邯鄲趙苑公園水體水質(zhì)分析及其可持續(xù)發(fā)展研究

周保華，齊 翔，王 玲，田在鋒

(1.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018;2.河北省環(huán)境科學(xué)研究院，河北石家莊 050031)

邯鄲趙苑公園位于邯鄲市西北部，占地1.4 km2，公園內(nèi)有湖略呈弓形，弓背向東北，長約1.6 km，東西最寬處81 m，南北最寬處96 m，平均水深0.73 m，水面面積0.048 km2。該公園內(nèi)湖水來自邯鄲市西污水處理廠二級處理出水，經(jīng)湖體溢流后進(jìn)入沁河，而后匯入滏陽河。污水處理廠二級處理出水含有大量植物性營養(yǎng)物質(zhì)(氮、磷)和活性微生物，而城市景觀水體在富含營養(yǎng)物質(zhì)和活性微生物的條件下極易發(fā)生富營養(yǎng)化。因此，公園水體的水質(zhì)直接影響其景觀功能，而且對滏陽河水質(zhì)亦有重要影響。

1 趙苑公園水質(zhì)現(xiàn)狀分析

1.1 公園水體概況

公園水體的補(bǔ)給水源主要來自邯鄲市西污水處理廠出水及雨水。邯鄲市西污水處理廠每天處理水量約7.5萬m3，出水分2部分，位置關(guān)系如圖1所示，一部分向北排入北環(huán)北側(cè)的輸元河，另一部分通過一條直徑為500 mm的取水管道排入趙苑公園，每天3萬m3。西污水處理廠已經(jīng)完成升級改造，該廠設(shè)計出水執(zhí)行國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的一級A標(biāo)準(zhǔn)。

為進(jìn)一步明確水體水質(zhì)，將公園整個水體分為A，B，C，D，E，F(xiàn) 6個研究區(qū)域，如圖2所示。A區(qū)處于趙苑公園水體進(jìn)水區(qū)，在有進(jìn)水時水流湍急，水質(zhì)感官較好;B區(qū)有一系列跌水，從開始跌水到結(jié)束，海拔降低約5 m，曝氣效果明顯;C區(qū)包含一片突然開闊處;D區(qū)水域開闊平緩，游人較多;E區(qū)接近出水口。A區(qū)到E區(qū)整體呈串聯(lián)式，F(xiàn)區(qū)是C區(qū)通過一個聯(lián)通管分流向北的一片水域。表1為公園湖水各區(qū)域概況。

1.2 水質(zhì)監(jiān)測內(nèi)容與方法

由于污水處理廠日排水量穩(wěn)定，在2012—2013年不同季節(jié)，對6個研究區(qū)域設(shè)置6個采樣斷面，每個采樣斷面多點(diǎn)采樣等量混合。根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)［1］和城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 18921—2002)［2］對各區(qū)域斷面混合水樣的pH值、溶解氧(DO)、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮、化學(xué)需氧量(CODCr)等指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測方法及儀器嚴(yán)格參照國家標(biāo)準(zhǔn)［3］。各區(qū)域水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果見圖3－圖8。

圖1 邯鄲市西污水處理廠出水分布Fig.1 Effluent distribution of Handan City west wastewater treatment plant

圖2 趙苑公園水體分布Fig.2 Water distribution of Zhaoyuan Park

1.3 水質(zhì)特征結(jié)果分析

1.3.1 pH值變化特征

由圖3可以看出，各區(qū)域pH值普遍呈堿性，離進(jìn)水口較近的A，B區(qū)域在各季節(jié)都接近中性。C，D，E 3個區(qū)域在各季節(jié)pH值都高于其他3個區(qū)域，原因是在這3個區(qū)域內(nèi)生長有大量的水生植物，水中植物的光合作用使水里的CO2減少，pH值升高。

1.3.2 溶解氧變化特征

由圖4可以看出，D，E，F(xiàn)區(qū)域在春、夏、秋季溶解氧指標(biāo)明顯高于A，B，C 3個區(qū)域，主要是由于D，E，F(xiàn)區(qū)域水面開闊，水流平緩，日照充足，水生生物生命活動增強(qiáng)會導(dǎo)致溶解氧升高，而且夏、秋季節(jié)汛期雨量多，易將氧氣帶入水中，冬季水中植物腐爛消耗一定量的氧氣。

圖3 不同季節(jié)各區(qū)域水體pH值Fig.3 pH value of the water in different hydrological seasons

圖4 不同季節(jié)各水體區(qū)域溶解氧值Fig.4 DO of the water in different hydrological seasons

1.3.3 CODCr變化特征

地表水化學(xué)需氧量(CODCr)Ⅴ類水體限值為不高于40 mg/L［1］。由圖5表明，冬季和春季CODCr含量高，除冬季的F區(qū)域外，均超過地表水Ⅴ類限值。污水處理廠在春季初步完成一級A升級改造，水質(zhì)不穩(wěn)定，導(dǎo)致春季各區(qū)域CODCr普遍較高。冬季F區(qū)域的CODCr含量最低，該區(qū)經(jīng)過暗道分流緩沖水流波動較小，水體停留時間較長，冬季時較其他區(qū)域光照更充足，更適宜水中微生物及浮游生物繁殖，進(jìn)而對污染物有了更徹底地降解。夏、秋季各采樣點(diǎn)CODCr指標(biāo)明顯好于其他2個季節(jié)，主要是由于豐水期有雨水不斷補(bǔ)充水體，水體流動性加強(qiáng)，另外水生植物也發(fā)揮了較好的水質(zhì)凈化作用。

圖5 不同季節(jié)各水體區(qū)域CODCr值Fig.5 CODCrof the water in different hydrological seasons

1.3.4 總磷變化特征

觀賞性景觀環(huán)境用水的總磷(TP)限值為不高于0.5 mg/L［2］，由圖6可以看出，公園水體在冬季(除A區(qū)域外)及春季(C，D，E區(qū)域)總磷含量都超標(biāo)，而夏、秋季的總磷含量較低。冬季在E，F(xiàn)區(qū)域總磷超標(biāo)最嚴(yán)重。藻類死亡后的生物殘體及有機(jī)物被微生物氧化分解為磷酸鹽，這一過程中會消耗水中的溶解氧，也加速了底泥中的磷釋放。

圖6 不同季節(jié)各水體區(qū)域總磷值Fig.6 TP of the water in different hydrological seasons

1.3.5 總氮變化特征

觀賞性景觀環(huán)境用水的 TN限值為不高于15.0 mg/L［2］。由圖7可以看出，各采樣區(qū)域在春、秋季的總氮含量都達(dá)標(biāo)，冬季由于污水處理廠出水水質(zhì)較差導(dǎo)致總氮含量明顯超標(biāo)，而在接近進(jìn)水口的A，B區(qū)域，其總氮含量比其他區(qū)域更高。夏季草坪中的含氮肥料易被雨水沖刷進(jìn)入水體，從而導(dǎo)致總氮含量較高。

圖7 不同季節(jié)各水體區(qū)域總氮值Fig.7 TN of the water in different hydrological seasons

1.3.6 氨氮變化特征

觀賞性景觀環(huán)境用水的氨氮限值為不高于5.0 mg/L［2］。由圖8可以看出，各區(qū)域的氨氮含量在冬、夏季基本都在10 mg/L以上。夏季溫度較高，水生生物代謝旺盛，所排泄的廢物增多，致使氨的數(shù)量超過了水生植物的利用極限，導(dǎo)致氨氮在水體中的累積。冬季進(jìn)水氨氮較高，加上水生植物枯萎、死亡引起植物體內(nèi)氮的釋放作用，導(dǎo)致了冬季氨氮含量偏高。

圖8 不同季節(jié)各水體區(qū)域氨氮值Fig.8 Ammonia of the water in different hydrological seasons

1.4 公園水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀

富營養(yǎng)化是湖泊、水庫、河口、海灣等緩流水體中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的含量超過一定界限，在光照和水溫又比較合適的條件下，引起藻類以及其他水生生物異常繁殖，從而導(dǎo)致水質(zhì)惡化的現(xiàn)象。湖泊富營養(yǎng)化可劃分為4種類型:貧營養(yǎng)型、中營養(yǎng)型、富營養(yǎng)型和重富營養(yǎng)型［4］。

評分法是在分析國內(nèi)外湖泊富營養(yǎng)化評價方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國湖泊實(shí)際提出的采用評分的方法來評定湖泊水質(zhì)營養(yǎng)狀況的方法［5］。其評價表達(dá)式為

式(1)中:M為湖泊營養(yǎng)化評分值;Mi為評價參數(shù)的評分值;n為評價參數(shù)的個數(shù)。

為了調(diào)查研究公園水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀，從2012—2013年對公園水體在不同季節(jié)作了富營養(yǎng)化現(xiàn)狀評價，將各測點(diǎn)全年不同項(xiàng)目的監(jiān)測數(shù)據(jù)平均值根據(jù)表2提供的評價標(biāo)準(zhǔn)，在0～100的范圍內(nèi)，分別賦予相應(yīng)的評分值，然后把不同項(xiàng)目的得分利用評分公式得出評分值，即該測點(diǎn)的營養(yǎng)狀況［6-9］。富營養(yǎng)化綜合評分值見表3，總評分值越高，說明湖泊富營養(yǎng)化程度越高。

表2 湖泊營養(yǎng)程度評分值評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation standard of nutrient degree score value for lake

表3 富營養(yǎng)化綜合評分值Tab.3 Eutrophication comprehensive values score

從評價結(jié)果來看，試驗(yàn)期內(nèi)，趙苑公園水體全年總體的營養(yǎng)狀態(tài)為輕度富營養(yǎng)化，其變化有一定的季節(jié)性規(guī)律，冬、夏兩季指標(biāo)數(shù)值上升，呈中度富營養(yǎng)化，春、秋兩季指標(biāo)數(shù)值下降，為輕度富營養(yǎng)化，夏季水體為全年富營養(yǎng)化水平最高的季節(jié)。葉綠素a和總氮是造成夏、秋季節(jié)水體富營養(yǎng)化的主要因子，總氮是造成春、冬季水體富營養(yǎng)化的主要因子。

1.5 結(jié)果討論分析

如前所述，公園水體進(jìn)水是通過一條直徑500 mm的取水管道流入趙苑公園，布水明顯不均勻，水深較淺，水力停留時間過短，拐彎較多，導(dǎo)致水勢逐漸減緩，存在水體難以流動的死區(qū)。由以上分析可以看出，離進(jìn)水口較近的A，B區(qū)水域水質(zhì)受污水處理廠出水影響很大，且兩岸栽種有大量喬木、灌木，生長茂密，導(dǎo)致水體光照不足，不利于水生生物的生命活動，污染物得不到及時生物降解。

C區(qū)和D區(qū)屬于公園水體開闊部分，在冬季及春季水質(zhì)較其他區(qū)域更差，這是由于公園水上游玩設(shè)施設(shè)于該區(qū)域，游船及垂釣等活動帶來的旅游垃圾也給水體造成了污染。D區(qū)水生植物稀少，并且存在水生植物類型單一的問題。

F區(qū)是C區(qū)通過暗道分流向北的一片水域，水力停留時間較長，水質(zhì)相對較好。

對比連接進(jìn)水口的A區(qū)與出水口的E區(qū)的水質(zhì)，總磷、CODCr在不同季節(jié)均有不同程度的升高，而且水體在全年均呈現(xiàn)富營養(yǎng)化。公園內(nèi)現(xiàn)有狀況表明，水生植物吸附、跌水曝氣及水體自凈作用均未得到充分發(fā)揮，水質(zhì)不斷惡化，所以急需一套有效的改造與建設(shè)方案，以實(shí)現(xiàn)公園水體水質(zhì)的改善與可持續(xù)發(fā)展。

2 可持續(xù)發(fā)展對策

趙苑公園景觀水體水質(zhì)變差、富營養(yǎng)化的現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，不但沒有形成對現(xiàn)代城市生態(tài)環(huán)境的調(diào)節(jié)改善作用，還使其景觀功能喪失，甚至嚴(yán)重影響到了下游滏陽河水體的水質(zhì)。為重新體現(xiàn)公園景觀水體的生態(tài)功能和景觀價值，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，在控制污水處理廠出水水質(zhì)的基礎(chǔ)上，景觀水體生態(tài)環(huán)境的改造與管理也十分重要。結(jié)合趙苑公園水體不同區(qū)域的實(shí)際情況，應(yīng)從以下幾方面著手。

2.1 加強(qiáng)水質(zhì)及污染源監(jiān)控

水污染及富營養(yǎng)化防治工作是一項(xiàng)涉及面廣、綜合性強(qiáng)、周期長的系統(tǒng)工程。必須建立和完善滏陽河流域景觀公園水污染防治管理體系，建立水質(zhì)污染和富營養(yǎng)化預(yù)警系統(tǒng)。完善水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，重點(diǎn)對主要污染源水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控，嚴(yán)格把關(guān)污水處理廠出水水質(zhì)的達(dá)標(biāo)率，優(yōu)化現(xiàn)有污水處理廠的處理工藝，提高處理能力和處理效果。進(jìn)一步為水體污染綜合防治提供具有預(yù)見性、科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性和有效性的決策依據(jù)［10］。

2.2 底泥疏浚

在當(dāng)前條件下，由于沉積物中營養(yǎng)鹽內(nèi)負(fù)荷的存在和釋放，湖泊已發(fā)生富營養(yǎng)化，這時底泥中的營養(yǎng)鹽就成為湖泊富營養(yǎng)化的主導(dǎo)因子。對于缺乏底泥疏浚工程的趙苑公園水體，今后應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對水底淤泥及腐敗植物的清除，對要疏浚的面積、位置、厚度及對水體生態(tài)的影響進(jìn)行研究和全面的統(tǒng)籌規(guī)劃，清除污染水體的內(nèi)源，減少底泥污染物向水體釋放，進(jìn)而遏制水體富營養(yǎng)化的現(xiàn)狀［11］。

2.3 結(jié)構(gòu)改造

公園進(jìn)水是通過一條直徑為500 mm的水管直排進(jìn)入的，布水極不均勻，導(dǎo)致部分區(qū)域水體長時間不流動，水質(zhì)變差。進(jìn)水系統(tǒng)應(yīng)盡量保證配水的均勻性，可采用多孔管或三角堰等。另外，各區(qū)域連通部分可通過閥門或閘板調(diào)節(jié)，并采取溢流、分流等措施應(yīng)對突發(fā)性的流量變化，為水質(zhì)的改善提供保證。

接近進(jìn)水口的A區(qū)與B區(qū)水面較窄，水深較淺，水力停留時間短，微生物無法正常生長。應(yīng)考慮充分利用此區(qū)域結(jié)構(gòu)，增加水深，去除岸邊過多遮光灌木枝，增設(shè)人工噴泉等曝氣設(shè)施，增加水中溶解氧，有效去除水中無機(jī)污染物及難降解的有機(jī)污染物。

2.4 水生植物配置

經(jīng)過調(diào)研，公園普遍存在水生植物單一的問題，大部分是人工養(yǎng)殖的睡蓮及人工浮島幼苗，不能很好地發(fā)揮改善水質(zhì)的作用，還可能產(chǎn)生二次污染，導(dǎo)致水體溶解氧、透明度降低，氮、磷升高，加重水體富營養(yǎng)化。許多研究表明多種植物組合比單種植物能更好地對水體凈化。微型生物群落的變化會直接影響植物對水體的凈化率，當(dāng)多種植物搭配使用時就有利于植物間的取長補(bǔ)短，保持較為穩(wěn)定的凈化效果;多種植物的組合具有合理的物種多樣性，從而更容易保持長期的穩(wěn)定性，而且也會減少病蟲害。因此在公園水體中需要種植不同生活型的水生植物，加強(qiáng)水體對外來污染沖擊的緩沖能力［12-13］，加強(qiáng)水質(zhì)凈化效果。但要綜合考慮成本和由此造成的生態(tài)影響。

3 結(jié)語

通過對各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測分析，趙苑公園水體未達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》一般景觀水域Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)限值，CODCr、總氮、氨氮為公園內(nèi)污染較為嚴(yán)重的3個水質(zhì)因子。公園水體呈中度富營養(yǎng)化。

景觀水體水質(zhì)污染的特征決定了難于直接運(yùn)用污水治理技術(shù)進(jìn)行深度處理，經(jīng)過對趙苑公園生態(tài)環(huán)境的整體改造與建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對景觀水體水質(zhì)的改善與穩(wěn)定作用，有望使公園各區(qū)域水質(zhì)達(dá)到城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 18921—2002)［2］中湖泊類限值，使公園出水達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)Ⅴ類限值［1］。同時在景觀水體上構(gòu)筑一條美麗的風(fēng)景，有效節(jié)省景觀水體水質(zhì)處理成本。

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