灞陵河許昌市區(qū)段富營養(yǎng)化現(xiàn)狀調(diào)查研究

徐永新，張 瑞

(許昌學(xué)院 城市與環(huán)境學(xué)院，河南 許昌 461000)

水體富營養(yǎng)化是生物所需的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入河流，營養(yǎng)物質(zhì)堆積引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，導(dǎo)致水體溶解氧下降、透明度下降、水質(zhì)惡化[1].目前，水體富營養(yǎng)化研究主要集中在水體營養(yǎng)化的污染源[2]、水環(huán)境因子的時(shí)空變化特征及人類影響[3]等，采用單因子評價(jià)指數(shù)法[4]、綜合營養(yǎng)指數(shù)法[5]、主成分分析法等方法[6]對湖泊、水庫、河流的富營養(yǎng)化進(jìn)行研究.灞陵河是許昌過境河流之一，而許昌市區(qū)的水體富營養(yǎng)化卻鮮有報(bào)道，因此對許昌市的水體富營養(yǎng)化進(jìn)行研究，為許昌市景觀水體的質(zhì)量監(jiān)測和控制提供參考.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

研究以灞陵河流經(jīng)許昌市的區(qū)段為采樣點(diǎn)，分別依據(jù)河流自然形態(tài)、流經(jīng)的區(qū)域位置、經(jīng)過橋梁分布以及周邊居民區(qū)環(huán)境等多種因素來確定采樣點(diǎn)，設(shè)置的25個(gè)采樣點(diǎn)如表1所示.在樣品采集過程中，用采集河水清洗塑料瓶五次，然后在水面下10 cm處采集兩瓶水樣，其中一瓶作為平行樣，共采集50瓶水樣.水樣采集后貼好標(biāo)簽，立即帶回實(shí)驗(yàn)室存放冰箱.因?yàn)槿~綠素a見光易分解，所以應(yīng)避光保存，在48 h內(nèi)完成測試.其他指標(biāo)也需要盡快測試.

表1 采樣點(diǎn)具體位置一覽表

1.2 樣品測試

研究確定TP、TN、a(Chl-a)、SD、CODMn五項(xiàng)指標(biāo)評價(jià)灞陵河許昌市區(qū)段的富營養(yǎng)化狀況，其中TN、TP含量測試采用分光光度法，SD含量測試采用塞氏盤法，a(Chl-a)含量測試采用丙酮研磨-比色法，CODMn含量測試采用高錳酸鉀滴定法[7].

1.3 富營養(yǎng)化評價(jià)方法

研究采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，通過計(jì)算葉綠素a與其他指標(biāo)的相關(guān)權(quán)重，計(jì)算綜合得分，對照分級標(biāo)準(zhǔn)判斷富營養(yǎng)化狀況[8，9].

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法計(jì)算公式為

(1)

式中，TLI(Σ)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，TLIj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重.

以Chl-a作為基準(zhǔn)參數(shù)，則第j種參數(shù)的歸一化的相關(guān)權(quán)重計(jì)算公式為

(2)

計(jì)算完成后，對照分級標(biāo)準(zhǔn)[8]，評價(jià)富營養(yǎng)化狀態(tài).

2 灞陵河許昌市區(qū)段水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀分析

2.1 富營養(yǎng)化單因子評價(jià)

依據(jù)TN、TP、CODMn三個(gè)指標(biāo)的濃度，采用單因子評價(jià)法對灞陵河許昌市區(qū)段的水體富營養(yǎng)化進(jìn)行分析.

2.1.1 TN指標(biāo)濃度

11個(gè)采樣點(diǎn)的TN濃度屬于Ⅳ類水質(zhì)，5個(gè)采樣點(diǎn)的TN濃度屬于Ⅴ類水質(zhì).10號(灞陵路灞陵橋)、11號(潁川橋加氣站)、12號(吳莊社區(qū)東)、24號(三橋村)、25號(東黃莊東北角)的濃度超過了Ⅴ類水質(zhì)的上限，屬于劣Ⅴ類水質(zhì)，24號TN濃度最高為2.80 mg/L.

2.1.2 TP指標(biāo)濃度

22個(gè)采樣點(diǎn)的TP濃度屬于Ⅱ類水質(zhì)；5號(天寶西路與天寶路交叉路口)、8號(延安橋)的TP濃度<0.20 mg/L，屬于Ⅰ類水質(zhì)；17號(瑞祥路與灞陵路交叉路口東)濃度最大，TP為0.11 mg/L，屬于Ⅲ類水質(zhì).

2.1.3 CODMn指標(biāo)濃度

CODMn指數(shù)變化的幅度最小，大多屬于Ⅱ類水質(zhì).24個(gè)采樣點(diǎn)的濃度均在2.00～4.00 mL，屬于Ⅱ類水質(zhì)；只有一個(gè)25號(東黃莊東北角)濃度為4.24 ml>4.00 ml，屬于Ⅲ類水質(zhì).

TN與其他兩項(xiàng)指標(biāo)相比，TN多數(shù)屬于Ⅳ類水質(zhì)，其他兩項(xiàng)指標(biāo)多屬于Ⅱ類水質(zhì)；總氮濃度有五個(gè)采樣點(diǎn)屬于劣Ⅴ類水質(zhì)，總磷和高錳酸鹽指數(shù)僅有一個(gè)采樣點(diǎn)屬于Ⅲ類水質(zhì)，其余都是Ⅱ類或Ⅰ類.綜上所述，灞陵河許昌市區(qū)段的氮污染比較嚴(yán)重.

2.2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價(jià)

運(yùn)用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對25個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果如表2所示.根據(jù)評價(jià)結(jié)果對綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的得分進(jìn)行排序，并且參照營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級[8].各采樣點(diǎn)綜合營養(yǎng)狀態(tài)的平均值為44.05，表明灞陵河許昌市區(qū)段目前處于中營養(yǎng)狀態(tài)，水質(zhì)評價(jià)為良好.其中，穎川橋加氣站的TLI(Σ)超過了50，屬于富營養(yǎng)狀態(tài)；其余采樣點(diǎn)的TLI(Σ)均在35.94～49.13之間，屬于中營養(yǎng)狀態(tài).各采樣點(diǎn)的TLI(Σ)差別不大，均在可控范圍內(nèi)，表明各采樣點(diǎn)的污染程度相差不大.TLI(Σ)無極高或極低值，表明灞陵河周邊無高排放、高污染企業(yè).

表2 灞陵河許昌市區(qū)段營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)結(jié)果

采樣點(diǎn)是由北到南，根據(jù)灞陵河的流向進(jìn)行編號，即較小編號在偏上游地區(qū)，較大編號在偏下游地區(qū).由表3可知，11號的穎川橋加氣站屬于富營養(yǎng)狀態(tài)，經(jīng)過周邊調(diào)查發(fā)現(xiàn)原因有兩個(gè)：(1)11號位于河流中游，又位于八一西路與許繼大道兩條主要干道之間，加氣站同時(shí)也是車輛的聚集處，車流量大、人類活動(dòng)頻繁；(2)穎川橋是位于灞陵河的河灣處，以此為節(jié)點(diǎn)，自東北向西南流向變成自北向南流向，河灣處凸岸堆積，取得的水樣中各個(gè)指標(biāo)的濃度因?yàn)槎逊e而升高，所以穎川橋?qū)儆诟粻I養(yǎng)化狀態(tài).

TLI(Σ)在45～50之間的采樣點(diǎn)，編號都偏大(中下游)；TLI(Σ)小于45的采樣點(diǎn)編號都偏小(上游).表明灞陵河的中下游比上游污染嚴(yán)重，從衛(wèi)星地圖中觀察可知，灞陵河的中下游位于許昌市區(qū)內(nèi)，市區(qū)與鄉(xiāng)村不同，市區(qū)工業(yè)化程度高、建筑物密集、污染物來源多，人類對環(huán)境的影響較大，所以市區(qū)河流容易污染；并且河流大概有10米的地勢落差，中上游流速較快；下游趨于平穩(wěn)，流動(dòng)性差，污染物質(zhì)在下游沉積下來，導(dǎo)致各項(xiàng)指標(biāo)升高.按照綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法計(jì)算出綜合得分的折線圖(圖1).

圖1 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價(jià)結(jié)果

需要指出的是：(1)從23號南環(huán)西路清泥河中橋之后，河流從市區(qū)流向鄉(xiāng)村，理論上23、24、25三個(gè)采樣點(diǎn)的TLI(Σ)應(yīng)該小于22號采樣點(diǎn)，但是23號南環(huán)西路清泥河中橋、24號三橋村和25號東黃莊東北角均大于22號.采集水樣時(shí)發(fā)現(xiàn)，23號與24號采樣點(diǎn)之間正在修建橋梁，由于處于施工階段，河流暫時(shí)被泥沙堵住，兩側(cè)透明度明顯下降；并且，修建橋梁需要大量的原材料與人力，所以施工地區(qū)來往車輛增多，人類活動(dòng)較之前頻繁，造成此段河流總氮、總磷含量稍多；石灰、沙子等原材料在岸邊堆放，許昌春天多大風(fēng)，風(fēng)力作用把建筑原材料帶入河流，最終TLI(Σ)的數(shù)值增高，導(dǎo)致23～25采樣點(diǎn)的富營養(yǎng)化程度較高.

(2)14號灞陵橋景區(qū)南側(cè)TLI(Σ)大于15、16號采樣點(diǎn)的TLI(Σ).經(jīng)過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，原因有兩個(gè)：①灞陵河從灞陵橋景區(qū)內(nèi)部穿過，景區(qū)人流量多，特別是春、夏季，采樣期間正是春季，游客數(shù)量較多，可回收垃圾和食品類垃圾大量產(chǎn)生，所以TLI(Σ)較高.②14號采樣點(diǎn)附近有一條小溪匯入灞陵河，小溪幾乎不流動(dòng)，水質(zhì)較差、顏色發(fā)黑、水體發(fā)臭.沿小溪調(diào)查發(fā)現(xiàn)，小溪北側(cè)的村莊周圍有油漆味，可能是化工廠的廢水排入小溪，小溪與灞陵河交匯處水質(zhì)較差，導(dǎo)致TLI(Σ)的數(shù)值升高.

3 影響灞陵河許昌市區(qū)段水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀原因探討

導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的原因有許多，例如總氮、總磷濃度增高，透明度降低等，導(dǎo)致水體質(zhì)量發(fā)生變化.采用主成分分析法，將多個(gè)水體富營養(yǎng)化的指標(biāo)聚焦為具有代表性的主要指標(biāo)，確定研究區(qū)河流富營養(yǎng)化的主控因子.主控因子見表3.根據(jù)特征值和方差貢獻(xiàn)率，把特征值大于1，方差貢獻(xiàn)率較大的幾個(gè)成分確定為主成分，分析各指標(biāo)與主成分之間的相關(guān)性，確定污染因子.

表3 主成分載荷

可以看出，第一主成分是氮磷營養(yǎng)物質(zhì)，氮磷物質(zhì)的來源有多種，正常情況下來源于自然元素循環(huán)過程.異常增多則可能是由人類一系列的生產(chǎn)活動(dòng)造成的，主要原因包括汽車排放的尾氣中含有氮氧化合物，周邊農(nóng)田中農(nóng)藥、化肥的過量使用，生活垃圾中的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入河流，河流底泥中富含營養(yǎng)物質(zhì).

第二主成分是懸浮物.水體中的懸浮物是水體渾濁的主要原因，如果不加以處理，還會(huì)阻擋光線，影響水生植物的光合作用.通過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，河段水體懸浮物的來源是周邊正在施工的工程，主要是地面垃圾，以及河流中的藻類.

4 結(jié)語

以灞陵河許昌市區(qū)段為研究對象，對25個(gè)采樣點(diǎn)的五項(xiàng)指標(biāo)(TN、TP、SD、CODMn、Chl-a)進(jìn)行水體富營養(yǎng)化評價(jià)，并且對影響該河段水質(zhì)因子進(jìn)行探討.研究發(fā)現(xiàn)：11個(gè)采樣點(diǎn)的屬于Ⅳ類水質(zhì)，22個(gè)采樣點(diǎn)的屬于Ⅱ類水質(zhì)，24個(gè)采樣點(diǎn)的CODMn屬于Ⅱ類水質(zhì)；灞陵河許昌市區(qū)段綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均值是44.05，處于中營養(yǎng)狀態(tài).灞陵河上游富營養(yǎng)化程度低，中下游由于人類活動(dòng)、營養(yǎng)物質(zhì)堆積等原因，富營養(yǎng)化程度比上游高.總體來說，各采樣點(diǎn)的TLI(Σ)不高，變化比較平穩(wěn).

研究主要在春季采集水樣，而夏季和冬季未開展.在下一步工作中，采集水樣應(yīng)根據(jù)季節(jié)變化，具體探討水體污染的修復(fù)治理措施.