汾河太原城區(qū)段上游不同河流形態(tài)對(duì)水質(zhì)及土壤理化性質(zhì)的影響

郭涵婧，武小鋼，甄志磊，劉廣敏

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，山西 太谷 030801)

許多城市中心是圍繞河流發(fā)展起來(lái)的，河流是商業(yè)的命脈。對(duì)河流商業(yè)用途的關(guān)注使得河流的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值被忽視。如，人們多從水利工程角度出發(fā)對(duì)自然河流進(jìn)行裁彎取直、橫向斷面規(guī)則化、河道底質(zhì)與邊坡硬質(zhì)化等，以滿足通航和防洪的需要。隨著城市河流景觀的商業(yè)價(jià)值被挖掘和定義，對(duì)美學(xué)的關(guān)注以及環(huán)境整治的現(xiàn)實(shí)需求，“景觀化”與“生態(tài)修復(fù)”成為近20年來(lái)城市河流開發(fā)建設(shè)的2個(gè)關(guān)鍵詞。如在浙江黃巖永寧公園[1]、中山岐江公園[2]等就是這一階段所做的有益探索。從這些工作中可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)者在考慮安全的基礎(chǔ)上著重對(duì)河流形態(tài)的美觀和多樣進(jìn)行了思考，并融合特定的生態(tài)修復(fù)措施，以營(yíng)造更適宜城市居民使用的濱水空間。但是，修復(fù)后的河流生態(tài)系統(tǒng)缺少建成后定時(shí)、定項(xiàng)的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，使得特定修復(fù)措施與各生態(tài)因子之間的關(guān)系難以被準(zhǔn)確理解，這成為城市河流生態(tài)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展最根本的制約因素之一。

自然河流在形態(tài)上具有縱向蜿蜒性、橫斷面非規(guī)則性、河床材料透水性[3]，使得河流形成主流、支流、河灣、沼澤、急流和淺灘等多種形態(tài)[4]，創(chuàng)造了極為豐富的流域生境多樣化條件，對(duì)于生物群落的性質(zhì)、優(yōu)勢(shì)種和種群密度以及微生物的作用均產(chǎn)生重大影響。城市河流生態(tài)修復(fù)旨在通過(guò)河流形態(tài)重塑等措施改變水質(zhì)及周邊土壤環(huán)境，重現(xiàn)自然狀態(tài)下的多樣河流生境。已有研究通過(guò)定量檢測(cè)探討了河流形態(tài)與水質(zhì)各因子的關(guān)系[5-7]，而關(guān)于河流形態(tài)與岸土及底泥理化性質(zhì)等因子的關(guān)系還缺少相關(guān)研究。本文旨在通過(guò)定量方式明晰河流形態(tài)與水質(zhì)、岸土及底泥的關(guān)系，為更精準(zhǔn)地把握今后城市河流修復(fù)方向做出一定貢獻(xiàn)。

汾河是山西省的母親河，是黃河水系的第二大支流[8]。汾河由北至南縱貫太原市區(qū)，對(duì)于太原市經(jīng)濟(jì)、交通、生態(tài)等方面均具有舉足輕重的作用。1999年起，太原市陸續(xù)啟動(dòng)市區(qū)內(nèi)汾河生態(tài)修復(fù)整治工程，在二期、三期尤為重視多種河流形態(tài)的營(yíng)造，保留河中小島、恢復(fù)河岸線自然彎曲、采用草坡等生態(tài)型駁岸，汾河周邊環(huán)境大為改觀。本文將通過(guò)對(duì)汾河太原市城區(qū)段上游一處河流形態(tài)多樣的河段進(jìn)行水質(zhì)及土壤檢測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析不同的河流形態(tài)對(duì)河流水質(zhì)及河流底泥、河岸土壤性質(zhì)的影響，進(jìn)而分析對(duì)整個(gè)河流生境的影響，也對(duì)今后太原市乃至其他城市區(qū)域的河流形態(tài)建設(shè)提供參考。

1 研究樣地和方法

1.1 河段概況

以太原市區(qū)汾河小留村——下蘭村河段為研究對(duì)象，該河段于2006年進(jìn)行了河道整治，主要措施包括疏浚、河道形態(tài)重塑及綠化，未建設(shè)人工景觀及服務(wù)設(shè)施。水流方向自西北向東南，流速緩慢，全長(zhǎng)約3 km，最深處約5 m，全段無(wú)污水排入。借助Google map，在這一河段中選擇3種典型形態(tài)：順直型、彎曲型、分汊型(表1)。

表1 小留村—下蘭村河段3種河流形態(tài)類型概況

1.2 樣品采集與分析

于2019年9月分別在3種不同河流形態(tài)的河道兩側(cè)進(jìn)行水樣與土樣的采集。

1)水樣采集：在盡量遠(yuǎn)離岸邊的水面下10 cm采集水樣，每點(diǎn)分裝3個(gè)采樣瓶(取樣前將取樣瓶潤(rùn)洗3遍)，密封后于避光處0～4℃保存。測(cè)量時(shí)將各點(diǎn)的3瓶水樣充分混勻，靜置，取上清液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2)土樣采集：采集水下底泥于聚乙烯瓶中，立即帶回實(shí)驗(yàn)室，自然晾干、過(guò)篩，待實(shí)驗(yàn)。采集距水面1 m處的岸邊表層土壤(0～20 cm)于聚乙烯密封袋中，立即帶回實(shí)驗(yàn)室，自然晾干、過(guò)篩，待實(shí)驗(yàn)。其中樣點(diǎn)3～7無(wú)土樣、泥樣采集。

3)水樣參數(shù)：采用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器測(cè)定水溫、pH、總懸浮固體(TSS)、總?cè)芙夤腆w(TDS)、鹽度、氧化還原電位(ORP)、溶解氧等?？偟?TN)測(cè)定采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-89)，氨氮(NH3+-N)測(cè)定采用納氏試劑分光光度法(HJ535-2009)，化學(xué)需氧量(COD)測(cè)定采用重鉻酸鹽法(GB11914-89)，總磷(TP)測(cè)定采用過(guò)硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法(GB11893-89)。

4)土樣參數(shù)：采用稱重法測(cè)定含水率，采用電極法測(cè)定pH，采用燃燒法測(cè)定有機(jī)碳，采用高氯酸—硫酸消煮—鉬銻抗比色法測(cè)定總磷，采用紫外分光光度法測(cè)定硝態(tài)氮。

2 水樣數(shù)據(jù)分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定指標(biāo)

通過(guò)Excel和SPSS分析得出3種不同河流形態(tài)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的各項(xiàng)指標(biāo)如表2所示。

表2 3種河流形態(tài)的各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

由表2可得，順直型河水pH值在三者中居中，與彎曲型無(wú)顯著差異，與分汊型差異顯著，且浮動(dòng)最小，體現(xiàn)出較穩(wěn)定的弱堿性；TSS濃度三者居中，但浮動(dòng)最大，這可能是由于人們較為頻繁的釣魚、游泳等休閑活動(dòng)干擾影響了水中各物質(zhì)的沉淀，或者帶入一些垃圾污染造成的；TDS大于300 mg/L，顯示水中雜質(zhì)較多，水體受到一定的污染，TDS及鹽度均為3種河流形態(tài)之首，但與另兩者并無(wú)顯著差異性，且數(shù)據(jù)波動(dòng)為三者最小；ORP居中，與分汊型無(wú)顯著差異，與彎曲型差異顯著，雖各樣點(diǎn)數(shù)值浮動(dòng)較大，但整體顯示水質(zhì)具有較強(qiáng)的氧化性，表征水質(zhì)狀況較好；溶解氧含量居中，波動(dòng)最小，與另兩者無(wú)顯著差異，達(dá)到地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，顯示水體具有較強(qiáng)且穩(wěn)定的自凈能力。

彎曲型河水pH值略高于順直型，顯著高于分汊型，且各樣點(diǎn)浮動(dòng)較大，可能是由于此河段河水最淺，附近缺少植物遮蔽，太陽(yáng)照射強(qiáng)烈，水溫易升高，導(dǎo)致水中CO2溶解度減小，呈現(xiàn)較不穩(wěn)定的弱堿性；TSS濃度最低，但與另兩者無(wú)顯著差異，各樣點(diǎn)數(shù)值波動(dòng)最小，可能是由于水流流速較快，且石塊河床不含泥沙，不易累積懸浮物質(zhì)；TDS、鹽度數(shù)值稍低于另兩者，但無(wú)顯著差異，同樣表征較多的溶解物污染；ORP為三者中最高，且波動(dòng)最小，與順直型、分汊型均差異顯著，顯示水體具有最強(qiáng)的穩(wěn)定的氧化性，水質(zhì)良好；溶解氧含量最低，波動(dòng)最大，與另兩者無(wú)顯著差異，同樣達(dá)到地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)。

分汊型河水堿性最弱，與另兩者均存在顯著差異，可能是由于此河段內(nèi)水草茂盛，水生生物的呼吸及有機(jī)體的分解過(guò)程會(huì)積累CO2,使水體堿性略有下降；TSS濃度最高，波動(dòng)程度居中；ORP在三者中最低，與彎曲型差異顯著，與順直型相差無(wú)幾，主要是一些河灣漫灘處水體更新極慢，人為活動(dòng)的垃圾淤積對(duì)水質(zhì)造成嚴(yán)重污染；TDS、鹽度也在三者中居中，但與另兩者無(wú)顯著差異，顯示水體受到一定污染。溶解氧為三者中最高，與另兩者無(wú)顯著差異，同樣達(dá)到地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，根據(jù)表2指標(biāo)顯示，3種河流形態(tài)的水質(zhì)狀況各有千秋。順直型大部分指標(biāo)在三者中居中，僅TDS與鹽度略高；彎曲型大部分指標(biāo)最優(yōu)，但pH值偏高，溶解氧含量略低；分汊型堿性小、溶解氧含量高，但TSS數(shù)值偏大?？偠灾?，3種河流形態(tài)水質(zhì)差異不明顯。

2.2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)定指標(biāo)

通過(guò)Excel和SPSS分析得出3種不同河流形態(tài)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的4項(xiàng)指標(biāo)如表3所示。

由表3可知，順直型水體氨氮含量及波動(dòng)情況居中，但與另兩者均無(wú)顯著差異；總氮含量為三者最低，與另兩者差異不明顯，但各樣點(diǎn)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，氮含量不穩(wěn)定；COD含量為三者最低，與彎曲型有顯著差異，與分汊型相差無(wú)幾，但波動(dòng)較另兩者偏大；總磷含量?jī)H在一個(gè)樣點(diǎn)被檢測(cè)出，其余各樣點(diǎn)均未檢測(cè)出，可見該形態(tài)下河水幾乎未受到磷的污染。

表3 3種河流形態(tài)的各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果

彎曲型水體氨氮濃度最低，且波動(dòng)最小，呈穩(wěn)定趨勢(shì)；總氮濃度最高，可能該河流形態(tài)下河水硝態(tài)氮與亞硝態(tài)氮等其它形式的氮含量豐富；COD濃度為三者中最高，與另兩形態(tài)水體均有顯著差異，顯示河水有機(jī)質(zhì)含量過(guò)多，受到較嚴(yán)重污染，可能是由于該形態(tài)河流內(nèi)高差大，水流流速較快，長(zhǎng)久沖刷河床及河岸導(dǎo)致土壤流失，河流生境單一，不利于污染物的消解，且在采樣過(guò)程中觀察到若干車輛及游人往返于兩岸，對(duì)河水造成二次污染；總磷濃度為三者中居中，有2個(gè)樣點(diǎn)檢測(cè)出磷含量，其余樣點(diǎn)未檢測(cè)出。

分汊型水體氨氮濃度為三者中最高，且有較大波動(dòng)，但在統(tǒng)計(jì)學(xué)上與另兩者無(wú)顯著差異?？偟烤又校c另兩者差異不明顯，各樣點(diǎn)數(shù)值有較大波動(dòng)，整個(gè)河段總氮含量不穩(wěn)定；COD含量居中，略微高于順直型水體，顯著低于彎曲型，且波動(dòng)幅度較?。豢偭缀吭?個(gè)樣點(diǎn)檢測(cè)出，且各樣點(diǎn)波動(dòng)較大，可能是由于在河流漫灘處水體更新極慢，加上人為活動(dòng)帶來(lái)的污染物累積，造成河水污染狀況加重。

綜上所述，根據(jù)表3指標(biāo)顯示，順直型水體僅氨氮含量略高，其余均最低；彎曲型水體有2項(xiàng)指標(biāo)最高，且COD與另兩者有顯著差異；分汊型水體氨氮與總磷含量略高，但與另兩者無(wú)顯著差異，剩余2個(gè)指標(biāo)居中?？偠灾?，順直型水體水質(zhì)較好，分汊型水體次之，彎曲型水體水質(zhì)稍差。

3 土樣數(shù)據(jù)分析

由于平水期彎曲型河段河水較淺，水流較快沖刷河底，河流的石塊河床裸露成為駁岸，多數(shù)樣點(diǎn)無(wú)土壤駁岸及底泥，故在此不予討論。順直型與分汊型河段土樣各指標(biāo)情況如圖1～圖4所示。

圖1 土樣pH值

圖2 土樣有機(jī)碳含量

圖3 土樣總磷含量

圖4 土樣硝態(tài)氮含量

通過(guò)對(duì)20處樣點(diǎn)土壤進(jìn)行檢測(cè)，pH值均在7.5～8.5間，為堿性土壤。

由圖1可知，順直型岸土及底泥的pH值分別高于分汊型岸土及底泥(8.06>7.91,7.98>7.95),但四者無(wú)顯著差異。順直型岸土pH值稍高于底泥，表現(xiàn)出較底泥更穩(wěn)定的堿性。分汊型岸土pH值稍低于底泥，表現(xiàn)出較底泥更穩(wěn)定的堿性。

由圖2可知，分汊型岸土及底泥有機(jī)碳含量分別高于順直型岸土及底泥(13.52>5.86,19.56>10.66)，且表現(xiàn)出更大幅度的波動(dòng)，可能是由于分汊型河段形成更多樣的土壤環(huán)境，砂石漫灘不利于有機(jī)質(zhì)形成，而土層較厚的半島更適宜陸生及水生植物生長(zhǎng)，從而利于有機(jī)碳的積累，但四者無(wú)顯著差異；順直型岸土有機(jī)碳含量低于底泥，且波動(dòng)較小。分汊型岸土有機(jī)碳含量低于底泥，且波動(dòng)較小。

由圖3可知，順直型岸土的總磷含量低于分汊型岸土(0.22<0.44),二者有顯著差異；順直型底泥的總磷含量高于分汊型底泥(0.64>0.37)，二者有顯著差異；順直型岸土總磷含量低于底泥，且波動(dòng)較小，二者有顯著差異；分汊型岸土總磷含量高于底泥，且波動(dòng)較小，二者無(wú)顯著差異。

由圖4可知，順直型岸土的硝態(tài)氮含量低于分汊型岸土(1.5<8.1),二者有顯著差異；順直型底泥的硝態(tài)氮含量低于分汊型底泥(2.5<4.2)，二者無(wú)顯著差異；順直型岸土硝態(tài)氮含量低于底泥，二者無(wú)顯著差異；底泥硝態(tài)氮含量極不穩(wěn)定，可能是受個(gè)別樣點(diǎn)水生植物影響導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差；分汊型岸土硝態(tài)氮含量高于底泥，二者無(wú)顯著差異。

綜合圖1～圖4來(lái)看，分汊型岸土堿性稍弱、有機(jī)碳與總磷、硝態(tài)氮含量均較高，相較于順直型體現(xiàn)出更佳的土壤理化性質(zhì)，更利于植物及其他生物的生長(zhǎng)活動(dòng)，更利于河流生境的豐富。分汊型底泥堿性稍弱、有機(jī)碳與硝態(tài)氮含量均較高，僅總磷含量低于順直型底泥，二者理化性質(zhì)各有所長(zhǎng)，可為水生植物及各種微生物提供較好的生長(zhǎng)環(huán)境。

4 討論與結(jié)論

1)順直型河段河水多數(shù)指標(biāo)表征良好，污染程度小，但由于整體流速過(guò)慢，水體更新不及時(shí)，有害物質(zhì)容易堆積，其濁度、鹽度等均易偏高。岸土理化性質(zhì)稍遜于分汊型河段，底泥理化性質(zhì)與分汊型相當(dāng)，較之于彎曲型河段具有更豐富的植物及其他生物生長(zhǎng)環(huán)境。岸邊多處游人可達(dá)，有一樣點(diǎn)甚至車輛可達(dá)，容易給河水及土壤帶來(lái)污染。

2)彎曲型河段河水水質(zhì)狀況稍差，河道生境單一，限制了水體自凈過(guò)程，游人及車輛加劇其污染，但跌水帶來(lái)更多樣的景觀變化，較淺的河流增加親水性吸引游人，較快的流速也幫助減少水體污染。

3)分汊型河段形態(tài)復(fù)雜且優(yōu)美，水質(zhì)整體較好，但在一些漫灘處污染程度較重。內(nèi)部多處游人可達(dá)，易帶來(lái)外部污染。岸土及底泥理化性質(zhì)良好，利于多種生物生長(zhǎng)，營(yíng)造豐富，景觀效果好。

4)整體而言，對(duì)于水質(zhì)改善效果：順直型>分汊型>彎曲型，對(duì)于土壤理化性質(zhì)改善效果：分汊型>順直型。但3種形態(tài)均存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，河流生態(tài)修復(fù)應(yīng)采取多種河流形態(tài)交錯(cuò)的設(shè)計(jì)，能達(dá)到更全面的修復(fù)效果。

5)好的城市河流修復(fù)工程也需要后期人為維護(hù)和管理，對(duì)人為活動(dòng)產(chǎn)生的垃圾進(jìn)行有序收集，對(duì)人與景的互動(dòng)方式進(jìn)行更合理的規(guī)劃管理，才是能長(zhǎng)久維持整個(gè)河流生境的源源動(dòng)力。