合肥市城市水體氮磷及微量元素時(shí)空分布特征

洪桂云，羅 剛，張 瑾

(安徽建筑大學(xué) a.環(huán)境與能源工程學(xué)院;b.安徽省水污染控制與廢水資源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230601)

城市水體作為具有重要功能的水體類型，一直以來(lái)都是城鎮(zhèn)居民廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)，城市水體富營(yíng)養(yǎng)化不僅危害當(dāng)?shù)丨h(huán)境，同時(shí)也影響著城市的形象，其主要成因包括工業(yè)廢水、生活污水、養(yǎng)殖廢水排放等點(diǎn)源污染以及雨水沖刷地表廢棄物進(jìn)入水體、人為投放魚(yú)餌和地下水污染等面源污染[1]，而富營(yíng)養(yǎng)化的主要危害是破壞水體水質(zhì)健康及生態(tài)系統(tǒng)平衡。城市水體富營(yíng)養(yǎng)化是指水體接納了過(guò)量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),使藻類及其他水生植物異常繁殖,導(dǎo)致水體透明度降低,水中溶解氧下降,水質(zhì)惡化的現(xiàn)象。經(jīng)調(diào)查，除重點(diǎn)湖泊(水庫(kù))外我國(guó)城市河道約80%已受不同程度污染，許多城市的內(nèi)河水質(zhì)常年嚴(yán)重超標(biāo)。此外，城市公園水體水質(zhì)惡化，浮游藻類瘋長(zhǎng)，富營(yíng)養(yǎng)化狀況嚴(yán)重，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)約90%的城市公園水體遭受不同程度的污染。[2]研究選取合肥市三個(gè)典型水體為研究對(duì)象，采集表層水樣品和表層沉積物樣品，分析表層水和沉積物中N、P及微量金屬含量，研究N、P及微量元素在合肥市城市水體及底泥中的分布特征及來(lái)源。

1 材料與方法

1.1 流域特征和樣品采集

本試驗(yàn)從2021年3月初開(kāi)始，選取合肥市翡翠湖、環(huán)城河、董鋪水庫(kù)三個(gè)典型水體，其中翡翠湖、董鋪水庫(kù)各取 3 個(gè)采樣點(diǎn)采樣，環(huán)城河南段選取4個(gè)采樣點(diǎn)采樣，且每隔20天采集一次水樣，至2021年6月初結(jié)束，圖1-3為采樣點(diǎn)分布圖。為了充分反映三個(gè)水體的水質(zhì)狀況，采樣點(diǎn)選擇在湖面開(kāi)闊，水流平穩(wěn)處，力求避開(kāi)死水及回水區(qū)，采集時(shí)天氣狀況均良好。本實(shí)驗(yàn)樣品采集于各采樣點(diǎn)0.3～0.5m處，采用500mL的聚丙烯塑料瓶采滿水樣，采水器在使用之前，先用所取水樣潤(rùn)洗2-3 次。沉積物樣品用沉積物采泥器采集，樣品厚度為0～15cm。每處采樣點(diǎn)需同時(shí)取三個(gè)樣品，作為平行樣品。將采集的水樣和底泥貼上標(biāo)簽冷藏保存待處理。[3]

圖1 環(huán)城河南段采樣點(diǎn)分布圖

圖2 翡翠湖采樣點(diǎn)分布圖

圖3 董鋪水庫(kù)采樣點(diǎn)分布圖

1.2 分析和計(jì)算方法

水樣的預(yù)處理及分析測(cè)試均參照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法。[4]總磷(TP)、總氮(TN)、CODcr和五種微量元素分別采用《過(guò)硫酸鉀氧化—鉬銻抗分光光度法》[5]《堿性過(guò)硫酸鉀消解—紫外分光光度法》[6]《重鉻酸鉀消解分光光度法》[7]《水和廢水檢測(cè)分析方法》《電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》[8～9]進(jìn)行測(cè)定。所有樣品均做3次平行，試驗(yàn)結(jié)果以3次分析結(jié)果的平均值表示。通過(guò)測(cè)試可知，3次平行分析結(jié)果的誤差小于5%。[10]

2 結(jié)果與分析

2.1 TN、TP濃度隨時(shí)間變化

圖4為TN濃度隨時(shí)間變化圖，其中F為翡翠湖，H為環(huán)城河，D為董鋪水庫(kù)。環(huán)城河南段TN濃度在采樣時(shí)間內(nèi)均高于其他兩地水體，以第三次采樣時(shí)間為分界，環(huán)城河南段TN濃度前期變化幅度較大，后期則較為平穩(wěn)，其平均值為2.298mg/L，若只以TN濃度來(lái)衡量水質(zhì)狀況，環(huán)城河南段水質(zhì)總體處于Ⅴ類水，水質(zhì)狀況較其他兩地差。翡翠湖水體TN濃度在第三次采樣期間取到最小值，為1.321mg/L，而董鋪水庫(kù)水體則取到最大值，為1.519mg/L。在采樣時(shí)間內(nèi)翡翠湖水體TN平均濃度為1.736mg/L，僅以TN濃度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，水質(zhì)處于Ⅲ～Ⅳ類水，優(yōu)于環(huán)城河南段水體水質(zhì)。董鋪水庫(kù)TN濃度在采樣時(shí)間內(nèi)均低于另外兩地水體，在第三次采樣期間，其TN濃度變化幅度較大，但水庫(kù)總體TN濃度變化趨勢(shì)較平緩，其平均濃度為1.093mg/L，水體水質(zhì)總體處于Ⅱ～Ⅲ類水。

圖4 TN濃度隨時(shí)間變化曲線圖

由圖5知，三個(gè)水體中TP濃度總體均呈上升趨勢(shì)，其中環(huán)城河平均TP濃度最高，董鋪水庫(kù)平均TP濃度最低，第一次采樣時(shí)為最低值0.168mg/L，三個(gè)水體TP平均濃度差距不大，三者TP平均濃度分別為0.218mg/L、0.230mg/L、0.194mg/L。若只以TP濃度評(píng)價(jià)水體水質(zhì)，翡翠湖和環(huán)城河南岸水體水質(zhì)均屬于Ⅲ～Ⅳ類水，而董鋪水庫(kù)水體水質(zhì)屬于Ⅱ～Ⅲ類水。

圖5 TP濃度隨時(shí)間變化曲線圖

2.2 三個(gè)水體中不同采樣點(diǎn)TN、TP濃度分布

由圖6至7可知，翡翠湖采樣點(diǎn)2和3的TN、TP濃度較為接近，而采樣點(diǎn)1的TN、TP濃度在采樣期間低于采樣點(diǎn)2和3，結(jié)合圖6可以清晰看出，翡翠湖南岸水體TN、TP濃度低于北岸水體。而董鋪水庫(kù)水體采樣點(diǎn)1的TN、TP濃度則高于采樣點(diǎn)2和3的濃度，說(shuō)明董鋪水庫(kù)北岸水體TN、TP濃度略低于南岸水體。環(huán)城河水體采樣點(diǎn)1和2的TN、TP濃度低于采樣點(diǎn)3和4，環(huán)城河南岸靠西邊的水體TN、TP濃度低于靠東邊的水體。

圖6 翡翠湖水體不同采樣點(diǎn)TN、TP濃度分布圖

圖7 環(huán)城河南岸水體不同采樣點(diǎn)TN、TP濃度分布圖

圖8 董鋪水庫(kù)水體不同采樣點(diǎn)TN、TP濃度分布圖

為了清晰地反映所選三個(gè)水體中CODcr的濃度變化特征，如圖9所示，翡翠湖和環(huán)城河南段CODcr濃度較為接近，董鋪水庫(kù)CODcr濃度在12.343mg/L～16.076mg/L之間變化，明顯低于前兩者。在第一次采樣期間三個(gè)地點(diǎn)水樣CODcr濃度值基本相同，在第二次采樣期間均達(dá)到峰值，其中環(huán)城河南岸取到最高值，為33.912mg/L，是董鋪水庫(kù)最高值的1.86倍。若單以CODcr濃度為水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，三者水質(zhì)分別處于Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅰ～Ⅱ類水。

圖9 CODcr濃度隨時(shí)間變化曲線圖

2.3 水體中CODcr的濃度變化特征

2.4 三個(gè)水體中五種微量元素濃度變化特征

由圖10可知，三個(gè)采樣水體中鐵元素濃度大小依次為翡翠湖>環(huán)城河>董鋪水庫(kù)，其中董鋪水庫(kù)水體中鐵元素濃度變化較為平穩(wěn)，而翡翠湖水體波動(dòng)較大。

圖10 水體中鐵元素濃度隨時(shí)間變化曲線圖

參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，三個(gè)水體中鐵元素濃度均低于標(biāo)準(zhǔn)限值0.3mg/L。由圖11可知，三個(gè)水體中鋅元素濃度變化趨勢(shì)較為相似，且三者都在第一次采樣期間達(dá)到峰值。翡翠湖和環(huán)城河南岸水體鋅元素濃度在第三次采樣期間處于最低點(diǎn)，而董鋪水庫(kù)則在第四次采樣期間達(dá)到最低值?？傮w來(lái)說(shuō)，三個(gè)水體中鋅元素濃度均低于Ⅰ類水鋅濃度限值0.5mg/L。由圖12可知，翡翠湖和環(huán)城河南段水體中銅元素濃度較為接近，董鋪水庫(kù)水體則低于兩者。在第三次采樣期間，翡翠湖水體中銅元素濃度到達(dá)三個(gè)水體中最大值。由圖13和圖14可知，相較于鐵鋅銅元素的濃度，三個(gè)水體中錳和鉬的濃度較為稀少，除了第一次采樣期間錳元素和鉬元素的濃度稍高，其他時(shí)期兩者變化幅度小?？傮w來(lái)說(shuō)三個(gè)水體鉬元素的濃度較為接近，錳元素的濃度翡翠湖和環(huán)城河南岸較為接近而董鋪水庫(kù)略小于前兩者。

圖11 水體中鋅元素濃度隨時(shí)間變化曲線圖

圖12 水體中銅元素濃度隨時(shí)間變化曲線圖

圖13 水體中錳元素濃度隨時(shí)間變化曲線圖

圖14 水體中鉬元素濃度隨時(shí)間變化曲線圖

2.5 采樣水體沉積物中五種微量元素濃度變化特征

由于近幾年來(lái)合肥市政府對(duì)環(huán)城河水體采取的一系列整治措施，環(huán)城河南岸采樣點(diǎn)處底泥較為稀少，同時(shí)董鋪水庫(kù)屬于水源涵養(yǎng)地，周圍設(shè)有圍欄，底泥采集較為困難，因此本實(shí)驗(yàn)選取翡翠湖水體底泥進(jìn)行研究。翡翠湖底泥五種微量元素含量如表1所示。

表1 翡翠湖底泥五種微量元素含量 單位：μg/g

從表1中可以看出，翡翠湖水體底泥中五種微量元素大小分布為Fe>Mn>Zn>Cu>Mo，其中鐵元素含量遠(yuǎn)高于其他四種元素，鉬元素含量最低。

3 討論與結(jié)論

通過(guò)觀察TN、TP、CODcr濃度隨采樣時(shí)間變化曲線圖可看出，TN、CODcr濃度在3月3日到4月14之間處于較高水平，TP濃度則相反。經(jīng)分析，溫度較低時(shí)，微生物繁殖較慢，隨著溫度逐漸升高，飽和溶解氧含量降低，氮磷比逐漸提高，藻類繁殖加快。通過(guò)分析研究水體TN、TP分布及來(lái)源可知，翡翠湖水體TN、TP主要來(lái)源于地表徑流及干濕沉降，由于翡翠湖地區(qū)植被覆蓋率較高，雨水從馬路流入湖體時(shí)，經(jīng)草地過(guò)濾，相對(duì)減少了TN、TP的流入，而環(huán)城河南岸水體植被過(guò)濾程度較翡翠湖低，部分河段進(jìn)行養(yǎng)殖活動(dòng)，人為投餌也會(huì)加劇其TN、TP濃度的提升。同時(shí)，作為環(huán)城河主要水源的城市再生水中的營(yíng)養(yǎng)元素含量也使其TN、TP濃度高于其他水體。董鋪水庫(kù)水體處于合肥市郊區(qū)，地表徑流及干濕沉降所帶來(lái)的TN、TP含量較城區(qū)少，但人為養(yǎng)殖活動(dòng)、魚(yú)類放生和投餌也會(huì)使水庫(kù)TN、TP濃度提高。隨著近幾年來(lái)合肥市加大對(duì)景觀水體的治理力度，南淝河水體和巢湖水體水質(zhì)有明顯的好轉(zhuǎn)，但TN、TP濃度仍然較高，與李如忠等人[11]測(cè)定的南淝河水體及奚姍姍等人[12]測(cè)定的巢湖水體TN、TP濃度對(duì)比可知，南淝河水體和巢湖水體TN、TP濃度高于翡翠湖、環(huán)城河南岸、董鋪水庫(kù)水體，其中南淝河水體TN、TP濃度最高，董鋪水庫(kù)水體TN、TP濃度最低。

與程青[13]測(cè)定的西安市典型水體中五種微量元素濃度對(duì)比可知，翡翠湖水體中鐵濃度明顯高于漢城湖、南湖等西安市典型景觀水體，而沉積物中鐵元素的含量則較為接近，主要由于氣候條件和其他因素影響，致使翡翠湖沉積物中鐵元素釋放得更快。本實(shí)驗(yàn)選取的三個(gè)水體中鋅元素和銅元素的含量都略高于西安市水體，而錳元素和鉬元素的含量則較為接近，翡翠湖底泥中錳、鋅、鉬含量略高于西安市水體，銅元素的含量則較為接近?？傮w而言，翡翠湖、環(huán)城河南岸、董鋪水庫(kù)水體與西安市水體中微量元素分布規(guī)律均為Fe>Zn>Cu，翡翠湖底泥中五種微量元素分布與西安市水體沉積物相似，均為Fe>Mn>Zn>Cu>Mo。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1)翡翠湖水體TN濃度在1.321mg/L～2.243mg/L之間，整體呈下降趨勢(shì)，TP濃度在0.183mg/L～0.265mg/L之間，變化規(guī)律不明顯，TN、TP主要來(lái)源于城市地表徑流和干濕沉降。CODcr總體呈下降趨勢(shì)。水體中五種微量元素較環(huán)城河南岸和董鋪水庫(kù)高，底泥中鐵錳鋅含量較高。總體而言,翡翠湖水體水質(zhì)處于Ⅳ類水，TN、TP濃度南岸水體低于北岸。

(2)環(huán)城河南岸水體水質(zhì)較差，為Ⅴ類水，氮磷主要來(lái)源是地表徑流、干濕沉降、魚(yú)類養(yǎng)殖及城市再生水供給，且TN冬春交際時(shí)含量高，TP春夏交際時(shí)含量高，TN、TP濃度西邊水體低于東邊水體。同時(shí)，環(huán)城河南岸水體CODcr含量是三個(gè)水體中最高的，五種微量元素含量處于三個(gè)水體中間位置。

(3)董鋪水庫(kù)為合肥市水源涵養(yǎng)地，其水體水質(zhì)良好，達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，TN濃度變化較為平均，TP濃度春季較低，春夏交際時(shí)較高，TN、TP濃度南岸高于北岸，氮磷主要來(lái)源為干濕沉降、魚(yú)類養(yǎng)殖投餌等。