結冰對烏梁素海水體富營養化的影響?

張 巖，李暢游，高 寧，史小紅，喬玲敏

（1：煙臺大學土木工程學院，煙臺264005）（2：內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特010018）

結冰對烏梁素海水體富營養化的影響?

張 巖1，李暢游2，高 寧1，史小紅2，喬玲敏1

（1：煙臺大學土木工程學院，煙臺264005）
（2：內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特010018）

為研究結冰對湖泊富營養化狀態的影響，以內蒙古烏梁素海為研究對象，用“注射器”式采水器和冰鉆分別采集水樣和冰樣，并測定總氮、總磷、CODCr、葉綠素a濃度、冰厚、水深和透明度等指標，運用分形理論評價模型對湖泊結冰前、后的富營養化等級進行綜合評價.結果表明：烏梁素海湖泊結冰厚度與水深存在較好的負相關性，其相關系數為0.54；湖泊結冰后，水體的富營養化等級由富營養變為重富營養，表明結冰過程中，氮、磷等營養元素被排斥至冰下水體，即結冰過程對湖泊水體中的營養元素具有濃縮效應，導致冰下環境質量惡化，并促進營養元素向沉積物轉移；但也可以利用該濃縮效應，從湖泊冰封期富營養化污染的特殊性入手，運用底泥疏浚和冰體-水體分離等工程技術手段，實現湖泊富營養化污染的治理.

結冰；富營養化；分形理論；烏梁素海

湖泊是重要的淡水資源之一，我國湖泊數量眾多、分布廣泛，但由于水體中氮、磷等濃度增加，導致湖泊富營養化不斷加重.據統計，我國有85.4%的湖泊超過了富營養化標準，達到重富營養化程度的湖泊達40.1%［1］.為此，眾多學者在湖泊富營養化方面開展了大量的研究并取得了大量的成果，但這些研究大都基于湖泊的非冰封條件下進行的，而對湖泊冰封條件下湖泊的富營養化特征卻少見報道.國內僅有的幾篇文獻主要研究了氮、磷等在冰-水體系的分配關系和其在冰生長期的遷移過程［2-5］，而未曾耦合結冰過程對總氮（TN）、總磷（TP）、CODCr、葉綠素a（Chl.a）和透明度（SD）等的影響，闡明結冰過程對湖泊富營養化狀態的影響.而國外尚未見湖泊冰封期富營養化方面的報道.但湖泊冰封期，由于冰層的存在幾乎切斷了大氣-水體物質交換和削弱了其間的能量交換，改變了整個體系的透光性和熱傳導性［6］，水中存在的微生物數量很少，且微生物的生物降解能力極低；湖水中污染物失去遷移和光解作用，并使自然曝氣形成的復氧過程幾乎停止，并且光合作用微弱，溶解氧濃度處于極低值，氧化還原電位降低，水體的自凈能力大大減弱.因此，結冰必將對湖泊的富營養化狀態產生影響.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

烏梁素海（40°36′～41°03′N，108°43′～108°57′E）位于內蒙古自治區巴彥淖爾市境內，水面面積為283 km2，水深1.4～3.1 m，是國家八大淡水湖之一.該湖泊主要承納河套灌區的農田退水及流域內部分工業廢水和生活污水，湖泊富營養化嚴重.烏梁素海流域屬北溫帶大陸性干旱／半干旱氣候，多年平均氣溫為5.6～7.4℃，一般從每年11月開始結冰，翌年3月末開始融化，冰封期約4～5個月，冰層的最大厚度可達0.70 m. 2012實驗年度內烏梁素海湖泊的結冰期為11月25日至次年2月18日.冬季冰蓋形成后，湖泊接近靜水體，環流作用微弱，與外界水體的交換近乎停止.

1.2 樣品采集

根據我國水環境及湖泊調查規范，考慮烏梁素海的水文及水環境特征，設置采樣點（圖1），并于2012年1月在每個采樣點上分別采集冰樣和水樣：用冰鉆采集6根冰芯樣品，用電子天平稱量每根冰芯樣品的重量并將其放在切割板上，用冰鋸從上至下每10 cm切割一段冰柱，并將其放在塑料瓶中，在室溫下自然融化后進行監測；用“注射器”式采水器通過冰孔各抽取冰-水界面、冰下30 cm和水-沉積物界面的水各1000 ml，將上述3個位置的水樣均勻混合后進行監測.

圖1 烏梁素海位置及采樣點Fig.1 Location and sampling sites of Lake Ulansuhai

1.3 監測方法

各指標監測方法如表1所示.

1.4 富營養化評價方法

選用評價結果分辨率較高的分形理論評價模型對烏梁素海結冰前后的富營養化等級進行評價［7］.

1.4.1 單指標分形維數計算 （1）選用關聯維數計算分形維數，設研究水質指標Xi的數據向量為：Xi＝（xi1、xi2、…、xin），n為樣本數據的總數.

（2）建立1～7維相空間，運用式（1）和式（2）分別計算每維相空間兩點間距離rp，q（s）與平均距離Δxs：

表1 各指標監測方法Tab.1 Themethods of each item

式中，p，q＝1、2、…、n-s+1；s＝1、2、…、w（w為最大相空間維數）.

（3）運用式（3）和式（4）計算每維相空間兩點間距離小于rsk的概率Ck（S），從而得到關聯積分函數：

式中，rsk為指定的距離上限；H為Heaviside函數；p，q＝1、2、…、n-s+1；s＝1、2、…、w；k＝1、2、…、14.

（4）根據每維相空間求出的一組（k＝14）Ck（s）值，若Ck（s）和rsk雙對數圖上為直線，則分形存在，其斜率為分維數：

若分維數在相空間維數升高時趨向極限，此極限即為空間的分維數；若分維數未嚴格地趨向極限，則需要比較不同相空間的分維數，選擇相鄰空間分維數之差滿足一定精度或趨于穩定的最大者，將其作為該水質指標的分維數.

1.4.2 水質評價指標的分維數 運用上述方法可求出各指標的分維數：（Chl.a，TP，TN，CODCr，SD）＝（0.33，1.17，1.00，1.59，1.83），分維數越大的水質指標越重要.

1.4.3 評價標準的建立 用式（6）建立各級別的評價標準：

式中，F為評價標準；i代表第i種指標，i＝1、2、…、n；D（i）和S（i）分別為第i種指標的分形維數和實測值.

表2 水質評價標準［7］Tab.2 The estimation standard of water quality

所建立的評價標準為：（貧營養，貧中營養，中營養，中富營養，富營養和重富營養）＝（52.06，66.30，336.4，569.86，2271.48，6793.32）.

2 結果與分析

2.1 湖泊水深和冰厚的分布

為了解采樣時湖泊各采樣點的冰厚和水深等水文特性，對湖面11個采樣點的水深、冰厚進行監測分析（圖2），結果表明烏梁素海采樣期各采樣點的水深介于0.46～2.88 m之間，其平均值為1.17 m，相對標準偏差為0.54；冰厚介于0.32～0.55m之間，其平均值為0.43m，相對標準偏差為0.17.湖泊的南部和北部水深較深，中部水深較淺，而湖泊中部的冰厚較南部和北部大，這表明冰厚與水深存在較好的負相關性，其相關系數為0.54（圖3），這可從熱力學對湖冰形成過程的影響進行解釋：整個湖泊處于相同的環境條件下，任意湖泊區域大氣-冰界面的冷通量相等，水深越淺，受冷水的體積越小，冰下水體更易達到過冷狀態，進而使得冰厚較快增加，即與水深呈負相關關系.

圖2 各采樣點冰厚和水深變化Fig.2 The variety of ice thickness and water depth of each sampling site

圖3 冰厚與水深關系圖Fig.3 The relationship between ice thickness and water depth

2.2 湖泊富營養化等級評價

運用分形理論評價模型對烏梁素海結冰前水體、結冰后冰體融水和冰下水的富營養化等級進行綜合評價（表3）.

結冰前，烏梁素海湖泊11個采樣點均達到了富營養化程度，已經沒有貧營養、貧中營養和中營養的區域出現（圖4）.這是由于近年來，河套灌區實施嚴格的節水灌溉制度，入湖水量減少，水位下降，而化肥施用量卻逐年增加.據統計，2009年河套灌區的化肥施用量已達72×104t，是1978年的10.2倍，其中大約70%的化肥經總排干流入湖內，并且沿途還匯入了大量的工業廢水和生活污水［8］，致使烏梁素海湖泊水質日益惡化，全湖均達到了富營養化程度.

結冰后，冰下水樣中，5個采樣點達到了重富營養化程度，占樣品數量的45.4%，6個采樣點仍然富營養化，占樣品數量的54.6%，全湖均值的評價結果為3738.29，評價等級為重富營養；冰層融水樣品中，7個采樣點為中富營養，占樣品數量的63.6%，4個采樣點為富營養化，占樣品數量的36.4%，全湖均值的評價等級為富營養，但其評價結果為877.14，僅為冰前水評價結果的54.6%（表3）.

2.3 結冰對富營養化狀態的影響

從全湖分形評價均值來看，結冰前后，湖泊水體的富營養化等級由富營養變為重富營養，這表明結冰過程加劇了水體的富營養化程度，結冰過程中，氮、磷等營養元素被排斥至冰下水體，即結冰過程對營養元素具有濃縮效應.

湖泊結冰過程的濃縮效應可從湖冰的形成過程進行解釋：湖冰的形成是一個從敞開水域到部分水域，最后到全水域冰覆蓋的過程.當氣溫低于0℃時，湖泊表層達到過冷狀態，形成自發長大的冰核.隨著負溫度的累積，湖面上形成細小、平整且不含雜質的片狀冰晶，這些冰晶多平臥水面，在生長過程逐漸生長為更加利于釋放潛熱的星形或樹枝形，這些冰晶相互連接便可形成柔性冰，柔性冰經凍結變厚，形成堅硬冰蓋，并形成冰-水界面.由于冰蓋的形成，使得冷能通過冰蓋穩定的傳遞，而由于氮、磷等污染物的凝固點較低，冷能僅能夠使得在冰-水界面處的水分子達到凝固點而平穩析出，且晶核生長的速度大于其形成的速度［9］，隨著晶核的長大，其將附著在冰蓋的下表面上形成潔凈冰體，而氮、磷等營養元素則被排斥至冰下水體.但當溫度較低時，冰晶體的形成速率加快，在冰的快速生長過程中會有部分雜質不能被及時排斥至冰下水體，而被俘獲在純凈的冰體之間（圖5）.氮、磷等雜質被俘獲的過程與海冰形成過程中鹽的俘獲相似，且該俘獲過程與冰生長速率、冰體結構、冰下水環流和水體中雜質的含量等因素相關［10］.特別是氣溫驟降時，冰的生長速率驟增，將會有更多的雜質被俘獲在冰體中［11-12］，但仍有部分雜質被排斥至冰下水體，使得冰下水體中氮、磷等污染物濃度仍高于冰體.

表3 實測數據和評價結果Tab.3 Original data and estimating results

圖4 結冰前水體、冰融水和冰下水體的富營養化等級（1-中富營養；2-富營養；3-重富營養）Fig.4 The eutrophic state ofwater before icing，icemeltwater and under-ice water

從熱力學角度來看，由于水和氮、磷等污染物物理性質的不同，隨著氣溫的降低，整個體系的溫度也將下降，使水分子對氮、磷等污染物分子的溶劑化作用減弱，水分子在氫鍵作用下首先締結析出，形成純凈冰體，而氮、磷等污染物分子被排斥至冰下水體中.但在湖冰形成初期和氣溫驟降時，由于氮、磷等污染物的溶解度降低，會有部分污染物會從飽和或過飽和的溶液中析出，并可能形成臨界尺寸的冰核，促使水溶液異相成核［13-14］，即部分污染物被凍結在冰體中，但其在冰體中的濃度仍然小于冰下水體.

從固液平衡理論分析（圖6），曲線ABDE是湖水的冰點線.A點是純水的冰點，但在一定范圍內湖水的冰點會隨著污染物濃度的增加而有所降低.隨著氣溫的逐漸降低，湖水溫度將由T0降至T1，湖水達到過冷狀態即開始結冰，氣溫繼續降低至T2時，潔凈冰晶形成、生長并從水體中分離出來，此時湖水污染物濃度由C0增加至C1.E點為共晶點，T3為共晶點溫度，氣溫繼續降低時，水分子以潔凈冰晶的形式從冰下水體中不斷析出，而氮、磷等污染物分子被排斥至冰下水體中，隨著冰層厚度的增加，水體中氮、磷等污染物會達到飽和，甚至從水體中析出［15］.

圖5 冰結構剖面示意圖Fig.5 Schematic diagram of ice structure

圖6 溫度-濃度平衡曲線Fig.6 Temperature-concentration balance curve

盡管湖泊冰封期冰下水體氮、磷等營養元素已超過富營養化發生的臨界濃度，但冰下水體的溫度一直穩定在0℃附近，抑制了藻類增殖，同時由于冰層的覆蓋減弱了冰下水體的光照強度，削弱了水體流速，擾動等水動力條件［16］，一般不會出現藻類異常增殖的情況［17］.但根據Langmuir吸附理論可知，冰下水體氮、磷等濃度的升高，會打破水-沉積物之間存在著的氮、磷等的濃度平衡，使得氮、磷等污染物在物理、化學和生物的耦合作用下由水體向沉積物遷移［5］，成為新的內源污染，也有研究指出，與非冰封期相比，低溫和冰下水的低擾動都將加快污染物向沉積物的遷移［18-19］，而該過程使得冰-水體系中氮、磷等的總量減少，這在一定程度上可以緩解因冷凍濃縮而引起的冰下水體的重富營養狀態.但是，冰體融化后，水體中氮、磷等污染物的濃度迅速下降，打破沉積物-水兩相界面的物質平衡，在風力以及其他外力的擾動下，大量聚集在沉積物中的污染物會重新懸浮而再次進入湖泊水體中［20］.另外，對部分作為飲用水水源的湖泊而言，結冰過程使得冰下水體中氮、磷等污染物濃度升高，加之給水廠在冬季的處理效率降低，使得生活飲用水的水質下降，甚至難以達到生活飲用水衛生標準（GB 5749-2006）的要求.

2.4 淺水湖泊冰封期富營養化污染治理建議

由前述可知，結冰過程對湖泊水體中氮、磷等污染物具有濃縮效應，使冰下水體中污染物濃度增加，進而使得冰下水體中的污染物向沉積物遷移，并且冰厚與水深存在較好的負相關性，因此，可從湖泊冰封期富營養化特征的特殊性入手，提出湖泊特別是淺水湖泊冰封期富營養化的治理建議.

底泥疏浚是治理湖泊內源污染的有效措施之一，但由于疏浚過程屬于水上作業，耗資巨大［21］.而在淺水湖泊冰封期，可以進行冰上作業，從而降低工程成本，可使底泥疏浚工程得以大規模推廣.此外，湖泊冰封期水體中的污染物向沉積物遷移，致使沉積物中污染物濃度提高，因此可以提高底泥疏浚效果.

由于湖泊冰封期冰體較為潔凈，可采用冰體和水體分離的方法，移出并凈化淺水湖泊冰下較小體積的濃縮液，必要時可將冰下水體多次凍結，獲得更小體積和更高濃度的冰下濃縮液［22］，由此可以移除大量污染物.待氣溫回升后，潔凈冰體將自然融化形成低濃度的冰融水.但是該方法會威脅水生生物群落，破壞水生態系統的物質循環和能量流動過程，降低水體的自凈能力，如能取得突破，可為湖泊富營養化污染提供一種經濟與效益并優的治理方法.

3 結論

1）湖泊的結冰厚度與湖水深度具有良好的負相關性，即湖水越深，冰層厚度越小.

2）結冰過程對氮、磷等營養元素具有濃縮效應，烏梁素海結冰后，水體的富營養化等級由富營養變為重富營養，即結冰過程加劇了水體的富營養化程度，并會對冰下水環境質量帶來不良影響.

3）利用結冰過程的濃縮效應，理論上可通過底泥疏浚和冰水分離的方式對富營養湖泊進行治理，但在實際工程中可能存在破壞水體生態系統等缺點，需為其開展深入研究.

致謝：感謝內蒙古農業大學“河、湖、濕地水環境保護與修復技術研究團隊”的同學在野外采樣工作中給予的無私幫助.

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Effect of freezing on eutrophication in Lake Ulansuhai

ZHANG Yan1，LIChangyou2，GAO Ning1，SHIXiaohong2＆QIAO Lingm in1
（1：Civil Engineering College，Yantai University，Yantai264005，P.R.China）
（2：Water Conservancy and Civil Engineering College，Inner Mongolia Agricultural University，Huhhot 010018，P.R.China）

In order to study the effect of freezing on lake eutrophication，Lake Ulansuhai，located in Inner Mongolia，was selected as the study object.The ice and water samplewere collected respectively by syringewater sampler and ice drill.The total nitrogen，total phosphorus，CODCr，chlorophyll-a，ice thickness，water depth and transparency of each sample were measured.The eutrophic state of Lake Ulansuhai before and after freezing were assessed by themeans of fractal theory.The results showed that there was a good negative correlation between water depth and ice thickness in Lake Ulansuhai，and the correlation coefficientwas 0.54.The trophic state ofwater before freezing was eutrophication，and changed to heavy eutrophication after freezing.The results also showed that nutrient elements such as nitrogen and phosphoruswere ejected towater during the period of ice growth，that is to say，the process of freezing had a good concentrating effecton pollutants in water.Thiseffectalso canmake pollutantsmigrate from water to sediment during ice growth process，whichmade the quality of under-ice environment deteriorate.While the concentrating effect can provide theoretical basis and data support for the sediment dredging and ice-water separating during ice-on period.

Freezing；eutrophication；fractal theory；Lake Ulansuhai

DOI 10.18307／2017.0404

?2017 by Journal of Lake Sciences

?山東省優秀中青年科學家科研獎勵基金項目（BS2014HZ021）和國家自然科學基金項目（51609207，51339002）聯合資助.2016-07-22收稿；2016-10-18收修改稿.張巖（1984～），男，博士，副教授；E-mail：zhangyan-992＠163. com.