蘇州市景觀水體表觀污染類型識(shí)別及特征指標(biāo)篩選

戴天杰，魏攀龍，潘 楊，司壯壯，王 靜

(1.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009； 2.蘇州科技大學(xué)環(huán)境生物技術(shù)研究所，江蘇 蘇州 215009；3.蘇州科技大學(xué)城市生活污水資源化利用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215009；4.達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)部，四川 達(dá)州 635001)

蘇州境內(nèi)河網(wǎng)交織，水體是蘇州城市景觀的重要組成部分。近年來，隨著城市工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，受點(diǎn)源、面源、內(nèi)源的復(fù)合污染影響，城市景觀水體污染問題愈發(fā)嚴(yán)重，黑臭、水華等引起人體感官不適的表觀污染現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。城市水體的景觀功能正在逐漸喪失，恢復(fù)城市水體的景觀功能已成為城市河道治理的首要目標(biāo)[1]。目前對(duì)水體污染程度的評(píng)價(jià)方法研究較多，而對(duì)水體表觀污染類型分類的研究尚不充分,表觀污染指數(shù)(surface pollution index，SPI)法雖可對(duì)城市景觀水體表觀污染程度進(jìn)行表征，但無法對(duì)表觀污染成因進(jìn)行分析，更無法對(duì)表觀污染類型進(jìn)行劃分識(shí)別[2]。林鵬等[3]研究了不同土地利用類型情況下區(qū)域水體污染類型，發(fā)現(xiàn)土地利用類型對(duì)水體污染類型具有顯著影響；王立新等[4]在污染程度等級(jí)分類的基礎(chǔ)上，對(duì)不同城市河流污染類型進(jìn)行分類，并闡釋了各河道的污染成因；Yuichi等[5]使用水體沉積物中的NH3-N、大腸桿菌等指標(biāo)對(duì)城市河道進(jìn)行劃分，得出了“工業(yè)污染和人口密度為主要污染原因”的結(jié)論；談旭初[6]依據(jù)污染分擔(dān)率，劃分并命名了地表水污染類型；劉邵俊等[7]以浮游植物群落結(jié)構(gòu)為手段對(duì)星云湖水體營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià)；Kannel等[8]設(shè)立了4種水質(zhì)參數(shù)，將不同城市水體分為了優(yōu)、良、差3個(gè)等級(jí)。水體污染類型的識(shí)別有助于深入了解污染成因，提出更有針對(duì)性的治理措施。而針對(duì)城市景觀水體，表觀污染類型的識(shí)別更具有實(shí)際意義。本課題組前期結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對(duì)表觀污染類型進(jìn)行了初步研究，周雪[9]以水體中硫化物、腐殖酸等指標(biāo)含量結(jié)合水體顏色將城市水體分為6類表觀污染類型，其指標(biāo)體系中水體顏色的判別主觀性較大，也沒有明確提出水體顏色和表觀污染類型的關(guān)系;孫娜[10]以硫化物、葉綠素a等指標(biāo)的累計(jì)頻率為依據(jù)，結(jié)合水體顏色將表觀污染類型分為4類，在后期驗(yàn)證中，發(fā)現(xiàn)其分類方法中的硫化物等指標(biāo)的測定較為困難，該分類方法可行度不高。鑒于此，本文通過對(duì)蘇州境內(nèi)城市景觀水體的廣域采樣，識(shí)別出不同表觀污染類型水體的特征指標(biāo)，對(duì)不同水體的表觀污染類型進(jìn)行了分類，提出了一種簡便快捷的表觀污染分類方法，簡化了指標(biāo)測定難度，可為針對(duì)不同表觀污染類型水體的防治提供參考。

1 材料與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

蘇州市位于北緯30°47′～32°20′、東經(jīng)119°55′～121°20′之間，全市地勢(shì)低平，自西向東緩慢傾斜。由于地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨量充沛，年均降水量約為1 100 mm。城市水系發(fā)達(dá)，河道密布，具有“三縱三橫一環(huán)”的河網(wǎng)體系，是典型的江南河網(wǎng)城市[11]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

圖1 采樣點(diǎn)分布

2 研究方法

2.1 指標(biāo)測定及分析方法

監(jiān)測指標(biāo)包括氧化還原電位(ORP)、溶解氧(DO)、葉綠素a(Chl-a)、pH值、濁度、溫度(T)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)，同時(shí)現(xiàn)場記錄水體顏色、河道環(huán)境等。ORP采用HACH2100便攜式ORP儀測定；DO和T采用HACH2100便攜式溶氧儀測定，并與HJ 506—2009《水質(zhì)溶解氧的測定電化學(xué)探頭法》附表A.2不同大氣壓和水溫條件下氧的溶解度進(jìn)行對(duì)照；濁度采用HACH2100便攜式濁度儀測定；Chl-a采用Water-pam水樣熒光儀測定；CODMn采用高錳酸鉀酸性法測定。水體表觀污染采用吸收光譜法進(jìn)行研究，該方法用SPI值衡量表觀污染程度[14]，根據(jù)SPI值將表觀污染等級(jí)分為5類，[0,10)為好、[10,25)為較好、[25,45)為尚可、[45,70)為較差、大于或等于70為差。表觀污染指數(shù)計(jì)算方法為

ISP=26ln(βx+10)-60

(1)

式中：ISP為表觀污染指數(shù)SPI值；x為水樣過濾前后吸收光譜掃描曲線的圍合面積；β為修正系數(shù)。

針對(duì)不同表觀污染類型水體的特征指標(biāo)采用SPSS進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，以檢驗(yàn)分類方法中的特征指標(biāo)是否來自同一個(gè)整體。當(dāng)P<0.05時(shí)說明樣本方差不齊，特征指標(biāo)不是來自同一個(gè)整體，特征指標(biāo)的分布差異較大且其差異不是隨機(jī)差異[13]，即通過該指標(biāo)可將目標(biāo)水體與其他水體區(qū)分開，所選取的特征指標(biāo)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.2 景觀水體表觀污染類型定義及指標(biāo)篩選

由于不同表觀污染類型水體中主要污染物質(zhì)的不同，導(dǎo)致水體呈現(xiàn)特點(diǎn)的不同。結(jié)合前期研究，將景觀水體的表觀污染類型分為4類：有機(jī)主導(dǎo)型、無機(jī)主導(dǎo)型、營養(yǎng)主導(dǎo)型和混合型[10]。

a. 有機(jī)主導(dǎo)型。有機(jī)主導(dǎo)型表觀污染水體主要由有機(jī)物引起，包括水體黑臭現(xiàn)象及藻類過渡繁殖所導(dǎo)致的水華現(xiàn)象，水體多呈現(xiàn)黑色、墨綠色。根據(jù)水體黑臭產(chǎn)生的機(jī)理，水體中有機(jī)物的增加加劇了DO的消耗，使硝化、反硝化反應(yīng)加強(qiáng)，產(chǎn)生氨氣、硫化氫等具有刺激性氣味氣體，同時(shí)硫離子會(huì)與水體中金屬離子(鐵、錳)生成黑臭物質(zhì)硫化亞鐵、硫化錳[15-18]，最終導(dǎo)致水中氧化還原性的改變。孫慧群等[19-20]的研究也指出ORP值越低，還原性越強(qiáng)，黑臭物質(zhì)產(chǎn)生的就越多。結(jié)合住建部《城市黑臭水體整治工作指南》中對(duì)黑臭水體的定義及其規(guī)定的黑臭水體黑臭程度評(píng)價(jià)等級(jí)的指標(biāo)體系，并考慮水質(zhì)指標(biāo)測定的簡便性及可操作性，將能夠反映水體氧化還原狀態(tài)的水質(zhì)指標(biāo)ORP值作為有機(jī)主導(dǎo)型(黑臭)表觀污染水體的特征指標(biāo)。

水華水體是由藻類過度繁殖引起的。依據(jù)藻類的生長規(guī)律，藻類的過度繁殖會(huì)消耗水體中的氮、磷等元素[21-23]，當(dāng)水體中氮、磷元素?zé)o法滿足藻類生長時(shí)，藻類會(huì)發(fā)生自解現(xiàn)象使得水體中有機(jī)物大量增加，水華水體會(huì)轉(zhuǎn)化為黑臭水體，因此將其歸為有機(jī)主導(dǎo)型。水華水體的主要污染物質(zhì)為藻類，直接測定藻類含量較為困難，相關(guān)研究[24]表明，藻類濃度ρ(Chl-a)的變化可反映藻類的總生物量變化規(guī)律，因此選擇ρ(Chl-a)作為特征指標(biāo)。根據(jù)藻類的生長規(guī)律，藻類在大量繁殖時(shí)光合作用加劇會(huì)釋放出大量氧氣，使水體DO處于過飽和狀態(tài)。寸黎輝等[25-26]的研究指出藻類等水生植物的光合作用是引起水體中DO過飽和的主要原因之一；李天深等[27]的研究也表明在水華水體中監(jiān)測到高DO。根據(jù)這一特點(diǎn)，選擇水體中DO與在采樣時(shí)大氣壓及水體溫度條件下對(duì)應(yīng)氧的溶解度比值RDO作為特征值。綜上，選擇RDO值和ρ(Chl-a)兩個(gè)指標(biāo)共同作為有機(jī)主導(dǎo)型(水華)表觀污染水體的特征指標(biāo)。

b. 無機(jī)主導(dǎo)型。無機(jī)主導(dǎo)型表觀污染水體主要由無機(jī)顆粒(泥沙等)引起，濁度偏高，水體多呈現(xiàn)黃色、土黃色。根據(jù)黃文典等[28-29]的研究結(jié)果，水體中泥沙等顆粒物的存在會(huì)加快有機(jī)物的降解，無機(jī)主導(dǎo)型污染水體呈現(xiàn)濁度較高、有機(jī)物含量低的特點(diǎn)。選擇單位濁度所含有機(jī)物的量RIT做為無機(jī)主導(dǎo)型表觀污染水體的特征值，側(cè)面反映水體中無機(jī)物含量，該值越大說明水體中所含無機(jī)物越少，反之，所含無機(jī)物越多。

c. 營養(yǎng)主導(dǎo)型。營養(yǎng)主導(dǎo)型表觀污染水體主要由水體中少量無機(jī)營養(yǎng)物(N、P等)引起，水體表觀污染較輕，清澈、無明顯懸浮物、呈淺綠色。陳鳴等[30]關(guān)于表觀污染成因的研究結(jié)果表明，非溶解性物質(zhì)是造成城市水體表觀污染的主要原因。而營養(yǎng)主導(dǎo)型表觀污染水體中N、P元素等污染物質(zhì)均具有溶解性，因此選取濁度值作為營養(yǎng)主導(dǎo)型水體特征指標(biāo)來反映表觀污染水體清澈、無明顯懸浮物的特征；同時(shí)由于N、P等營養(yǎng)元素的少量存在，反映藻類存在的ρ(Chl-a)也可以作為營養(yǎng)主導(dǎo)型表觀污染水體的特征指標(biāo)之一。綜上，選取濁度值與ρ(Chl-a)兩個(gè)指標(biāo)共同作為營養(yǎng)主導(dǎo)型表觀污染水體的特征指標(biāo)。

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d. 混合型。混合型表觀污染水體處于上述三者之間，由無機(jī)物、有機(jī)物、無機(jī)營養(yǎng)物共同引起，具有向有機(jī)主導(dǎo)型、無機(jī)主導(dǎo)型、營養(yǎng)主導(dǎo)型某一類型轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)，水體多呈現(xiàn)黃綠色、灰色。由于混合型表觀污染水體污染物成分復(fù)雜，各指標(biāo)含量差異不大，且會(huì)較快轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌?類主導(dǎo)型水體，因此使用排除法將混合型表觀污染水體與其他3類表觀污染水體進(jìn)行區(qū)分。

3 結(jié)果與分析

3.1 特征指標(biāo)的驗(yàn)證

a. 有機(jī)主導(dǎo)型。根據(jù)前文定義，有機(jī)主導(dǎo)型水體包括黑臭型和水華型兩種，分別對(duì)黑臭型(圖2)和水華型(圖3)選取的特征指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。圖2為選取樣品的ORP值分布情況。由圖2可見，有機(jī)主導(dǎo)型(黑臭)的ORP值皆為負(fù)值，而其他3類表觀污染水體的ORP值均是正值，可見ORP可以作為有機(jī)主導(dǎo)型(黑臭)表觀污染水體的特征指標(biāo)，將其較好地與其他3種表觀污染類型的水體區(qū)分開來。為進(jìn)一步驗(yàn)證ORP作為特征指標(biāo)的合理性，對(duì)樣本進(jìn)行齊性檢驗(yàn)，結(jié)果表明4類水體的ORP顯著性P=0.00，小于0.05，方差不齊，區(qū)分結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，較為合理。

圖2 選取樣品的ORP值分布

由圖3(a)可見，有機(jī)主導(dǎo)型(水華)的RDO均大于1，而其他3種表觀污染類型水體的RDO除個(gè)別水體外，均小于1，因此可以將RDO作為有機(jī)主導(dǎo)型(水華)的表觀污染特征指標(biāo)。同時(shí)，根據(jù)水華水體葉綠素含量較大的特性，引入ρ(Chl-a) 作為有機(jī)主導(dǎo)型(水華)的輔助驗(yàn)證指標(biāo)，由圖3(b)可見，有機(jī)主導(dǎo)型(水華)的ρ(Chl-a)均在60μg/L以上，因此可確定ρ(Chl-a)>60μg/L為有機(jī)主導(dǎo)型(水華)的輔助驗(yàn)證指標(biāo)。對(duì)4種污染類型水體的RDO和ρ(Chl-a)進(jìn)行齊性檢驗(yàn)，其結(jié)果為：RDO齊性檢驗(yàn)P=0.00，小于0.05，方差不齊；ρ(Chl-a)齊性檢驗(yàn)P=0.00，小于0.05，方差不齊，說明區(qū)分結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義和合理性。

(a) RDO

(b) ρ(Chl-a)

有機(jī)主導(dǎo)型黑臭水體ORP值低于0，是由水體中存在大量還原性物質(zhì)引起的。對(duì)于有機(jī)主導(dǎo)型水體，應(yīng)先進(jìn)行截污控源，控制高污染廢水的排入，同時(shí)加強(qiáng)河道清淤，控制水體中的底泥內(nèi)源污染；針對(duì)有機(jī)污染較為嚴(yán)重的水體，可采用充氧曝氣的方法加快黑臭物質(zhì)的降解，提高水體凈化能力[31]。有機(jī)主導(dǎo)型水華水體中的過飽和DO和高質(zhì)量濃度Chl-a是由藻類大量繁殖時(shí)光合作用產(chǎn)生了大量氧氣引起的，應(yīng)該加強(qiáng)水面浮藻的打撈，降低藻類生物量，控制富含氮磷元素的水體排入，避免產(chǎn)生新的藻類。

b. 無機(jī)主導(dǎo)型。對(duì)選取的無機(jī)主導(dǎo)型表觀污染水體特征值RIT進(jìn)行驗(yàn)證，圖4為選取樣品的RIT分布情況。由圖4可見，無機(jī)主導(dǎo)型水體的RIT均小于0.1，而其他3類水體均大于0.1，可見RIT作為無機(jī)主導(dǎo)型水體的表觀污染特征指標(biāo)與其他3類水體有明顯的區(qū)分。同時(shí)，對(duì)目前所收集樣品的RIT進(jìn)行齊性檢驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果表明水體RIT的齊性檢驗(yàn)P=0.00，小于0.05，方差不齊，分類具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖4 選取樣品的RIT分布

無機(jī)主導(dǎo)型水體是由泥沙等無機(jī)懸浮污染物含量過大引起的，由于泥沙等顆粒物有加快降解有機(jī)污染物的作用，因此該類型水體有機(jī)污染較低，濁度較高，應(yīng)加強(qiáng)河道調(diào)水[32]，引入清潔水源對(duì)目標(biāo)水體進(jìn)行稀釋，降低水體渾濁度。其次，需要增強(qiáng)堤岸綠化率，建設(shè)生態(tài)護(hù)坡[33]，進(jìn)行生態(tài)固化，有效降低雨水對(duì)堤岸土壤的沖刷以降低水體中泥沙含量。

c. 營養(yǎng)主導(dǎo)型。根據(jù)濁度值和ρ(Chl-a)對(duì)營養(yǎng)主導(dǎo)型水體與其他3類水體的區(qū)分進(jìn)行驗(yàn)證。由前文的研究結(jié)果可以看出，有機(jī)主導(dǎo)型及無機(jī)主導(dǎo)型水體特征指標(biāo)與其他水體具有明顯的區(qū)分，因此，對(duì)于營養(yǎng)主導(dǎo)型特征指標(biāo)的驗(yàn)證只需在營養(yǎng)主導(dǎo)型和混合型表觀污染水體中進(jìn)行。圖5為選取樣品的濁度和ρ(Chl-a)的分布情況。由圖5可見，營養(yǎng)主導(dǎo)型水體濁度與混合型水體濁度具有明顯區(qū)分，而二者ρ(Chl-a)無明顯區(qū)分度且具有交叉重疊部分，同時(shí)發(fā)現(xiàn)表觀狀態(tài)良好的營養(yǎng)主導(dǎo)型水體ρ(Chl-a)均小于50μg/L。對(duì)選取樣品的濁度和ρ(Chl-a)分別進(jìn)行齊性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)濁度齊性檢驗(yàn)P=0.01，小于0.05，方差不齊，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；ρ(Chl-a)齊性檢驗(yàn)中P=0.205，大于0.05，單以Chl-a作為營養(yǎng)主導(dǎo)型表觀污染水體和混合型水體進(jìn)行區(qū)分的特征指標(biāo)沒有意義。

(a) 濁度

營養(yǎng)主導(dǎo)型水體污染狀況較輕，表觀狀態(tài)良好，濁度較低。同時(shí)發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)主導(dǎo)型水體中氮磷比均低于12，抑制了藻類生長，應(yīng)保持水體現(xiàn)狀，控制富含N、P等營養(yǎng)元素的廢水排入?？蛇m當(dāng)?shù)胤N植水生植物[34]，在吸收固定水體中氮磷物質(zhì)的同時(shí)提高河道景觀，增強(qiáng)水體環(huán)境穩(wěn)定性。對(duì)于污染狀況較為復(fù)雜的混合型表觀水體可加強(qiáng)監(jiān)測，針對(duì)其表觀污染類型的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)采用適當(dāng)?shù)闹卫泶胧?/p>

3.3 不同表觀污染類型與表觀污染指數(shù)關(guān)系

不同表觀污染類型與對(duì)應(yīng)SPI等級(jí)見圖6。由圖6可見，呈現(xiàn)有機(jī)主導(dǎo)型的水體SPI等級(jí)均在差與較差之間；呈現(xiàn)無機(jī)主導(dǎo)型水體中僅5%的SPI等級(jí)為尚可，超過90%為較差與差。這與現(xiàn)場觀測中有機(jī)主導(dǎo)型和無機(jī)主導(dǎo)型水體表觀污染嚴(yán)重相符。水體表觀污染較輕的營養(yǎng)主導(dǎo)型水體SPI等級(jí)12%為好、72%為較好、16%為尚可，沒有出現(xiàn)較差與差?；旌闲退w則出現(xiàn)了4個(gè)SPI等級(jí)，跨度較大?？梢?，不同水體表觀污染類型的分類與SPI等級(jí)具有良好的響應(yīng)關(guān)系。

通過對(duì)4種表觀污染水體特征指標(biāo)的篩選、鑒別，初步得出城市景觀水體不同表觀污染類型判別方法，有機(jī)主導(dǎo)型判定指標(biāo)：ORP值小于0或RDO>1且ρ(Chl-a)>60 μg/L；無機(jī)主導(dǎo)型判定指標(biāo)：RIT<0.1 mg/(L·NTU)；營養(yǎng)主導(dǎo)型判定指標(biāo)：濁度小于15 NTU且ρ(Chl-a)<50 μg/L；混合型判定指標(biāo)：其他。確定表觀污染類型判定的優(yōu)先次序?yàn)椋河袡C(jī)主導(dǎo)型、無機(jī)主導(dǎo)型、營養(yǎng)主導(dǎo)型、混合型。

圖6 不同表觀污染類型與SPI等級(jí)

4 結(jié) 論

a. 城市景觀水體的表觀污染是由不同的主導(dǎo)污染物引起的，ORP、RDO、Chl-a、濁度和RIT可作為區(qū)分城市景觀水體表觀污染類型的特征指標(biāo)。

b. 將城市景觀水體的表觀污染類型劃分為4類，為有機(jī)主導(dǎo)型判定指標(biāo)：ORP值小于0或RDO>1且ρ(Chl-a)>60 μg/L；無機(jī)主導(dǎo)型判定指標(biāo)：RIT<0.1 mg/(L·NTU)；營養(yǎng)主導(dǎo)型判定指標(biāo)：濁度小于15 NTU且ρ(Chl-a)<50 μg/L；混合型判定指標(biāo)：其他。

c. 提出的城市景觀水體表觀污染類型的分類方法可以確定不同表觀污染類型的特征指標(biāo)，能對(duì)城市景觀水體的污染成因進(jìn)行識(shí)別。在蘇州城區(qū)進(jìn)行了驗(yàn)證，通過對(duì)目前采集到的200個(gè)樣本的驗(yàn)證，吻合率達(dá)到90%。該方法應(yīng)用在水力條件與蘇州相差較大地區(qū)時(shí)閾值是否需要調(diào)整仍要進(jìn)一步探索。