石家莊景觀水系中溶解性活性磷的污染特征研究*

李孝通 王 媛,2# 滕志楠 鄭智信 裴心平 劉大喜,2 崔建升,2

(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 050000；2.河北省污染防治生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050000)

隨著經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的愈加頻繁和城市規(guī)模的不斷擴(kuò)張，城市水環(huán)境污染狀況日益嚴(yán)重。磷作為評(píng)價(jià)水體質(zhì)量的重要指標(biāo)，是水體富營(yíng)養(yǎng)化的限制性因素[1-3]。大量研究表明，水體中磷負(fù)荷過(guò)大會(huì)造成藻華和缺氧狀況的發(fā)生[4-5]，其中溶解性活性磷(SRP)由于可直接被植物所吸收而被視為最重要的磷源。SRP具有高度的生物可利用性[6]，大量SRP進(jìn)入水體時(shí)極易發(fā)生水體富營(yíng)養(yǎng)化，使水體喪失生態(tài)功能，危害環(huán)境健康[7-8]，特別是對(duì)于以封閉或半封閉的緩流水體為主的城市景觀水系，雖然其承擔(dān)著凈化水質(zhì)、建設(shè)水景觀的生態(tài)和社會(huì)功能，但由于其自身水容量少、自?xún)裟芰^差，加之作為城市生活污水、工業(yè)廢水、地表徑流的受納體[9-11]，極易造成水體SRP濃度過(guò)高，這已成為我國(guó)現(xiàn)階段水污染治理所面臨的棘手問(wèn)題，其帶來(lái)的危害以及經(jīng)濟(jì)損失引起了極大的社會(huì)關(guān)注。

現(xiàn)有研究表明，不同類(lèi)型水體中普遍存在SRP濃度過(guò)高的問(wèn)題，并且來(lái)源和輸入途徑的不同會(huì)導(dǎo)致區(qū)域污染特征的差異[12-13]。單保慶等[14]發(fā)現(xiàn)北運(yùn)河下游水系中SRP濃度時(shí)空分布差異顯著，SRP濃度在降雨集中的6月達(dá)到最大；余佑金等[15]在對(duì)滇池的調(diào)查中得到SRP濃度峰值出現(xiàn)在雨季，雨水會(huì)加速土壤中的磷元素隨地表徑流進(jìn)入水體。上述研究多集中在大型流域、湖泊等以農(nóng)業(yè)為主要磷來(lái)源的地區(qū)，而針對(duì)城市區(qū)域小型、密集型景觀水體的關(guān)注度卻不足[16-17]，特別是有關(guān)城市景觀水系中SRP污染特征的報(bào)道相對(duì)缺乏，影響其SRP濃度變化的因素也亟待系統(tǒng)地調(diào)查和分析。

近年來(lái)，石家莊快速推進(jìn)城鎮(zhèn)化進(jìn)程，以含磷原料為主的醫(yī)藥、化工、紡織等經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，不可避免地排放含磷廢水。同時(shí)，居住人口逐年增加使得生活污水排放量持續(xù)加大[18-19]，不斷增添的環(huán)境負(fù)擔(dān)將導(dǎo)致地表水磷污染的進(jìn)一步惡化，使城市景觀水系富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題更加嚴(yán)峻。鑒于此，本研究以石家莊景觀水系為研究對(duì)象，以SRP為觀測(cè)因子，研究磷污染的時(shí)空分布特征，并對(duì)景觀水系的富營(yíng)養(yǎng)化水平進(jìn)行初步評(píng)估，為保護(hù)和改善景觀水系水質(zhì)狀況、緩解和控制富營(yíng)養(yǎng)化水平提供科學(xué)依據(jù)。

1 方 法

1.1 研究區(qū)域概況及采樣點(diǎn)布設(shè)

石家莊位處河北省中南部，屬于溫帶季風(fēng)氣候，季節(jié)變化分明，年均降雨量為401.1～752.0 mm[20]。石家莊景觀水系作為城市發(fā)展和生態(tài)規(guī)劃的重要環(huán)節(jié)，起著涵養(yǎng)水源、泄洪納污、綠色景觀的作用，體現(xiàn)著以“以水為鏈”的理念。景觀水系將城市各區(qū)塊連接起來(lái)，在承擔(dān)城市鏈接功能的同時(shí)又承擔(dān)著建設(shè)海綿城市、生態(tài)修復(fù)、美觀服務(wù)的綠色生態(tài)作用，極大地提高了城市功能的層次感。石家莊景觀水系補(bǔ)水水源主要為自然和人工引水、雨水、城鎮(zhèn)污水以及污水處理廠回用水，補(bǔ)水點(diǎn)多位于水系河道連接處，實(shí)行每日分段補(bǔ)水，補(bǔ)水量約為20 t/d；每年豐水期過(guò)后對(duì)河道進(jìn)行清淤和換水工作[21]。

本次研究選擇了石家莊景觀水系中16處典型水體，其中有1條天然河流(設(shè)置采樣點(diǎn)N1)、9條人工河流(分別設(shè)置采樣點(diǎn)S1～S9)和6個(gè)景觀湖(分別設(shè)置采樣點(diǎn)L1～L6)，研究區(qū)域既包括人流密度較大的學(xué)校、公園、商業(yè)住宅等城市中心地區(qū)，也包括了人為因素影響較少的偏遠(yuǎn)地區(qū)，幾乎涵蓋整個(gè)石家莊城區(qū)復(fù)雜的景觀水系網(wǎng)絡(luò)，水系的基本流向?yàn)樽晕鞅毕驏|南，具體采樣點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。

圖1 石家莊景觀水系采樣點(diǎn)分布Fig.1 Location of sampling sites in landscape water system of Shijiazhuang

1.2 水樣采集及測(cè)定

水樣采集工作分別于2018年6月(豐水期)、2018年9月(平水期)、2018年12月(枯水期)進(jìn)行，在每個(gè)采樣點(diǎn)中心位置，采集約1 L表層水樣(0.3～0.5 m)，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室4 ℃低溫保存。其中豐水期的L6采樣點(diǎn)，平水期的S5、L3采樣點(diǎn)和枯水期的S6、L1采樣點(diǎn)因施工圍欄未采集到水樣。水樣中SRP采用鉬銻抗分光光度法[22]進(jìn)行預(yù)處理和分析測(cè)定，為保證分析測(cè)定的精確性，設(shè)置3次平行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 24.0、Excel 2010和Origin 2018分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及繪圖，通過(guò)QGIS 2.18繪制采樣點(diǎn)地圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 石家莊景觀水系SRP的濃度水平

石家莊典型景觀水系全部采樣點(diǎn)均有SRP檢出，質(zhì)量濃度在0.030～7.111 mg/L，平均值為1.496 mg/L，中位值為0.702 mg/L。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)對(duì)地表水水體使用功能的分類(lèi)，絕大部分河段的SRP為劣Ⅴ類(lèi)水平[23]，遠(yuǎn)高于北美密歇根湖(0.005～0.447 mg/L)[24]、珠江口近岸(0.050～0.390 mg/L，平均值為0.110 mg/L)[25]的SRP水平，污染嚴(yán)重區(qū)域甚至比天津水上公園景觀湖(0.022～0.113 mg/L，平均值為0.060 mg/L)[26]中SRP濃度高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明石家莊景觀水系中磷污染問(wèn)題普遍且較嚴(yán)重。從研究數(shù)據(jù)來(lái)看，石家莊景觀水系中SRP濃度已超出公認(rèn)的水體富營(yíng)養(yǎng)化磷元素質(zhì)量濃度的閾值(TP=0.200 mg/L)[27]，同時(shí)在空間上也呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的差異化。因此，進(jìn)一步探究石家莊景觀水系中SRP濃度的時(shí)空分布特征，分析其影響因素，將對(duì)后續(xù)水環(huán)境治理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 石家莊景觀水系SRP的空間分布特征

表1展示了石家莊景觀水系中SRP濃度的空間分布，使用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性差異的分析。結(jié)果表明，石家莊景觀水系中天然河流的SRP質(zhì)量濃度最小(0.040～0.141 mg/L，平均值為0.075 mg/L)，人工河流和景觀湖的濃度水平相近并無(wú)明顯差異(p>0.05)，但在整體空間分布上表現(xiàn)出相似的特征。該地區(qū)西南部水系采樣點(diǎn)的SRP水平較高(0.702～5.518 mg/L，平均值為2.724 mg/L)，而東北部水系采樣點(diǎn)的SRP水平較低(0.030～0.864 mg/L，平均值為0.213 mg/L)，呈現(xiàn)出顯著的空間差異(p<0.05)。

表1 石家莊景觀水系中SRP的空間分布

位于石家莊北部，臨近太平河和滹沱河的N1、S3、S4、S5采樣點(diǎn)全年均保持著較低的SRP水平。這是因?yàn)樘胶雍弯镢訉儆谧匀缓恿?，是石家莊景觀水系主要的自然匯水區(qū)，其上游水源充足，且常年有水，水體更新快，故水質(zhì)狀況良好。而石家莊西南部以及市區(qū)部分人工河流和景觀湖采樣點(diǎn)距離上游水源較遠(yuǎn)，自然水源補(bǔ)給不足。各景觀湖較為獨(dú)立，雖然有人工河流連通，但河道上設(shè)有大量的橡膠壩控制水位，水流流速小于0.01 m/s，動(dòng)力不足，河道分割后連通性較差，極易形成靜止水體進(jìn)而蓄積污染物，長(zhǎng)期封閉的水體環(huán)境導(dǎo)致水質(zhì)下降，SRP濃度升高[28]，嚴(yán)重時(shí)造成富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，SRP空間分布差異還與石家莊特殊的地形體貌特征存在一定關(guān)系。研究區(qū)域西臨太行山，東接華北平原，造成了西北高、東南低的獨(dú)特地形。而經(jīng)流此處的子牙河水系和大清河水系皆自西北流向東南[29]。石家莊的地貌和水文特征共同作用使得市內(nèi)河流方向大多為從西北向東南。同時(shí)，城市景觀水系又承擔(dān)收納生活污水和地表徑流等作用，同一河段內(nèi)采樣點(diǎn)相互連通，不同河段又有連接點(diǎn)串聯(lián)，流經(jīng)城區(qū)的各排污口和雨水排放口后，SRP隨水流方向在下游處聚集，使得石家莊景觀水系中SRP的濃度呈現(xiàn)出北低南高的特征。值得注意的是，太行山緊鄰本次研究中的西南區(qū)域水系，頻繁的耕作和人類(lèi)活動(dòng)使得太行山水土流失情況嚴(yán)重。因此太行山除對(duì)研究區(qū)域地形產(chǎn)生影響外，其水土流失引起的面源污染也會(huì)對(duì)水系造成影響。已有研究指出，水土流失會(huì)加速土壤中SRP以泥沙流失的方式進(jìn)入水體[30]，這可能也是石家莊景觀水系西南區(qū)域SRP污染嚴(yán)重的原因之一。

除此之外，石家莊市區(qū)現(xiàn)主要運(yùn)行兩座污水處理廠(見(jiàn)圖1)，承擔(dān)了市區(qū)絕大部分生活污水和少量工業(yè)廢水的處理任務(wù)，經(jīng)處理的回用水成為石家莊景觀水系的部分水源補(bǔ)給。有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，污水處理廠會(huì)對(duì)所在區(qū)域水體SRP的空間分布造成影響[31-32]。由于石家莊經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展與人口數(shù)量的激增，工業(yè)廢水和生活污水排放量大幅增加，這大大加劇了污水處理廠的處理負(fù)荷。本次研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，石家莊景觀水系中臨近污水處理廠的南部水系采樣點(diǎn)(L1、L2、S1、S2、S9)SRP濃度均超過(guò)平均值及相應(yīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，間接表明污水處理能力不足可能是導(dǎo)致石家莊西南部景觀水系SRP濃度偏高的重要原因之一。

2.3 石家莊景觀水系中SRP的時(shí)間分布特征

全年不同時(shí)期石家莊景觀水系中SRP濃度動(dòng)態(tài)變化見(jiàn)圖2。可以看出，景觀水系SRP呈現(xiàn)出枯水期較高，平水期次之，豐水期較低的規(guī)律。其中枯水期SRP質(zhì)量濃度在0.043～5.518 mg/L，平均值為2.290 mg/L；平水期SRP質(zhì)量濃度在0.040～7.111 mg/L，平均值為1.702 mg/L；豐水期SRP質(zhì)量濃度在0.030～2.253 mg/L，平均值為0.751 mg/L。特別是在采樣點(diǎn)L5、S8、S9，豐水期SRP濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于平水期和枯水期。產(chǎn)生這種變化規(guī)律的原因可能與降水量密切相關(guān)，豐水期降雨量增大，加強(qiáng)了水源補(bǔ)給，利于水體流動(dòng)和水環(huán)境的更新，磷污染情況稍有減輕，呈現(xiàn)濃度降低的趨勢(shì)[33]。而在枯水期和平水期，自然降水補(bǔ)給能力下降，若人工補(bǔ)水不及時(shí)或者河道堵塞，水體交換能力和自?xún)裟芰Χ紩?huì)受到一定影響，易于發(fā)生磷元素的富集和富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象[34]。李如忠等[35]對(duì)合肥景觀水體中SRP的研究也表明，SRP在枯水期(冬季)呈上升態(tài)勢(shì)并達(dá)到頂峰，進(jìn)入春季后隨著降雨的增多，濃度下降。這說(shuō)明位于城市環(huán)境中的典型景觀水體，其SRP的濃度具有受降水影響而隨時(shí)間變化的普遍性規(guī)律。

圖2 不同時(shí)期各采樣點(diǎn)SRP質(zhì)量濃度Fig.2 SRP mass concentrations of sampling sites in different periods

值得注意的是，石家莊景觀水系不同類(lèi)型采樣點(diǎn)中，人工河流和景觀湖中SRP的濃度符合上述枯水期>平水期>豐水期的變化規(guī)律，但是天然河流卻表現(xiàn)出與此相反的趨勢(shì)(見(jiàn)圖3)。這是因?yàn)榻涤陼?huì)使污染物更容易通過(guò)地表徑流等方式進(jìn)入水體[36]，如以農(nóng)業(yè)面源污染為主要污染源的湖泊、河流，降水增多反而會(huì)沖刷地表土壤中含磷農(nóng)肥進(jìn)入水體，造成SRP濃度升高。DALOGLU等[37]使用SWAT模型證明了降雨量和農(nóng)肥使用頻率的增加促進(jìn)了美國(guó)伊利湖中SRP負(fù)荷增大。在本研究中，N1采樣點(diǎn)所在的滹沱河是唯一流經(jīng)石家莊市區(qū)的天然河流，河流兩邊為農(nóng)業(yè)用地和景觀綠化帶，河岸以松散的卵石層和土壤為主，正是由于降雨加速了其中的SRP進(jìn)入水體，致使降雨量大的豐水期水體中SRP濃度升高。綜上，磷的來(lái)源和傳輸途徑會(huì)對(duì)水體中SRP濃度的變化規(guī)律產(chǎn)生影響，特別是在城市復(fù)雜環(huán)境下受到多種因素的影響。后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注滹沱河上游和太行山區(qū)域，擴(kuò)大流域的研究范圍，并通過(guò)加強(qiáng)更長(zhǎng)周期的監(jiān)測(cè)，以期更好地探究不同類(lèi)型水體中SRP濃度的時(shí)間變化規(guī)律和影響因素。對(duì)于城市環(huán)境下的人工河流和景觀湖，生活污水、工業(yè)廢水和中水排放等點(diǎn)源污染仍是磷元素進(jìn)入水體的主要方式，以降水沖刷地表方式進(jìn)入景觀水系的量相對(duì)較少?？傮w來(lái)說(shuō)，石家莊景觀水系中SRP濃度高峰期在枯水期，在此期間應(yīng)對(duì)可能造成影響的因素重點(diǎn)監(jiān)控。

圖3 景觀水系不同類(lèi)型水體中SRP質(zhì)量濃度Fig.3 SRP mass concentrations of different water types in landscape water system

此外，位于石家莊水系北部的N1、S4、S5、S7、L6采樣點(diǎn)全年SRP質(zhì)量濃度在0.101～0.305 mg/L，表現(xiàn)出濃度偏低且各時(shí)期無(wú)較大波動(dòng)的特點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)學(xué)分析顯示不存在顯著性差異(p>0.05)。這可能是由于東北部的點(diǎn)位與其他區(qū)域點(diǎn)位不同，其大多臨近上游水源，補(bǔ)給充足，水體水量大，受降雨影響較小，所以相較于其他水源補(bǔ)充受限的人工河道、景觀湖的點(diǎn)位，SRP濃度較低且穩(wěn)定。

3 結(jié)論與建議

(1) 石家莊景觀水系中SRP水平偏高，質(zhì)量濃度在0.030～7.111 mg/L，平均值為1.496 mg/L，中位值為0.702 mg/L，并呈現(xiàn)出較強(qiáng)的時(shí)空分布特征?？臻g上SRP主要表現(xiàn)為西南部大于東北部的分布特征，石家莊地貌特征、人工水系的連通狀況、水土流失引起的面源污染以及污水處理廠的處理能力是SRP存在空間差異的潛在影響因素。時(shí)間上，SRP呈現(xiàn)枯水期>平水期>豐水期的規(guī)律，降雨量可能是不同時(shí)間SRP濃度變化的主要原因。石家莊景觀水系西南部區(qū)域，特別是枯水期的SRP污染情況較為嚴(yán)重，需要引起后續(xù)的關(guān)注和進(jìn)一步的監(jiān)測(cè)研究。

(2) SRP是水體富營(yíng)養(yǎng)化的限制性因子，其濃度同營(yíng)養(yǎng)化水平具有高度的一致性。建議后續(xù)研究深入探索SRP與水體營(yíng)養(yǎng)化水平之間的關(guān)系和驅(qū)動(dòng)作用，在條件有限的情況下，達(dá)到通過(guò)SRP濃度來(lái)初步判斷水體富營(yíng)養(yǎng)化水平的目的。

(3) 石家莊應(yīng)通過(guò)更加合理的設(shè)計(jì)規(guī)劃和管理使城市景觀水系發(fā)揮更大作用，加強(qiáng)各水源補(bǔ)給、保證渠道暢通和各河段之間的連通性、定期進(jìn)行河道底部清淤處理，進(jìn)一步改善和提高石家莊地表水的環(huán)境狀況。