北京奥运龙形水系水质特征分析与评价

刘青,何芳、,张清靖,杨慕,李扬、,曲疆奇

(1.大连海洋大学辽宁省水生生物学重点实验室,辽宁大连116023;2.北京市水产科学研究所,北京100068)

北京奥运龙形水系水质特征分析与评价

刘青1,何芳1、2,张清靖2,杨慕2,李扬1、2,曲疆奇2

(1.大连海洋大学辽宁省水生生物学重点实验室,辽宁大连116023;2.北京市水产科学研究所,北京100068)

根据2012年对北京市奥林匹克公园龙形水系水质逐月监测结果,采用综合营养状态指数法(TLI)和水质综合标识指数法(WQI)分别对该水系水体富营养化现状和水质级别进行评价。结果表明:龙形水系水质偏碱性,水中溶解氧常年处于过饱和状态,化学耗氧量(CODMn)、生化需氧量(BOD5)、悬浮物、叶绿素a、总氮和总磷等水质指标随时间变化较大,水体中总磷一直维持在较低水平,是龙形水系水体富营养化的限制因子;水系水体营养状态从春季到秋季由轻富营养到中营养转变,其水质级别基本上都在Ⅲ类水质标准以上,达到了水环境功能目标要求;沉水植物种植水域水质优于非沉水植物种植水域;水系河道设计也能影响水系的水质。本研究结果可为北京市奥林匹克公园龙形水系水环境保护提供科学依据。

龙形水系;水质特征;富营养化;评价

城市景观水体不仅是市民休闲娱乐的重要场所,也是城市水生态系统的重要组成部分。城市景观水体多为浅水型水体,容易受到自然因素和人为因素的影响,水体水质易恶化,严重时甚至会破坏水生态系统结构,影响人们的生活。北京奥运龙形水系位于北京奥林匹克公园中心区(40°00＇N, 116°23＇E),呈南北向分布,总长为2.7 km,水面宽度为18～123 m,总水面面积为16.5 hm2,水深为0.70～1.24 m。自南向北分别有国家体育南路、慧忠路、国家体育馆北路、大屯路、大屯北路和科荟南路穿过,将水面分割成W1～W9共9个区域[1]。北京市奥运龙形水系作为奥林匹克公园里一条完整水系,构成了全园的脉络和纽带,在建成后取得了较好的景观效果,但近两年水质变差,已引起了各方人士的关注。为此,作者于2012年对北京奥运龙形水系的水质进行了监测,并对其水质状况和营养程度进行了评价,以期为改善与保护该水系水质提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 监测点的设置

根据龙形水系各区域的不同特征,选取A、B、C、D 4个监测样点(图1)。其中,A点为硬质河床,直墙水岸,系水系补水的补水口区域,补充的中水来源于北京清河再生水厂;B点为硬质河床,东侧有缓坡水岸,西侧有亲水台设计;C点接近自然河床,亦是东侧有缓坡水岸,西侧有亲水台设计;D点接近自然河床,两侧皆有缓坡护岸。各缓坡均种植了水生植物,C、D水域种植有4万m2的沉水植物。在补水时水的流向自南向北。

1.2 方法

1.2.1 监测指标和方法 水质指标包括温度、pH、溶解氧(DO)、总氮(TN)、总磷(TP)、化学耗氧量(CODMn)、生化需氧量(BOD5)、叶绿素 a(Chl-a)、氨氮硝酸盐氮亚硝酸盐氮悬浮物(SS)。于2012年4—11月每月中旬对各监测点进行样品采集,用多功能水质测量仪(Aquameter GPS水质多参数分析仪)现场测定 pH、温度、DO;其他指标用采样瓶采集水样,带回实验室后按照 《水与废水监测分析方法》(第四版)中的方法进行测定。其中TP浓度含量较低,采用经典的方法无法检出,故使用仪器(德国 WTW 的CR2200消解器和pHotoFlex光度计)测定TP。

图1 龙形水系采样点位置图Fig.1 The sampling sites in Dragon-shaped water system

1.2.2 评价方法

1)富营养化状态的评价。采用综合营养状态指数法,该方法是按照各参数与基准参数的相关性程度对不同参数的营养状态指数适当加权,用加权后的综合营养状态指数来判断水体所处营养状况。与其他方法相比,综合营养状态指数法计算更简单,评价结果更准确[2]。本研究中,以中国环境监测总站制定的 《湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定》,选取TN、TP、CODMn、Chla 4种反映水体富营养程度的主要指标,通过计算综合营养状态指数(TLI),对龙形水系的富营养化状态进行评价。

参照文献 [2]中的方法计算相关加权综合营养状态指数:

其中:TLI(Σ)表示综合营养状态指数;Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重;TLI(j)为第j种参数的营养状态指数。

以Chl-a作为基准参数,第j种参数的归一化相关权重计算公式为

其中:rij为第j种参数与基准参数Chl-a的相关系数;m为评价参数的个数。

各单项营养状态指数的计算公式为

采用0～100之间的一系列连续数字对湖泊营养状态进行分级,将富营养状态分为5个等级: TLI(Σ)为0～30时为贫营养,30～50为中营养, 50～60为轻度富营养,60～70为中度富营养, 70～100为重度富营养[3]。

2)水质级别的判定。水质级别的判定采用综合水质标识指数法,它是一种全新的水质综合评价方法,可以完整标识水质评价指标的类别、水质数据、功能区目标值等重要信息,对综合水质做出合理的评价。综合水质标识指数由单因子水质标识指数总和的平均值、代表水质类别与功能区划设定类别的比较结果、参与整体水质评价的指标中劣于功能区标准的水质指标个数组成。

单因子水质标识指数(Pi)的计算公式为其中:X1为第i项水质指标的水质类别;X2为监测数据在X1类水质标准下限值与X1类水质标准上限值变化区间所处的位置;X3为水质类别与水体功能划定类别的等级差别,为一位或两位有效数字。

综合水质标识指数(WQI)的计算公式为其中:X1·X2为单因子水质标识指数法总和的平均值,为综合水质指数;X3为参与综合水质评价的单项水质指标中,劣于水环境功能区目标的指标个数,为标识指数;X4为综合水质类别与功能区类别的比较结果,视综合水质的污染程度,亦为标识指数。计算WQI的具体方法参照文献[4]。

对于龙形水系水环境而言,可以在断面水质级别评价的基础上对水系整体的综合水质级别进行评价,计算公式为

其中:Y1·Y2为水系的综合水质指数;i为水系水质监测断面编号;n为水系水质监测断面总数;(X1·X2)i为河流或水系第i个监测断面上的综合水质指数。

由综合水质标识指数判断水质级别的标准如表1所示。

表1 基于综合水质标识指数的综合水质级别判定标准Tab.1 Comprehensive water quality classification depending on water quality index(WQI)

本研究中采用国家环境保护总局2002年颁布的地表水环境质量标准为水质评价标准[5]。根据北京市水利规划设计研究院编著的 《北京奥林匹克公园水系及雨洪利用系统研究、设计与示范》,确定龙形水系水环境功能目标为地表水Ⅲ类水质。

2 结果

2.1 龙形水系水体的理化性状

根据对北京奥运龙形水系2012年4—11月的水质监测数据,得到各月份龙形水系水质状况如表2所示。由表2可知,水温随季节变化明显,变化范围为4.18～28.85℃,其中7月水温最高,11月水温最低,均与其他月份有显著性差异(P＜0.05);相同月份各监测点之间的水温变化不显著(P＞0.05)。龙形水系的pH在4—5月较高,且显著高于其他月份(P＜0.05);6—11月的pH略呈下降趋势,但各月份间差异不显著(P＞0.05),总体上龙形水系水质偏碱性。龙形水系的DO含量变化范围为7.62～14.17 mg/L,DO含量随季节变化明显,低温季节(4—5月和10—11月)的DO含量显著高于高温季节(8月) (P＜0.05)。从大部分监测到的DO值来看,龙形水系水体中的DO均处于过饱和状态,这是由于该水系碱度较高,且长时间保持稳定,和离子增多,CO2来不及溶入水中,而大量无机碳在微生物作用下转化为有机体,释放出氧气,使水体中DO呈过饱和状态[6];同时这还与北京晴天较多,光照充足,水中的藻类和光合细菌等光合作用强烈,水体受风力影响较大,以及大气DO补充等有关。

表2 龙形水系水体的理化性状Tab.2 The physical and chemical parameters of water quality in the dragon-shaped water system mg/L

由表2也可以看出,龙形水系各监测点的CODMn含量随月份变化大致呈现出先下降后上升的“U”字型趋势。其中,4月的 CODMn含量最高, 7、8月CODMn含量较低,且均与其他月份有显著性差异(P＜0.05)。龙形水系BOD5含量随月份变化大致呈现出 “L”型趋势。其中,4月的BOD5含量最大,显著高于其他月份(P＜0.05),5月次之;而其他月份各监测点BOD5的最高值为8.28 mg/L,最低值为2.50 mg/L。CODMn和BOD5都是衡量水中有机物含量的重要指标,其值越大,说明水中的有机物含量越高[7]。龙形水系夏季的CODMn显著下降,与其水系水质净化措施关系较大,夏季在龙形水系种植的沉水植物大量生长,构建的沉水植物系统形成,水生植物-微生物系统得到恢复,一方面水生植物吸收和富集部分小分子有机污染物,另一方面通过促进物质的沉淀和促进微生物的分解作用来净化水体,有效地降解了水中的有机物[7]。水体中的SS含量随月份变化较大,分别在5、7、9月各出现一个峰值,均与其他月份有显著性差异(P＜0.05),但这3个月的SS值彼此间均无显著性差异(P＞0.05)。SS含量的这种变化规律与龙形水系该年的补水措施关系密切,SS含量出现峰值的时间正是龙形水系的补水时间点,而补入龙形水系的水均为中水,其SS含量远远高于水系中原有水的SS含量,从而导致水系中SS含量季节性出现峰值。水体中Chl-a值6—10月较高,而 11月最低,显著低于其他各月份(P＜0.05)。不同监测点Chl-a的变化也十分明显,在同一监测时间,A、B监测点的Chl-a值较高,C、D监测点的Chl-a值较低,这与C、D点所在的水体构建了完善的沉水植物系统有关。已有研究表明,大型水生植物对藻类存在化感作用,能抑制浮游植物的生长,降低藻类的现存量,从而降低Chla的含量[7]。

2.2 龙形水系水体营养盐水平及成因

龙形水系水体在不同月份的营养盐水平见图2。由图2可见,水体中的TN随月份变化明显, 7—10月较低,其中最低值出现在 8月,为(1.03±0.60)mg/L,而4、5、6、11月均较高,最高值出现在11月,为(7.28±6.63)mg/L,且显著高于除6月之外的其他月份(P＜0.05)。水体中的TP最高值出现在5月,为0.10 mg/L,且显著高于其他月份(P＜0.05),4、6月的TP也相对较高,而7—11月的TP较低。龙形水系的TP含量变化于0.003～0.105 mg/L,都处于较低水平,一直维持在Ⅲ类水质标准(＜0.2 mg/L)范围内。从采样点位来看,4—11月A、B点监测到的TN平均值分别为(5.16±5.14)、(5.94±3.48)mg/L, TP平均值分别为(0.047±0.032)、(0.035±0.042) mg/L,而 C、D点监测到的 TN平均值分别为(1.93±1.17)、(1.92±1.66)mg/L,TP平均值分别为(0.029±0.034)、(0.021±0.033)mg/L,A、B点的TN和TP显著高于C、D点(P＜0.05),而A与B点或C与D点之间却无显著性差异(P＞0.05)。通常C、D点的TN和TP值都要比A、B点低,特别是C、D点的TP都维持在Ⅰ类水质标准(＜0.02 mg/L)范围内。水体中NO-2-N的含量11月最高,为(0.073±0.045)mg/L,显著高于除5、6月之外的其他月份(P＜0.05);5月次之,为(0.042±0.059)mg/L,而其他月份均较低。水体中的NH+4-N含量在6月最高,为(2.00±0.42) mg/L,显著高于其他月份(P＜0.05);11月最低,仅为(0.10±0.08)mg/L。而水体中的NO-3-N含量在11月最高,为(6.72±6.28)mg/L,显著高于其他月份(P＜0.05)。

图2 龙形水系营养盐指标的月变化Fig.2 The monthly change in nutrient indicators in the dragon-shaped water system

氮、磷等营养盐的含量对水质有重要影响,是浮游植物和大型水生植物初级生产的限制性因子,要保护和维持好水体水质,必须将氮、磷作为优先控制的污染物[8]。本研究结果表明,高温季节的氮、磷水平比低温季节低,主要是冬季的低温抑制了微生物、浮游动植物、水生植物的生物活性,从而降低了生物作用对氮、磷的去除效果,因此自净能力差[9]。沉水植物较多的水域(C、D点)比其他水域(A、B点)的氮、磷水平明显低,也是由于水生植物在不同的营养级水平上存在维持水体清洁和自身优势稳定状态的机制:水生植物有过量吸收营养物质的特性,能降低水体的营养水平[10-12]。在天然富营养化条件下,磷元素多因其易于沉积而成为浮游植物生长的限制因子,也成为难以去除的营养物质。在天然水体中,大型根着植物(沉水植物)因其可以直接从底泥中吸收营养而在与浮游植物的竞争中占优势[13-14]。因此,在水系中种植沉水植物对于稳定生态系统和净化水质有其特有的作用。

2.3 龙形水系水体富营养化状态的评价

利用综合营养状态指数(TLI(Σ))对4—11月水系中各监测点的综合富营养状态指数进行计算,结果如表3所示。从表3可见:A监测点水体各月的TLI(Σ)为43.99～58.38,其中4—7月和9—10月水体的综合营养状态指数变化不大,皆处于轻度富营养状态,8、11月的指数下降较明显,呈中营养状态;B监测点水体各月的TLI(Σ)为40.07～63.95,4、5月水体处于中度富营养状态,6月为轻度营养状态,7—11月为中营养状态,整体上随月份的增加水质呈递减趋势;C监测点水体各月的TLI(Σ)为35.22～55.52,4—6月水体为轻度富营养状态,7—11月为中营养状态;D监测点水体的TLI(Σ)为31.75～55.67,4、5月水体处于轻度富营养状态,6—11月为中营养状态。总体上来讲,龙形水系水体4、5月的TLI(Σ)较高,呈中度或轻度富营养化状态,而6—11月的TLI(Σ)较低,处于中营养状态,C、D点的TLI(Σ)明显低于同期的A、B点。

水系水质综合富营养状态评价结果表明,水系水体营养状态从春季到秋季由轻度富营养到中营养转变。荆红卫等[15]对北京市其他城市湖泊富营养程度的研究表明,富营养化程度在盛夏形成高峰,春季和冬季为全年最低,这种不同的富营养状态趋势与龙形水系自身独特的设计有关。在龙形水系,采用的高效循环处理和强化除磷新技术降低了水体的TP含量,使该水系中的TP水平一直维持在Ⅲ类水质标准,特别是C、D点的TP水平基本上都保持在Ⅰ类水质标准,龙形水系水体的N/P值比较高,达到42～390。根据一些学者提出的营养物划分标准:当N/P＜7～10时,藻类生长表现为氮限制状态;当N/P＞22.6～30时,磷成为藻类生长的限制性因子[16-17]。由此可见,龙形水系夏季较低的磷含量一定程度上降低了水体中无机氮的生物利用,限制了水体中藻类的生长,没能引起水质富营养化程度的恶化。这与已有关于磷在不同水体中起限制因子作用的报道[18-19]结果相同。龙形水系的高效循环处理和强化除磷新技术对于磷的去除效果明显,并且在一定程度上控制了水体富营养化的发生。

表3 龙形水系综合营养状态指数月变化Tab.3 The monthly changes in trophic level index(TLI)in the dragon-shaped water system

2.4 龙形水系水质级别判定

水系水质级别的判定采用综合水质标识指数法(WQI)。本研究中选取 DO、TN、TP、CODMn、BOD5、NH+4-N作为评价指标。根据这些评价指标的监测数据,按照公式(7)和(8)计算 WQI值,结果见表4。从表4可见,4月龙形水系各监测点的WQI为3.830～4.431,参评指标中有2个指标超标,除A点水质为Ⅲ类外,其他监测点水质均为Ⅳ类;5月水系各监测点的WQI为4.131～ 3.430,参评指标中有3个指标超标,A、B监测点水质为Ⅳ类,劣于水环境功能目标一个级别,C、D点为Ⅲ类;6月水系各监测点的WQI皆大于4,参评指标中有4个指标超标,各监测点水质皆为Ⅳ类,均低于水环境功能目标一个级别;7—10月水系各监测点的WQI为2.510～3.920,水质达到水环境功能目标,参评指标中有1个超标,A、B点水质为Ⅲ类,C、D点水质甚至达到Ⅱ类标准;11月B点水质为Ⅳ类,A点水质为Ⅲ类,C、D点水质为Ⅱ类标准。总而言之,水系的A、B点的WQI较C、D点高。

表4 不同样点综合水质标识指数月变化Tab.4 The monthly changes in WQI in different sampling sites

依据公式(9)计算整个水系的综合水质指数(Y1·Y2)为2.90～4.40。从图3可见,6月水系的Y1·Y2最大,4、6月整个水系的综合水质劣于水环境功能目标一个级别;5、7、9、10、11月水系为Ⅲ类水质,达到水环境功能目标要求;8月水系的Y1·Y2最低,综合水质达到Ⅱ类水质标准。

图3 水系综合水质指数月变化趋势Fig.3 The monthly changes in WQI in the water system

龙形水系能维持良好的水质状况,除使用了强化循环除磷技术以及构建与完善了沉水植物系统外,水系的缓坡设计与缓坡上种植了芦苇等水生植物也是一个重要因素。研究表明,河岸带对来自农田的地表径流和营养物质有截留效应[20-21]。李婉等[22]报道了北京转河水质状况与河岸结构有明显的对应关系,在水生植物相对较多的河岸带,河流中的硝酸盐和氨氮浓度较低。缓坡上种植的芦苇等水生植物具有明显的根际效应,根际微生物的数量和活性均大于非根际微生物的数量和活性。有研究表明:植物可强化根际微生物吸收、根际周围硝化和反硝化等作用,是去除TN的主要途径[23];芦苇对水中富营养化成分的去除率在轻富营养化水体中高于重度富营养化水体[24]。

水域中沉水植物的构建和缓坡水生植物的种植,不仅能营造一片水下森林,美化环境,还能更好地保护水质。此外,对枯萎和腐烂的水生植物要做到及时清理收割,以防止对水质造成再次污染。

3 结论与建议

1)对龙形水系2012年度的水质监测结果显示:龙形水系水质偏碱性;水中DO常年处于过饱和状态,CODMn和BOD5随月份分别呈现出 “U”型和 “L”型变化趋势,SS分别在5、7、9月各呈现一个峰值,而Chl-a、TN和TP随时间变化较大,且水域中沉水植物的构建对其值的降低影响明显;水体TP一直维持在较低水平,是龙形水系水体富营养化的限制性因子。

2)通过对水体的富营养化状态和水质级别进行评价和判定,得出了龙形水系水体营养状态从春季到秋季由轻富营养到中营养转变,其水质级别大部分时间都在Ⅲ类水质标准以上,达到了水环境功能目标的要求。

3)水域中沉水植物的构建、缓坡水生植物的种植、水质的循环处理和强化除磷技术等措施对龙形水系的水质保护都起到了重要的作用。

4)补入景观水体的水为中水,建议增加一些净化措施对补入的中水水质净化后再进入该水系,这样能对水系水质起到更好的保护作用。

5)鉴于龙形水系种植沉水植物水域(C、D水域)水质明显优于非种植区域(A、B水域),建议加大对该水系沉水植物种植的水域面积,并放养一定数量的鲢、鳙等滤食性鱼类,在营造一片水下森林、美化环境的同时,更好地保护水质。另外,要及时收割枯萎水生植物,防止对水质的再次污染。

6)龙形水系建设在奥林匹克森林公园内,游客较多,建议加强对游客文明观光旅游的宣传和引导,减少人为的向水系水体中投入食品、垃圾等外源污染物。

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Analysis and evaluation of water quality characteristics in Olympic Dragon-shaped Water System in Beijing

LIU Qing1,HE Fang1,2,ZHANG Qing-jing2,YANG Mu2,LI Yang1,2,QU Jiang-qi2
(1.Key Laboratory of Hydrobiology of Liaoning Province,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;2.Beijing Fisheries Research Institute, Beijing 100068,China)

The water quality was monthly monitored in the dragon-shaped water system in Beijing Olympic Park in 2012,and the water eutrophication and state were evaluated by trophic level index(TLI)method and water quality index(WQI)method.Some water quality indices including chemical oxygen demand(COD)Mn,biological oxygen demand(BOD5),suspended solid(SS),Chl-a,total nitrogen(TN)and total phosphorus(TP)were found to be fluctuated sharply with time in the slightly alkaline,and supersaturated dissolved oxygen water in the dragonshaped water system.The relatively low level of TP in the water was the limiting factor of eutrophication in the dragon-shaped water system.The eutrophication was found to be changed from light eutrophication in spring to mesotrophication in summer and autumn,classⅢwater quality standard in most of the time to meet the water environment function target requirements.There was better water quality in submerged plant area than that in non-submerged plant area.The water quality was also affected by the drainage channel design.The findings provide a theoretical basis for water environmental protection of Beijing Olympic dragon-shaped water system.

dragon-shaped water system;water quality characteristics;eutrophication;assessment

X171.1;X143

A

2013-03-23

国家重大水专项基金资助项目(2009ZX07314-009-05);国家 “十二五”科技支撑计划项目(2012BAD25B03);北京市科技计划项目(Z121100001512008)

刘青(1965-),女,副教授。E-mail:liuqing@dlou.edu.cn

张清靖(1974-),男,高级工程师。E-mail:qingjingzhang2007@yahoo.com.cn

2095-1388(2013)06-0597-07