太原汾河公園水質(zhì)現(xiàn)狀評價(jià)

劉廣敏，楊秀云，甄志磊，郭涵婧，吳茜，武小鋼

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，山西 太谷 030800)

城市濱水區(qū)是在城市中某個(gè)特定的空間的一部分，與河流和湖泊、水體相鄰，即陸域與水域相連的一定區(qū)域的總稱。作為城市景觀的一部分，它對營造城市景觀環(huán)境起著重要的作用[1-2]。太原汾河公園是在汾河太原城區(qū)段內(nèi)經(jīng)過水利治理和綠化美化后而形成的濱水公園。隨著太原市社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人類活動和污水的不斷排放，直接或間接地影響到人類的生態(tài)環(huán)境和飲水安全。

本文主要以太原汾河公園為研究對象，從景觀環(huán)境的生態(tài)角度出發(fā)，采用水污染指數(shù)法對公園水環(huán)境進(jìn)行定性定量評價(jià)。對河流的水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)是水環(huán)境管理的基礎(chǔ)性工作，利用合理的水質(zhì)評價(jià)方法，可反映當(dāng)前水體質(zhì)量和污染狀況，對水體質(zhì)量變化規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)主要污染問題[3]。有研究表明，水污染指數(shù)法更適合小流域水體水質(zhì)的定性定量評價(jià)，且計(jì)算方便簡單[4]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

汾河是黃河的第二大支流，是山西境內(nèi)的第一大河，發(fā)源于山西省寧武縣管涔山[5-6]，由北向南貫穿太原市區(qū),先后流經(jīng)太原尖草坪區(qū)、杏花嶺區(qū)、萬柏林區(qū)、迎澤區(qū)和小店區(qū)，長約40 km[7]。太原城區(qū)段主要排污口共22處，其中生活排污口2處，工業(yè)企業(yè)排污口1處，混合排污口4處，支流河口15處[8-9]；主要污染物是氨氮、總氮、化學(xué)需氧量、總磷等[10]。年平均降水量459.5 mm，7、8、9三個(gè)月平均降雨量286.2 mm。全汾河太原段綜合治理美化工程綠化總面積為130萬m2，共栽植183種2.4萬株喬灌木，82萬m2草坪，形成了兩岸寬100 m、長6 km的綠色生態(tài)長廊[11]。太原市位于山西省中部,太原盆地北端，屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，晝夜溫差大,春季干旱少雨，夏季炎熱多雨,秋季涼爽，冬季寒冷干燥，最高氣溫39.4℃，濕度62.2%以上[12-13]。

太原汾河公園北起柴村橋北側(cè)，南至祥云橋南側(cè)，總長超過18 km。20世紀(jì)末，太原市對汾河公園先后進(jìn)行了兩期以“人文、生態(tài)”為目的的景觀治理[14]。一期工程北起勝利橋上游155 m處，南至南內(nèi)環(huán)橋下游125 m，總長近6.0 km。河道為人工復(fù)式斷面，中間主河道寬300 m，兩側(cè)綠地總寬 150～200 m。主河槽采用分槽方案，由中隔墻分成東西兩渠。東側(cè)為清水渠，寬220 m，由四道橡膠壩分為三級蓄水湖面；西側(cè)渾水渠，寬80 m，排泄上游洪水和水庫灌溉輸水。二期工程是在一期工程的基礎(chǔ)上，分別向南、北延伸，北延伸至太古嵐鐵路橋段，長2.4 km，南延伸至祥云橋下游500 m段，長5.1 km，二期工程總長7.5 km[15-16]。本文主要對太原汾河公園二期工程水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行研究。

1.2 樣品采集與測定

1.2.1樣品采集

根據(jù)現(xiàn)場勘查，使用BIGEMAP軟件現(xiàn)場確定點(diǎn)位，在太原汾河公園北延段選取S1、S2采樣段。S1采樣段位于攝樂街附近，S2采樣段位于北中環(huán)街附近。南延段選取S3、S4采樣段，S3采樣段位于南中環(huán)街附近，S4采樣段位于龍城大街附近(圖1)。四個(gè)采樣段分別按不等間隔各布五個(gè)斷面點(diǎn)，在其水面以下約30 cm處采集水樣，分別采集3次并混合均勻后取500 ml水樣裝入聚乙烯瓶中。在研究區(qū)共采集水樣20個(gè)。

圖1 采樣段布置示意

1.2.2樣品測定

現(xiàn)場使用德國SN 1318便攜式水質(zhì)多參數(shù)分析儀測定水溫、電導(dǎo)率、鹽度、總?cè)芙夤腆w(TDS)、水密度(H2O)、pH值、溶解氧(DO)、氧飽和度、氧化還原電位、渾濁度、總懸浮固體(TSS)等11個(gè)指標(biāo)。將采集好的水樣帶回實(shí)驗(yàn)室儲存于冰箱中，使用GENESYS 180紫外分光光度計(jì)依次測定其化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)和總磷(TP)。其中，依據(jù)國標(biāo)，對化學(xué)需氧量(COD)采用重鉻酸鉀法，氨氮(NH3-N)采用納氏試劑光度法，總氮(TN)采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，總磷(TP)采用鉬酸銨分光光度法。具體測定方法見文獻(xiàn)[17]。為保證數(shù)據(jù)可靠性，采用全程空白和重復(fù)3次混合采樣；實(shí)驗(yàn)室測定時(shí)，進(jìn)行曲線校準(zhǔn)、空白樣品、重復(fù)3次試驗(yàn)等措施。

1.3 數(shù)據(jù)分析

主要采用WPS 2019和SPSS 22統(tǒng)計(jì)軟件對各斷面水質(zhì)因子進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)、單因素方差分析(One-WayANOVA)及差異顯著性檢驗(yàn)(P=0.05)。根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)，采用水污染指數(shù)評價(jià)法對各采樣段水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)。

1.4 水質(zhì)評價(jià)方法

水污染指數(shù)評價(jià)法[18-19]是基于單因子評價(jià)法，依據(jù)水質(zhì)類別與WPI值對應(yīng)表(表1)，用內(nèi)插方法計(jì)算得出某一斷面每個(gè)參加水質(zhì)評價(jià)項(xiàng)目的WPI值，取最高WPI值作為該斷面的WPI值的評價(jià)法。

1)未超過Ⅴ類水限值時(shí)指標(biāo)WPI值計(jì)算公式：

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

(1)

式中，C(i)為第i個(gè)水質(zhì)項(xiàng)目的監(jiān)測濃度值，Cl(i)為第i個(gè)水質(zhì)項(xiàng)目所在類別標(biāo)準(zhǔn)的下限濃度值，Ch(i)為第i個(gè)水質(zhì)項(xiàng)目所在類別標(biāo)準(zhǔn)的上限濃度值，WPIl(i)為第i個(gè)水質(zhì)項(xiàng)目所在類別標(biāo)準(zhǔn)下限濃度值所對應(yīng)的指數(shù)值，WPIh(i)為第i個(gè)水質(zhì)項(xiàng)目所在類別標(biāo)準(zhǔn)上限濃度值所對應(yīng)的指數(shù)值，WPI(i)為第i個(gè)水質(zhì)項(xiàng)目所對應(yīng)的指數(shù)值。

此外，GB 3838-2002中兩個(gè)水質(zhì)等級的標(biāo)準(zhǔn)值相同時(shí)，則按低分?jǐn)?shù)值區(qū)間插值計(jì)算。pH(屬于無量綱值)取評分值20分。溶解氧(DO)：如果DO≥7.5 mg/L時(shí)則取評分值20分；如果2≤DO<7.5時(shí)，計(jì)算公式為：

(Cl(i)-C(i))

(2)

2)超過Ⅴ類水限值的指標(biāo)WPI值計(jì)算公式：

(3)

式中，C5(i)為第i項(xiàng)目GB 3838—2002中Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)濃度限值。

此外，當(dāng)pH<6時(shí)，

WPI(pH)=100+6.67×(6-pH)

(4)

當(dāng)pH>9時(shí)，

WPI(pH)=100+8.00×(pH-9)

(5)

當(dāng)DO<2時(shí)，

(6)

3)斷面WPI的確定公式

WPI=MAX(WPI(i))

(7)

表1 水質(zhì)類別與WPI值對應(yīng)

2 結(jié)果與分析

2.1 水理化性質(zhì)

2.1.1水物理指標(biāo)變化

太原汾河公園各采樣段水溫的變化范圍為20～21℃，水密度范圍998.1～998.5 g/L。各采樣段水的電導(dǎo)率、總懸浮固體(TSS)、渾濁度等表現(xiàn)出規(guī)律性變化(表2)。由表可知，S1、S2、S4采樣段的電導(dǎo)率和鹽度顯著高于S3采樣段。S3采樣段的渾濁度和總懸浮固體(TSS)顯著高于S2采樣段，而S1、S4采樣段的渾濁度和總懸浮固體(TSS)均與其他段差異不顯著。S1采樣段的氧化還原電位顯著高于S2采樣段，且S1、S2采樣段均與S3采樣段差異不顯著，但3個(gè)采樣段均顯著高于S4采樣段。S1、S2采樣段的總?cè)芙夤腆w(TDS)顯著高于S3和S4采樣段。

2.1.2水化學(xué)指標(biāo)變化

不同采樣段水的pH值、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(CODcr)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)存在顯著差異(表3)。S3采樣段水的pH值、溶解氧、氧飽和度顯著高于其他采樣段，且S4采樣段水的pH值、溶解氧、氧飽和度顯著高于S2采樣段，而S1采樣段水pH值、溶解氧、氧飽和度與S2、S4采樣段無顯著差異。S1、S2、S3采樣段水化學(xué)需氧量(CODcr)無顯著差異，且其3個(gè)采樣段水的化學(xué)需氧量(CODcr)顯著高于S4采樣段。各采樣段水總磷(TP)無顯著差異。S2采樣段與其他采樣段水總氮(TN)無顯著差異，S3、S1采樣段總氮(TN)均顯著高于S4采樣段。S2、S1、S3、S4采樣段水氨氮(NH3-N)值分別為0.09、0.07、0.03、0.02 mg/L，差異顯著呈下降趨勢。

表2 水質(zhì)物理指標(biāo)比較

注：水溫在20～21℃，水密度在998.1～998.5 g/L;均值后不同小寫字母分別表示不同駁岸水因子在P<0.05水平下差異性顯著(下同)。

表3 水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)比較

2.2 水污染指數(shù)法評價(jià)

水污染指數(shù)法評價(jià)結(jié)果(表4)表明,4個(gè)采樣段水質(zhì)等級均為劣Ⅴ類水，主要污染物同單因子評價(jià)相同，其WPI值均為總氮(TN)的WPI值最大，分別為571.06、530.44、557.87、507.82,即WPIS1>WPIS3>WPIS2>WPIS4。因此，S4采樣段水質(zhì)優(yōu)于S2采樣段優(yōu)于S3采樣段優(yōu)于S1采樣段。

表4 汾河太原段水污染指數(shù)法評價(jià)結(jié)果

3 討論

3.1 不同采樣段的水質(zhì)情況

選取四個(gè)采樣段測定水質(zhì)的理化指標(biāo)，水溫在20～21℃，水密度在998.1～998.5 g/L范圍，其TP含量無顯著性差異，按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)屬于Ⅲ類水。各采樣段的電導(dǎo)率和鹽度差異顯著，很可能與其周邊廢水的不定期排放有關(guān)；北延段水的渾濁度、總懸浮固體、COD、氨氮的值小于南延段，可能由于沿途污染源的匯入，水中的無機(jī)物、有機(jī)物等的增加引起的。太原汾河公園水質(zhì)偏堿性，pH值在7.73～8.60，北延段水的pH值顯著小于南延段。北延段水的溶解氧與氧飽和度的值顯著小于南延段，可能是北延段水流速較慢，流經(jīng)橡膠壩到達(dá)南延段，水流跌落使水中氧氣增加，此外，還有可能受周圍環(huán)境和水生生物的影響。溶解氧與氧飽和度、鹽度和電導(dǎo)率、渾濁度和總懸浮固體等均呈正相關(guān)。

3.2 不同采樣段的水質(zhì)評價(jià)

水污染指數(shù)法評價(jià)結(jié)果可以反映水質(zhì)類別、識別主要污染指標(biāo)和進(jìn)行水質(zhì)定量評價(jià)。水污染指數(shù)法是以污染最嚴(yán)重指標(biāo)所在的水質(zhì)類別作為該采樣段的水質(zhì)類別，以超過Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)限值倍數(shù)最大的幾個(gè)指標(biāo)作為該采樣段的主要污染指標(biāo)。用水污染指數(shù)法對水質(zhì)進(jìn)行定量評價(jià)，其值越大，水質(zhì)越差，其評價(jià)方法不僅可以對水質(zhì)進(jìn)行定性定量評價(jià)，且計(jì)算方便簡單。

4 結(jié)論

河流的景觀生態(tài)問題越來越受到人們的重視，本文主要從景觀生態(tài)學(xué)角度出發(fā)，選取太原汾河公園不同采樣段測定15個(gè)水質(zhì)指標(biāo)，意在了解其水質(zhì)現(xiàn)狀，為今后的河流健康和水環(huán)境管理提供理論依據(jù)。研究表明：(1)太原汾河公園水質(zhì)符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)劣Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)；(2)S1、S2、S3采樣段的主要污染指標(biāo)均為COD、總氮，S4采樣段水的主要污染物為總氮。COD主要反映水體受有機(jī)物污染的程度，通常是生活污水的主要指標(biāo)[20,21]；TN主要是農(nóng)業(yè)污染的主要指標(biāo)，主要污染源為工業(yè)污水、生活污水、農(nóng)業(yè)污水及降水地表徑流等。(3)評價(jià)結(jié)果表明，水質(zhì)較好的采樣段依次為S4、S2、S3、S1。