徐慧敏，吳　燕，劉為鋒，唐啟彤，湯新政，黃　睿,3，趙大勇,3

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)水利工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，江蘇 南京 210098；3.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

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南京市內(nèi)秦淮河水質(zhì)分析及評價

徐慧敏1,2，吳燕1,2，劉為鋒1,2，唐啟彤1，湯新政1，黃睿1,3，趙大勇1,3

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)水利工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，江蘇 南京 210098；3.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

摘要：2014年7月至2015年1月，在南京市內(nèi)秦淮河9個采樣點(diǎn)采集水樣，分析了內(nèi)秦淮河水體中氮元素的時空分布特征，采用單因子污染指數(shù)法對內(nèi)秦淮河水質(zhì)進(jìn)行了評價。結(jié)果表明：南京市內(nèi)秦淮河水質(zhì)為劣Ⅴ類水，上游水質(zhì)優(yōu)于下游水質(zhì)；硝氮與pH值、總氮顯著相關(guān)(P<0.01)，氨氮與總氮顯著相關(guān)(P<0.05)；內(nèi)秦淮河水體中氮元素的主要存在形態(tài)為溶解性無機(jī)氮，氨氮與硝氮含量在各個采樣點(diǎn)的比例基本穩(wěn)定在7∶3左右；隨著時間的變化，內(nèi)秦淮河水體中氮元素含量都發(fā)生了顯著變化，采樣點(diǎn)之間的差異性也隨之呈現(xiàn)出不同的變化。

關(guān)鍵詞：內(nèi)秦淮河；單因子污染指數(shù)；氮元素；時空分布；水質(zhì)分析；評價

氮元素是最重要的營養(yǎng)元素之一，是淡水生態(tài)系統(tǒng)的主要限制因子[1]。河流中氮含量的增加會大大增加水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險[2]。氮含量增加是世界河流普遍存在的問題，已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的重要水生態(tài)環(huán)境問題[3]，尤其是城市環(huán)境中的內(nèi)河富營養(yǎng)問題，已受到越來越多的關(guān)注。

秦淮河是南京市的母親河，全長120km，流域面積2 631km2[4]。秦淮河有內(nèi)外河之分，其中內(nèi)秦淮河主、支流全長25.2km，匯水面積24.7km2，水體現(xiàn)狀功能為景觀用水[5]。隨著生活污水的大量排入，秦淮河的BOD、氨氮、總磷等指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)[6]，嚴(yán)重破壞了內(nèi)秦淮河的生態(tài)環(huán)境。

目前對秦淮河的研究多集中在對南京內(nèi)外秦淮河局部河段的污染治理上[7-8]，對內(nèi)秦淮河河段的氮元素污染狀況時空動態(tài)及富營養(yǎng)化研究較少。因此，作者以污染嚴(yán)重的南京市內(nèi)秦淮河河段作為研究對象，監(jiān)測引起水體富營養(yǎng)化的氮元素的形態(tài)和含量在水體中的時空動態(tài)變化，并探討其規(guī)律，評估其水體污染狀況，以期為內(nèi)秦淮河污染防治和整體決策提供科學(xué)依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1采樣點(diǎn)及采樣方法

在2014年7月至2015年1月，每隔20～30d在南京市內(nèi)秦淮河9個采樣點(diǎn)(圖1)采集水樣，采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度見表1。

圖1　內(nèi)秦淮河采樣點(diǎn)的位置

采樣方法：用采水器采集水面以下0.5 m處的水樣1 000 mL，分裝在經(jīng)過滅菌處理的玻璃瓶中，并立即密封避光保存在4 ℃保溫箱中，迅速運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。共采集樣品8次。

1.2水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目及方法

表1

內(nèi)秦淮河各采樣點(diǎn)經(jīng)緯度

Tab.1

The latitude and longitude of sampling

利用軟件SPSS Statistics 17.0以及Origin 7.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.3污染指數(shù)評價方法

單因子污染指數(shù)法是將實(shí)測值與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[9]中規(guī)定的污染指標(biāo)限值進(jìn)行比較，選取污染最嚴(yán)重指標(biāo)的級別作為該采樣點(diǎn)水質(zhì)級別。

單個污染物的污染指數(shù)計算公式[10]為：

Pi=Ci/Coi

式中：Pi為污染物的污染指數(shù)，Pi≤1表示該污染物未超標(biāo)，反之，則超標(biāo)；Ci為污染物的實(shí)測濃度值的平均值，以每個采樣點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)均值作為Ci的計算值，mg·L-1；Coi為污染物的允許濃度值，mg·L-1。

溶解氧污染指數(shù)計算公式[11]為：

Pi=(DOf-Ci)/(DOf-Coi)

式中：DOf為測量溫度下的飽和溶解氧，mg·L-1。

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氧氣在水體中的飽和溶解氧隨水溫的變化關(guān)系式[12]為：

DOf=477.8/(T+32.26)

式中：T為水溫，以9個采樣點(diǎn)實(shí)測溫度平均值作為T的計算值，℃。根據(jù)9個采樣點(diǎn)的水溫計算值，分別計算出8次平均溫度下的飽和溶解氧，再分別計算各采樣點(diǎn)不同采樣時間的溶解氧污染指數(shù)。

2結(jié)果與討論

2.1內(nèi)秦淮河水污染狀況評價

在內(nèi)秦淮河9個采樣點(diǎn)分別進(jìn)行8次采樣，共獲得72個水樣，各采樣點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果如表2所示。

內(nèi)秦淮河作為一般景觀用水以及航道用水，應(yīng)執(zhí)行GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[9]中的Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。采用單因子污染指數(shù)法進(jìn)行水質(zhì)評價，結(jié)果見表3。

表2

各采樣點(diǎn)的水質(zhì)參數(shù)/(mg·L-1)

Tab.2

Water characteristics of sampling sites/(mg·L-1)

表3

各采樣點(diǎn)水質(zhì)因子的污染指數(shù)

Tab.3

The pollution index of water characteristics

從表3可知，所有采樣點(diǎn)的pH值污染指數(shù)均小于1，在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；溶解氧只有上浮橋(E8)輕微超標(biāo)，其余采樣點(diǎn)溶解氧污染指數(shù)均小于1，表明水體中的溶解氧含量在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；氨氮含量從上游到下游(E1～E9)總體呈上升趨勢，E1～E5的上游階段(除E2外)氨氮含量基本未超標(biāo)，但E6～E9的下游階段氨氮含量嚴(yán)重超標(biāo)；所有采樣點(diǎn)的總氮均嚴(yán)重超標(biāo)，最高污染指數(shù)達(dá)到了2.05，出現(xiàn)在鎮(zhèn)淮西橋(E5)。根據(jù)實(shí)地考察，鎮(zhèn)淮西橋處有明顯排污口，水質(zhì)明顯劣于其它采樣點(diǎn)。總體來看，上游水質(zhì)優(yōu)于下游水質(zhì)，主要原因是，上游為秦淮河風(fēng)光帶的主要景點(diǎn)，排污受到管理單位的嚴(yán)格控制；而下游水體附近商家眾多，排污嚴(yán)重；除此以外，水體流動的驅(qū)動因素導(dǎo)致上游的污染物被沖刷積累至下游，因而下游水質(zhì)劣于上游。

2.2氮元素形態(tài)和含量與其它水質(zhì)因子的相關(guān)性(表4)

表4

氮元素形態(tài)和含量與其它水質(zhì)因子的相關(guān)性

Tab.4

The relationship between forms and content of nitrogen and other water characteristics

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

從表4可知，硝氮與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，pH值升高會導(dǎo)致硝氮含量下降；硝氮與總氮呈顯著正相關(guān)(P<0.01)；氨氮與總氮呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與其它環(huán)境因子無顯著相關(guān)性。

2.3氮元素形態(tài)與含量的時空動態(tài)變化

氮元素是最重要的營養(yǎng)元素之一，以無機(jī)鹽及有機(jī)氮的形式存在于水中。各形態(tài)氮元素的空間分布如表5所示。

從表5可知，內(nèi)秦淮河氮元素的主要存在形態(tài)為溶解性無機(jī)氮(DIN)，占總氮含量的67.73%以上；而溶解性無機(jī)氮是由氨氮、硝氮及亞硝氮組成，在內(nèi)秦淮河水體中，氨氮為主要的溶解性無機(jī)氮形態(tài)，占57.04%以上；另外，氨氮與硝氮含量在各個采樣點(diǎn)的比例基本穩(wěn)定在7∶3左右，較為穩(wěn)定；亞硝氮含量較低且無明顯時空變化。

表5

各形態(tài)氮元素的空間分布/%

Tab.5The spatial distribution of various forms of nitrogen/%

采樣點(diǎn)NH+4N∶DINNO-3N∶DINDIN∶TNE165.7132.8695.24E271.6127.42107.27E368.4630.3890.91E468.4230.4585.53E557.0441.5267.73E672.2126.9892.44E774.1124.9292.51E870.6928.2893.85E969.2629.3987.57

氨氮、硝氮、總氮隨采樣時間的變化曲線如圖2所示。

圖2　氨氮(a)、硝氮(b)及總氮(c)含量隨采樣時間的變化曲線

從圖2可以看出，隨著采樣時間由夏季進(jìn)入冬季，氨氮、硝氮及總氮都發(fā)生了顯著變化。氨氮總體呈下降趨勢，在2014年11月18日出現(xiàn)了明顯的上升，且標(biāo)準(zhǔn)差較大，各采樣點(diǎn)的氨氮呈現(xiàn)出明顯的差異性；硝氮在0.88 mg·L-1水平上下波動，總體上無明顯的上升或下降趨勢，但隨著夏季往冬季的過渡，硝氮的標(biāo)準(zhǔn)差逐漸放大，說明各采樣點(diǎn)之間的差異性逐漸明顯；總氮的變化趨勢與氨氮大體相同，但總氮在多個采樣時間點(diǎn)上的標(biāo)準(zhǔn)差均較大，與季節(jié)變化無明顯關(guān)系。

為研究氨氮、硝氮及總氮在各采樣點(diǎn)出現(xiàn)較大差異的原因，分別選取3個采樣時間點(diǎn)，以采樣點(diǎn)(E1～E9)為橫坐標(biāo)，氨氮、硝氮、總氮含量為縱坐標(biāo)繪制不同采樣點(diǎn)的氮元素含量變化曲線，如圖3所示。

圖3　不同采樣點(diǎn)的氨氮(a)、硝氮(b)及總氮(c)含量變化曲線

從圖3可看出，氨氮在2014年11月18日出現(xiàn)了不尋常的波動，各采樣點(diǎn)的差異性較大；硝氮隨著夏季往冬季的過渡，標(biāo)準(zhǔn)差逐漸放大(圖2b)，這是由于在夏季，各采樣點(diǎn)的硝氮含量均處于正常水平，但隨著氣溫的下降，鎮(zhèn)淮西橋(E5)的硝氮含量上升，明顯高于其它采樣點(diǎn)，這可能是因?yàn)?，?014年夏季南京為舉辦青奧會對內(nèi)秦淮河進(jìn)行了沖洗，因而夏季的硝氮水平較穩(wěn)定，而青奧會后無水質(zhì)控制措施，并且由于鎮(zhèn)淮西橋(E5)處有明顯排污口，硝氮水平明顯上升；總氮的情況與硝氮相似，秋冬季節(jié)在鎮(zhèn)淮西橋(E5)處有明顯上升，導(dǎo)致了各采樣點(diǎn)之間差異性的放大。

3結(jié)論

(1)以GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅴ類水作為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)單因子污染指數(shù)評價法對內(nèi)秦淮河9個采樣點(diǎn)進(jìn)行污染指數(shù)的計算發(fā)現(xiàn)：內(nèi)秦淮河水質(zhì)的pH值、溶解氧含量基本處在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；氨氮含量從上游到下游總體呈上升趨勢，上游階段(除E2外)污染指數(shù)小于1，下游階段的氨氮含量嚴(yán)重超標(biāo)；總氮含量在所有采樣點(diǎn)均嚴(yán)重超標(biāo)，最高污染指數(shù)達(dá)2.05?？傮w上來說，內(nèi)秦淮河水質(zhì)為劣Ⅴ類水，上游水質(zhì)優(yōu)于下游水質(zhì)。

(2)在內(nèi)秦淮河水體中，硝氮含量與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，而與總氮呈顯著正相關(guān)(P<0.01)；氨氮含量則與總氮呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與其它環(huán)境因子無顯著相關(guān)性。

(3)內(nèi)秦淮河水體中氮元素的主要存在形態(tài)為溶解性無機(jī)氮，占總氮含量的67.73%以上；氨氮為主要的溶解性無機(jī)氮，占57.04%以上；氨氮與硝氮含量在各個采樣點(diǎn)的比例基本穩(wěn)定在7∶3左右。

(4)隨著時間的變化，內(nèi)秦淮河水體中氨氮、硝氮以及總氮含量都發(fā)生了顯著變化；由于排污口的設(shè)置和水質(zhì)控制工程的實(shí)施，采樣點(diǎn)之間的差異性也隨著時間的變化呈現(xiàn)出不同的變化。

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Water Quality Analysis and Evaluation of Interal Qinhuai River in Nanjing City

XU Hui-min1,2，WU Yan1,2，LIU Wei-feng1,2，TANG Qi-tong1，TANG Xin-zheng1，HUANG Rui1,3，ZHAO Da-yong1,3

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.ExperimentalTeachingCenterofHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;3.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：Water samples were collected from nine sampling sites of interal Qinhuai River in Nanjing city from July 2014 to January 2015.The spatial and temporal distribution of nitrogen in interal Qinhuai River was analyzed.Single-factor index of pollution was used to evaluate the water quality of interal Qinhuai River.Results indicated that the water quality of interal Qinhuai River was worse than Ⅴcategory,whilst the water quality of upstream was better than downstream.Nitrate nitrogen was significantly related to pH value and total nitrogen(P<0.01),and ammonia nitrogen was significantly related to total nitrogen(P<0.05).The main form of nitrogen in interal Qinhuai River was dissolved inorganic nitrogen,and the content ratio of ammonia nitrogen to nitrate nitrogen in each sampling site was almost 7∶3.With the change of time,the nitrogen content in interal Qinhuai River changed obviously,and the differences among sampling sites also showed a different variation.

Keywords：interal Qinhuai River;single-factor index of pollution;nitrogen;spatial and temporal distribution;water quality analysis;evaluation

中圖分類號：X 522

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-5425(2016)04-0066-05

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.04.017

作者簡介：徐慧敏(1993-)，女，江蘇興化人，碩士研究生，研究方向：水生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)，E-mail：549250310@qq.com；通訊作者：趙大勇，教授，E-mail：dyzhao@hhu.edu.cn。

收稿日期：2015-12-09

基金項(xiàng)目：2014年度河海大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201410294001)，2014年度河海大學(xué)水利學(xué)科專業(yè)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃資助項(xiàng)目