不同污染类型水体流速与SPI值的关系

(抚顺县投资审计中心，辽宁 抚顺 113006)

城市景观水体多为封闭缓流水体[1]，水体自净能力低、水环境容量小、水域面积小，加上人类活动及水体自身的生态脆弱性，极易造成水体中浊度增大、悬浮物增多，使得城市景观水体表观污染日趋严重[2]。随着人们生活水平不断提高，城市功能不断完善，城市景观河道建设也成为河道整治中的重点[3]。流速是水中水动力条件最直观的表达，王晓青等[4]指出，通过悬浮颗粒物的粒度分布特征能够实现水体表观污染机制的解释。李奂等[5]对大凌河进行的研究表明，较大的流速能够消除已经形成的水华，流速缓慢的河流更能促进水中悬浮藻类的生长。本文以辽宁抚顺城区河道水体为研究对象，将区域景观河道被污染的水体分为混合主导型水体、营养主导型水体和无机主导型水体，并进行采样分析，探究不同污染类型水体流速对水体表观的作用机制，该研究为生态建设以及制定水环境污染防治方案提供了科学依据。

1 试验及方法

1.1 样品选取

选取抚顺城区范围内具有一定流速的河道断面，对不同污染类型水体流速与 SPI值之间的关系进行研究(监测项目及仪器见表1)，避开极端天气，采样频次为每周 3～4 次，采样时间为上午10点到下午3点(采样点河段见表 2)。

表1 监测项目及仪器

表2 采样点河段概况

1.2 检测方法

采用吸收光谱法对水体表观污染进行分析，水体表观污染指数(SPI)方程[7]：

SPI=aln(βx)-b

(1)

式中x——抽滤前后水样扫描曲线面积差；

β——修正系数；

a，b——常数；

SPI——表观污染指数。

2 试验结果与分析

水体的污染指标包括浊度、叶绿素、 COD、溶解氧、氨氮、总磷等。按水体特征污染物的不同，分为混合型水体、营养主导型水体、无机主导型水体(不同类型污染物特征见表3)。

表3 不同类型污染物特征

2.1 混合型水体中流速对SPI值影响机制

2.1.1 古城东片区

古城东片区河道上游水源为浑河，该区域主要有葛布东河和小清河，居民生活污水直接排入水体，增加水中营养盐及有机物的含量，引起水体表观污染。下面以葛布东河为例进行说明。

葛布东河水体平均流速为43cm/s，为护城河河水进入古城区的主要通道，葛布东河流速与SPI值关系曲线如图1所示，流速范围为28.70～76.80cm/s，流速与SPI值基本呈线性相关(各指标之间水中SPI值的相关性分析见表4)。

图1 葛布东河流速与SPI值关系曲线

由表4可以看出，水中的浊度、高锰酸盐指数、氨氮、总磷、溶解氧与SPI值呈一定的相关关系，其中浊度、高锰酸盐指数、氨氮、总磷与SPI值呈正相关关系，说明流速与相应的各指标呈正相关关系，同时水中的浊度、高锰酸盐指数、氨氮、总磷等可能是影响水体表观的物质。利用偏相关分析探究特征污染物、流速、SPI值之间的关系(见表5)。可以发现，水体的NTU/Im、浊度、高锰酸盐指数、总磷含量均大幅度增加，表明这些物质对水体表观的影响程度在逐渐减弱，该河段流速主要通过作用于水中的浊度、高锰酸盐指数、总磷来影响水体SPI值。

表4 混合型水体中各水质参数、流速与SPI值之间的皮尔逊相关关系

注*在0.05水平(双侧)上显著相关。

表5 混合型水体中各表观特征污染物质与SPI值偏相关关系

水中悬浮颗粒物均可对水中营养盐及有机物进行吸附。在颗粒表面，存在大量带负电荷的微生物，粒径越小比表面积越大。通常水中的污染物质带正电荷，因此水中悬浮颗粒物含量、粒径大小发生变化，会导致水中污染物发生变化。流速通过悬浮颗粒物，使水中的营养盐及有机物及含量发生改变，从而对水体表观产生不同程度的影响。分析结果表明，该河段随着水体流速的增大，水体中无机物质含量增多，流速主要通过作用于水中的悬浮物浓度来影响SPI值。

2.1.2 古城西片区

古城西片区上游来水主要为关山湖，紧邻石门堰，该区域叶绿素浓度较高，人口密度较大，生活污水的大量排放，使水体表观污染较为严重。古城西片区主要有葛布西河、太子河，以葛布西河为例进行分析。

葛布西河两旁无居民区，水体常年呈现绿色，污染物主要来自地表径流和上游来水。 该河段平均流速为21.90cm/s，流速范围为4.81～32.20cm/s，在相应的流速范围内，随着流速的增加SPI值直线上升，流速与SPI值呈现显著的正相关(对葛布西河段流速和 SPI值与各水质指标的相关性分析见表6)。

表6 混合型水体中流速和SPI值与各水质指标的相关性分析

注“**”“*”分别表示在0.01和0.05 水平(双侧)上显著相关。

由表6可知，水体类型随着流速的增大向着无机型过渡，影响水体SPI值的物质主要有藻类、悬浮物、氨氮、总磷和溶解氧，其中，悬浮物和溶解氧对水体的表观影响较为显著。以流速为控制变量，从各水质指标与SPI值的偏相关分析(见表7)可以看出，水中的藻类、浊度和溶解氧均与SPI值呈较显著的正相关关系，且受流速的影响较大。NTU/Im、浊度和溶解氧对SPI的影响明显减弱，水中的总磷和氨氮与SPI值呈现一定的负相关。主要由于流速的变化增加溶解氧的含量，生物的降解速率加快，从而使水体的SPI值降低。

表7 混合型水体中各水质指标与SPI值的偏相关分析

注P1:正常河段表观污染特征污染物质与SPI值显著性分析结果；P2:控制流速时，表观污染特征污染物质与SPI值显著性分析结果。

通过对葛布东河和葛布西河进行分析，由于上游水源的差异，影响混合型水体SPI值的成分比较复杂，使得流速对污染的作用机制有所不同。随着流速的增加，水体的无机化水平增加，并向着无机型水体过渡，流速主要作用于无机悬浮物含量和水中的藻类。

2.2 营养主导型水体中流速对SPI值的影响分析

以北沙河段为例，对营养主导型河道进行分析，该河段水体呈绿色，无明显的生活污水的排入。水体中的营养盐含量较高，氨氮平均值为0.91mg/L，磷平均值为0.11mg/L(北沙河流速与SPI值关系曲线见图2)。

北沙河的流速范围为5.70～76.80cm/s，平均流速为31.50cm/s，相应的流速范围内，流速对SPI值的影响并不显著。对河段的各表观污染影响物质与SPI值的相关性分析见表8。可以看出，该河段SPI值与NTU/Im、叶绿素、浊度和水中的溶解氧分别呈显著正相关，相关系数分别为0.97、0.85、0.97和0.79，表明藻类的含量、悬浮物浓度、水中的溶解氧含量等对水体SPI值影响较大。

图2 北沙河流速与SPI值关系曲线

项 目NTU/ImFv/FmChl⁃aNTUImNH3⁃NTPDOvv0 5366-0 55540 51680 46630 1218-0 4000-0 33860 59000 9900SPI0 9742∗∗-0 7950∗0 8465∗∗0 9742∗∗-0 2366-0 7425-0 7187∗0 7920∗0 4623

注“**”“*”分别表示在0.01和0.05 水平(双侧)上显著相关。

将水体流速作为控制变量，对污染物质与SPI值偏相关分析(见表 9)说明，藻类对SPI值的影响程度降低，即水体流速主要通过作用于藻类含量影响水体的表观质量。

2.3 无机主导型水体中流速对SPI值的影响分析

柳唐沟上游为无机主导型的河道，受上游水质影响较小，无明显污染源，流速较快。SPI均值为45.785，流速范围为0.409～0.998m/s，当流速大于0.825m/s 时，水体的表观质量达到良好水平，相应的流速范围内，无机主导型水体随着流速的增加SPI值呈现一定的下降趋势(SPI值与各污染物质之间的相关性见表10)。

表9 营养主导型水体中各表观特征污染物质与SPI值偏相关关系

注P1:正常河段表观污染特征污染物质与SPI值显著性分析结果；P2：控制流速时，表观污染特征污染物质与SPI值显著性分析结果。

表10 无机主导型水体中SPI值与各污染物质之间的相关性

注*在0.05水平(双侧)上显著相关。

由表10可知，影响水体表观的主要污染物质为总磷，水体中的总磷在城市内河中大多数以颗粒态的形态存在(各表观特征污染物质与SPI值偏相关关系见表11)，可知流速不变时，总磷含量对 SPI值的影响程度降低，即在一定程度上流速会对颗粒态总磷和SPI值之间的关系产生影响。浊度范围为15.50～26.00NTU，标准差为3.32NTU，平均值为21.85NTU，表明该河段的悬浮物含量较高。主要由于水体流速较快，泥沙颗粒保持上浮状态，流速的扰动使得颗粒对水中营养盐的吸附更加明显。当流速增大时，挟带作用将大颗粒泥沙冲走，使得水质变好。

表11 无机主导型水体中河段各表观特征污染物质与SPI值偏相关关系

注P1:正常河段表观污染特征污染物质与SPI值显著性分析结果。P2：控制流速时，表观污染特征污染物质与SPI值显著性分析结果。

研究表明，无机型水体SPI值产生影响的敏感粒度范围分别为3.70～16.50μm和34.50～65.50μm，当浊度小于45NTU时，3.70～16.50μm范围的粒度与SPI值呈正相关，34.50～65.50um范围的粒度与SPI值呈一定的负相关。由于该河段流速较快，大颗粒物质组分含量逐渐增加， SPI值也会有一定程度的降低。分析结果表明，无机型水体中流速主要通过影响水中颗粒态营养盐的含量和颗粒物含量对水体SPI值产生影响。

3 结 论

本文以辽宁抚顺城区河道为研究对象，运用偏相关分析和相关分析方法，探究不同污染类型水体流速与水体SPI值的关系，得出以下结论：在相应流速范围内，随着流速的增加，混合型河道水体处于向无机型水体过渡的阶段，流速主要通过作用于水中的无机悬浮物含量、藻类对水体的 SPI值产生影响；在相应的流速范围内，营养主导型的水体中流速主要通过作用于水中的藻类影响水体的SPI值；对于无机型河道，无机型水体中粗端粒径大于营养型水体和混合型水体，水体中流速主要通过影响水中颗粒态营养盐的含量和颗粒物含量对水体SPI值产生影响。fffff0

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