流速对不同类型城市景观河道表观污染的影响

2018-04-24宋晓立

水利规划与设计 2018年3期

宋晓立

(凌源市凌河保护区管理局，辽宁朝阳 122500)

城市景观河道具有观赏娱乐、水源供应、交通运输和水产养殖等多方面的功能[1]。随着城市化水平的加快，生活污染、工业污染以及河道维护的不完善，导致城市景观河道水体颜色异常、透明度降低且有异味，城市水体功能逐渐减少[2]，城市景观河道建设也成为河道整治中的重点。目前城市面临的表观污染问题主要是水体富营养化和黑臭，由于水体流动缓慢，微生物发生厌氧消解，引起水体黑臭[3]。针对流速对景观河道表观污染影响的研究越来越多，陈鸣等[4]人研究指出随着流速的变化，环芳烃的释放量有所差别，与静水相比流速增加到0.6m/s时，环芳烃的含量增加了5倍；李奂等[5]通过模拟实验，探究了水体温度和流速对水中藻类的影响，结果表明流速对藻类的生长的影响更加显著。本文以凌源市城区的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，探究水流速度与水体表观之间的相互关系，为该地区的生态建设以及制定水环境污染防治方案提供科学依据。

1 实验及方法

1.1 监测项目及方法

监测项目及仪器如表1所示[6]。

表1 监测项目表及仪器

1.2 采样点的选取

选取城区范围内具有一定流速的河道断面，对流速与SPI值之间的关系进行研究，避开极端天气，采样频次为每周2～4次，采样时间为上午十一点到下午两点，采样点河段见表2。

1.3 检测方法

表2 采样点河道概况

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。

SPI值越小，水体表观质量越好。

2 试验结果与分析

2.1 研究区域内河道分类

在一定程度上增加水体的流速，可以消除城市的黑臭现象，对断面进行数据进行处理。水体表观质量的特征污染物主要包括[10]：叶绿素a、浊度、硫化物、总磷、氨氮、高锰酸盐指数等，各指标因子之间的相关性分析见表3。

通过定性定量分析并结合了周边环境因子的影响，将研究区内的被污染的水体分为混合主导型水体、营养主导型水体、无机主导型水体，不同类型河道分类表如图1所示。

图1 不同河道平均流速与SPI值关系

2.2 混合型水体流速与SPI值之间的关系

混合型水体流速与SPI值之间关系见表4。可知混合型水体中，SPI值范围为30.107～48.635，均值为41.693，标准偏差为5.175，平均流速为0.242m/s，流速范围为0.101～0.433m/s，标准偏差为0.102，流速与SPI值成正相关关系，表明SPI值随着流速的增大成波动式上升趋势。对于混合型水体，流速小于0.425m/s时，水体处于良好水体时SPI值小于45。

表3 各指标因子之间的相关性分析(*为P<0.05，**为P<0.01)

根据来水水源及地理位置差异的差异，选取四条典型河道进行研究，分别为大凌河、清水河、青龙河和窟窿山河平下游，用混合型水体中的典型河道来说明流速与SPI之间的关系。大凌河段流速与SPI值关系曲线，如图2所示。

图2 大凌河段流速与SPI值关系曲线

从图2中可以看出，大凌河段SPI值范围为38.936～58.696，均值为45.079，标准偏差为5.418。流速范围为0.287～0.768m/s，平均流速为0.433m/s，标准偏差为0.135，在流速范围内，随着流速的增加SPI值逐渐增大，在P<0.01水平下两者显著正相关，线性相关系数为0.955。清水河段流速与SPI值关系曲，如图3所示。

图3 清水河段流速与SPI值关系曲线

由图3可知，清水河段SPI值范围为39.501～59.321，均值为45.163，标准偏差为5.631；流速范围为0.068～0.193m/s，平均流速为0.131m/s，标准偏差为0.040，表明在相应流速范围内，随着流速的增加SPI值成线性增加，清水河段流速和SPI值线性相关系数为0.881(P<0.01)。当流速约为0.183m/s时，SPI值达到59.321，主要是一方面由于受上游水质的影响，通过水流的夹带作用，导致清水河段SPI值较高，另一方面在六月下旬为暴雨多发期，清水河段水深与大凌河段相差1.2m，流速波动并不明显。青龙河段流速与SPI值关系曲线，如图4所示。

图4 青龙河段流速与SPI值关系曲线

由图4可知，在青龙河的下游，SPI值范围为20.981～53.026，均值为41.308，标准偏差为9.922；流速范围0.0481～0.322m/s，平均流速为0.219m/s，准偏差为0.088；流速与SPI值基本成线性关系，流速与SPI值之间的相关系数为0.981，且在P<0.01水平下显著正相关。由图可知，青龙河段相应的当流速小于0.301m/s范围内，SPI随流速的增加呈直线上升，继续增加流速出现一定的转折，SPI值开始有下降的趋势。窟窿山河段流速与SPI值关系曲线如图5所示。

图5 窟窿山河段流速与SPI值关系曲线

由图5可知，窟窿山河段与青龙河段位于平江路入口处，主要通过悬桥连通，窟窿山河段，SPI值范围为25.319～52.382，标准差为9.532，平均值为38.177；流速范围为0.057～0.413m/s，标准差为0.105，平均流速为0.267m/s，窟窿山河段SPI值随着流速的增加直线上升，约在0.301m/s时存在拐点，P<0.01水平下呈显著正相关，水体流速与SPI之间的相关系数为0.808。

综上可知，城区东南片区的水体和西北片区的水体在流速与SPI值的关系上存在着一定的差别，主要由于上游来水的不同，导致两个区域内河流流速与SPI值存在一定的差别，八月份以后气温升高，东南片区水体中的藻类大幅度生长，成为主要污染物质，当流速发生变化时，水体SPI值受藻类的影响较大，研究表明，流速大于0.351m/s时水中叶绿素含量随着流速的增加而降低，使得水体中的SPI值降低。

2.3 营养主导型水体流速与SPI值之间的关系

营养主导型水体主要出现在七月底八月初，抬头山河营养主导型水体流速与SPI值关系散点图，如图6所示。可以看出，营养主导型水体中，SPI值范围为33.255～48.255，均值为41.468，标准偏差为3.237；流速范围为0.057～0.768m/s，平均流速为0.315m/s，标准偏差为0.215，结果表明，随着流速的增大，SPI值变化并不明显，叶绿素平均值为23.96mg/L；当流速为0.491m/s时，水体叶绿素含量为21.78mg/L，SPI值达到为48.255，表明除了藻类，水体中还有其他敏感物质作用，进而导致SPI值大幅度增加。

图6 抬头山河水体流速与SPI值关系曲线图

2.4 无机主导型水体流速与SPI值之间的关系

由于无机型河道的主要为渗津河上游河段，SPI均值为45.785，SPI值范围为42.482～51.323，标准偏差为2.105。平均流速为0.708m/s，流速范围为0.409～0.998m/s，标准偏差为0.160，当流速大于约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。

不同类型水体相关参数汇总，如表5所示，通过相关性分析可知，当流速0.031～0.067m/s之间时，流速与SPI值呈显著正相关(P<0.01)，SPI值随着流速的增加迅速增加；流速大于0.067时SPI值在45.152之间波动；在整个研究区域，SPI值在70以上的数组仅占0.7%；SPI值范围在45～70的数组占比为29.3%；SPI值范围为25～45的数组占比为65.5%；SPI值小于25的数组占比为4.5%；相比其他城市景观河道，城区的流速基本在0.3m/s左右，水体流动较快。

3 结论

以凌源市城区的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，并进行广域采样分析，探究水流速度与水体表观之间的相互关系，主要得出以下结论：(1)流速对水体表观具有较大影响，河道流速与SPI值呈显著正相关，SPI值随河道流速的增大，先逐渐增加后保持不变，相关系数为0.343(p<0.05)；(2)混合型主导水体中， SPI 值随着流速的增大成波动式上升趋势；(3)营养主导型水体中，随着流速的增大，SPI 值变化并不明显，当流速为 0.491m/s 时，水体叶绿素含量为 21.78 mg/L，SPI 值达到为 48.255；(4)无机型导水体中，随着流速的增加SPI值呈现一定的下降趋势，当流速大于0.825m/s时，水体的表观质量达到良好水平。