悬浮颗粒物粒径分布对景观水体表观污染的影响

胡思骙，向 鹏，任晨媛，王庆国，梁 英

(1.四川大学建筑与环境学院，成都 610065；2.成都市湿地保护中心，成都 610072；3.成都大熊猫繁育研究基地，成都 610081)

引 言

城市封闭景观水体是指城市中具有景观功能的水体，有自然存在或人工建造的湖泊、溪流、河道等，具有封闭性较强、水体流动性差、水环境容量小，自净能力低等特点[1]。作为景观功能水体，良好的表观效果是其应具有的最基本特性，然而水体表观指标恶化，水体浑浊、颜色异常、藻类疯长现象在城市中屡见不鲜。

水体表观污染是指水体呈现出异常颜色、浑浊度高等引起人体感官不悦的现象，主要表征指标有水体的悬浮物浓度(SS)、水体的浑浊度、水体的色度。水体中的表观污染物以溶解态和非溶解态2种形式存在。根据已有文献研究，溶解态物质会造成水体颜色异常，其对水体的表观污染的贡献不可忽视，溶解性物质主要是有色溶解有机物(chromophoric dissolved organicmatter，CDOM)，CDOM的来源与化学成分都比较复杂，主要由腐殖酸、富里酸、氨基酸和芳烃聚合物等溶解性有机物组成[2-3]。非溶解态物质主要是悬浮颗粒物，悬浮物总体上由无机颗粒物和有机颗粒物两部分组成，无机颗粒物主要是碎屑矿物、粘土矿物等，有机颗粒物主要是浮游植物浮游动物残体[4]。

目前对于悬浮颗粒物的存在特性对景观水体表观污染的机理研究仍较少，非溶解态物质对光线具有反射和散射作用，使水体呈现出颜色异常，浑浊度高的表观污染现象。国内外研究表明悬浮颗粒物是引起水体表观污染最主要原因[5～7]，但是水中悬浮颗粒物的粒径分布特征对水体表观污染指标的影响机制仍未进行深入研究。水体表观污染的两个主要表征指标为浊度和色度，水的浑浊度与水中的悬浮物含量有一定的关系，一般悬浮物含量多，浑浊程度大，但两者不等同，悬浮物含量是一种直接指标，而浊度则是光学效应，如在不同的水体中悬浮物的数量相同，但其浊度不一定相同[8]。水的色度是对天然水或处理后的各种水进行颜色定量测定时的指标，水中非溶解性的腐殖质、有机物、或无机物质所造成悬浮物颗粒的组分对水体的色度也有较大的影响[9]。不同水体中悬浮颗粒物的组分不同，对于浊度和色度的影响程度也不同。大型河流水体流速较快携沙作用强造成水中悬浮物颗粒主要是砂石，湖库等缓流水体有机营养物质浓度较高容易造成水体的富营养化藻类繁殖，因而湖库类水体中藻类数量是水中悬浮物颗粒的主要组成部分，藻类的数量和种类影响悬浮物颗粒的粒度分布[10]。目前国内外关于深入研究浑浊度以及水体的色度与悬浮物颗粒的组分与粒度分布之间的相关性研究以及影响因素比较少。本文以成都市小型封闭式景观水体为研究对象，对其水体的浑浊度以及水体的色度与悬浮物颗粒粒度分布之间的相关性及其影响因素进行研究分析。

1 实验部分

1.1 采样点分布及概况

本研究以成都市城区内三处小型封闭式景观水体为研究对象，研究区域分别是成都市大熊猫繁育研究基地内天鹅湖(以下简称天鹅湖)、成都市天府新区白沙湖入流口(以下简称白沙湖)以及成都市双流区四川大学江安校区内明远湖(以下简称明远湖)，每个研究区域设置3个取样点，均匀分布在整个研究区域内。

3个研究对象小型景观湖的有效水深均小于3m，只采集其表层水样(距水面0.5m深处)。测定研究区域内水体的水质指标(总磷、总氮、COD、叶绿素a和透明度)，水质指标具体见表1。其中天鹅湖水样在实验期间呈微绿色，白沙湖水样呈黄色，明远湖水样呈灰绿色，按照修正的综合营养状态指数法对各研究区域水体进行富营养化状态评价[11]，天鹅湖和白沙湖水体均为中度营养化，明远湖水体为轻度富营养化。

表1 研究区域水质监测指标Tab.1 Water quality monitoring indicators of study area

1.2 实验方法

非溶解态物质主要是指粒径超过0.45μm的悬浮颗粒[12]，因此选用0.45μm微孔滤膜对水样进行抽滤处理，以分离水样中的溶解态和非溶解态物质。为分析不同粒径组分的悬浮颗粒物对水中表观污染指标的影响，利用慢速定量滤纸(过滤孔径1～3μm)、中速定量滤纸(过滤孔径10～30μm)和快速定量滤纸(过滤孔径100～120μm)分别过滤水样，由于过滤精度不同，滤液中悬浮颗粒物的粒径分布不同，测定水样中过滤前后的水体色度、浊度以及叶绿素a(Chla)，并测定水体的SS浓度，利用粒度仪测定水体的颗粒物粒径分布状态。

相关水质指标的测定采用国标方法[13]，总氮采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法，总磷采用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法测量，COD采用重铬酸钾法，叶绿素a采用荧光法(water pam，叶绿素荧光测定仪)测定，SS浓度采用烘干称重法，浊度采用HACH2100Q浊度仪，色度采用铬钴比色法[14]，透明度采用赛氏盘法，水温及溶解氧采用HACH便携式溶氧仪。

2 结果与分析

2.1 水体SS浓度以及粒度分布情况

水体中的悬浮物是指水样经过孔径为0.45μm的滤膜过滤后残留在滤膜并在103～105℃烘干至恒定质量的各种不可滤残渣，是一种复杂非均质有机物和无机物的混合物质。水体中悬浮物的浓度和粒度分布与景观水体的表观污染机制是否存在内在关联是本研究的主要内容。图1是不同研究区域的的悬浮颗粒物浓度分布，其中黄色水体白沙湖各点位水样的SS浓度均超过40mg/L，平均浓度为54.38mg/L，浅绿色水体天鹅湖和灰绿色水体明远

湖的平均浓度分别为5.72mg/L、11.71mg/L，与表1中水体透明度呈正相关，有研究证明[15]，悬浮颗粒物的成分和含量极大的影响湖水透明度的变化，而水体透明度是色度和浊度等光学表观污染指标的综合表现。图2为不同点位水样悬浮物的粒度分布特征，可以得出颗粒物的数量与水体SS浓度有良好的对应关系，同一研究区域内的水样的粒径分布及峰值数量分布特征相同，而不同研究区域粒度峰值的分布特征不同，总的来说，3种景观水体颗粒物粒度大都呈双峰或多峰分布，其中明远湖水体粒径分布最多具有4个峰，因此本研究将悬浮物根据粒径范围分为4个组分，粒径范围分别为组分Ⅰ(0.45μm～3μm)、组分Ⅱ(3μm～30μm)、组分Ⅲ(30μm～120μm)和组分Ⅳ(>120μm)，探究不同粒径范围内的颗粒物对表观污染指标的影响。

图1 研究区域水样悬浮颗粒物浓度Fig.1 The concentration of suspended particulate matter in water samples in the study area

图2 研究区域水体悬浮颗粒物粒度分布Fig.2 The particle size distribution of suspended particulate matter in water bodies in the study area

2.2 水体SS对浊度、色度的贡献

由图3和图4可分析出，水体中溶解态物质所引起的色度和浊度对总色度和浊度的贡献较小，不同颜色的水体在经过抽滤后均为无色透明液体，抽滤后水样的最大色度为10.46度，最大浊度为3.21NTU，根据《城市污水再生利用——景观用水水质标准》(GB/T 18921-2002)，均不会引起景观水的表观质量污染。根据图3，黄色水体白沙湖非溶解态物质引起的色度占总色度的83.13%，浅绿色水体天鹅湖非溶解态物质引起的色度占总色度的53.01%，灰绿色水体明远湖非溶解态物质引起的色度占总色度的85.21%，从图4可以得出非溶解态物质是造成水体浑浊的主要原因，因为水中颗粒物影响光散射性质, 引起水体的浊度。也就是说三个景观水体的浊度和色度主要是由SS产生的。

图3 研究区域水体色度在两相中的分布Fig.3 Distribution of water chroma in two phases

图4 研究区域水体浊度在两相中的分布Fig.4 Distribution of water turbidity in two phases

由2.1节可知水体悬浮颗粒物的粒径分布对景观水体表观指标有关键性的影响，分析不同粒径范围内的组分对表观污染指标的影响可以探讨悬浮颗粒物对表观指标的影响机理。

2.3 水中悬浮物颗粒粒度分布特征对表观污染指标的影响

2.3.1 水中颗粒物粒度分布情况与浊度的相关关系

图5为各研究水体不同粒径组分悬浮物对其浊度的影响，经过快速滤纸过滤后，3个研究区域水体的浊度去除率均超过50%，说明组分Ⅳ(>120μm)对不同表观颜色的景观水体的浊度都具有主要贡献，组分Ⅰ、组分Ⅱ和组分Ⅲ对浅绿色水体天鹅湖的浊度几乎没有影响，黄色水体白沙湖除组分Ⅳ之外的其余3各组分对其浊度均有接近10%的影响，而灰绿色水体明远湖中颗粒物组分Ⅲ贡献的浊度平均占其总浊度的30%，不同水体间的主要作用组分差异性明显。

因为不同表观污染程度的景观水体的各悬浮颗粒物组分体积分数不同，但颗粒物的组分差异仍会导致水体浊度的变化。同时不同研究区域下各组分所占的体积分数对水体的浊度贡献率不一致，对各组分的体积分数与水体浊度进行相关性分析可以得出不同组分对水体浊度的影响能力，找出不同表观质量水体的浊度敏感颗粒物的组分，从而能够针对性地控制某一粒径范围内的悬浮颗粒物来降低水体的浊度，提高水体的景观效果。表2显示，水体浊度主要与组分Ⅰ、组分Ⅱ、组分Ⅳ体积分数表现出显著相关性，其中与组分Ⅳ相关性最大，与用滤纸过滤后浊度去除率实验得出的组分Ⅳ对水体浊度具有主要影响的结果相吻合。

图5 研究区域水体不同粒径组分悬浮物对水体浊度的影响Fig.5 The influence of suspended solids with different particle sizes on turbidity of water body studied

表2 浊度和颗粒物组分的皮尔逊相关系数Tab.2 Pearson correlation coefficient of turbidity and particulate matter

2.3.2 水中不同粒径颗粒物分布情况与色度的相关关系

色度是表征水体表观质量的另一重要指标，影响水体的表观颜色。水的色度是由溶解性腐殖质和有机物以及非溶解性悬浮颗粒物造成的，悬浮颗粒物造成的色度又称水体的表观色度。由2.2节可知，3种不同颜色的景观水体的表观色度均在其总色度中占主要作用，贡献率超过60%。图6为各研究区域水体不同粒径组分悬浮物对其色度的影响。组分Ⅳ对3种颜色水体的表观色度贡献率均接近50%，其中灰绿色水体明远湖中组分Ⅳ对其表观色度的贡献率最高为62.47%，对黄色水体的表观色度贡献率最低，可以总结出组分Ⅳ对两种表观呈绿色的水体的表观色度影响较大。根据研究表明[16]，水体呈绿色主要原因是由于水中的藻类以及其他水生生物的过量繁殖所造成水中Chla浓度等其他色素增多所引起; 藻类生物量越多，Chla的含量越高，水体颜色就越深。组分Ⅳ的粒径范围为>120μm的悬浮颗粒物，根据方建勇[17]等对水体颗粒物不同粒径范围内可能组分的研究，单颗粒大小在1～300μm、絮凝集合体大小在10～150 μm的颗粒物组分中生物颗粒以藻类为主，絮凝集合体以藻类絮凝集合体和混杂絮凝集合体为主，而浅绿色天鹅湖和灰绿色明远湖中叶绿素a含量高，可推测浅绿色水体天鹅湖和灰绿色水体明远湖的色度主要贡献颗粒为组分Ⅳ藻类单颗粒及其絮凝剂合体。对于黄色水体白沙湖，白沙湖的COD值最低，主要是沙粒、粘土等无机悬浮颗粒对黄色水体色度造成影响。

图6 研究区域水体不同粒径组分悬浮物对水体色度的影响Fig.6 The influence of suspended solids with different particle sizes on water chroma studied

3 结 论

3.1 小型封闭式景观水体中悬浮颗粒物具有相似粒度分布特征，粒度分布存在多个峰值，出峰的位置大致相同，悬浮颗粒物的粒度分布由多个组分叠加组成，反映了多组分的粒度分布特征，最多有4个组分，各组分的粒径范围是：组分Ⅰ(0.45～3μm)、组分Ⅱ(3～30μm)、组分Ⅲ(30～120μm)和组分Ⅳ(>120μm)。其中，由于水体的表观特征不同，3个目标水样各组分的体积比存在差异，天鹅湖组分Ⅰ数量占比76.7%，白沙湖组分Ⅱ数量占比64.5%，明远湖组分Ⅱ数量占比

为83.9%。

3.2 溶解态物质引起的城市景观水体表观污染贡献值很小，小型封闭式景观水体的浊度、色度主要由悬浮颗粒物非溶解态物质引起，非溶解态物质是导致城市景观水体表观污染主要原因。

3.3 不同颜色类型城市景观水体中悬浮颗粒物对水体表观敏感组分是组分Ⅳ(粒级>120μm)和组分Ⅱ(粒级3～30μm)，水体浊度主要与组分Ⅰ(粒级0.45～3μm)、组分Ⅱ、组分Ⅳ体积分数表现出显著相关性，3种颜色类型水体的色度的关键影响粒级为组分Ⅳ。