(nèi)完成對水質(zhì)的凈化。

在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，水位的變化對水生生物和群落正常的生存、繁衍和演替具有較大的影響，因此需保持湖泊適宜的水位，為水生生物的良好生長提供有利條件。但不同生物在不同季節(jié)對水位的要求有很大差異，因此適宜水位并非一個固定值，而是一個數(shù)值區(qū)間，這個數(shù)值區(qū)間受水位變動的范圍、頻率、發(fā)生時間、持續(xù)時間及其他規(guī)律性等因素的影響[19]。水位變動的方式主要有3種，分別是短期變動、年內(nèi)季節(jié)性變動和年際變動，不同的水位變動方式會對湖泊內(nèi)水生植被的生長產(chǎn)生不同的影響。水位短期變動對水生植被的影響機理主要表現(xiàn)在通過影響水體中的懸浮物濃度、水體的透明度和光的衰減系數(shù)等，使水生植被得不到有效的光照條件從而影響水生植被的生長;年內(nèi)季節(jié)性水位變動呈現(xiàn)出一定的周期性，通過影響水生植被的生態(tài)適宜性而對水生植被產(chǎn)生影響;年際水位變動亦表現(xiàn)出一定的周期性，同樣影響水生植被的生態(tài)適宜性。在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，水生植被會對水位長期以來的周期性變化產(chǎn)生一定的適應(yīng)性，持續(xù)的高水位、低水位或者非周期性水位變動均會破壞水生植被的適應(yīng)性，從而影響了植被的正常生長、繁衍和演替[20]。該研究發(fā)現(xiàn)，不同季節(jié)的沉水植物具有不同的凈化能力，使水質(zhì)恢復到一定標準所需要的時間也不同。根據(jù)這一特點結(jié)合水位變動對沉水植物生長發(fā)育的影響，可以總結(jié)出適宜太湖流域貢湖灣生態(tài)修復示范區(qū)的水動力調(diào)控模式。

在沉水植物構(gòu)建完成的基礎(chǔ)上進行湖泊調(diào)水，調(diào)入水質(zhì)較差的水，通過示范區(qū)沉水植物的吸收、凈化作用，達到清水還湖的目的。有規(guī)律的水位季節(jié)性變動對沉水植物而言有更強的適應(yīng)性，在低水位萌芽、生長，在高水位發(fā)育，在一個水文年內(nèi)完成生命周期。通過調(diào)水引水，合理地調(diào)控湖泊水位，使其在春季保持低水位以保證沉水植物更好的萌芽、生長，冬季保持高水位，防止沉水植物種子越冬，秋季保持常水位，為沉水植物收割打撈提供條件，防止過剩的植物腐爛影響水質(zhì);夏季通過多次引調(diào)水及放水使水體處于循環(huán)狀態(tài)，在促進沉水植物生長發(fā)育的同時充分利用其凈化吸收污染物的能力，從而實現(xiàn)更多清水還湖。

4 結(jié)論

貢湖生態(tài)修復示范區(qū)中尺度模型內(nèi)，春季水質(zhì)由Ⅴ類恢復到Ⅱ類約需要14 d，夏季約需要17 d，秋季約需要20 d，冬季模型內(nèi)基本無凈化能力。總結(jié)了適宜貢湖生態(tài)修復示范區(qū)的水動力調(diào)控模式為春低秋常冬高夏循環(huán)，即春季保持低水位，秋季保持常水位，冬季保持高水位，夏季使水體保持循環(huán)狀態(tài)。在太湖流域貢湖生態(tài)修復示范區(qū)構(gòu)建完整的生態(tài)系統(tǒng)，通過水動力調(diào)控機制，不僅能夠為水生植物生態(tài)系統(tǒng)提供良好的生長環(huán)境，同時能夠為太湖制造更多的清水。

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