太原汾河公园水质现状评价

刘广敏，杨秀云，甄志磊，郭涵婧，吴茜，武小钢

(山西农业大学，山西 太谷 030800)

城市滨水区是在城市中某个特定的空间的一部分，与河流和湖泊、水体相邻，即陆域与水域相连的一定区域的总称。作为城市景观的一部分，它对营造城市景观环境起着重要的作用[1-2]。太原汾河公园是在汾河太原城区段内经过水利治理和绿化美化后而形成的滨水公园。随着太原市社会经济的不断发展，人类活动和污水的不断排放，直接或间接地影响到人类的生态环境和饮水安全。

本文主要以太原汾河公园为研究对象，从景观环境的生态角度出发，采用水污染指数法对公园水环境进行定性定量评价。对河流的水质进行评价是水环境管理的基础性工作，利用合理的水质评价方法，可反映当前水体质量和污染状况，对水体质量变化规律进行研究，发现主要污染问题[3]。有研究表明，水污染指数法更适合小流域水体水质的定性定量评价，且计算方便简单[4]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

汾河是黄河的第二大支流，是山西境内的第一大河，发源于山西省宁武县管涔山[5-6]，由北向南贯穿太原市区,先后流经太原尖草坪区、杏花岭区、万柏林区、迎泽区和小店区，长约40 km[7]。太原城区段主要排污口共22处，其中生活排污口2处，工业企业排污口1处，混合排污口4处，支流河口15处[8-9]；主要污染物是氨氮、总氮、化学需氧量、总磷等[10]。年平均降水量459.5 mm，7、8、9三个月平均降雨量286.2 mm。全汾河太原段综合治理美化工程绿化总面积为130万m2，共栽植183种2.4万株乔灌木，82万m2草坪，形成了两岸宽100 m、长6 km的绿色生态长廊[11]。太原市位于山西省中部,太原盆地北端，属半干旱大陆性季风气候，昼夜温差大,春季干旱少雨，夏季炎热多雨,秋季凉爽，冬季寒冷干燥，最高气温39.4℃，湿度62.2%以上[12-13]。

太原汾河公园北起柴村桥北侧，南至祥云桥南侧，总长超过18 km。20世纪末，太原市对汾河公园先后进行了两期以“人文、生态”为目的的景观治理[14]。一期工程北起胜利桥上游155 m处，南至南内环桥下游125 m，总长近6.0 km。河道为人工复式断面，中间主河道宽300 m，两侧绿地总宽 150～200 m。主河槽采用分槽方案，由中隔墙分成东西两渠。东侧为清水渠，宽220 m，由四道橡胶坝分为三级蓄水湖面；西侧浑水渠，宽80 m，排泄上游洪水和水库灌溉输水。二期工程是在一期工程的基础上，分别向南、北延伸，北延伸至太古岚铁路桥段，长2.4 km，南延伸至祥云桥下游500 m段，长5.1 km，二期工程总长7.5 km[15-16]。本文主要对太原汾河公园二期工程水质现状进行研究。

1.2 样品采集与测定

1.2.1样品采集

根据现场勘查，使用BIGEMAP软件现场确定点位，在太原汾河公园北延段选取S1、S2采样段。S1采样段位于摄乐街附近，S2采样段位于北中环街附近。南延段选取S3、S4采样段，S3采样段位于南中环街附近，S4采样段位于龙城大街附近(图1)。四个采样段分别按不等间隔各布五个断面点，在其水面以下约30 cm处采集水样，分别采集3次并混合均匀后取500 ml水样装入聚乙烯瓶中。在研究区共采集水样20个。

图1 采样段布置示意

1.2.2样品测定

现场使用德国SN 1318便携式水质多参数分析仪测定水温、电导率、盐度、总溶解固体(TDS)、水密度(H2O)、pH值、溶解氧(DO)、氧饱和度、氧化还原电位、浑浊度、总悬浮固体(TSS)等11个指标。将采集好的水样带回实验室储存于冰箱中，使用GENESYS 180紫外分光光度计依次测定其化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)。其中，依据国标，对化学需氧量(COD)采用重铬酸钾法，氨氮(NH3-N)采用纳氏试剂光度法，总氮(TN)采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，总磷(TP)采用钼酸铵分光光度法。具体测定方法见文献[17]。为保证数据可靠性，采用全程空白和重复3次混合采样；实验室测定时，进行曲线校准、空白样品、重复3次试验等措施。

1.3 数据分析

主要采用WPS 2019和SPSS 22统计软件对各断面水质因子进行描述统计、单因素方差分析(One-WayANOVA)及差异显著性检验(P=0.05)。根据地表水环境质量标准(GB 3838-2002)，采用水污染指数评价法对各采样段水质进行评价。

1.4 水质评价方法

水污染指数评价法[18-19]是基于单因子评价法，依据水质类别与WPI值对应表(表1)，用内插方法计算得出某一断面每个参加水质评价项目的WPI值，取最高WPI值作为该断面的WPI值的评价法。

1)未超过Ⅴ类水限值时指标WPI值计算公式：

(C(i)-Cl(i))Cl(i)

(1)

式中，C(i)为第i个水质项目的监测浓度值，Cl(i)为第i个水质项目所在类别标准的下限浓度值，Ch(i)为第i个水质项目所在类别标准的上限浓度值，WPIl(i)为第i个水质项目所在类别标准下限浓度值所对应的指数值，WPIh(i)为第i个水质项目所在类别标准上限浓度值所对应的指数值，WPI(i)为第i个水质项目所对应的指数值。

此外，GB 3838-2002中两个水质等级的标准值相同时，则按低分数值区间插值计算。pH(属于无量纲值)取评分值20分。溶解氧(DO)：如果DO≥7.5 mg/L时则取评分值20分；如果2≤DO<7.5时，计算公式为：

(Cl(i)-C(i))

(2)

2)超过Ⅴ类水限值的指标WPI值计算公式：

(3)

式中，C5(i)为第i项目GB 3838—2002中Ⅴ类标准浓度限值。

此外，当pH<6时，

WPI(pH)=100+6.67×(6-pH)

(4)

当pH>9时，

WPI(pH)=100+8.00×(pH-9)

(5)

当DO<2时，

(6)

3)断面WPI的确定公式

WPI=MAX(WPI(i))

(7)

表1 水质类别与WPI值对应

2 结果与分析

2.1 水理化性质

2.1.1水物理指标变化

太原汾河公园各采样段水温的变化范围为20～21℃，水密度范围998.1～998.5 g/L。各采样段水的电导率、总悬浮固体(TSS)、浑浊度等表现出规律性变化(表2)。由表可知，S1、S2、S4采样段的电导率和盐度显著高于S3采样段。S3采样段的浑浊度和总悬浮固体(TSS)显著高于S2采样段，而S1、S4采样段的浑浊度和总悬浮固体(TSS)均与其他段差异不显著。S1采样段的氧化还原电位显著高于S2采样段，且S1、S2采样段均与S3采样段差异不显著，但3个采样段均显著高于S4采样段。S1、S2采样段的总溶解固体(TDS)显著高于S3和S4采样段。

2.1.2水化学指标变化

不同采样段水的pH值、溶解氧(DO)、化学需氧量(CODcr)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)存在显著差异(表3)。S3采样段水的pH值、溶解氧、氧饱和度显著高于其他采样段，且S4采样段水的pH值、溶解氧、氧饱和度显著高于S2采样段，而S1采样段水pH值、溶解氧、氧饱和度与S2、S4采样段无显著差异。S1、S2、S3采样段水化学需氧量(CODcr)无显著差异，且其3个采样段水的化学需氧量(CODcr)显著高于S4采样段。各采样段水总磷(TP)无显著差异。S2采样段与其他采样段水总氮(TN)无显著差异，S3、S1采样段总氮(TN)均显著高于S4采样段。S2、S1、S3、S4采样段水氨氮(NH3-N)值分别为0.09、0.07、0.03、0.02 mg/L，差异显著呈下降趋势。

表2 水质物理指标比较

注：水温在20～21℃，水密度在998.1～998.5 g/L;均值后不同小写字母分别表示不同驳岸水因子在P<0.05水平下差异性显著(下同)。

表3 水质化学指标比较

2.2 水污染指数法评价

水污染指数法评价结果(表4)表明,4个采样段水质等级均为劣Ⅴ类水，主要污染物同单因子评价相同，其WPI值均为总氮(TN)的WPI值最大，分别为571.06、530.44、557.87、507.82,即WPIS1>WPIS3>WPIS2>WPIS4。因此，S4采样段水质优于S2采样段优于S3采样段优于S1采样段。

表4 汾河太原段水污染指数法评价结果

3 讨论

3.1 不同采样段的水质情况

选取四个采样段测定水质的理化指标，水温在20～21℃，水密度在998.1～998.5 g/L范围，其TP含量无显著性差异，按《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)属于Ⅲ类水。各采样段的电导率和盐度差异显著，很可能与其周边废水的不定期排放有关；北延段水的浑浊度、总悬浮固体、COD、氨氮的值小于南延段，可能由于沿途污染源的汇入，水中的无机物、有机物等的增加引起的。太原汾河公园水质偏碱性，pH值在7.73～8.60，北延段水的pH值显著小于南延段。北延段水的溶解氧与氧饱和度的值显著小于南延段，可能是北延段水流速较慢，流经橡胶坝到达南延段，水流跌落使水中氧气增加，此外，还有可能受周围环境和水生生物的影响。溶解氧与氧饱和度、盐度和电导率、浑浊度和总悬浮固体等均呈正相关。

3.2 不同采样段的水质评价

水污染指数法评价结果可以反映水质类别、识别主要污染指标和进行水质定量评价。水污染指数法是以污染最严重指标所在的水质类别作为该采样段的水质类别，以超过Ⅴ类标准限值倍数最大的几个指标作为该采样段的主要污染指标。用水污染指数法对水质进行定量评价，其值越大，水质越差，其评价方法不仅可以对水质进行定性定量评价，且计算方便简单。

4 结论

河流的景观生态问题越来越受到人们的重视，本文主要从景观生态学角度出发，选取太原汾河公园不同采样段测定15个水质指标，意在了解其水质现状，为今后的河流健康和水环境管理提供理论依据。研究表明：(1)太原汾河公园水质符合《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)劣Ⅴ类水标准；(2)S1、S2、S3采样段的主要污染指标均为COD、总氮，S4采样段水的主要污染物为总氮。COD主要反映水体受有机物污染的程度，通常是生活污水的主要指标[20,21]；TN主要是农业污染的主要指标，主要污染源为工业污水、生活污水、农业污水及降水地表径流等。(3)评价结果表明，水质较好的采样段依次为S4、S2、S3、S1。