汾河太原城区段上游不同河流形态对水质及土壤理化性质的影响

郭涵婧，武小钢，甄志磊，刘广敏

(1.山西农业大学林学院，山西 太谷 030801；2.山西农业大学城乡建设学院，山西 太谷 030801)

许多城市中心是围绕河流发展起来的，河流是商业的命脉。对河流商业用途的关注使得河流的生态系统服务价值被忽视。如，人们多从水利工程角度出发对自然河流进行裁弯取直、横向断面规则化、河道底质与边坡硬质化等，以满足通航和防洪的需要。随着城市河流景观的商业价值被挖掘和定义，对美学的关注以及环境整治的现实需求，“景观化”与“生态修复”成为近20年来城市河流开发建设的2个关键词。如在浙江黄岩永宁公园[1]、中山岐江公园[2]等就是这一阶段所做的有益探索。从这些工作中可以发现，设计者在考虑安全的基础上着重对河流形态的美观和多样进行了思考，并融合特定的生态修复措施，以营造更适宜城市居民使用的滨水空间。但是，修复后的河流生态系统缺少建成后定时、定项的监测和评价，使得特定修复措施与各生态因子之间的关系难以被准确理解，这成为城市河流生态建设和可持续发展最根本的制约因素之一。

自然河流在形态上具有纵向蜿蜒性、横断面非规则性、河床材料透水性[3]，使得河流形成主流、支流、河湾、沼泽、急流和浅滩等多种形态[4]，创造了极为丰富的流域生境多样化条件，对于生物群落的性质、优势种和种群密度以及微生物的作用均产生重大影响。城市河流生态修复旨在通过河流形态重塑等措施改变水质及周边土壤环境，重现自然状态下的多样河流生境。已有研究通过定量检测探讨了河流形态与水质各因子的关系[5-7]，而关于河流形态与岸土及底泥理化性质等因子的关系还缺少相关研究。本文旨在通过定量方式明晰河流形态与水质、岸土及底泥的关系，为更精准地把握今后城市河流修复方向做出一定贡献。

汾河是山西省的母亲河，是黄河水系的第二大支流[8]。汾河由北至南纵贯太原市区，对于太原市经济、交通、生态等方面均具有举足轻重的作用。1999年起，太原市陆续启动市区内汾河生态修复整治工程，在二期、三期尤为重视多种河流形态的营造，保留河中小岛、恢复河岸线自然弯曲、采用草坡等生态型驳岸，汾河周边环境大为改观。本文将通过对汾河太原市城区段上游一处河流形态多样的河段进行水质及土壤检测，通过数据对比分析不同的河流形态对河流水质及河流底泥、河岸土壤性质的影响，进而分析对整个河流生境的影响，也对今后太原市乃至其他城市区域的河流形态建设提供参考。

1 研究样地和方法

1.1 河段概况

以太原市区汾河小留村——下兰村河段为研究对象，该河段于2006年进行了河道整治，主要措施包括疏浚、河道形态重塑及绿化，未建设人工景观及服务设施。水流方向自西北向东南，流速缓慢，全长约3 km，最深处约5 m，全段无污水排入。借助Google map，在这一河段中选择3种典型形态：顺直型、弯曲型、分汊型(表1)。

表1 小留村—下兰村河段3种河流形态类型概况

1.2 样品采集与分析

于2019年9月分别在3种不同河流形态的河道两侧进行水样与土样的采集。

1)水样采集：在尽量远离岸边的水面下10 cm采集水样，每点分装3个采样瓶(取样前将取样瓶润洗3遍)，密封后于避光处0～4℃保存。测量时将各点的3瓶水样充分混匀，静置，取上清液进行实验。

2)土样采集：采集水下底泥于聚乙烯瓶中，立即带回实验室，自然晾干、过筛，待实验。采集距水面1 m处的岸边表层土壤(0～20 cm)于聚乙烯密封袋中，立即带回实验室，自然晾干、过筛，待实验。其中样点3～7无土样、泥样采集。

3)水样参数：采用多参数水质监测传感器测定水温、pH、总悬浮固体(TSS)、总溶解固体(TDS)、盐度、氧化还原电位(ORP)、溶解氧等。总氮(TN)测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB11894-89)，氨氮(NH3+-N)测定采用纳氏试剂分光光度法(HJ535-2009)，化学需氧量(COD)测定采用重铬酸盐法(GB11914-89)，总磷(TP)测定采用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法(GB11893-89)。

4)土样参数：采用称重法测定含水率，采用电极法测定pH，采用燃烧法测定有机碳，采用高氯酸—硫酸消煮—钼锑抗比色法测定总磷，采用紫外分光光度法测定硝态氮。

2 水样数据分析

2.1 现场测定指标

通过Excel和SPSS分析得出3种不同河流形态现场测定的各项指标如表2所示。

表2 3种河流形态的各项指标测定结果

由表2可得，顺直型河水pH值在三者中居中，与弯曲型无显著差异，与分汊型差异显著，且浮动最小，体现出较稳定的弱碱性；TSS浓度三者居中，但浮动最大，这可能是由于人们较为频繁的钓鱼、游泳等休闲活动干扰影响了水中各物质的沉淀，或者带入一些垃圾污染造成的；TDS大于300 mg/L，显示水中杂质较多，水体受到一定的污染，TDS及盐度均为3种河流形态之首，但与另两者并无显著差异性，且数据波动为三者最小；ORP居中，与分汊型无显著差异，与弯曲型差异显著，虽各样点数值浮动较大，但整体显示水质具有较强的氧化性，表征水质状况较好；溶解氧含量居中，波动最小，与另两者无显著差异，达到地表水Ⅰ类标准，显示水体具有较强且稳定的自净能力。

弯曲型河水pH值略高于顺直型，显著高于分汊型，且各样点浮动较大，可能是由于此河段河水最浅，附近缺少植物遮蔽，太阳照射强烈，水温易升高，导致水中CO2溶解度减小，呈现较不稳定的弱碱性；TSS浓度最低，但与另两者无显著差异，各样点数值波动最小，可能是由于水流流速较快，且石块河床不含泥沙，不易累积悬浮物质；TDS、盐度数值稍低于另两者，但无显著差异，同样表征较多的溶解物污染；ORP为三者中最高，且波动最小，与顺直型、分汊型均差异显著，显示水体具有最强的稳定的氧化性，水质良好；溶解氧含量最低，波动最大，与另两者无显著差异，同样达到地表水Ⅰ类标准。

分汊型河水碱性最弱，与另两者均存在显著差异，可能是由于此河段内水草茂盛，水生生物的呼吸及有机体的分解过程会积累CO2,使水体碱性略有下降；TSS浓度最高，波动程度居中；ORP在三者中最低，与弯曲型差异显著，与顺直型相差无几，主要是一些河湾漫滩处水体更新极慢，人为活动的垃圾淤积对水质造成严重污染；TDS、盐度也在三者中居中，但与另两者无显著差异，显示水体受到一定污染。溶解氧为三者中最高，与另两者无显著差异，同样达到地表水Ⅰ类标准。

综上所述，根据表2指标显示，3种河流形态的水质状况各有千秋。顺直型大部分指标在三者中居中，仅TDS与盐度略高；弯曲型大部分指标最优，但pH值偏高，溶解氧含量略低；分汊型碱性小、溶解氧含量高，但TSS数值偏大。总而言之，3种河流形态水质差异不明显。

2.2 实验室测定指标

通过Excel和SPSS分析得出3种不同河流形态实验室测定的4项指标如表3所示。

由表3可知，顺直型水体氨氮含量及波动情况居中，但与另两者均无显著差异；总氮含量为三者最低，与另两者差异不明显，但各样点数据波动较大，氮含量不稳定；COD含量为三者最低，与弯曲型有显著差异，与分汊型相差无几，但波动较另两者偏大；总磷含量仅在一个样点被检测出，其余各样点均未检测出，可见该形态下河水几乎未受到磷的污染。

表3 3种河流形态的各项指标实验室测定结果

弯曲型水体氨氮浓度最低，且波动最小，呈稳定趋势；总氮浓度最高，可能该河流形态下河水硝态氮与亚硝态氮等其它形式的氮含量丰富；COD浓度为三者中最高，与另两形态水体均有显著差异，显示河水有机质含量过多，受到较严重污染，可能是由于该形态河流内高差大，水流流速较快，长久冲刷河床及河岸导致土壤流失，河流生境单一，不利于污染物的消解，且在采样过程中观察到若干车辆及游人往返于两岸，对河水造成二次污染；总磷浓度为三者中居中，有2个样点检测出磷含量，其余样点未检测出。

分汊型水体氨氮浓度为三者中最高，且有较大波动，但在统计学上与另两者无显著差异。总氮含量居中，与另两者差异不明显，各样点数值有较大波动，整个河段总氮含量不稳定；COD含量居中，略微高于顺直型水体，显著低于弯曲型，且波动幅度较小；总磷含量在5个样点检测出，且各样点波动较大，可能是由于在河流漫滩处水体更新极慢，加上人为活动带来的污染物累积，造成河水污染状况加重。

综上所述，根据表3指标显示，顺直型水体仅氨氮含量略高，其余均最低；弯曲型水体有2项指标最高，且COD与另两者有显著差异；分汊型水体氨氮与总磷含量略高，但与另两者无显著差异，剩余2个指标居中。总而言之，顺直型水体水质较好，分汊型水体次之，弯曲型水体水质稍差。

3 土样数据分析

由于平水期弯曲型河段河水较浅，水流较快冲刷河底，河流的石块河床裸露成为驳岸，多数样点无土壤驳岸及底泥，故在此不予讨论。顺直型与分汊型河段土样各指标情况如图1～图4所示。

图1 土样pH值

图2 土样有机碳含量

图3 土样总磷含量

图4 土样硝态氮含量

通过对20处样点土壤进行检测，pH值均在7.5～8.5间，为碱性土壤。

由图1可知，顺直型岸土及底泥的pH值分别高于分汊型岸土及底泥(8.06>7.91,7.98>7.95),但四者无显著差异。顺直型岸土pH值稍高于底泥，表现出较底泥更稳定的碱性。分汊型岸土pH值稍低于底泥，表现出较底泥更稳定的碱性。

由图2可知，分汊型岸土及底泥有机碳含量分别高于顺直型岸土及底泥(13.52>5.86,19.56>10.66)，且表现出更大幅度的波动，可能是由于分汊型河段形成更多样的土壤环境，砂石漫滩不利于有机质形成，而土层较厚的半岛更适宜陆生及水生植物生长，从而利于有机碳的积累，但四者无显著差异；顺直型岸土有机碳含量低于底泥，且波动较小。分汊型岸土有机碳含量低于底泥，且波动较小。

由图3可知，顺直型岸土的总磷含量低于分汊型岸土(0.22<0.44),二者有显著差异；顺直型底泥的总磷含量高于分汊型底泥(0.64>0.37)，二者有显著差异；顺直型岸土总磷含量低于底泥，且波动较小，二者有显著差异；分汊型岸土总磷含量高于底泥，且波动较小，二者无显著差异。

由图4可知，顺直型岸土的硝态氮含量低于分汊型岸土(1.5<8.1),二者有显著差异；顺直型底泥的硝态氮含量低于分汊型底泥(2.5<4.2)，二者无显著差异；顺直型岸土硝态氮含量低于底泥，二者无显著差异；底泥硝态氮含量极不稳定，可能是受个别样点水生植物影响导致数据偏差；分汊型岸土硝态氮含量高于底泥，二者无显著差异。

综合图1～图4来看，分汊型岸土碱性稍弱、有机碳与总磷、硝态氮含量均较高，相较于顺直型体现出更佳的土壤理化性质，更利于植物及其他生物的生长活动，更利于河流生境的丰富。分汊型底泥碱性稍弱、有机碳与硝态氮含量均较高，仅总磷含量低于顺直型底泥，二者理化性质各有所长，可为水生植物及各种微生物提供较好的生长环境。

4 讨论与结论

1)顺直型河段河水多数指标表征良好，污染程度小，但由于整体流速过慢，水体更新不及时，有害物质容易堆积，其浊度、盐度等均易偏高。岸土理化性质稍逊于分汊型河段，底泥理化性质与分汊型相当，较之于弯曲型河段具有更丰富的植物及其他生物生长环境。岸边多处游人可达，有一样点甚至车辆可达，容易给河水及土壤带来污染。

2)弯曲型河段河水水质状况稍差，河道生境单一，限制了水体自净过程，游人及车辆加剧其污染，但跌水带来更多样的景观变化，较浅的河流增加亲水性吸引游人，较快的流速也帮助减少水体污染。

3)分汊型河段形态复杂且优美，水质整体较好，但在一些漫滩处污染程度较重。内部多处游人可达，易带来外部污染。岸土及底泥理化性质良好，利于多种生物生长，营造丰富，景观效果好。

4)整体而言，对于水质改善效果：顺直型>分汊型>弯曲型，对于土壤理化性质改善效果：分汊型>顺直型。但3种形态均存在各自的优缺点，河流生态修复应采取多种河流形态交错的设计，能达到更全面的修复效果。

5)好的城市河流修复工程也需要后期人为维护和管理，对人为活动产生的垃圾进行有序收集，对人与景的互动方式进行更合理的规划管理，才是能长久维持整个河流生境的源源动力。