無(wú)機(jī)型城市景觀水體表觀污染機(jī)制研究

　　城市景觀水體是指流經(jīng)城市的河流、城區(qū)的湖泊和水庫(kù)、公園水系、人工運(yùn)河和人工湖等，而無(wú)機(jī)型城市水體一般呈黃色或者土黃色，黏土、泥沙等無(wú)機(jī)顆粒物含量較高，通常為流經(jīng)城市的運(yùn)河水.目前，隨著公路網(wǎng)化及人們對(duì)生活品質(zhì)的追求，運(yùn)河水的航運(yùn)功能逐漸被弱化，景觀及生態(tài)功能漸漸凸顯.但是，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速發(fā)展，運(yùn)河作為城市生活污水和工業(yè)廢水的受納體，其透明度降低，顏色異常，并且有異味，水體表觀污染嚴(yán)重.

　　非溶解態(tài)顆粒物是造成水體表觀污染的主要原因[8]，顆粒物的組成和含量決定著水體表觀污染類(lèi)型和程度，而粒度分布是表征顆粒物的重要參數(shù)，能反映懸浮顆粒物的組分信息和含量信息.目前針對(duì)水體中懸浮顆粒物的研究主要涉及河口、湖泊以及海洋等不同生境，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)對(duì)水中懸浮物粒度的組成、分布及變化規(guī)律的研究來(lái)揭示水體的物質(zhì)組分、水動(dòng)力環(huán)境、表觀污染機(jī)制和污染物遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制等.目前雖然無(wú)機(jī)型城市景觀水體作用的漸漸凸顯，但其表觀污染機(jī)制尚不明確，而其是否與懸浮顆粒物之間存在關(guān)聯(lián)性也并不知曉.

　　京杭運(yùn)河(蘇州段)水體顏色呈現(xiàn)黃色，黏土、泥沙等無(wú)機(jī)顆粒物含量較高，屬于典型的無(wú)機(jī)型水體.本文以蘇州運(yùn)河為研究對(duì)象，探究無(wú)機(jī)型水體中懸浮顆粒物粒度分布特征，并結(jié)合水體表觀質(zhì)量和懸浮顆粒物粒度分布的影響因素來(lái)揭示無(wú)機(jī)型城市景觀水體表觀污染機(jī)制，以期為城市河道的治理提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐.

　　1 材料與方法

       1.1 采樣點(diǎn)分布

　　本文以流經(jīng)蘇州城區(qū)內(nèi)運(yùn)河為研究對(duì)象，水體常年呈黃色，渾濁度高.研究區(qū)域主要涉及高新區(qū)和吳中區(qū)，在研究區(qū)域內(nèi)共設(shè)了13個(gè)采樣點(diǎn)，其中5個(gè)是常規(guī)監(jiān)測(cè)點(diǎn).本研究于2015年7~9月對(duì)5個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，共90組數(shù)據(jù).常規(guī)采樣點(diǎn)位置如圖 1所示.

　　1.2 測(cè)定方法

　　本研究所測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)主要有總懸浮物濃度(SS)、濁度、葉綠素a (Chl-a)、高錳酸鹽指數(shù)、總氮(TN).水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定采用國(guó)標(biāo)法. SS采用英國(guó)Partech740污泥濃度計(jì)測(cè)量，濁度采用HACH2100N濁度儀，葉綠素a (Chl-a)和最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)采用熒光法(water pam，葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定儀)測(cè)定，高錳酸鹽指數(shù)采用高錳酸鉀酸性法，總有機(jī)碳(TOC)和總氮(TN)采用Multi3100N/C測(cè)量，水溫及溶解氧(DO)采用YSI便攜式溶氧儀.懸浮顆粒物的粒度測(cè)量采用馬爾文激光粒度分析儀(Mastersizer 3000, Malvern, Britain).

　　表觀污染指數(shù)的測(cè)定采用吸收光譜法[24]，即：

　　式中，SPI為表觀污染指數(shù);a、b為常數(shù);β為修正系數(shù);x為水樣抽濾前后掃描曲線面積差.根據(jù)SPI值將表觀污染分為清潔(0~10)、微污染(10~25)、輕污染(25~45)、中污染(45~70)以及重污染(>70)這5個(gè)表觀污染等級(jí).

　　1.3 懸浮顆粒物粒度特征參數(shù)的獲得

　　不同種顆粒系統(tǒng)具有不同的粒度分布，因此用于表征粒度分布的函數(shù)種類(lèi)很多. Kostadinov等指出，當(dāng)顆粒物中無(wú)機(jī)成分占主導(dǎo)時(shí)，粒徑分布一般遵循榮格普分布.本研究水體中懸浮顆粒物是以無(wú)機(jī)顆粒物為主導(dǎo)，用冪指數(shù)模型可以較好地描述其粒度分布特征. 圖 2是幾組典型的此類(lèi)水體中懸浮顆粒物粒度頻率分布，用冪函數(shù)對(duì)全樣品進(jìn)行數(shù)學(xué)分離.冪函數(shù)見(jiàn)方程(2)，以各粒級(jí)的粒徑為自變量，以該粒級(jí)的篩下累計(jì)含量為分布函數(shù)值.對(duì)該方程兩邊取對(duì)數(shù)，雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，二者呈線性關(guān)系，見(jiàn)方程(3).以擬合誤差最小為目標(biāo)對(duì)樣品進(jìn)行了粒度頻率曲線擬合，如圖 3所示(Origin 7.0)，擬合效果良好.

圖 2 懸浮顆粒物粒徑頻率分布

圖 3 懸浮顆粒物粒徑累計(jì)頻率分布對(duì)數(shù)擬合

　　篩下累計(jì)分布方式：

　式(2)方程兩邊取對(duì)數(shù)，可得:

　　式中:

　　因而，以y(x)為縱坐標(biāo)，x為橫坐標(biāo)的雙對(duì)數(shù)圖上二者呈線性，其直線的斜率為m，截距為c.

　　2 結(jié)果與討論

       2.1 研究區(qū)內(nèi)水體表觀污染程度分布特征

　　各采樣點(diǎn)水體表觀質(zhì)量變化具有時(shí)間差異性，研究期內(nèi)SPI值范圍為39.1~84.2(圖 4). 7月底到8月初期間，除4號(hào)點(diǎn)和5號(hào)點(diǎn)在7月中下旬出現(xiàn)躍低值，此時(shí)SPI值分別為39.1和40.3，其他采樣點(diǎn)SPI值有上升趨勢(shì)，8月期間則開(kāi)始下降，而4號(hào)點(diǎn)和5號(hào)點(diǎn)在此期間則是先上升后下降，在8月中旬SPI出現(xiàn)峰值;9月以后SPI值整體上升，達(dá)到70以上，水體表觀質(zhì)量處于重污染水平. 表 1顯示，在整個(gè)研究時(shí)間內(nèi)，SPI值與DO、濁度、SS和高錳酸鹽指數(shù)均在(P < 0.01)水平下顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.654、0.857、0.82和0.50，與溫度在(P < 0.05)水平下顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.357，與Chl-a和Fv/Fm無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系.李功振等研究指出，京杭大運(yùn)河底泥的成分主要有石英、石膏, 部分或少量的長(zhǎng)石、方解石和黏土礦物等無(wú)機(jī)顆粒，并且運(yùn)河水層淺，河床高，加上航船的擾動(dòng)，很容易發(fā)生再懸浮，導(dǎo)致水中SS和濁度增加，影響藻類(lèi)的光合作用，從而對(duì)水中的藻類(lèi)起到抑制作用，所以此時(shí)葉綠素并沒(méi)有呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性.而隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，運(yùn)河漸漸成為生活污水的受納體，從而導(dǎo)致水中COD的含量也在增加，對(duì)水體表觀產(chǎn)生影響.

　　　表 1 SPI值和水質(zhì)指標(biāo)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)1)

圖 4 采樣點(diǎn)的SPI值比較(2015年)

　　2.2 水中懸浮顆粒物粒度分布特征及與水體表觀質(zhì)量相關(guān)性分析

       2.2.1 水中懸浮顆粒物粒度組成特征

　　懸浮顆粒物的成分含量不同比率混合在水體表觀上會(huì)表現(xiàn)出SPI值差異，在粒度分布曲線上則會(huì)表現(xiàn)出粒度組分體積分?jǐn)?shù)差異.因而有必要分析不同表觀污染水體中懸浮顆粒物的組分分布，對(duì)于科學(xué)地控制和治理水體表觀污染具有重要意義.因?yàn)檫\(yùn)河水中的懸浮顆粒物主要以無(wú)機(jī)顆粒為主，所以本研究按照烏氏粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)把無(wú)機(jī)懸浮顆粒物分為7個(gè)粒級(jí)，即7個(gè)組分，各組分粒徑范圍分別為:小于3.8 μm、3.8~16 μm、16~32 μm、32~64 μm、64~122 μm、122~280 μm、大于280 μm. 圖 5是水體中懸浮顆粒物各粒級(jí)組分體積分?jǐn)?shù)分布，結(jié)果表明，組分Ⅱ體積分?jǐn)?shù)在所有組分中最高(體積分?jǐn)?shù)范圍為29.4%~59.6%)，是優(yōu)勢(shì)組分.組分Ⅲ和組分Ⅳ體積分?jǐn)?shù)次之，體積分?jǐn)?shù)范圍分別為8.98%~32.36%和2.3%~23.05%;組分Ⅰ和組分Ⅴ體積分?jǐn)?shù)范圍是3.78%~32.88%和0.21%~10.16%;后兩個(gè)組分在較多樣品中消失，體積分?jǐn)?shù)為零.這一現(xiàn)象與底質(zhì)類(lèi)型主要為粉砂質(zhì)類(lèi)型有關(guān)，即使再懸浮帶入的物質(zhì)亦為粉砂顆粒，各組分體積分?jǐn)?shù)在樣品中表現(xiàn)出較大的差異性，這也預(yù)示著懸浮顆粒物粒度控制因素的復(fù)雜性.

　　　　從上述分析可以看出，不同表觀污染下懸浮顆粒物的組分體積分?jǐn)?shù)不一致，但顆粒物組分改變?nèi)詴?huì)導(dǎo)致水體表觀差異.同時(shí)，不同表觀污染下各組分體積分?jǐn)?shù)對(duì)水體表觀質(zhì)量的貢獻(xiàn)率不一樣，對(duì)其與水體表觀質(zhì)量的相關(guān)性分析可以獲取不同組分對(duì)表觀污染潛力，找出水體表觀敏感顆粒物組分，從而有針對(duì)性地控制某一粒級(jí)范圍內(nèi)顆粒物. 表 2顯示，水體表觀質(zhì)量主要與組分Ⅰ、組分Ⅱ、組分Ⅲ、組分Ⅳ(粒徑<64 μm)體積分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出顯著相關(guān)性，表明對(duì)水體表觀產(chǎn)生影響的是粒徑<64 μm的顆粒物，其中又以組分Ⅱ和組分Ⅳ的影響最大.但這種相關(guān)性具有分段性，節(jié)點(diǎn)為濁度等于45NTU.當(dāng)濁度小于45NTU時(shí)，SPI值與組分Ⅱ含量在(P<0.01)水平下呈顯著正相關(guān)，與組分Ⅳ含量在(P<0.05)水平下顯著負(fù)相關(guān).當(dāng)濁度大于等于45NTU時(shí)，SPI值與上兩個(gè)組分體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系與濁度小于45NTU時(shí)完全相反，SPI值與組分Ⅱ體積分?jǐn)?shù)在(P<0.01)水平下呈顯著負(fù)相關(guān)，與組分Ⅳ呈現(xiàn)出顯著正相關(guān). 圖 6顯示了SPI值與組分Ⅱ和組分Ⅳ的散點(diǎn)分布狀況.能更清楚詳細(xì)地反映組分含量與SPI值的相關(guān)性. SS是表征水體質(zhì)量好與否的重要指標(biāo)，它們與水體表觀質(zhì)量相關(guān)性很強(qiáng)，所以研究中同時(shí)分析了SS和粒級(jí)組分體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系.結(jié)果表明，它們與各組分體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系具有很好的一致性，當(dāng)水中懸浮物質(zhì)增加，濁度大于等于45NTU時(shí)，主要是大顆粒物質(zhì)占比增加，相反，當(dāng)濁度小于45NTU時(shí)，則是小顆粒物質(zhì)占比增加，即在不同的懸浮物濃度下，對(duì)水體表觀質(zhì)量產(chǎn)生影響的組分也是不同的.

　　　　表 2 SPI值和各組分含量的皮爾遜相關(guān)系數(shù)1)　

　　　2.2.2 水中懸浮顆粒物各組分粒度參數(shù)特征

　　中值粒徑D50、粒徑累計(jì)頻率雙對(duì)數(shù)曲線斜率m以及截距c等粒度參數(shù)是經(jīng)常用來(lái)表征粒度分布特征的重要粒度參數(shù).利用冪函數(shù)擬合水體中懸浮顆粒物粒徑分布(圖 7)可以得到各組分的中值粒徑D50、斜率m以及截距參數(shù)c.樣品中D50的范圍是13~25.2 μm，c的范圍是-0.06~0.48，而m的范圍則是1.02~1.31. 圖 7顯示，各粒度參數(shù)間也有一定的相關(guān)性，D50與c、m呈負(fù)相關(guān)，表明從總體上說(shuō)D50表示的中值粒徑越小，截距和斜率越大，粒度分布越往小粒徑方向偏.

圖 7 粒度參數(shù)間關(guān)系散點(diǎn)圖

　　不同表觀污染下懸浮顆粒物的體積分?jǐn)?shù)的變化可以表征水體表觀污染的情況，而粒徑參數(shù)可以更加宏觀地看出他們之間的聯(lián)系. 表 3表明，水樣中SPI值與D50和c關(guān)系顯著.但這種關(guān)系也是在濁度等于45NTU節(jié)點(diǎn)處發(fā)生改變, 當(dāng)濁度小于45NTU時(shí)，SPI值與D50呈顯著負(fù)相關(guān)，與c呈顯著正相關(guān)，均在(P<0.01)水平下;當(dāng)濁度大于等于45NTU時(shí)，SPI值與D50呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.847(P<0.01)，與c呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.744(P<0.01).相應(yīng)地也作了SPI值與D50和c散點(diǎn)圖(圖 8)，可以更加直觀地看出表觀污染指數(shù)和粒徑參數(shù)之間的關(guān)系. 表 3也做了SS與粒度參數(shù)之間的相關(guān)性，結(jié)果表明SS只在懸浮顆粒物超過(guò)一定數(shù)量時(shí)(濁度大于等于45NTU)與D50相關(guān)性才顯著，相關(guān)系數(shù)為0.792. SS與c的顯著相關(guān)性也是在濁度大于等于45NTU才顯現(xiàn)，均在(P<0.05)水平下顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)-0.647.由圖 9可以看出，在9月初，水中懸浮顆粒物濃度出現(xiàn)激增的過(guò)程，所以當(dāng)濁度逐漸增大的時(shí)候，沉降在河底的大顆粒物質(zhì)由于水動(dòng)力等因素大量懸浮到上層水面，導(dǎo)致水中的懸浮顆粒物的粒徑朝大粒徑的趨勢(shì)變化，水體表觀污染嚴(yán)重.

　　　　表 3 SPI值與粒度參數(shù)皮爾遜相關(guān)系數(shù)1)　

圖 9 SPI、Chl-a和SS的分布(2015年)

　　2.3 表觀污染水體中懸浮顆粒物粒度分布的影響因素

       2.3.1 生物作用的影響

　　Kostadinov等指出，當(dāng)顆粒物中無(wú)機(jī)成分占主導(dǎo)時(shí)，粒徑分布一般遵循榮格普分布，當(dāng)夏季生物作用明顯時(shí)，水中存在大量浮游藻類(lèi)絮體，粒度分布則會(huì)呈現(xiàn)雙峰或其他復(fù)雜分布.已有研究表明，藻類(lèi)可以生長(zhǎng)的溫度區(qū)間為15~35℃，而最適宜藻類(lèi)生長(zhǎng)的水體溫度為29~30℃.在7月底和9月初，水體溫度范圍為27.7~33.3℃，平均溫度為29.3℃，此時(shí)藻類(lèi)生長(zhǎng)速度較快，各個(gè)采樣點(diǎn)的懸浮顆粒物粒度分布曲線尾部出現(xiàn)了一個(gè)上升峰，如圖 10中混合水樣懸浮顆粒物粒度分布曲線，同時(shí)Chl-a濃度也達(dá)到40 μg ·L-1左右(如圖 9)，用格篩把絮凝藻類(lèi)進(jìn)行篩出后繼續(xù)測(cè)量水中懸浮顆粒物的粒度分布，篩除后即圖 10中無(wú)藻水樣的粒度分布曲線，從中可以看出尾部的上升峰消失.為進(jìn)一步驗(yàn)證這一結(jié)果，文中對(duì)大量絮凝藻類(lèi)的水體進(jìn)行粒度檢測(cè)，粒度分布結(jié)果如圖 10所示，純?cè)宓某龇逦恢煤椭�前尾部上升峰的位置大致相�? 表明在這個(gè)時(shí)期藻類(lèi)的生長(zhǎng)等生物絮凝物對(duì)水中懸浮顆粒物粒度分布產(chǎn)生了一定的影響.在這兩個(gè)階段SPI也相應(yīng)地發(fā)生了改變.表明生物作用對(duì)粒度分布產(chǎn)生影響時(shí)，水體表觀也有一致的響應(yīng). 圖 4中的4號(hào)點(diǎn)和5號(hào)點(diǎn)處于運(yùn)河支流段，河水流量較小，并且船只較少，水力擾動(dòng)也小，相比其他3個(gè)點(diǎn)，可能更適合藻類(lèi)的生長(zhǎng).在7月底，雨水頻繁，雨水的沖刷影響了藻類(lèi)的聚集，并對(duì)水體中的污染物起到一定的稀釋作用，使水體表觀質(zhì)量出現(xiàn)躍低值.但9月后期，水中浮游藻類(lèi)含量降低，水中總懸浮顆粒物含量仍持續(xù)上升，表明還有其他作用對(duì)水中顆粒物產(chǎn)生了影響.

圖 10 水中懸浮顆粒物粒度分布

　　2.3.2 水動(dòng)力條件的影響

　　運(yùn)河水區(qū)域底質(zhì)再懸浮作用很強(qiáng)，底層顆粒在強(qiáng)烈的水動(dòng)力作用下發(fā)生再懸浮進(jìn)入水體，一方面加大了水體中懸浮顆粒物的濃度，另一方面改變了懸浮顆粒物原有的粒度組分，因此有無(wú)再懸浮直接影響著水體表觀和懸浮顆粒物粒度分布特征.

　　C-M圖是帕塞加提出的，該圖是應(yīng)用每個(gè)樣品的C值(μm)為縱坐標(biāo)和M值(μm)為橫坐標(biāo)繪成的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖形. C值是粒度分析資料篩上累積曲線上顆粒含量1%處對(duì)應(yīng)的粒徑，M值是累積曲線上50%處對(duì)應(yīng)的粒徑，即粒度中值. C值與樣品中最粗顆粒的粒徑相當(dāng)，代表了水動(dòng)力攪動(dòng)開(kāi)始搬運(yùn)的最大能量;M值是中值，代表了水動(dòng)力的平均能量. C-M圖可以提供關(guān)于懸浮顆粒物搬運(yùn)狀態(tài)和水動(dòng)力強(qiáng)弱的信息.

　　遞變懸浮指在流體中懸浮顆粒物由下而上粒度逐漸變細(xì)，密度逐漸變低.它常位于水流底部，一般由于渦流發(fā)育造成;均勻懸浮常是遞變懸浮之上的上層水流搬運(yùn)方式.在弱水流中可能不存在遞變懸浮，而是由均勻懸浮直接與底床接觸.從圖 4可以看出，9月開(kāi)始，表觀污染指數(shù)持續(xù)增加，說(shuō)明水體表觀越來(lái)越差，而圖 9顯示，9月以后，水中的SS也突然增大，并且主要是大顆粒物質(zhì)的增加，所以本研究以9月為臨界點(diǎn)做C-M圖，圖 11是9月前后顆粒物C-M圖，從圖 11(a)可以看出該長(zhǎng)條形區(qū)域與C=M直線平行，C與M值成比例增減，說(shuō)明9月以前，懸浮顆粒物主要是遞變懸浮，還未發(fā)生再懸浮作用;從圖 11(b)可以看出，在9月以后不僅有遞變懸浮，還存在均勻懸浮，表明由于再懸浮作用，懸浮物質(zhì)已有部分達(dá)到表層，對(duì)樣點(diǎn)所在水體的懸浮顆粒物粒度分布產(chǎn)生影響.從圖 9可以看出，在9月以后藻含量沒(méi)有增加時(shí)，SPI值仍在增大，表明這個(gè)期間SPI的增大不是由于藻含量增加引起，而主要是再懸浮導(dǎo)致底質(zhì)遷移至水體中，因此水中SS含量增加，SPI值增大.這也解釋了9月以后水中懸浮顆粒物濃度持續(xù)上升，水體表觀質(zhì)量SPI值增大.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　　　3 結(jié)論

　　(1)無(wú)機(jī)型城市景觀水體中懸浮顆粒物具有相似的粒度分布特征，粒度分布以單峰分布為主.按照烏氏粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，把它劃分為7個(gè)組分，各組分粒級(jí)范圍分別為小于3.8 μm、3.8~16 μm、16~32 μm、32~64 μm、64~122 μm、122~280 μm、大于280 μm.

　　(2)無(wú)機(jī)型城市景觀水體中懸浮顆粒物對(duì)水體表觀敏感組分是組分Ⅱ(粒級(jí)3.8~16 μm)和組分Ⅳ(粒級(jí)32~64 μm)，SPI值與組分Ⅱ和組分Ⅳ體積分?jǐn)?shù)關(guān)系具有分段性，分段節(jié)點(diǎn)是濁度為45NTU處.濁度小于45NTU時(shí)，SPI值與組分Ⅱ體積分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)，與組分Ⅳ體積分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān);當(dāng)濁度大于等于45NTU時(shí)關(guān)系相反.通過(guò)對(duì)SPI與中值粒徑及粒徑參數(shù)的相關(guān)性分析得出，懸浮顆粒物濃度的增加主要是大顆粒物質(zhì)的增加，表明水體發(fā)生了再懸浮作用.

　　(3)生物作用和水動(dòng)力條件是影響水中懸浮顆粒物粒度分布和水體表觀質(zhì)量的重要因素.生物因子的影響主要表現(xiàn)為藻類(lèi)等生物絮凝物的生長(zhǎng)進(jìn)而影響水體的粒度組分含量，造成水體表觀污染;水動(dòng)力條件的影響則是使水體底質(zhì)發(fā)生再懸浮，部分沉降在底部的大顆粒物質(zhì)進(jìn)入水體，導(dǎo)致水體的懸浮物濃度升高，表觀污染嚴(yán)重.