全 文 ：第1 8卷第6期
1 9 9 8年 11月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGlCA SINICA
V o1．18，No 6
Nov．， 199,8
e牛
人工生态系统净化水质模型研究
逢 湛堡基! 魏阳春 胡维平
(河海大学 南京 210024)
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确要 建立 自来水厂取求日附近的人工生态系统水质模塑、研究在求面面积，水生植物放养密度、取水量
等改变条件下．取水 日址承质的变化特征。这一模型可应用于确定人工生志系统水面面积．承生植物放养密
度等值， 达到浦足自来水厂取水口处求质的要求，对模型参数适当确定后，可应用于其它水域
关键词： ^工生态系统，小水体
THE WATER QUALITY MODEL OF AN ARTIFICIAL
PURIFICATION ECOSYSTEM NEAR A W ATER PLANT
Pang Yong Pu Peimin Wei Yangchun Hu W eiping
(Hehai Umveristy，Na ng，210024，China)
Abstract The water quality moctel in an artifcial ecosystem near the water intake region
of a water plant was developed and the character of water quality variation with surfacer
area、macrophyte density and water intake rate of the system were studied．The results in—
dieate that the model can be used for determinig the area and macrophyte density etc．in the
artificial ecosystem ，in order to meet the desired water quality of the water intaking region
．
Key words： artificial ecosystem ，maerophyte，purification．water quality mode1．
目前，水质恶化 已影响到我国许多城镇饮用水质量 为此，已有人提出了建立人工生态系统呻，旨在改
善局部承庠水质t达到提供良好水质的目的。本文是在欧共体资助F，于1 994年7PI在无锝市的中桥地区建
立了实验基地，对人工生态系统净化水质的机理、实用技术等进行了较睬入的研究+现报遭该实验研究的
部分 结果 。
1 工程设计与宴验方法
1．1 工程设计
人工生态系统是以试验工程为基础，以水生生物为主体，应用物种问共生关系和充分利用水体空间生
态位与营养生态位的原则 ，建立高效的人工模拟生态系统，以降解水体中的污染负荷 ，改善系统内水质．提
供高质量饮用水源。
人工生态系统主要包括两部分：系统小环境的戟隔离带，控制系统内、外的物质和能量交换；系统内水
生生物生存环境及配置的辅助措施，提高物质能量的利用率和系统的生态效率。
* 现在中国科学院南京地理与湖泊研究所工怍。**现在空军气象学院工作
收稿日期：1996—09。4，修改稿收到日期：1997 02 29。
，
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630 生 态 学 报 l8卷
人工生态系统的软隔离带布设在无锝中桥老水厂主取水管东侧，实验区面积为55×40m ，在这一范围
内．用不透水材料将水域隔成5m宽40m长的水渠围错1O条 ，西侧无围格的5×40m 水域上布设4o只1×lm
的浮架(见图1)
工程南端为透水膜 ，营养物质可以与水分一道进
出系统。围隔内每条水渠种植不同种类的水生生物．北
端设水泵抽围渠内的水 ．使南端进入围渠的水 ．经水生
生物净化后输出系统外。西侧的方形浮架，用于拦养高
等水生植物，井研究植物在实验区的生长特点。
It．2 实验方法
1．2．1 从1994年8月17日开始 ，在围隔的不同围槊内
放 养 水 生 生 物．主 要 种 植 风 眼 莲 (Eichhornia
c， 拈枷 5)、水蕹( omoea aquatica)、喜旱莲子草(Alter-
ranthera ilo~-eroides)等。实验时．模拟水厂取水进行
动态实验，每条围槊北端用功率为12m ／h的水泵抽
i
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． lI
图1 实验工程圈
Fig．1 The figure 0f the experiment eng~aeer[ng
水，日抽水10h。从8月30日到1o月11日共采样5欢，常规监测项目有透明度、pH值、总磷、总氮、氨氮、高锰酸 5
越指数和叶绿素7十项目，同时分析硝酸盐、亚硝酸盐及磷酸盐，以作比较 每条围槊滞水期约3d。
2．2 从1994年8月11日开始．在工程软隔离带西侧的漂浮架内．分别以4～5种不同密度种植几种植物，
包括漂浮植物、浮叶植物及沉水植物 ，由于植物的适应性差别，生长季节局限和管理上的原因，取得系统资
料的只有喜旱莲子草、凤眼莲和水蕹。种植时对每种植物称重，之后每隔l至2十星期称重1次 表I为3种不
闹植物不同时期的生物量。
裹1 3种水生擅物不同阶段韧始教养密度 ^爰生长密度f(kg／m )
Table 1 The primary deuslty of the~tlrlttlred(^ )and the growth density(f)
in∞me aquadc p|ants In different stages
∞Prtrmry dertsity，②Growth density
2 实验结果
2·1 模型参数确定
2i 1．1 Logistic模型参数确定 Logistic模型为：
— r f(1一 f／k) (1)
式中：，为单位水面上植物的重量(g／m )1 7" 为水生植物的内禀生长率{ 为植物生长至最大时的密度
，
(g／m ){ 为生长时间(d) 当，一 时^， l_。，植物的生长与死亡处于平衡。， 、^ 通常与植物种类、光照、水
温、水质等环境因素有关，若在一定时间内，环境条件基本不变(或取其平均状态) 、 是与植物密度无关
帅常数。取初始f一 时的放养密度为 时，(1)式的解为：
口c口0口b 口口c口 口口口口口08 D
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6期 逄 勇等 人工生态系统净化水质模型研究 631
，= ㈤
^ 一 exF一(m · ) t t。。
若在同一水域同一时段内有 N组不同的初始放养密度的植物生长资料，则可按最小二乘法原理，求取
最小拟台误差时的 r。、 值0一，即需使
一 击 [ 干 K Af=~, ] 达最小值； 、 需满足统计方程害一。，言一。由此可得：
，。 ( 一 )
一 ㈥
鲁 二
(A 一 1)
一 ㈥
+ (A一1) 1]。
可用迭代法求解(3)、(I)式的联立解，利用表I中的数据，计算出几种水生植物不同阶段的 Logistic参
数见表2。
裹2 几种永生植物不同阶段的Logistic参数
Table 2 The Logistic parameters ln some aquatic plants ln different stages
2．2．1 一维水质模型参数的确定 一维水质模型为：
苎 一 D ! “兰 s (5)
ar 。
其中，S’为植物对营养物质的降解项，s 一 ：蔷，；R为水生植物对营养物质浓度降解率(rng／kg
h)；Q为流量(m ，h)；I为时间(h)；Q 为待处理的水体积(m。)；B为水生植物分布总面积(m )；，为水生植
物生长密度(kg／m )，f的具体计算见(2)式。
在(5)式中，存在4个待定参数，它们分别为浓度扩散系数 D、水生植物内禀生长率 r 、植物生长至最大
时的密度 ^以及水生生物对营养物质的降解率 R，参考前人报道’ 取 D为5．56×10 m。／s，计算中发现，D
不是一个很灵敏参数；r刑、^ 取本文前述计算值。
1994年9月23～26日，对实验水遭连续以每小时12m 的速率抽水 ，在23日和26日晨进行了采样，得到了
TN、TP和 NH —N的输^输出浓度，观测结果见表3 本文对这次实验进行了模拟计算，计算时 取
n
为常数 一 ， 为水道截面积 ，计算格距为4m，时同步长为2h，共积分72h，调整 R得计算结果见表3，从
表3可见：计算结泉与实测结果基本一致，率定的R值见表4，表4中的数据和原有的实测值m基本吻台。
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丧3 模型计算输出浓度与宴测输出浓度(72h，rng／L)
Table 3 The output concentration of the computed and observed
喜旱莲子草 Aterranth~a philoxeroides风眼莲Eichhorai~m j 水蕹 帮l删 oquat／c
辖出浓度 Output concentration 输出难度 Output concentration 输出难度 Output concentration
c”Computed c_Observed c计Computed CM 0I~erved 。 c Computed 0bserved
喜旱莲子草Alt~rrantlaera philo：reroides 凤眼莲 Eichhoraia咖 拈枷 水蕹 Ipomoea aq~t@
2．2 人工生态系统水质模型的应用研究
自来水厂取水口附近一般为开阔水域 故取极坐标下的水质方程如下
詈一( 一“) +D ~zc。一 ·， cs
r为极坐标中的半径 改变人工生态系统的水面面积、水生植物的初始生长密度、流量 ，代人公式(6)分
另 进行计算。
(1)改变水面半径 r 初始边界浓度见表3，分别取半径为250m、500m、1000m，计算结果见表5。因 TP
降解过快，故在计算 TP时，取半径为250ra、500m、620m 由表5可见：增大半径 ．即增大人工 生态系统规模
时．水生生物能更多地吸收降解营养负荷，提高系统效率
表5 不同水面面积水质浓度计算结果
Table 5 The water quality concentration in different water open arta
∞AlC~ranthera philomer~des，②船 M ，，@II,omo~a aquat~
(2)改变初始生长密度 初始边界浓度见表3， 的取值见表1，分别取初始生长密度为2i"o、，。、÷
进行计算，得计算结果见表6。由表6可见．随着初始放养密度的增加，营养物质会更多地被吸收降解。
(3)改变流量Q 初始边界浓度及^的取值见表3和表1，Q为12m ／h。分别取流量为2Q、Q、{Q进行
●
计算，得计算结果见表7 因TP降解较 ，计算TP时的流量取2Q、Q和{Q．由表7可见：减小流量，即增大
水的滞留期时，营养物质会被更多地吸收掉
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6期 逢 勇等 ：人工生态系统净化水质模型研究 633
①A!terranthera philo~ des，②Eichfiornia crassipest@枷 ID∞qm＆
表， 不同流量时木质浓度计算结果
Table 7 The water qu lity concentration In different water flow
①A!terranthera pMlo~eroides，②Eichhornla craslpes，③ ㈣ aqua~
由以上计算可以看 出：增大人工生卷系统的水面面积和水生植物的初始放养密度均可使营养负荷降
解得更快 ，但增大水面面积，会影响船舶通行等，使有限的水域空问变得更为紧张，故不可能任意增大 I水
生植物的初始放养密度也不可能任意增大 ，固植物生长需要有一定的空间；流量 0取决于水厂用水量，是
一 个与人工生态系统设计值无关的量。故在设计人工生态系统时，主要是根据要求的水质，通过改变水生
植物的放养面积，放养密度等来满足要求。
3 结论
人工生态系统改善水质是一项具有广阔前景的研究工作。本文建立的极坐标水质模型能较好地模拟
自来水厂取水 口附近在取水时的水流状况，模型中辅 Logistic方程与水生物营养负荷降解规律，可较准
确地模拟人工生态系统改善水质的功能 从模型上看 ，营养负荷衰减是 由系统内各种水生生物对营养物质
的吸收降解产生t模型可用来预测在一定的水质输入输出条件下人工生态系统的建设规模， 及在给定人
工生态系统规模的条件下 ，计算出可供应水质水量的能力，另外该模型还可为人工生态系统的进一步完善
提供理论依据。
参 考 文 献
准培民等．改善太湖马山水厂水源区术质的物理一生态工程实验研究．湖泊科学，】993，(2)．171~180
宴洪身等．太湖开阔术域凤眼莲的放养实验．檀物资源与环境、1999，4(1)：54~60
lrgen~a S E著．陆健健等译 生态横型法原理．上海 ．上海商译出版公司，1988．216~231
戴全裕等．太湖^湖河道污染物控制生态工程横拟研究．应用生态学报 ，1995，6(2)；201～205
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