懸浮顆粒物粒徑分布對景觀水體表觀污染的影響

胡思骙，向 鵬，任晨媛，王慶國，梁 英

(1.四川大學建筑與環(huán)境學院，成都 610065；2.成都市濕地保護中心，成都 610072；3.成都大熊貓繁育研究基地，成都 610081)

引 言

城市封閉景觀水體是指城市中具有景觀功能的水體，有自然存在或人工建造的湖泊、溪流、河道等，具有封閉性較強、水體流動性差、水環(huán)境容量小，自凈能力低等特點[1]。作為景觀功能水體，良好的表觀效果是其應具有的最基本特性，然而水體表觀指標惡化，水體渾濁、顏色異常、藻類瘋長現(xiàn)象在城市中屢見不鮮。

水體表觀污染是指水體呈現(xiàn)出異常顏色、渾濁度高等引起人體感官不悅的現(xiàn)象，主要表征指標有水體的懸浮物濃度(SS)、水體的渾濁度、水體的色度。水體中的表觀污染物以溶解態(tài)和非溶解態(tài)2種形式存在。根據已有文獻研究，溶解態(tài)物質會造成水體顏色異常，其對水體的表觀污染的貢獻不可忽視，溶解性物質主要是有色溶解有機物(chromophoric dissolved organicmatter，CDOM)，CDOM的來源與化學成分都比較復雜，主要由腐殖酸、富里酸、氨基酸和芳烴聚合物等溶解性有機物組成[2-3]。非溶解態(tài)物質主要是懸浮顆粒物，懸浮物總體上由無機顆粒物和有機顆粒物兩部分組成，無機顆粒物主要是碎屑礦物、粘土礦物等，有機顆粒物主要是浮游植物浮游動物殘體[4]。

目前對于懸浮顆粒物的存在特性對景觀水體表觀污染的機理研究仍較少，非溶解態(tài)物質對光線具有反射和散射作用，使水體呈現(xiàn)出顏色異常，渾濁度高的表觀污染現(xiàn)象。國內外研究表明懸浮顆粒物是引起水體表觀污染最主要原因[5～7]，但是水中懸浮顆粒物的粒徑分布特征對水體表觀污染指標的影響機制仍未進行深入研究。水體表觀污染的兩個主要表征指標為濁度和色度，水的渾濁度與水中的懸浮物含量有一定的關系，一般懸浮物含量多，渾濁程度大，但兩者不等同，懸浮物含量是一種直接指標，而濁度則是光學效應，如在不同的水體中懸浮物的數(shù)量相同，但其濁度不一定相同[8]。水的色度是對天然水或處理后的各種水進行顏色定量測定時的指標，水中非溶解性的腐殖質、有機物、或無機物質所造成懸浮物顆粒的組分對水體的色度也有較大的影響[9]。不同水體中懸浮顆粒物的組分不同，對于濁度和色度的影響程度也不同。大型河流水體流速較快攜沙作用強造成水中懸浮物顆粒主要是砂石，湖庫等緩流水體有機營養(yǎng)物質濃度較高容易造成水體的富營養(yǎng)化藻類繁殖，因而湖庫類水體中藻類數(shù)量是水中懸浮物顆粒的主要組成部分，藻類的數(shù)量和種類影響懸浮物顆粒的粒度分布[10]。目前國內外關于深入研究渾濁度以及水體的色度與懸浮物顆粒的組分與粒度分布之間的相關性研究以及影響因素比較少。本文以成都市小型封閉式景觀水體為研究對象，對其水體的渾濁度以及水體的色度與懸浮物顆粒粒度分布之間的相關性及其影響因素進行研究分析。

1 實驗部分

1.1 采樣點分布及概況

本研究以成都市城區(qū)內三處小型封閉式景觀水體為研究對象，研究區(qū)域分別是成都市大熊貓繁育研究基地內天鵝湖(以下簡稱天鵝湖)、成都市天府新區(qū)白沙湖入流口(以下簡稱白沙湖)以及成都市雙流區(qū)四川大學江安校區(qū)內明遠湖(以下簡稱明遠湖)，每個研究區(qū)域設置3個取樣點，均勻分布在整個研究區(qū)域內。

3個研究對象小型景觀湖的有效水深均小于3m，只采集其表層水樣(距水面0.5m深處)。測定研究區(qū)域內水體的水質指標(總磷、總氮、COD、葉綠素a和透明度)，水質指標具體見表1。其中天鵝湖水樣在實驗期間呈微綠色，白沙湖水樣呈黃色，明遠湖水樣呈灰綠色，按照修正的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對各研究區(qū)域水體進行富營養(yǎng)化狀態(tài)評價[11]，天鵝湖和白沙湖水體均為中度營養(yǎng)化，明遠湖水體為輕度富營養(yǎng)化。

表1 研究區(qū)域水質監(jiān)測指標Tab.1 Water quality monitoring indicators of study area

1.2 實驗方法

非溶解態(tài)物質主要是指粒徑超過0.45μm的懸浮顆粒[12]，因此選用0.45μm微孔濾膜對水樣進行抽濾處理，以分離水樣中的溶解態(tài)和非溶解態(tài)物質。為分析不同粒徑組分的懸浮顆粒物對水中表觀污染指標的影響，利用慢速定量濾紙(過濾孔徑1～3μm)、中速定量濾紙(過濾孔徑10～30μm)和快速定量濾紙(過濾孔徑100～120μm)分別過濾水樣，由于過濾精度不同，濾液中懸浮顆粒物的粒徑分布不同，測定水樣中過濾前后的水體色度、濁度以及葉綠素a(Chla)，并測定水體的SS濃度，利用粒度儀測定水體的顆粒物粒徑分布狀態(tài)。

相關水質指標的測定采用國標方法[13]，總氮采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法，總磷采用過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法測量，COD采用重鉻酸鉀法，葉綠素a采用熒光法(water pam，葉綠素熒光測定儀)測定，SS濃度采用烘干稱重法，濁度采用HACH2100Q濁度儀，色度采用鉻鈷比色法[14]，透明度采用賽氏盤法，水溫及溶解氧采用HACH便攜式溶氧儀。

2 結果與分析

2.1 水體SS濃度以及粒度分布情況

水體中的懸浮物是指水樣經過孔徑為0.45μm的濾膜過濾后殘留在濾膜并在103～105℃烘干至恒定質量的各種不可濾殘渣，是一種復雜非均質有機物和無機物的混合物質。水體中懸浮物的濃度和粒度分布與景觀水體的表觀污染機制是否存在內在關聯(lián)是本研究的主要內容。圖1是不同研究區(qū)域的的懸浮顆粒物濃度分布，其中黃色水體白沙湖各點位水樣的SS濃度均超過40mg/L，平均濃度為54.38mg/L，淺綠色水體天鵝湖和灰綠色水體明遠

湖的平均濃度分別為5.72mg/L、11.71mg/L，與表1中水體透明度呈正相關，有研究證明[15]，懸浮顆粒物的成分和含量極大的影響湖水透明度的變化，而水體透明度是色度和濁度等光學表觀污染指標的綜合表現(xiàn)。圖2為不同點位水樣懸浮物的粒度分布特征，可以得出顆粒物的數(shù)量與水體SS濃度有良好的對應關系，同一研究區(qū)域內的水樣的粒徑分布及峰值數(shù)量分布特征相同，而不同研究區(qū)域粒度峰值的分布特征不同，總的來說，3種景觀水體顆粒物粒度大都呈雙峰或多峰分布，其中明遠湖水體粒徑分布最多具有4個峰，因此本研究將懸浮物根據粒徑范圍分為4個組分，粒徑范圍分別為組分Ⅰ(0.45μm～3μm)、組分Ⅱ(3μm～30μm)、組分Ⅲ(30μm～120μm)和組分Ⅳ(>120μm)，探究不同粒徑范圍內的顆粒物對表觀污染指標的影響。

圖1 研究區(qū)域水樣懸浮顆粒物濃度Fig.1 The concentration of suspended particulate matter in water samples in the study area

圖2 研究區(qū)域水體懸浮顆粒物粒度分布Fig.2 The particle size distribution of suspended particulate matter in water bodies in the study area

2.2 水體SS對濁度、色度的貢獻

由圖3和圖4可分析出，水體中溶解態(tài)物質所引起的色度和濁度對總色度和濁度的貢獻較小，不同顏色的水體在經過抽濾后均為無色透明液體，抽濾后水樣的最大色度為10.46度，最大濁度為3.21NTU，根據《城市污水再生利用——景觀用水水質標準》(GB/T 18921-2002)，均不會引起景觀水的表觀質量污染。根據圖3，黃色水體白沙湖非溶解態(tài)物質引起的色度占總色度的83.13%，淺綠色水體天鵝湖非溶解態(tài)物質引起的色度占總色度的53.01%，灰綠色水體明遠湖非溶解態(tài)物質引起的色度占總色度的85.21%，從圖4可以得出非溶解態(tài)物質是造成水體渾濁的主要原因，因為水中顆粒物影響光散射性質, 引起水體的濁度。也就是說三個景觀水體的濁度和色度主要是由SS產生的。

圖3 研究區(qū)域水體色度在兩相中的分布Fig.3 Distribution of water chroma in two phases

圖4 研究區(qū)域水體濁度在兩相中的分布Fig.4 Distribution of water turbidity in two phases

由2.1節(jié)可知水體懸浮顆粒物的粒徑分布對景觀水體表觀指標有關鍵性的影響，分析不同粒徑范圍內的組分對表觀污染指標的影響可以探討懸浮顆粒物對表觀指標的影響機理。

2.3 水中懸浮物顆粒粒度分布特征對表觀污染指標的影響

2.3.1 水中顆粒物粒度分布情況與濁度的相關關系

圖5為各研究水體不同粒徑組分懸浮物對其濁度的影響，經過快速濾紙過濾后，3個研究區(qū)域水體的濁度去除率均超過50%，說明組分Ⅳ(>120μm)對不同表觀顏色的景觀水體的濁度都具有主要貢獻，組分Ⅰ、組分Ⅱ和組分Ⅲ對淺綠色水體天鵝湖的濁度幾乎沒有影響，黃色水體白沙湖除組分Ⅳ之外的其余3各組分對其濁度均有接近10%的影響，而灰綠色水體明遠湖中顆粒物組分Ⅲ貢獻的濁度平均占其總濁度的30%，不同水體間的主要作用組分差異性明顯。

因為不同表觀污染程度的景觀水體的各懸浮顆粒物組分體積分數(shù)不同，但顆粒物的組分差異仍會導致水體濁度的變化。同時不同研究區(qū)域下各組分所占的體積分數(shù)對水體的濁度貢獻率不一致，對各組分的體積分數(shù)與水體濁度進行相關性分析可以得出不同組分對水體濁度的影響能力，找出不同表觀質量水體的濁度敏感顆粒物的組分，從而能夠針對性地控制某一粒徑范圍內的懸浮顆粒物來降低水體的濁度，提高水體的景觀效果。表2顯示，水體濁度主要與組分Ⅰ、組分Ⅱ、組分Ⅳ體積分數(shù)表現(xiàn)出顯著相關性，其中與組分Ⅳ相關性最大，與用濾紙過濾后濁度去除率實驗得出的組分Ⅳ對水體濁度具有主要影響的結果相吻合。

圖5 研究區(qū)域水體不同粒徑組分懸浮物對水體濁度的影響Fig.5 The influence of suspended solids with different particle sizes on turbidity of water body studied

表2 濁度和顆粒物組分的皮爾遜相關系數(shù)Tab.2 Pearson correlation coefficient of turbidity and particulate matter

2.3.2 水中不同粒徑顆粒物分布情況與色度的相關關系

色度是表征水體表觀質量的另一重要指標，影響水體的表觀顏色。水的色度是由溶解性腐殖質和有機物以及非溶解性懸浮顆粒物造成的，懸浮顆粒物造成的色度又稱水體的表觀色度。由2.2節(jié)可知，3種不同顏色的景觀水體的表觀色度均在其總色度中占主要作用，貢獻率超過60%。圖6為各研究區(qū)域水體不同粒徑組分懸浮物對其色度的影響。組分Ⅳ對3種顏色水體的表觀色度貢獻率均接近50%，其中灰綠色水體明遠湖中組分Ⅳ對其表觀色度的貢獻率最高為62.47%，對黃色水體的表觀色度貢獻率最低，可以總結出組分Ⅳ對兩種表觀呈綠色的水體的表觀色度影響較大。根據研究表明[16]，水體呈綠色主要原因是由于水中的藻類以及其他水生生物的過量繁殖所造成水中Chla濃度等其他色素增多所引起; 藻類生物量越多，Chla的含量越高，水體顏色就越深。組分Ⅳ的粒徑范圍為>120μm的懸浮顆粒物，根據方建勇[17]等對水體顆粒物不同粒徑范圍內可能組分的研究，單顆粒大小在1～300μm、絮凝集合體大小在10～150 μm的顆粒物組分中生物顆粒以藻類為主，絮凝集合體以藻類絮凝集合體和混雜絮凝集合體為主，而淺綠色天鵝湖和灰綠色明遠湖中葉綠素a含量高，可推測淺綠色水體天鵝湖和灰綠色水體明遠湖的色度主要貢獻顆粒為組分Ⅳ藻類單顆粒及其絮凝劑合體。對于黃色水體白沙湖，白沙湖的COD值最低，主要是沙粒、粘土等無機懸浮顆粒對黃色水體色度造成影響。

圖6 研究區(qū)域水體不同粒徑組分懸浮物對水體色度的影響Fig.6 The influence of suspended solids with different particle sizes on water chroma studied

3 結 論

3.1 小型封閉式景觀水體中懸浮顆粒物具有相似粒度分布特征，粒度分布存在多個峰值，出峰的位置大致相同，懸浮顆粒物的粒度分布由多個組分疊加組成，反映了多組分的粒度分布特征，最多有4個組分，各組分的粒徑范圍是：組分Ⅰ(0.45～3μm)、組分Ⅱ(3～30μm)、組分Ⅲ(30～120μm)和組分Ⅳ(>120μm)。其中，由于水體的表觀特征不同，3個目標水樣各組分的體積比存在差異，天鵝湖組分Ⅰ數(shù)量占比76.7%，白沙湖組分Ⅱ數(shù)量占比64.5%，明遠湖組分Ⅱ數(shù)量占比

為83.9%。

3.2 溶解態(tài)物質引起的城市景觀水體表觀污染貢獻值很小，小型封閉式景觀水體的濁度、色度主要由懸浮顆粒物非溶解態(tài)物質引起，非溶解態(tài)物質是導致城市景觀水體表觀污染主要原因。

3.3 不同顏色類型城市景觀水體中懸浮顆粒物對水體表觀敏感組分是組分Ⅳ(粒級>120μm)和組分Ⅱ(粒級3～30μm)，水體濁度主要與組分Ⅰ(粒級0.45～3μm)、組分Ⅱ、組分Ⅳ體積分數(shù)表現(xiàn)出顯著相關性，3種顏色類型水體的色度的關鍵影響粒級為組分Ⅳ。