不同污染類型水體流速與SPI值的關(guān)系

(撫順縣投資審計(jì)中心，遼寧 撫順 113006)

城市景觀水體多為封閉緩流水體[1]，水體自凈能力低、水環(huán)境容量小、水域面積小，加上人類活動(dòng)及水體自身的生態(tài)脆弱性，極易造成水體中濁度增大、懸浮物增多，使得城市景觀水體表觀污染日趨嚴(yán)重[2]。隨著人們生活水平不斷提高，城市功能不斷完善，城市景觀河道建設(shè)也成為河道整治中的重點(diǎn)[3]。流速是水中水動(dòng)力條件最直觀的表達(dá)，王曉青等[4]指出，通過(guò)懸浮顆粒物的粒度分布特征能夠?qū)崿F(xiàn)水體表觀污染機(jī)制的解釋。李?yuàn)J等[5]對(duì)大凌河進(jìn)行的研究表明，較大的流速能夠消除已經(jīng)形成的水華，流速緩慢的河流更能促進(jìn)水中懸浮藻類的生長(zhǎng)。本文以遼寧撫順城區(qū)河道水體為研究對(duì)象，將區(qū)域景觀河道被污染的水體分為混合主導(dǎo)型水體、營(yíng)養(yǎng)主導(dǎo)型水體和無(wú)機(jī)主導(dǎo)型水體，并進(jìn)行采樣分析，探究不同污染類型水體流速對(duì)水體表觀的作用機(jī)制，該研究為生態(tài)建設(shè)以及制定水環(huán)境污染防治方案提供了科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 樣品選取

選取撫順城區(qū)范圍內(nèi)具有一定流速的河道斷面，對(duì)不同污染類型水體流速與 SPI值之間的關(guān)系進(jìn)行研究(監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及儀器見(jiàn)表1)，避開(kāi)極端天氣，采樣頻次為每周 3～4 次，采樣時(shí)間為上午10點(diǎn)到下午3點(diǎn)(采樣點(diǎn)河段見(jiàn)表 2)。

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及儀器

表2 采樣點(diǎn)河段概況

1.2 檢測(cè)方法

采用吸收光譜法對(duì)水體表觀污染進(jìn)行分析，水體表觀污染指數(shù)(SPI)方程[7]：

SPI=aln(βx)-b

(1)

式中x——抽濾前后水樣掃描曲線面積差；

β——修正系數(shù)；

a，b——常數(shù)；

SPI——表觀污染指數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

水體的污染指標(biāo)包括濁度、葉綠素、 COD、溶解氧、氨氮、總磷等。按水體特征污染物的不同，分為混合型水體、營(yíng)養(yǎng)主導(dǎo)型水體、無(wú)機(jī)主導(dǎo)型水體(不同類型污染物特征見(jiàn)表3)。

表3 不同類型污染物特征

2.1 混合型水體中流速對(duì)SPI值影響機(jī)制

2.1.1 古城東片區(qū)

古城東片區(qū)河道上游水源為渾河，該區(qū)域主要有葛布東河和小清河，居民生活污水直接排入水體，增加水中營(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)物的含量，引起水體表觀污染。下面以葛布東河為例進(jìn)行說(shuō)明。

葛布東河水體平均流速為43cm/s，為護(hù)城河河水進(jìn)入古城區(qū)的主要通道，葛布東河流速與SPI值關(guān)系曲線如圖1所示，流速范圍為28.70～76.80cm/s，流速與SPI值基本呈線性相關(guān)(各指標(biāo)之間水中SPI值的相關(guān)性分析見(jiàn)表4)。

圖1 葛布東河流速與SPI值關(guān)系曲線

由表4可以看出，水中的濁度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、溶解氧與SPI值呈一定的相關(guān)關(guān)系，其中濁度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷與SPI值呈正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明流速與相應(yīng)的各指標(biāo)呈正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)水中的濁度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷等可能是影響水體表觀的物質(zhì)。利用偏相關(guān)分析探究特征污染物、流速、SPI值之間的關(guān)系(見(jiàn)表5)。可以發(fā)現(xiàn)，水體的NTU/Im、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、總磷含量均大幅度增加，表明這些物質(zhì)對(duì)水體表觀的影響程度在逐漸減弱，該河段流速主要通過(guò)作用于水中的濁度、高錳酸鹽指數(shù)、總磷來(lái)影響水體SPI值。

表4 混合型水體中各水質(zhì)參數(shù)、流速與SPI值之間的皮爾遜相關(guān)關(guān)系

注*在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

表5 混合型水體中各表觀特征污染物質(zhì)與SPI值偏相關(guān)關(guān)系

水中懸浮顆粒物均可對(duì)水中營(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)物進(jìn)行吸附。在顆粒表面，存在大量帶負(fù)電荷的微生物，粒徑越小比表面積越大。通常水中的污染物質(zhì)帶正電荷，因此水中懸浮顆粒物含量、粒徑大小發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致水中污染物發(fā)生變化。流速通過(guò)懸浮顆粒物，使水中的營(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)物及含量發(fā)生改變，從而對(duì)水體表觀產(chǎn)生不同程度的影響。分析結(jié)果表明，該河段隨著水體流速的增大，水體中無(wú)機(jī)物質(zhì)含量增多，流速主要通過(guò)作用于水中的懸浮物濃度來(lái)影響SPI值。

2.1.2 古城西片區(qū)

古城西片區(qū)上游來(lái)水主要為關(guān)山湖，緊鄰石門(mén)堰，該區(qū)域葉綠素濃度較高，人口密度較大，生活污水的大量排放，使水體表觀污染較為嚴(yán)重。古城西片區(qū)主要有葛布西河、太子河，以葛布西河為例進(jìn)行分析。

葛布西河兩旁無(wú)居民區(qū)，水體常年呈現(xiàn)綠色，污染物主要來(lái)自地表徑流和上游來(lái)水。 該河段平均流速為21.90cm/s，流速范圍為4.81～32.20cm/s，在相應(yīng)的流速范圍內(nèi)，隨著流速的增加SPI值直線上升，流速與SPI值呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)(對(duì)葛布西河段流速和 SPI值與各水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析見(jiàn)表6)。

表6 混合型水體中流速和SPI值與各水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析

注“**”“*”分別表示在0.01和0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

由表6可知，水體類型隨著流速的增大向著無(wú)機(jī)型過(guò)渡，影響水體SPI值的物質(zhì)主要有藻類、懸浮物、氨氮、總磷和溶解氧，其中，懸浮物和溶解氧對(duì)水體的表觀影響較為顯著。以流速為控制變量，從各水質(zhì)指標(biāo)與SPI值的偏相關(guān)分析(見(jiàn)表7)可以看出，水中的藻類、濁度和溶解氧均與SPI值呈較顯著的正相關(guān)關(guān)系，且受流速的影響較大。NTU/Im、濁度和溶解氧對(duì)SPI的影響明顯減弱，水中的總磷和氨氮與SPI值呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)。主要由于流速的變化增加溶解氧的含量，生物的降解速率加快，從而使水體的SPI值降低。

表7 混合型水體中各水質(zhì)指標(biāo)與SPI值的偏相關(guān)分析

注P1:正常河段表觀污染特征污染物質(zhì)與SPI值顯著性分析結(jié)果；P2:控制流速時(shí)，表觀污染特征污染物質(zhì)與SPI值顯著性分析結(jié)果。

通過(guò)對(duì)葛布東河和葛布西河進(jìn)行分析，由于上游水源的差異，影響混合型水體SPI值的成分比較復(fù)雜，使得流速對(duì)污染的作用機(jī)制有所不同。隨著流速的增加，水體的無(wú)機(jī)化水平增加，并向著無(wú)機(jī)型水體過(guò)渡，流速主要作用于無(wú)機(jī)懸浮物含量和水中的藻類。

2.2 營(yíng)養(yǎng)主導(dǎo)型水體中流速對(duì)SPI值的影響分析

以北沙河段為例，對(duì)營(yíng)養(yǎng)主導(dǎo)型河道進(jìn)行分析，該河段水體呈綠色，無(wú)明顯的生活污水的排入。水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽含量較高，氨氮平均值為0.91mg/L，磷平均值為0.11mg/L(北沙河流速與SPI值關(guān)系曲線見(jiàn)圖2)。

北沙河的流速范圍為5.70～76.80cm/s，平均流速為31.50cm/s，相應(yīng)的流速范圍內(nèi)，流速對(duì)SPI值的影響并不顯著。對(duì)河段的各表觀污染影響物質(zhì)與SPI值的相關(guān)性分析見(jiàn)表8?？梢钥闯?，該河段SPI值與NTU/Im、葉綠素、濁度和水中的溶解氧分別呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.97、0.85、0.97和0.79，表明藻類的含量、懸浮物濃度、水中的溶解氧含量等對(duì)水體SPI值影響較大。

圖2 北沙河流速與SPI值關(guān)系曲線

項(xiàng) 目NTU/ImFv/FmChl?aNTUImNH3?NTPDOvv0 5366-0 55540 51680 46630 1218-0 4000-0 33860 59000 9900SPI0 9742??-0 7950?0 8465??0 9742??-0 2366-0 7425-0 7187?0 7920?0 4623

注“**”“*”分別表示在0.01和0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

將水體流速作為控制變量，對(duì)污染物質(zhì)與SPI值偏相關(guān)分析(見(jiàn)表 9)說(shuō)明，藻類對(duì)SPI值的影響程度降低，即水體流速主要通過(guò)作用于藻類含量影響水體的表觀質(zhì)量。

2.3 無(wú)機(jī)主導(dǎo)型水體中流速對(duì)SPI值的影響分析

柳唐溝上游為無(wú)機(jī)主導(dǎo)型的河道，受上游水質(zhì)影響較小，無(wú)明顯污染源，流速較快。SPI均值為45.785，流速范圍為0.409～0.998m/s，當(dāng)流速大于0.825m/s 時(shí)，水體的表觀質(zhì)量達(dá)到良好水平，相應(yīng)的流速范圍內(nèi)，無(wú)機(jī)主導(dǎo)型水體隨著流速的增加SPI值呈現(xiàn)一定的下降趨勢(shì)(SPI值與各污染物質(zhì)之間的相關(guān)性見(jiàn)表10)。

表9 營(yíng)養(yǎng)主導(dǎo)型水體中各表觀特征污染物質(zhì)與SPI值偏相關(guān)關(guān)系

注P1:正常河段表觀污染特征污染物質(zhì)與SPI值顯著性分析結(jié)果；P2：控制流速時(shí)，表觀污染特征污染物質(zhì)與SPI值顯著性分析結(jié)果。

表10 無(wú)機(jī)主導(dǎo)型水體中SPI值與各污染物質(zhì)之間的相關(guān)性

注*在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

由表10可知，影響水體表觀的主要污染物質(zhì)為總磷，水體中的總磷在城市內(nèi)河中大多數(shù)以顆粒態(tài)的形態(tài)存在(各表觀特征污染物質(zhì)與SPI值偏相關(guān)關(guān)系見(jiàn)表11)，可知流速不變時(shí)，總磷含量對(duì) SPI值的影響程度降低，即在一定程度上流速會(huì)對(duì)顆粒態(tài)總磷和SPI值之間的關(guān)系產(chǎn)生影響。濁度范圍為15.50～26.00NTU，標(biāo)準(zhǔn)差為3.32NTU，平均值為21.85NTU，表明該河段的懸浮物含量較高。主要由于水體流速較快，泥沙顆粒保持上浮狀態(tài)，流速的擾動(dòng)使得顆粒對(duì)水中營(yíng)養(yǎng)鹽的吸附更加明顯。當(dāng)流速增大時(shí)，挾帶作用將大顆粒泥沙沖走，使得水質(zhì)變好。

表11 無(wú)機(jī)主導(dǎo)型水體中河段各表觀特征污染物質(zhì)與SPI值偏相關(guān)關(guān)系

注P1:正常河段表觀污染特征污染物質(zhì)與SPI值顯著性分析結(jié)果。P2：控制流速時(shí)，表觀污染特征污染物質(zhì)與SPI值顯著性分析結(jié)果。

研究表明，無(wú)機(jī)型水體SPI值產(chǎn)生影響的敏感粒度范圍分別為3.70～16.50μm和34.50～65.50μm，當(dāng)濁度小于45NTU時(shí)，3.70～16.50μm范圍的粒度與SPI值呈正相關(guān)，34.50～65.50um范圍的粒度與SPI值呈一定的負(fù)相關(guān)。由于該河段流速較快，大顆粒物質(zhì)組分含量逐漸增加， SPI值也會(huì)有一定程度的降低。分析結(jié)果表明，無(wú)機(jī)型水體中流速主要通過(guò)影響水中顆粒態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽的含量和顆粒物含量對(duì)水體SPI值產(chǎn)生影響。

3 結(jié) 論

本文以遼寧撫順城區(qū)河道為研究對(duì)象，運(yùn)用偏相關(guān)分析和相關(guān)分析方法，探究不同污染類型水體流速與水體SPI值的關(guān)系，得出以下結(jié)論：在相應(yīng)流速范圍內(nèi)，隨著流速的增加，混合型河道水體處于向無(wú)機(jī)型水體過(guò)渡的階段，流速主要通過(guò)作用于水中的無(wú)機(jī)懸浮物含量、藻類對(duì)水體的 SPI值產(chǎn)生影響；在相應(yīng)的流速范圍內(nèi)，營(yíng)養(yǎng)主導(dǎo)型的水體中流速主要通過(guò)作用于水中的藻類影響水體的SPI值；對(duì)于無(wú)機(jī)型河道，無(wú)機(jī)型水體中粗端粒徑大于營(yíng)養(yǎng)型水體和混合型水體，水體中流速主要通過(guò)影響水中顆粒態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽的含量和顆粒物含量對(duì)水體SPI值產(chǎn)生影響。fffff0

[1] 王帆,潘楊,王軍,等.一種城市景觀水體表觀質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2017,40(2):186-189.

[2] 秦鵬飛.多類型垃圾場(chǎng)地污染地下水風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估[J].水利技術(shù)監(jiān)督,2017,25(3):19-22.

[3] 貢丹燕,包偉,李倩倩.富營(yíng)養(yǎng)化城市景觀水體表觀污染下的懸浮顆粒物粒度分布特征[J].環(huán)境科學(xué),2016,37(3):970-979.

[4] 王曉青,繆吉倫.澎溪河回水區(qū)水體葉綠素a含量與流速相關(guān)關(guān)系研究[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2014,23(12):1693-1698.

[5] 李?yuàn)J,黃勇,李學(xué)艷,等.城市景觀水體表觀質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究[J].中國(guó)給水排水,2014,30(15):95-98.

[6] 范春萌.基于HEC-RAS的岸坡水力穩(wěn)定性分析及濱水帶修復(fù)措施[J].中國(guó)水能及電氣化,2017(3):38-42.