通信作者:黃勇,教授。E-mail:yhuang-s2@sina.com

城市不同水體表觀特征污染物及污染類型識(shí)別

孫娜,黃勇,李學(xué)艷

(蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 蘇州215009)

摘要：選擇蘇州市區(qū)河網(wǎng)為研究對象,經(jīng)過為期近3年的廣域布點(diǎn)采樣,選取DO,溫度,pH,CODMn,S2-,濁度,Chl-a,UV254等作為水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo),通過對各指標(biāo)累計(jì)頻率分布及其變化趨勢的統(tǒng)計(jì)分析,識(shí)別出不同污染水體的主要表觀特征污染物,并依此對水體污染類型進(jìn)行了劃分界定。結(jié)果表明：監(jiān)測指標(biāo)UV254值、濁度與ρ(CODMn)的比值、ρ(S2-)和ρ(Chl-a)對不同污染水體有很好的區(qū)分度,可作為表觀特征污染物指標(biāo);將污染水體分為4種類型:有機(jī)主導(dǎo)型、無機(jī)主導(dǎo)型、營養(yǎng)主導(dǎo)型和混合型,前3種類型的主要篩選條件分別為UV254值·ρ(S2-)·1000大于10cm-1·(mg/L)、濁度與ρ(CODMn)的比值大于15NTU/(mg/L)和ρ(Chl-a)>20μg/L;利用該條件對6條定點(diǎn)監(jiān)測河流污染類型進(jìn)行初步劃分。

關(guān)鍵詞：表觀污染;特征污染物;污染類型;地表水

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(50938005,51108291);江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(ZD111205)

作者簡介:孫娜(1989—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)樗廴究刂乒こ?。E-mail:sunna_simple@163.com

中圖分類號(hào)：X522文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：(2014-08-27編輯：徐娟)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.03.017

Identification of pollutant with different apparent characteristics and

types of pollution in urban water

SUN Na, HUANG Yong, LI Xueyan

(SchoolofEnvironmentScienceandEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,

Suzhou215009,China)

Abstract：Taking the river system in Suzhou City as our subject, during our 3-year wide-area points sampling, we chose dissolved oxygen(DO), Temperature(T), pH, Potassium permanganate index(CODMn), Sulfide(S2-), Turbidity, Chlorophyll-a(Chl-a) and UV spectrophotometry(UV254)as the water quality monitoring indicators. By analyzing the cumulative frequency distribution and trend among various indicators, we identified the pollutants with main apparent characteristic from different polluted water and divided types of water pollution according to that. The results show that value of UV254, Turbidity/ρ(CODMn),ρ(S2-) and ρ(Chl-a) can be used as features of pollutants because of their good distinguish degree; Different polluted water can be divided into four types: organic leading, inorganic leading, nutrition leading and hybrid, filter conditions of the former three types are value of UV254·ρ(S2-)·1000>10cm-1·(mg·L-1), Turbidity/ρ(CODMn)>15NTU/(mg·L-1), ρ(Chl-a)>20μg·L-1; This method can identify different types of the six monitored rivers.

Key words： apparent pollution; particular pollutants; pollution type; surface water

據(jù)環(huán)保部水質(zhì)報(bào)告顯示,至2012年我國已有31.1%的河流不能滿足飲用水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[1]。受點(diǎn)源、面源及內(nèi)源的復(fù)合污染,城市水體污染問題愈來愈復(fù)雜,黑臭、水華現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。對水體進(jìn)行分類分析,能提高人們對水污染狀況的認(rèn)識(shí),利于水體的污染防治。有不少學(xué)者依據(jù)水質(zhì)指標(biāo)對城市水體進(jìn)行污染分類研究。KANNEL等[2]設(shè)立了4種水質(zhì)參數(shù)，將不同城市水體分為了優(yōu)、良、差3個(gè)等級(jí)。Aabha等[3]基于13個(gè)單一指標(biāo),建立了OIP水質(zhì)分類方法,將水體分為良好、可接受、輕污染、污染、重污染5個(gè)等級(jí)。Yuichi等[4]使用水體沉積物中的NH3-N、大腸桿菌等指標(biāo)對城市河道進(jìn)行劃分,得出了“工業(yè)污染和人口密度為主要污染原因”這一結(jié)論。國內(nèi)關(guān)于污染水體特性分類分析方面的研究也較多。王立新等[5]在污染程度等級(jí)分類的基礎(chǔ)上,對不同城市河流污染類型進(jìn)行分類,并闡釋了各河道的污染成因。談旭初[6]依據(jù)污染分擔(dān)率,劃分并命名了地表水污染類型。依據(jù)水質(zhì)指標(biāo)對水體污染特性進(jìn)行分類分析,能夠深入了解水體的污染程度和污染原因。然而,當(dāng)前城市水體的主要功能正逐漸由飲用水功能轉(zhuǎn)變?yōu)榫坝^功能,作為景觀功能水體,良好的表觀性狀是水體所應(yīng)具備的最基本特征,所以對城市水體進(jìn)行分類研究時(shí)不僅要考慮水質(zhì)問題,其表觀污染效應(yīng)也不容忽視。

城市受污染水體常呈渾濁狀且伴有異色,如:黑色、灰色、深綠色等,并散發(fā)出異味。筆者選取受不同程度污染的蘇州城市水體作為研究對象,通過廣域布點(diǎn)采樣分析和現(xiàn)場評(píng)價(jià),識(shí)別出不同水體的表觀特征污染物,對不同水體污染類型進(jìn)行分類,初步探討定點(diǎn)監(jiān)測河流的表觀污染物特性,為明確監(jiān)測河段的污染成因、防治對策提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域

蘇州市地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,雨量充沛,年均降雨量約為1100mm。城市水系發(fā)達(dá),水域總面積為3 609.09km2，占全市總面積的42.5%,是具有代表性的江南河網(wǎng)城市。本文選取蘇州市高新區(qū)、古城區(qū)內(nèi)及外城河周邊河道作為研究區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)地勢平坦,河道密布,水流緩慢,水深較淺且易受外界環(huán)境影響,水體以景觀功能為主；古城區(qū)內(nèi)河道構(gòu)成了“三縱三橫一環(huán)”的河網(wǎng)體系。研究區(qū)域內(nèi)水污染原因既包括居民生活污水、三產(chǎn)污水的點(diǎn)源污染,也包括地表徑流、底泥釋放等非點(diǎn)源污染。

1.2樣品采集及分析方法

2011—2013年在研究區(qū)域內(nèi)共設(shè)有46個(gè)廣域采樣點(diǎn)(圖1)。經(jīng)過長期觀測和實(shí)地考察,并考慮河道性質(zhì)及周邊環(huán)境因素,在高新區(qū)設(shè)置15個(gè)具有代表性的水質(zhì)采樣點(diǎn),采樣時(shí)間為2011年10月—2013年12月,每2個(gè)月采樣1次。古城區(qū)內(nèi)及外城河周邊河道的另外31個(gè)廣域采樣點(diǎn)與蘇州市城市排水監(jiān)測站的水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)相同,2012年10月—2013年12月期間對此類采樣點(diǎn)每2個(gè)月采集1次,截止到2013年末共采集到400組完整數(shù)據(jù)。2013年11月—2014年3月在研究區(qū)域內(nèi)另設(shè)6個(gè)典型河道監(jiān)測點(diǎn),采樣頻率為1次/月。

每組監(jiān)測數(shù)據(jù)包括現(xiàn)場評(píng)價(jià)記錄和指標(biāo)測定。依據(jù)蘇州城區(qū)河道性質(zhì),在每個(gè)監(jiān)測斷面設(shè)中泓1個(gè)采樣點(diǎn),采集0.5 m以上表層水。由于目前對水體的表觀質(zhì)量評(píng)價(jià)尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),本文采用文獻(xiàn)[7]中的方法對水體進(jìn)行現(xiàn)場表觀質(zhì)量評(píng)價(jià),并記錄水色、渾濁程度、周邊環(huán)境等。參照文獻(xiàn)[8]進(jìn)行水樣的采集、運(yùn)輸和分析。使用潔凈干燥的聚乙烯瓶盛放水樣,并置于移動(dòng)冰箱內(nèi)(4℃)保存,所有水樣在24 h內(nèi)完成水質(zhì)監(jiān)測。監(jiān)測指標(biāo)包括DO,pH,CODMn,溫度，硫化物,濁度,Chl-a,UV254。其中DO和溫度用YSI-550A便攜式溶氧儀測定,pH值采用玻璃電極法測定,CODMn值采用高錳酸鉀酸性法測定,硫化物采用亞甲藍(lán)分光光度法測定,濁度采用HACH2100N型濁度儀測定,Chl-a采用Water-pam水樣熒光儀測定,使用UVmini-1240型紫外可見分光光度計(jì)進(jìn)行UV254值的測定,測定之前水樣須經(jīng)過0.45μm濾膜過濾。

圖1　各采樣點(diǎn)布設(shè)

2結(jié)果與討論

2.1水體表觀特征污染物的識(shí)別

不同城市水體中,由于污染物質(zhì)形成機(jī)理不同,其含量也存在明顯差異,進(jìn)而影響水體的表觀效應(yīng)。受表觀污染物影響,水體呈黑色、深綠色、黃色等,研究不同水體的表觀特征污染物對劃分水體污染類型及制定相應(yīng)的污染治理方案具有指示意義。

水體黑臭機(jī)理認(rèn)為當(dāng)水體中有機(jī)物含量過高時(shí),有機(jī)物分解會(huì)不斷消耗水中的DO,缺氧的環(huán)境使水體中的硫酸鹽還原成H2S氣體,H2S在溢出水面時(shí)會(huì)與Fe、Mn結(jié)合,最終導(dǎo)致水體的黑臭。H2S、CH4、NH3等被認(rèn)為是黑臭水體中的發(fā)臭物質(zhì),FeS及MnS則被認(rèn)為是主要的致黑物質(zhì)。當(dāng)ρ(S2-)> 0.05mg/L時(shí),水體開始出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象(圖2(a)),超過0.2mg/L黑臭發(fā)生概率接近100%,黑臭現(xiàn)象主要集中分布在硫化物累計(jì)頻率為80%～100%之間。UV254是衡量水中有機(jī)物指標(biāo)的一項(xiàng)重要參數(shù),能夠間接反映水體的有機(jī)污染程度,另外,也可用于衡量水體的發(fā)黑程度;隨著硫化物累計(jì)頻率的增長,UV254值在累計(jì)頻率為90%(ρ(S2-)>0.1mg/L))時(shí)開始增長且趨勢明顯。由圖2(b)可知,ρ(CODMn)>5mg/L的情況下,水體就出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象,此時(shí)其他指標(biāo)的波動(dòng)幅度并不大。當(dāng)ρ(CODMn)>10mg/L時(shí),水體黑臭發(fā)生頻率增大,DO有明顯下降趨勢。地表水中可用CODMn作為有機(jī)污染指標(biāo),其質(zhì)量濃度大于4mg/L時(shí)即認(rèn)為水體受到有機(jī)污染[9],依此標(biāo)準(zhǔn),約80%的水體受到有機(jī)污染。

城市水體表觀污染主要由非溶解性物質(zhì)造成。水中懸浮物包含有機(jī)成分和無機(jī)成分,濁度值與ρ(CODMn)的比值可用以表示單位濁度的水體有機(jī)污染水平,比值越小則表示造成水體渾濁的有機(jī)成分越多,反之則表示懸浮物中的無機(jī)成分較多。對比不同水體的表觀特征,黃色水體中該比值明顯較其他水體高(圖2(c)),尤其是深綠色水體其比值遠(yuǎn)小于黃色水體。

Chl-a可用來估測水體藻類等生物量的大小,且可作為初級(jí)生產(chǎn)力指示富營養(yǎng)化發(fā)生的程度。當(dāng)ρ(Chl-a)在18～23μg/L之間時(shí)為中營養(yǎng)化,108～154μg/L之間為超富營養(yǎng)化[10]。由ρ(Chl-a)累計(jì)頻率分布圖(圖2(d))可以看出,深綠色水體幾乎都超過中營養(yǎng)化,最高時(shí)甚至達(dá)到了超富營養(yǎng)化,Chl-a質(zhì)量濃度遠(yuǎn)高于其他水體,所以能夠較好地將深綠色水體與其他表觀特征水體區(qū)分開。

當(dāng)水體表觀較差、呈現(xiàn)黑色時(shí),因受有機(jī)污染嚴(yán)重,硫化物質(zhì)量濃度值和UV254值明顯偏高;黃色水體中無機(jī)黏土和泥沙等成分含量較高,有機(jī)物含量低,導(dǎo)致單位濁度水體的有機(jī)物含量少，即濁度與ρ(CODMn)的比值偏大;深綠色水體主要受懸浮微生物影響,ρ(Chl-a)明顯較其他水體高,且與其他水體的區(qū)分度高。綜上所述,ρ(S2-)、UV254、濁度與ρ(CODMn)的比值和ρ(Chl-a)均可作為水體的表觀特征污染物指標(biāo),用以指示不同的表觀污染特性。

圖2　各污染指標(biāo)累計(jì)頻率分布

2.2不同表觀污染類型分類

通過對所有廣域采樣點(diǎn)的表觀特征污染物指標(biāo)(UV254值、濁度與ρ(CODMn)比值、ρ(S2-)和ρ(Chl-a))水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場評(píng)價(jià)記錄進(jìn)行深入分析歸納,除表觀良好(透明度大于0.7m,無明顯顆粒物及異常顏色)的水體外,將具有不同表觀特征的污染水體分為4種類型:有機(jī)主導(dǎo)型、無機(jī)主導(dǎo)型、營養(yǎng)主導(dǎo)型和混合型。有機(jī)主導(dǎo)型污染水體主要由各種來源的有機(jī)物所致,水體表觀差,其極端表觀現(xiàn)象為黑臭;無機(jī)主導(dǎo)型污染水體主要污染物為泥沙、泥土等無機(jī)顆粒物,水體表觀特點(diǎn)為濁度高;營養(yǎng)主導(dǎo)型污染水體表觀呈現(xiàn)綠色或深綠色,水體浮游微生物如藻類含量高,渾濁度較低,水華暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)高;混合型污染水體介于前三者之間,其表觀污染受多種因素影響,會(huì)因環(huán)境等條件的變化向某一主導(dǎo)型發(fā)展。

極端污染水體中,黑色水體為典型的有機(jī)主導(dǎo)型污染水體,黃色水體為典型的無機(jī)主導(dǎo)型污染水體,深綠色水體為典型的營養(yǎng)主導(dǎo)型水體。以表觀特征污染物質(zhì)為依據(jù),對所測400組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,分別將UV254值·ρ(S2-)·1000、濁度與ρ(CODMn)的比值、ρ(Chl-a)作為主要篩選因子,并確定了篩選條件及輔助篩選條件,初步界定了水體不同污染類型(表1)。

表1　不同污染水體類型分類

2.3典型表觀污染河道污染類型的劃分

運(yùn)用以上結(jié)論對定點(diǎn)監(jiān)測的6條典型污染河道進(jìn)行污染類型劃分,初步探討河道的污染成因,以期為河道污染的防治對策提供一定的理論依據(jù)。6處采樣點(diǎn)均是典型的城市污染河道(圖1),其中2處位于古城區(qū)內(nèi),2處位于高新區(qū),另2處為京杭運(yùn)河蘇州段及其支流河道。

處于蘇州古城區(qū)內(nèi)的2處監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測期間有機(jī)主導(dǎo)型表觀污染出現(xiàn)頻率最高，分別為50.0%、75.0%,這兩條河道主要受周圍居民生活污水點(diǎn)源排放及游客交通等面源有機(jī)污染的影響,加之河道淺窄、底泥淤厚、水流緩慢,水體受陽光直射少,河道多呈灰黑色有時(shí)甚至出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象。高新區(qū)內(nèi)的2處監(jiān)測點(diǎn)主要為營養(yǎng)主導(dǎo)型污染,出現(xiàn)頻率分別為48.5%、27.3%,水體受陽光直射,略渾濁,藻類生長旺盛,代謝產(chǎn)物多,多呈鮮艷黃綠色或深綠色,偶爾會(huì)散發(fā)出腥味和霉味。分析原因?yàn)楹拥罍\窄、底泥淤厚、水流緩慢,存在生活污染源但污染程度較輕。京杭運(yùn)河蘇州段河面寬闊、河道較深、水體流速大,受水面行船、挖沙等活動(dòng)影響,水體擾動(dòng)大、無機(jī)泥沙顆粒污染較重,水體多呈土黃色,另一監(jiān)測點(diǎn)因與運(yùn)河相通水質(zhì)交換頻繁,所呈現(xiàn)的表觀狀況與運(yùn)河幾乎一致,無機(jī)主導(dǎo)型表觀污染出現(xiàn)頻率分別為62.5%、34.4%。

3結(jié)論

a. 城市污染水體因主導(dǎo)污染物的不同,其表觀效應(yīng)也各不相同。通過廣域布點(diǎn)采樣分析發(fā)現(xiàn),ρ(S2-)、UV254、濁度與ρ(CODMn)的比值和ρ(Chl-a)均可作為表觀特征污染物指標(biāo)。利用這些特征污染物指標(biāo),可表征不同污染類型水體及不同的表觀污染現(xiàn)象。

b. 將城市污染水體劃分界定為4種類型,分別為有機(jī)主導(dǎo)型(UV254值·ρ(S2-)·1000大于10cm-1(mg/L))、無機(jī)主導(dǎo)型(濁度與ρ(CODMn)的比值大于15NTU/(mg/L))、營養(yǎng)主導(dǎo)型(ρ(Chl-a)>20μg/L)和混合型污染水體,各主導(dǎo)型污染水體并配有其輔助篩選條件。

c. 運(yùn)用分類方法對6條典型污染河道進(jìn)行污染類型劃分,統(tǒng)計(jì)了各河道主要污染類型的發(fā)生頻率,并具體分析了各河道的污染成因,結(jié)果發(fā)現(xiàn)均符合各自的劃分類型。

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