大學(xué)校園人工水體的地球化學(xué)晝夜演變過程研究

摘 要：校園人工水體是校園景觀的重要組成部分，開展相關(guān)研究，從科學(xué)的角度規(guī)劃水體景觀，能極大地改善校園生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境，提升高校形象，實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展。同時，研究人工水體地球化學(xué)的晝夜演變過程有助于進一步認(rèn)識人工水體的存儲過程、運移規(guī)律及動態(tài)變化特征，能更好地掌握外界環(huán)境輸入的污染物對人工水體系統(tǒng)的影響。本文以西南大學(xué)崇德湖為例，采用多指標(biāo)高分辨率在線監(jiān)測和實驗室分析相結(jié)合的方法，獲取崇德湖水體的物理化學(xué)指標(biāo)，對人工水體地球化學(xué)的晝夜演變過程進行研究。

關(guān)鍵詞：人工水體 地球化學(xué) 晝夜演變過程 西南大學(xué)崇德湖

中圖分類號：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

1研究區(qū)概況

1.1自然環(huán)境概況

崇德湖是一座中型規(guī)模的景觀水體，位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)（106°18′14″E～106°56′ 53″E、29°39′10″N～10°3′53″N）第八教學(xué)樓、李園學(xué)生園區(qū)旁，由4個小湖組成（圖1），靠近第八教學(xué)樓的為一號湖，白帆下方的為二號湖，圖書館對面分別是三號湖和四號湖。四個小湖底部之間均有管道相連，湖水可以由上方地勢較高的小湖流入下方地勢較低的小湖，實現(xiàn)湖水的水循環(huán)和平衡供給。崇德湖周圍地形較為開闊，東北西三面地勢明顯高于南面，降雨形成的地表徑流從周圍匯集到湖中。崇德湖地處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，有春早、夏熱、秋短、冬遲的特征，最高氣溫可達(dá)44.3℃，最低氣溫至-3.1℃，年平均氣溫18.2℃。

圖1 崇德湖區(qū)位圖

1.2功能與現(xiàn)狀概況

崇德湖能產(chǎn)生小環(huán)境效應(yīng)，能對附近的氣候產(chǎn)生良好的影響，能充分發(fā)揮分隔不同功能區(qū)、阻隔噪音、休閑娛樂等功能。同時，崇德湖周邊有小山、樹木、草地等綠化環(huán)境較好的空間，在一定程度上達(dá)到了“水清岸綠”的效果，對于改善校園生態(tài)環(huán)境和學(xué)習(xí)生活環(huán)境有重要的作用。

由于周圍人類活動頻繁，水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重，水體透明度下降，濁度增加，時常呈現(xiàn)出顏色發(fā)黃黑，滿湖綠色浮萍且有異味的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響其應(yīng)有的功能。

2 研究方法

本研究采用儀器在線記錄、人工采樣、實驗室分析相結(jié)合的方法，選取2014年11月15日16：00至2014年11月16日20：00共28h的崇德湖水質(zhì)晝夜動態(tài)變化為分析對象。

2.1儀器在線記錄

為準(zhǔn)確記錄水質(zhì)的晝夜變化規(guī)律，研究利用Manta2多參數(shù)水質(zhì)分析儀（美國Eureka公司生產(chǎn)）在線測定水溫、溶解氧、pH值、電導(dǎo)率等物理指標(biāo)，測試精度分別為0.01℃、0.01mg/L、0.01、0.1μS/cm，測試時間間隔為5min。同時，在崇德湖的護欄上安裝了GLZ-A型光合有效輻射記錄儀（浙江托普公司生產(chǎn)）以測試光合有效輻射強度，測試時間步長值設(shè)定為1min，測試精度為1μmol/m2·s。

2.2人工采樣

利用多參數(shù)水質(zhì)分析儀自動監(jiān)測的同時，進行2h間隔的人工采樣。

水體主要陽離子及微量元素取樣、陰離子取樣：用1：3硝酸提前浸泡48h并用超純水潤洗干凈的60mL聚乙烯瓶取陽離子樣品，現(xiàn)場加入2滴1：1優(yōu)級純硝酸，以保持金屬離子活性；陰離子取樣則使用的是500mL聚乙烯瓶。共取30件水樣，陰陽離子樣品預(yù)處理完畢后運至實驗室4℃冷藏，具體保存和運送方法按文獻(xiàn)[1]。

2.3實驗室分析

水樣采集后于5d內(nèi)在地球化學(xué)與同位素實驗室中進行陰陽離子的測定。K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+、Zn2+、全Fe、全Mn等陽離子的含量利用PerkinElmer Optima 21 DV型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）測定，儀器檢測下限為0.001mg/L，1h內(nèi)RSD小于2%。SO42-、NO3-和PO43-等陰離子的濃度采用UV-2450紫外分光光度計測定。

3研究結(jié)果與分析

3.1物理指標(biāo)動態(tài)變化分析

圖22014年秋季崇德湖水體物理指標(biāo)晝夜動態(tài)變化圖

3.1.1 水溫

如圖2所示，研究期內(nèi)湖水溫度變化范圍為16.2℃～16.5℃，變化幅度較小，崇德湖水溫的日變化主要是受氣溫和光照的影響，水溫變化較有規(guī)律。

3.1.2 溶解氧

溶解氧濃度晝夜變化范圍為4.9 mg/L～6.33mg/L，濃度最低值出現(xiàn)在11月16日的20：25，最高值出現(xiàn)在11月15日的16：35。水中微生物在光合作用下產(chǎn)生大量O2，同時，水溫的上升使得微生物呼吸作用、有機物分解的耗氧作用變強，也消耗了一定量的O2。但總體上，產(chǎn)氧速率顯著高于耗氧速率，使得溶解氧濃度在白天仍呈現(xiàn)上升趨勢。夜晚，光合作用逐漸減弱，產(chǎn)氧速率低于耗氧速率，使得溶解氧濃度下降，并在清晨達(dá)到最低值，因此，溶解氧濃度呈現(xiàn)出一定的“峰谷現(xiàn)象”。

3.1.3 pH值

水體pH值的波動范圍為7.35～7.51，最低值出現(xiàn)在11月16日的20：30，最高值出現(xiàn)在11月15日的17：40。pH值總體呈現(xiàn)出白天升高，夜晚降低的趨勢。這表明在白天光合作用的影響下，水中的CO2被吸收含量下降，水體酸性減弱，導(dǎo)致pH值升高，隨著光合作用減弱，呼吸作用占主導(dǎo)后，CO2被釋放，含量增加并不斷積累，水體酸性增強，pH值降低。崇德湖的pH值整體偏高，呈弱堿性，這可能存在碳酸鹽巖和白云巖的風(fēng)化作用[2]。湖水上方有大量碳酸鹽巖的景觀石，周圍土壤是含有碳酸鈣的紫色土，在降水淋溶和地表徑流的侵蝕下，有大量鈣離子進入湖中導(dǎo)致湖水pH值升高，從而使得pH值總體呈弱堿性。

3.1.4 電導(dǎo)率

電導(dǎo)率的晝夜變化范圍為454μS/cm～458μS/cm，在11月16日的14：30達(dá)到最低值，在11月15日的17：30達(dá)到最高值。電導(dǎo)率由溶解在水體中的離子濃度、種類和水溫等因素決定。在研究期內(nèi)，電導(dǎo)率整體呈現(xiàn)出白天降低，夜晚升高的趨勢，崇德湖的電導(dǎo)率整體偏高，表明水體離子濃度較高。一方面是由于崇德湖周圍為教學(xué)區(qū)和學(xué)生生活園區(qū)，人類活動產(chǎn)生的物質(zhì)在大氣降水以及地表徑流的作用下將大量離子匯入湖中，導(dǎo)致電導(dǎo)率升高。另一方面，則是由于崇德湖周圍的碳酸鹽巖景觀石和含碳酸鈣的紫色土使得水體中鈣離子濃度極高，從而使得電導(dǎo)率升高。此外，電導(dǎo)率能在水質(zhì)分析中作為一個重要指標(biāo)反映水體的污染情況，水污染越嚴(yán)重，水體的電導(dǎo)率越高。

綜上分析，白天光合有效輻射、水體溶解氧濃度、pH值之間呈極好的正相關(guān)關(guān)系，同時這些指標(biāo)與電導(dǎo)率存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。而夜晚則相反。這主要是因為白天光合有效輻射促進水體中綠色植物的光合作用，吸收水體中的CO2，釋放出O2，使得水體中的溶解氧濃度升高，pH值升高。同時，一方面由于水體的pH值升高，酸性減弱，導(dǎo)致水中的溶質(zhì)減少，另一方面由于水生植物的光合作用吸收水體中的營養(yǎng)成分，進一步促使水體溶質(zhì)的減少，這兩方面共同導(dǎo)致了水體電導(dǎo)率的降低。而夜晚，則表現(xiàn)出相反的地球化學(xué)過程。

3.2化學(xué)指標(biāo)動態(tài)變化分析

通過對水樣進行室內(nèi)測試分析，得出崇德湖陰陽離子的濃度（表1），其中Ca2+的含量最高，并且崇德湖水體的重金屬含量沒有超標(biāo)。

4結(jié)語

在2014年11月15日～16日對崇德湖水體的光合有效輻射、水溫、溶解氧、pH值、電導(dǎo)率等物理指標(biāo)進行在線高分辨率監(jiān)測，對水體常見的陰陽離子等化學(xué)指標(biāo)進行實驗室的分析測試，將獲取的物理化學(xué)指標(biāo)進行了定量和定性分析，得出崇德湖人工水體地球化學(xué)的晝夜演變規(guī)律。在秋季，崇德湖表層的溶解氧濃度主要受到光合作用、呼吸作用及氧化作用的影響，總體呈現(xiàn)出白天升高，夜晚降低的趨勢；pH值偏高，呈弱堿性，表層pH主要受光合作用、呼吸作用、氧化作用的影響，因此也呈現(xiàn)了白天升高，夜晚降低的趨勢。水體的電導(dǎo)率呈現(xiàn)白天降低，夜晚升高的趨勢，但電導(dǎo)率整體偏高，這一特征與崇德湖周圍的紫色土及碳酸鹽巖景觀石的淋溶作用關(guān)系密切，紫色土中的鐵元素和碳酸鹽巖中的鈣元素在雨水作用下大量進入湖中，水體中的離子含量增多，使得電導(dǎo)率上升。水體的溶解氧濃度、pH值之間呈極好的正相關(guān)關(guān)系，同時這兩者與電導(dǎo)率存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

當(dāng)前，崇德湖水體的總細(xì)菌數(shù)明顯高于生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，且屬于污染較為嚴(yán)重的富營養(yǎng)化水體。因此，針對崇德湖水體的外界污染來源，應(yīng)當(dāng)安排專人定期打撈漂浮在崇德湖上的枯草、樹葉及垃圾，優(yōu)化崇德湖中的動物種類、數(shù)量和比例，限制魚類的垂釣?？梢越Y(jié)合植物生長的特性，在崇德湖中種植部分水生植物，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。同時，要從源頭做起對水體進行維護，并加強對崇德湖水體的管理與政策宣傳，提高人們保護水資源與水環(huán)境的意識。

參考文獻(xiàn)

[1] 余超.城市公共空間人工水體景觀設(shè)計與生態(tài)策略探析[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2010.

[2] 胡春華.鄱陽湖水環(huán)境特征及演化趨勢研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2010：31-33.

[3] 謝慧聰.北方地區(qū)人工水體景觀設(shè)計研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2012.