苏州市景观水体表观污染类型识别及特征指标筛选

2021-03-29戴天杰魏攀龙司壮壮

水资源保护 2021年2期

戴天杰，魏攀龙，潘杨，司壮壮，王静

(1.苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州 215009； 2.苏州科技大学环境生物技术研究所，江苏苏州 215009；3.苏州科技大学城市生活污水资源化利用技术国家地方联合工程实验室，江苏苏州 215009；4.达州职业技术学院基础部，四川达州 635001)

苏州境内河网交织，水体是苏州城市景观的重要组成部分。近年来，随着城市工业化进程的推进，受点源、面源、内源的复合污染影响，城市景观水体污染问题愈发严重，黑臭、水华等引起人体感官不适的表观污染现象时有发生。城市水体的景观功能正在逐渐丧失，恢复城市水体的景观功能已成为城市河道治理的首要目标[1]。目前对水体污染程度的评价方法研究较多，而对水体表观污染类型分类的研究尚不充分,表观污染指数(surface pollution index，SPI)法虽可对城市景观水体表观污染程度进行表征，但无法对表观污染成因进行分析，更无法对表观污染类型进行划分识别[2]。林鹏等[3]研究了不同土地利用类型情况下区域水体污染类型，发现土地利用类型对水体污染类型具有显著影响；王立新等[4]在污染程度等级分类的基础上，对不同城市河流污染类型进行分类，并阐释了各河道的污染成因；Yuichi等[5]使用水体沉积物中的NH3-N、大肠杆菌等指标对城市河道进行划分，得出了“工业污染和人口密度为主要污染原因”的结论；谈旭初[6]依据污染分担率，划分并命名了地表水污染类型；刘邵俊等[7]以浮游植物群落结构为手段对星云湖水体营养状态进行了评价；Kannel等[8]设立了4种水质参数，将不同城市水体分为了优、良、差3个等级。水体污染类型的识别有助于深入了解污染成因，提出更有针对性的治理措施。而针对城市景观水体，表观污染类型的识别更具有实际意义。本课题组前期结合国内外研究现状对表观污染类型进行了初步研究，周雪[9]以水体中硫化物、腐殖酸等指标含量结合水体颜色将城市水体分为6类表观污染类型，其指标体系中水体颜色的判别主观性较大，也没有明确提出水体颜色和表观污染类型的关系;孙娜[10]以硫化物、叶绿素a等指标的累计频率为依据，结合水体颜色将表观污染类型分为4类，在后期验证中，发现其分类方法中的硫化物等指标的测定较为困难，该分类方法可行度不高。鉴于此，本文通过对苏州境内城市景观水体的广域采样，识别出不同表观污染类型水体的特征指标，对不同水体的表观污染类型进行了分类，提出了一种简便快捷的表观污染分类方法，简化了指标测定难度，可为针对不同表观污染类型水体的防治提供参考。

1 材料与数据来源

1.1 研究区域概况

苏州市位于北纬30°47′～32°20′、东经119°55′～121°20′之间，全市地势低平，自西向东缓慢倾斜。由于地处亚热带季风气候区，四季分明，雨量充沛，年均降水量约为1 100 mm。城市水系发达，河道密布，具有“三纵三横一环”的河网体系，是典型的江南河网城市[11]。

1.2 数据来源

图1 采样点分布

2 研究方法

2.1 指标测定及分析方法

监测指标包括氧化还原电位(ORP)、溶解氧(DO)、叶绿素a(Chl-a)、pH值、浊度、温度(T)和高锰酸盐指数(CODMn)，同时现场记录水体颜色、河道环境等。ORP采用HACH2100便携式ORP仪测定；DO和T采用HACH2100便携式溶氧仪测定，并与HJ 506—2009《水质溶解氧的测定电化学探头法》附表A.2不同大气压和水温条件下氧的溶解度进行对照；浊度采用HACH2100便携式浊度仪测定；Chl-a采用Water-pam水样荧光仪测定；CODMn采用高锰酸钾酸性法测定。水体表观污染采用吸收光谱法进行研究，该方法用SPI值衡量表观污染程度[14]，根据SPI值将表观污染等级分为5类，[0,10)为好、[10,25)为较好、[25,45)为尚可、[45,70)为较差、大于或等于70为差。表观污染指数计算方法为

ISP=26ln(βx+10)-60

(1)

式中：ISP为表观污染指数SPI值；x为水样过滤前后吸收光谱扫描曲线的围合面积；β为修正系数。

针对不同表观污染类型水体的特征指标采用SPSS进行方差齐性检验，以检验分类方法中的特征指标是否来自同一个整体。当P<0.05时说明样本方差不齐，特征指标不是来自同一个整体，特征指标的分布差异较大且其差异不是随机差异[13]，即通过该指标可将目标水体与其他水体区分开，所选取的特征指标具有统计学意义。

2.2 景观水体表观污染类型定义及指标筛选

由于不同表观污染类型水体中主要污染物质的不同，导致水体呈现特点的不同。结合前期研究，将景观水体的表观污染类型分为4类：有机主导型、无机主导型、营养主导型和混合型[10]。

a. 有机主导型。有机主导型表观污染水体主要由有机物引起，包括水体黑臭现象及藻类过渡繁殖所导致的水华现象，水体多呈现黑色、墨绿色。根据水体黑臭产生的机理，水体中有机物的增加加剧了DO的消耗，使硝化、反硝化反应加强，产生氨气、硫化氢等具有刺激性气味气体，同时硫离子会与水体中金属离子(铁、锰)生成黑臭物质硫化亚铁、硫化锰[15-18]，最终导致水中氧化还原性的改变。孙慧群等[19-20]的研究也指出ORP值越低，还原性越强，黑臭物质产生的就越多。结合住建部《城市黑臭水体整治工作指南》中对黑臭水体的定义及其规定的黑臭水体黑臭程度评价等级的指标体系，并考虑水质指标测定的简便性及可操作性，将能够反映水体氧化还原状态的水质指标ORP值作为有机主导型(黑臭)表观污染水体的特征指标。

水华水体是由藻类过度繁殖引起的。依据藻类的生长规律，藻类的过度繁殖会消耗水体中的氮、磷等元素[21-23]，当水体中氮、磷元素无法满足藻类生长时，藻类会发生自解现象使得水体中有机物大量增加，水华水体会转化为黑臭水体，因此将其归为有机主导型。水华水体的主要污染物质为藻类，直接测定藻类含量较为困难，相关研究[24]表明，藻类浓度ρ(Chl-a)的变化可反映藻类的总生物量变化规律，因此选择ρ(Chl-a)作为特征指标。根据藻类的生长规律，藻类在大量繁殖时光合作用加剧会释放出大量氧气，使水体DO处于过饱和状态。寸黎辉等[25-26]的研究指出藻类等水生植物的光合作用是引起水体中DO过饱和的主要原因之一；李天深等[27]的研究也表明在水华水体中监测到高DO。根据这一特点，选择水体中DO与在采样时大气压及水体温度条件下对应氧的溶解度比值RDO作为特征值。综上，选择RDO值和ρ(Chl-a)两个指标共同作为有机主导型(水华)表观污染水体的特征指标。

b. 无机主导型。无机主导型表观污染水体主要由无机颗粒(泥沙等)引起，浊度偏高，水体多呈现黄色、土黄色。根据黄文典等[28-29]的研究结果，水体中泥沙等颗粒物的存在会加快有机物的降解，无机主导型污染水体呈现浊度较高、有机物含量低的特点。选择单位浊度所含有机物的量RIT做为无机主导型表观污染水体的特征值，侧面反映水体中无机物含量，该值越大说明水体中所含无机物越少，反之，所含无机物越多。

c. 营养主导型。营养主导型表观污染水体主要由水体中少量无机营养物(N、P等)引起，水体表观污染较轻，清澈、无明显悬浮物、呈浅绿色。陈鸣等[30]关于表观污染成因的研究结果表明，非溶解性物质是造成城市水体表观污染的主要原因。而营养主导型表观污染水体中N、P元素等污染物质均具有溶解性，因此选取浊度值作为营养主导型水体特征指标来反映表观污染水体清澈、无明显悬浮物的特征；同时由于N、P等营养元素的少量存在，反映藻类存在的ρ(Chl-a)也可以作为营养主导型表观污染水体的特征指标之一。综上，选取浊度值与ρ(Chl-a)两个指标共同作为营养主导型表观污染水体的特征指标。

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d. 混合型。混合型表观污染水体处于上述三者之间，由无机物、有机物、无机营养物共同引起，具有向有机主导型、无机主导型、营养主导型某一类型转变的特点，水体多呈现黄绿色、灰色。由于混合型表观污染水体污染物成分复杂，各指标含量差异不大，且会较快转变为其他3类主导型水体，因此使用排除法将混合型表观污染水体与其他3类表观污染水体进行区分。

3 结果与分析

3.1 特征指标的验证

a. 有机主导型。根据前文定义，有机主导型水体包括黑臭型和水华型两种，分别对黑臭型(图2)和水华型(图3)选取的特征指标进行验证。图2为选取样品的ORP值分布情况。由图2可见，有机主导型(黑臭)的ORP值皆为负值，而其他3类表观污染水体的ORP值均是正值，可见ORP可以作为有机主导型(黑臭)表观污染水体的特征指标，将其较好地与其他3种表观污染类型的水体区分开来。为进一步验证ORP作为特征指标的合理性，对样本进行齐性检验，结果表明4类水体的ORP显著性P=0.00，小于0.05，方差不齐，区分结果具有统计学意义，较为合理。

图2 选取样品的ORP值分布

由图3(a)可见，有机主导型(水华)的RDO均大于1，而其他3种表观污染类型水体的RDO除个别水体外，均小于1，因此可以将RDO作为有机主导型(水华)的表观污染特征指标。同时，根据水华水体叶绿素含量较大的特性，引入ρ(Chl-a) 作为有机主导型(水华)的辅助验证指标，由图3(b)可见，有机主导型(水华)的ρ(Chl-a)均在60μg/L以上，因此可确定ρ(Chl-a)>60μg/L为有机主导型(水华)的辅助验证指标。对4种污染类型水体的RDO和ρ(Chl-a)进行齐性检验，其结果为：RDO齐性检验P=0.00，小于0.05，方差不齐；ρ(Chl-a)齐性检验P=0.00，小于0.05，方差不齐，说明区分结果具有统计学意义和合理性。

(a) RDO

(b) ρ(Chl-a)

有机主导型黑臭水体ORP值低于0，是由水体中存在大量还原性物质引起的。对于有机主导型水体，应先进行截污控源，控制高污染废水的排入，同时加强河道清淤，控制水体中的底泥内源污染；针对有机污染较为严重的水体，可采用充氧曝气的方法加快黑臭物质的降解，提高水体净化能力[31]。有机主导型水华水体中的过饱和DO和高质量浓度Chl-a是由藻类大量繁殖时光合作用产生了大量氧气引起的，应该加强水面浮藻的打捞，降低藻类生物量，控制富含氮磷元素的水体排入，避免产生新的藻类。

b. 无机主导型。对选取的无机主导型表观污染水体特征值RIT进行验证，图4为选取样品的RIT分布情况。由图4可见，无机主导型水体的RIT均小于0.1，而其他3类水体均大于0.1，可见RIT作为无机主导型水体的表观污染特征指标与其他3类水体有明显的区分。同时，对目前所收集样品的RIT进行齐性检验，验证结果表明水体RIT的齐性检验P=0.00，小于0.05，方差不齐，分类具有统计学意义。

图4 选取样品的RIT分布

无机主导型水体是由泥沙等无机悬浮污染物含量过大引起的，由于泥沙等颗粒物有加快降解有机污染物的作用，因此该类型水体有机污染较低，浊度较高，应加强河道调水[32]，引入清洁水源对目标水体进行稀释，降低水体浑浊度。其次，需要增强堤岸绿化率，建设生态护坡[33]，进行生态固化，有效降低雨水对堤岸土壤的冲刷以降低水体中泥沙含量。

c. 营养主导型。根据浊度值和ρ(Chl-a)对营养主导型水体与其他3类水体的区分进行验证。由前文的研究结果可以看出，有机主导型及无机主导型水体特征指标与其他水体具有明显的区分，因此，对于营养主导型特征指标的验证只需在营养主导型和混合型表观污染水体中进行。图5为选取样品的浊度和ρ(Chl-a)的分布情况。由图5可见，营养主导型水体浊度与混合型水体浊度具有明显区分，而二者ρ(Chl-a)无明显区分度且具有交叉重叠部分，同时发现表观状态良好的营养主导型水体ρ(Chl-a)均小于50μg/L。对选取样品的浊度和ρ(Chl-a)分别进行齐性检验，发现浊度齐性检验P=0.01，小于0.05，方差不齐，具有统计学意义；ρ(Chl-a)齐性检验中P=0.205，大于0.05，单以Chl-a作为营养主导型表观污染水体和混合型水体进行区分的特征指标没有意义。

(a) 浊度

营养主导型水体污染状况较轻，表观状态良好，浊度较低。同时发现营养主导型水体中氮磷比均低于12，抑制了藻类生长，应保持水体现状，控制富含N、P等营养元素的废水排入。可适当地种植水生植物[34]，在吸收固定水体中氮磷物质的同时提高河道景观，增强水体环境稳定性。对于污染状况较为复杂的混合型表观水体可加强监测，针对其表观污染类型的转变趋势采用适当的治理措施。

3.3 不同表观污染类型与表观污染指数关系

不同表观污染类型与对应SPI等级见图6。由图6可见，呈现有机主导型的水体SPI等级均在差与较差之间；呈现无机主导型水体中仅5%的SPI等级为尚可，超过90%为较差与差。这与现场观测中有机主导型和无机主导型水体表观污染严重相符。水体表观污染较轻的营养主导型水体SPI等级12%为好、72%为较好、16%为尚可，没有出现较差与差。混合型水体则出现了4个SPI等级，跨度较大。可见，不同水体表观污染类型的分类与SPI等级具有良好的响应关系。

通过对4种表观污染水体特征指标的筛选、鉴别，初步得出城市景观水体不同表观污染类型判别方法，有机主导型判定指标：ORP值小于0或RDO>1且ρ(Chl-a)>60 μg/L；无机主导型判定指标：RIT<0.1 mg/(L·NTU)；营养主导型判定指标：浊度小于15 NTU且ρ(Chl-a)<50 μg/L；混合型判定指标：其他。确定表观污染类型判定的优先次序为：有机主导型、无机主导型、营养主导型、混合型。