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作者：王華光 劉碧波 李小平 劉劍彤 敖鴻毅 李清曼 單位：中國科學院水生生物研究所 中國科學院研究生院 河南工程學院
隨著現代經濟的迅速發展，河流污染問題日益嚴重．河流水質不僅受降水、大氣沉降等自然因素的影響，而且還受工業和城市廢水以及農田地表徑流等人文因素的影響［1］．入湖河流是湖泊的主要水量來源，也是污染物進入湖泊的主要通道，大部分點源與面源污染物通過入湖河流進入湖泊［2］．控制入湖河流污染是削減湖泊污染的重要途徑［3］．自1970s以來，滇池水體及入湖河道水質不斷惡化，富營養化程度不斷加劇．近年來隨著治理工作的加強，點源污染得到一定控制，但滇池水體及主要入湖河流水質仍處于Ⅴ類或劣Ⅴ類［4-6］．本文通過對滇池一條重要入湖河流———新運糧河的下游及入湖口水質進行長期監測，分析入滇池河道各月份水質變化，尤其是雨季和旱季污染物濃度的差異，為滇池流域河流入湖污染控制提供依據．于一雷等［7］研究發現密云水庫入庫污染物主要來自汛期，豐水期河流水體營養鹽濃度高于枯水期，這一結果與一些學者對滇池流域［5］、渾河流域［8］、閩江流域［9］以及新運糧河進行研究發現的變化規律相反．其中王自林等［5］對滇池不同入湖河道污染物季節變化進行研究，發現流經昆明主城區的河流旱季污染物濃度明顯高于雨季，與本文結果相同．國內外關于河岸帶生態修復的研究很多［10-18］．河岸帶是河流生態系統的重要組成部分，是河流水體與近岸陸地之間物質和能量交換的紐帶，對河流生態平衡起到重要作用．傳統的河岸多采用漿砌石塊或混凝土方式切斷了水體與近岸陸地的聯系，破壞水生生態系統結構與功能，河流對外源污染負荷的抗沖擊能力減弱［19］．相對于傳統的護岸方式，各種河岸帶生態修復措施能不同程度地恢復河流自凈功能［11，20］．研究滇池流域入湖河流污染物濃度的季節變化特征及河岸帶修復在重污染河流中的應用效果，能夠為有效地治理入滇池河流、保護滇池生態環境、改善城市生態環境提供依據．
1研究區域與方法
1.1研究區域概況
新運糧河是一條重要的滇池入湖河流，是昆明市主城區西部最長的防洪、排澇河道，主河道全長21km，含15條主要支流，全段無沿河截污管，各種入河排污口323個，河流流量小，流速較小，河段不同水期污染程度不同，豐水期的水質好于枯水期．由于河流兩岸不斷注入大量污染物，同時在河道整治過程中忽視了河道整體的生態治理和修復，河段水質不斷惡化［21］，水體發黑、發臭，基本喪失了使用功能．研究選取下游至入湖口的2km河段，該河段屬于緩流、滯流型水體，水位落差小，水流緩慢，且時常受滇池水頂托，長期處于黑臭狀態，水中基本沒有水生植物．前后共設6個采樣點(圖1)，涵蓋兩種堤岸類型及入湖口．其中，1#點和2#點之間的河段進行了河岸帶生態修復建設，在原有混凝土堤岸內側，使用木樁泥土護岸方式，填土后種植水生植物．4#點和5#點之間的河段以直立混凝土護岸為主，由于失去棲息地，無水生植物生長．
1.2采樣與分析方法
2009年10月至2011年4月于上述采樣點采集水樣，現場用YSI550A測定溫度(T)、溶解氧(DO)，用YSI60測定pH，用薩氏盤測定透明度(SD)．采集500ml水樣裝瓶，回實驗室12h內測定其他理化指標．總磷(TP)、銨氮(NH4-N)、化學需氧量(CODCr)分別采用鉬酸銨分光光度法、納氏試劑法和重鉻酸鉀法測定．由于水體污染嚴重，總氮(TN)含量很高，嚴格按照《水和廢水監測分析方法》中的總氮測定方法無法準確測定其濃度，導致2009年10月、12月和2010年4月的總氮測定結果偏小，該部分數據做缺失處理．2010年6月開始采用修改后的總氮測定方法［23］，先取適量水樣加入螺口消解管內，加堿性過硫酸鉀氧化，氧化后水樣用酚二磺酸法測硝態氮含量，最后換算成水樣中總氮濃度．該方法能更準確地測得水中總氮的濃度．數據分析采用單因子水質標識指數法［24］來探討主要污染物及其污染程度．利用Origin8．0軟件進行作圖．
2結果與討論
2.1河段營養鹽濃度的季節變化
各采樣點NH+4-N，TN，TP，CODCr含量均有明顯季節變化，且變化趨勢相似(圖2)．2009年12月到2010年4月各指標值增大，在4月或6月出現最大值，之后逐漸降低，到10月出現最低值，之后又升高．第二個高峰值顯著低于第一個高峰值．2011年3月各指標值低于前后兩次監測數據，可能是采樣前降雨、滇池蓄水后水質較好的草海水回灌造成的．NH+4-N由2010年4月最高值71．97mg/L迅速降至6月份的13．68mg/L，之后繼續降低，10月到達最低值．TN變化與NH+4-N一致，從6月份的15．4mg/L持續下降至10月達到最低值8．11mg/L．TP由4月最高值7．36mg/L快速降至6月份最低值達到0．84mg/L，然后在1．00mg/L左右小幅變化．CODCr值變化與TP變化趨勢一致，由4月份的138．07mg/L降至35．73mg/L，之后變化緩慢．本文對新運糧河的水質季節變化的研究結果與王自林等［5］對滇池主要入湖河道水體氮磷污染物濃度變化的研究結果一致:流經城區的河流水質較差，且雨季污染物濃度低于旱季．說明面源污染對流經城區的河流水質影響較小，在降水量較大的雨季，河道補水會顯著降低河流污染物濃度．上游大量生活污水及工業污水是河水中營養鹽的主要來源．監測河段較短，除4#點前段有條支流帶來大量污染物，無其他明顯的污染源．各指標濃度變化主要受降雨的影響，滇池流域雨季主要受季風緩流控制，具有明顯的季節性，多年平均降雨量為1035．3mm，雨季(5－10月)降雨量占83%．11月至次年4月是滇池周邊地區的旱季，降水量少，新運糧河雨水補給少，污染物不能得到稀釋，各指標濃度較高．2010年4月因西南大干旱而導致各指標濃度偏高，出現高峰值，之后雨季到來，大量雨水進入河流，各指標濃度快速降低．河流水質變化不僅受降水量影響，不同時期溫度差異也是影響水質的重要因素．微生物的凈化功能是河段水體自凈的重要組成部分．溫度對硝化反應有重要影響，當溫度低于15℃時，硝化反應明顯受到抑制［25］．冬季氣溫低(12月水溫約為14℃)，水體中微生物活性降低，代謝活動減弱，銨態氮等化合物轉化效率降低，有機化合物消耗量降低，致使水體中各污染物濃度較高．夏季氣溫升高(8月水溫約為24℃)，微生物活性升高，有利于水體中的銨態氮轉化為硝態氮和亞硝態氮［26］，進一步以氮氣的形式離開水體，同時有機污染物去除量也升高．因此溫度差異是造成冬季河段各污染物濃度高于夏季的一個重要因素．河水溶解氧也是影響水質的重要因素．監測河段由于河水污染嚴重，透明度低(SD≤40cm)，溶解氧低(DO＜1．0mg/L)，水生生態系統結構與功能受到嚴重破壞．有機物污染嚴重的河流，水中硝化細菌等好氧微生物進行代謝反應消耗水中氧氣，其耗氧速率大于水體復氧速率，導致水中的溶解氧含量下降，甚至消耗殆盡而出現無氧狀態，有機物也主要以厭氧降解和缺氧降解的方式進行［27］．細菌厭氧分解產生氨、硫化氫、揮發性有機酸等惡臭物質，以及鐵、錳的硫化物等黑色物質，是河水發黑、發臭的原因之一．雨季期間流入河流的雨水含豐富的氧氣，使好氧微生物代謝加強，有利于水質改善．近年來隨著滇池流域治理投資的增加，上游污染源截污工作的加強，污染嚴重的工業全部遷出該流域，生活污水直接向河道排放的量也減少，上游污染負荷降低，導致后期各指標與過去同期相比有所改善．#p#分頁標題#e#
2.2單因子水質標識指數法評價水質
單因子水質標識指數法既能對水質類別進行評價，又能在同一類水的水質指標中進行定量比較［24］．可以完整刻畫評價指標的水質類別、水質數據與水環境功能區類別的比較情況．單因子水質指數P由整數及小數點后二位或三位有效數字組成，表示為:Pi=X1．X2X3，式中，X1代表第i項水質指標的水質類別，X2代表監測數據在X1類水質變化區間中所處的位置，X3代表水質類別與功能區劃設定類別的比較結果．當水質劣于或等于Ⅴ類水時，對于TN、TP、NH+4-N、CODCr的計算，X1．X2=6+(Ci－CV類標上)/CV類標上，X3=X1－f1，式中，CⅤ類標上為第i項指標Ⅴ類水標準上限，f1為水環境功能類別．對監測數據按照單因子水質標識指數法進行計算，然后取6個點計算結果的平均值［28］，結果表明(圖3)，所有X1．X2值均大于6，即所有指標均為劣Ⅴ類水，但各指標污染程度不同．TN標識指數最小值為9．8，最大值為16．8，表明TN濃度最低時為Ⅴ類水質上限的4．8倍，而最高為11．8倍．TP標識指數最小值為6．3，最大值為16．3，表明TP最小監測值為Ⅴ類水質上限的1．3倍，而最大值為11．3倍．NH+4-N標識指數最小值為7．8，最大值為34．9，分別是Ⅴ類水質上限的2．8倍和29．9倍．CODCr標識指數變化較小，在6.0～8.0之間，分別為Ⅴ類水質上限的1．0倍和3．0倍．總體而言，TN、NH+4-N的污染最為嚴重，TP次之，CODCr污染最輕．
2.3河段營養鹽濃度與河岸帶結構的關系
1#點至2#點之間河段已完成河岸帶生態修復工程．在原有混凝土堤岸內側，設置一排木樁，上面固定合適孔徑的防腐鐵絲網，混凝土墻與木樁之間填充泥土，泥土上端及滿足透明度要求的側面長滿水花生等水生植物(圖4);4#點至5#點之間河段為未修復河段，兩岸為光面直立混凝土護岸，無水生植物生長．兩河段長度相似，約為280m．2010年6月份監測數據代表雨季，2010年12月數據代表旱季．選取的兩個河段，沒有明顯的點源污染，假設沒有任何外源污染物，粗略計算各營養鹽的去除率．結果表明，6月份直立混凝土護岸河段TN、TP、NH+4-N、CODCr的去除率分別為21．62%、46．63%、13．22%、53．05%，生態護岸河段TN、TP、NH+4-N、CODCr的去除率分別為40．17%、62．10%、34．88%、77．25%．12月份直立混凝土護岸河段TN、TP、NH+4-N、CODCr的去除率分別為4．77%、2．93%、3．49%、11．28%，生態護岸河段TN、TP、NH+4-N、CODCr的去除率分別為7．53%、3．67%、16．37%、12．87%(圖5)．
由此可以看出，相對于傳統的混凝土護岸方式，采用木樁泥土護岸方式可以更高效地去除水體中的營養鹽．雨季期間的6月份凈化效果更加顯著．12月份兩種護岸方式的營養鹽去除率都比較低，但生態護岸河段比直立混凝土護岸的去除效率略高．木樁護岸具有良好的透水透氣性能，保證河流生態系統和陸地生態系統之間的物質交換和能量流動，為河岸帶動植物、微生物的棲息繁衍提供棲息地．相對于混凝土護岸，木樁生態護岸具有更大的比表面積、更強的吸附性能，為微生物的富集提供良好的條件［19］．增大水體中污染物與微生物的接觸，使水質得到更好的改善．泥土上生長的植物自身可吸收、轉化利用水體中的營養鹽，植物根系向水體釋放氧氣，為微生物提供營養物質，有利于微生物的生長，增強微生物凈化水體功能．監測河段以混凝土護岸和木樁護岸為主．河流內部生態系統嚴重退化，自凈能力低．直立混凝土護岸完全隔絕河水與岸帶的聯系．木樁護岸保證河水和岸帶有一定的聯系，但由于水質污染嚴重，木樁護岸凈化水質功能受到限制．河流水體依然黑臭，水體溶解氧低，透明度低，沒有有效地恢復河段的生物多樣性，生態系統結構和功能沒有得到有效改善．河流失去生物對水質的凈化作用，水體自凈功能嚴重退化［29］．國內外研究［29-31］表明，只有重建和修復河流生態系統，增加生物多樣性，通過生物阻滯、降解、轉化、去除污染，優化生態系統結構與功能，增強河流自凈能力，才能有效減少入湖河流對滇池湖泊的污染．
要充分利用部分入滇池河道自身空間凈化水質，如在河道內布設人工水草、人工浮床、人工沉床等，加強對氮磷污染物的去除．多種河流治理技術已經在國內外得到實踐，其中針對溶解氧低的情況，可以適當地進行人工曝氣，制造出淺灘和深潭交錯［30-32］的河道，有利于水體的大氣復氧．水體透明度低可以通過人工種植水草，提高微生物量，增強微生物凈化水質效果以及采用人工浮床［33］和沉床［34-36］等手段進行改善．修筑緩坡不僅可以增加水體與土壤之間物質能量交換，而且在透明度及水深合適的區域，水生植物可以生長，從而增強水質凈化，為其他生物提供棲息地，有利于生態系統的恢復．
3結論
(1)新運糧河下游水質TN、TP、NH+4-N、CODCr呈現明顯的季節變化．旱季降雨量少，各指標較高，雨季降雨量大，各指標較低．各指標的高峰值大都出現在2010年4月，主要原因是西南地區大干旱，降水稀少，排入河道的工業、生活污水的營養鹽得不到稀釋．最低值出現在2010年10月，主要原因是雨季的降水不斷補給河流，使外源污染得到稀釋．除受降雨量影響外，溫度的季節差異等也是造成水質波動的原因．總體來說，新運糧河下游水體污染嚴重，流入滇池的營養鹽負荷較大，尤其是旱季的12月到次年的4月，針對這期間的水質防控尤為重要．
(2)河段全年水質均為劣Ⅴ類，是所有滇池入湖河流中污染較嚴重的河流，其各指標污染程度不同．TN、NH+4-N的污染最為嚴重，NH+4-N最大值是Ⅴ類水質上限的29．9倍，TP次之，CODCr污染最輕，為Ⅴ類水質上限的1～3倍．
(3)河岸帶生態修復與傳統混凝土護岸河段的TN、TP、NH+4-N、CODCr去除率明顯不同．生態護岸河段各指標去除率顯著高于直立混凝土護岸河段，且夏季去除率明顯高于冬季．河岸帶生態修復能有效增強水體自凈功能．