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        北京市核心區(qū)上游水系水質(zhì)情況分析與治理建議

        2022-03-14 08:36:26何沛洋
        海河水利 2022年1期
        關(guān)鍵詞:富營養(yǎng)化水系河道

        蘇 蕊,蘇 濤,何沛洋,張 洋

        (北京市城市河湖管理處,北京 100089)

        1 引言

        1.1 南長河、雙紫支渠和轉(zhuǎn)河的情況概述

        南長河、雙紫支渠、轉(zhuǎn)河是北京內(nèi)城六海的上游水系,如圖1所示,肩負(fù)向首都核心六海水域輸水的重任,水質(zhì)的優(yōu)劣直接影響到六海水域的水體情況,其富營養(yǎng)狀況也直接影響著六海的水體富營養(yǎng)化水平。南長河水面面積28.84 萬m2,河道長5.06 km,平均水深2.15 m,庫容13.2 萬m3;雙紫支渠水面面積2.33 萬m2,河道長2.45 km,平均水深0.92 m,庫容1.12 萬m3;轉(zhuǎn)河水面面積5.58 萬m2,河道長3.7 km,平均水深2.66 m,庫容20.4 萬m3。

        圖1 北京市河湖水域分布

        其中,南長河公園、紫竹院公園、北京動物園和北京北站坐落于河道間,因此南長河、雙紫支渠、轉(zhuǎn)河(以下簡稱上游水系)擔(dān)負(fù)著親水游玩、景觀綠化的重要作用。此外,它又承擔(dān)供水、防汛、通航的功能,因此上游水系的地理位置和功能的重要性使得其水體質(zhì)量成為市民關(guān)注的焦點。

        1.2 研究上游水系的目的及意義

        河湖是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,自古以來,人類擇水而居,水在人類發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮不可磨滅的作用。然而,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類活動,上游水系發(fā)生不同程度的水環(huán)境問題。此外,它承載著為首都核心區(qū)輸水的重任,是北京中央城區(qū)水源的重要通道,河道間坐落有北京著名旅游景區(qū),因此它在北京的發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮著不可估量的作用。筆者希望通過分析上游水系的水體富營養(yǎng)化程度,提出改善水質(zhì)情況的方法,為預(yù)防首都核心區(qū)的水質(zhì)惡化提供指導(dǎo)性建議。

        1.3 上游水系目前存在的水環(huán)境問題

        1.3.1 排污導(dǎo)致的水體污染

        其主要體現(xiàn)在以下4 個方面:①排水集團(tuán)污水管線出現(xiàn)堵塞或其他問題,造成突發(fā)性的排污事件,影響水體質(zhì)量;②城市排水管線仍存在雨污合流情況,當(dāng)雨強(qiáng)較大時,導(dǎo)致污水溢流入河道;③雙紫支渠周邊老舊平房區(qū)較多,排水設(shè)施不完善,市民節(jié)水護(hù)水意識淡薄,將日常生活污水隨意傾倒雨水篦子中,使污水流入河道;④河道周邊商戶較多,環(huán)境保護(hù)意識不強(qiáng),存在偷排污水的情況。

        1.3.2 水生植物衰亡

        上游水系在河道建設(shè)時設(shè)有水生植物種植槽,以種植蘆葦?shù)韧λ退参餅橹?,通過根部吸收水體中氮、磷等營養(yǎng)鹽,從而起到凈化水質(zhì)并美化河道景觀作用。但是,經(jīng)過超過10 a時間,部分區(qū)域水生植物已死亡,未進(jìn)行補(bǔ)植。

        1.3.3 非法捕魚,破壞水體生物鏈

        城市河湖水體中魚類多為鰱鳙魚,經(jīng)研究表明鰱鳙魚能夠有效地濾食水中浮游生物和藻類,對水草的生長也有一定的控制作用,同時能夠有效降低水中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì),調(diào)節(jié)水質(zhì)酸堿度,對水體有一定的凈化作用[1]。由于上游水系屬于開放型河道,存在市民夜間投放地籠捕捉水生動物的情況,嚴(yán)重破壞了水體生物鏈。

        2 上游水系生態(tài)系統(tǒng)分析

        2.1 水體富營養(yǎng)化狀態(tài)分析

        水體富營養(yǎng)化是指在自然因素和人類活動的影響下,氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入湖泊、河流、水庫等緩流水體中,引起藻類等其他浮游生物迅速繁殖,水體中溶解氧含量下降,導(dǎo)致水質(zhì)惡化的現(xiàn)象。水體富營養(yǎng)化分析就是通過與湖泊營養(yǎng)狀態(tài)有關(guān)的一系列指標(biāo)與指標(biāo)間的相互關(guān)系,對湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)作出定量判斷,并通過它預(yù)測其水體的發(fā)展趨勢[2]。

        為全面了解上游水系水體富營養(yǎng)化的情況,在2020年4—10月,選取南長河白石橋、雙紫支渠三虎橋、轉(zhuǎn)河京包橋3個點位,進(jìn)行周期性監(jiān)測水體的水溫、透明度(SD)、pH 值、溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)和葉綠素a(Chla)共9 項數(shù)值,采取綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對上游水系水體富營養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行評價和分析。

        2.2 水溫、SD和pH值分析

        上游水系4 月與10 月的水溫相接近(僅相差0.76 ℃),7 月水溫最高,平均為21.45 ℃,5 月與9 月是季節(jié)過渡期。表面水溫在20 ℃以上的月份有5個(5—9 月),但均不高于28 ℃,應(yīng)當(dāng)在6—8 月加強(qiáng)對水體的關(guān)注程度,采取預(yù)防措施,控制水體中水生生物的生長。上游水系水體的SD 值在7 月有一個明顯的下降趨勢,但總體情況良好,平均為122 cm。

        上游水系pH 值變動在7.7~8.7,平均為8.32,水體較穩(wěn)定處于偏弱堿性狀態(tài)。但研究發(fā)現(xiàn)一些藻類在高pH值條件下可以很好生長,是藻類光合作用吸收水中二氧化碳、放出氧氣所致,這一點對防止水體富營養(yǎng)化十分不利。

        具體指標(biāo)數(shù)值詳見表1,變化趨勢如圖2—4所示。

        表1 上游水系的水溫、SD和pH值

        圖2 上游水系水溫變化

        圖4 上游水系pH值變化

        2.3 DO、CODMn、BOD5、NH3-N、TN、TP和Chla分析

        2.3.1 DO

        DO是水體中絕大多數(shù)生物體生存的必要條件。水體中的DO 含量與水溫、有機(jī)物含量及藻類光合作用強(qiáng)度有很大的聯(lián)系,當(dāng)水體受到有機(jī)物污染,耗氧情況就會嚴(yán)重,DO 得不到及時補(bǔ)充,水體中的厭氧成分就會快速繁殖,有機(jī)物因腐敗而使水體變黑、發(fā)臭造成水體污染,因此DO 成為反映水體污染程度重要指標(biāo)之一[3]。上游水系2020 年4—10 月DO含量為6.5~9.2 mg/L,平均為7.94 mg/L。從DO 變化趨勢來看,水中DO 隨著水溫升高而下降,DO 的季節(jié)變化性相對較強(qiáng),但差異不大。

        2.3.2 CODMn

        富營養(yǎng)化水體中強(qiáng)烈的光合作用生成了大量有機(jī)物,使水體的CODMn明顯增高。CODMn的變化趨勢與藻類生長相呼應(yīng),在夏季高溫藻類繁殖旺盛時期達(dá)到峰值。上游水系CODMn變化范圍為2.9~9.8 mg/L,平均為4.63 mg/L,在8月達(dá)到最大值9.7 mg/L。當(dāng)數(shù)值超過4 mg/L時,表示水體已經(jīng)不同程度地受到有機(jī)物的污染,從2020年數(shù)據(jù)看,在7—9月應(yīng)當(dāng)引起重視。

        2.3.3 BOD5

        BOD5是水體中微生物分解有機(jī)物的過程消耗水中的DO 的量。BOD5是衡量水體中動物和植物多少的一個重要指標(biāo),上游水系不同月份BOD5在1.9~4.4 mg/L,差異較小,在8月達(dá)到峰值。

        2.3.4 NH3-N

        NH3-N 是水體中的營養(yǎng)素,可導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象產(chǎn)生,是水體中的主要耗氧污染物,對魚類及某些水生生物有毒害[4],是反映水體污染程度指標(biāo)之一。上游水系2020年NH3-N指標(biāo)在0.1~0.2 mg/L,差異小,比較穩(wěn)定。

        2.3.5 TN

        2020年上游水系TN含量在1~1.5 mg/L變動,平均為1.25 mg/L。最高值出現(xiàn)在7 月,為1.49 mg/L。根據(jù)中國湖泊水庫營養(yǎng)分類指標(biāo),TN大于0.2 mg/L,屬于富營養(yǎng)水體,上游水系TN含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0.2 mg/L。

        2.3.6 TP

        2020年上游水系TP含量在0.01~0.06 mg/L變動,平均為0.03 mg/L。最高值出現(xiàn)在7月,為0.06 mg/L。根據(jù)中國劃分湖泊營養(yǎng)類型的指標(biāo),TP大于0.03 mg/L,屬于富營養(yǎng)水體,上游水系TP 含量在0.03 mg/L 左右波動,屬于富營養(yǎng)化水體。

        2.3.7 Chla

        Chla 是反映水體中浮游藻類生物量的綜合指標(biāo)。上游水系Chla 含量在0.003 5~0.016 mg/L,平均為0.008 3 mg/L。峰值出現(xiàn)在7 月,為0.015 8 mg/L。有關(guān)資料表明,Chla 的含量大于0.01 mg/L,為富營養(yǎng)化水體。6—7 月溫度逐漸升高時,需加強(qiáng)對水體Chla的監(jiān)測。

        具體指標(biāo)數(shù)值詳見表2,變化趨勢如圖5—11所示。

        表2 北京城區(qū)河湖的化學(xué)指標(biāo) mg/L

        圖5 上游水系DO變化

        圖6 上游水系CODMn變化

        圖7 上游水系BOD5變化

        圖8 上游水系NH3-N變化

        圖10 上游水系TP變化

        圖11 上游水系Chla變化

        2.4 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法

        綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)是根據(jù)參數(shù)在評價過程中所占的不同權(quán)重來進(jìn)行計算,這種方法更加強(qiáng)調(diào)了超標(biāo)項目的影響作用。通過權(quán)重的作用,其評價結(jié)果比傳統(tǒng)方法更準(zhǔn)確,這也更加能夠反映上游水系水體的實際富營養(yǎng)化狀況。影響水體富營養(yǎng)化狀態(tài)的因素很多,筆者采用CODMn、TP、TN、Chla 和SD 5 個營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)來評價上游水系水體富營養(yǎng)化狀態(tài)[5]。

        2.4.1 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式

        綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式為:

        式中:TLI(∑)為綜合營養(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;TLI(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);m為富營養(yǎng)化評價的參數(shù)個數(shù)。

        以Chla 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)重計算公式為:

        式中:rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)Chla的相關(guān)系數(shù);m為評價參數(shù)的個數(shù)。

        中國湖泊(水庫)的Chla 與其他參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)rij及rij2,詳見表3。

        表3 中國湖泊(水庫)部分參數(shù)與Chla的相關(guān)關(guān)系[6]

        其計算公式分別為:

        式中:SD單位為m,其他指標(biāo)單位均為mg/L。

        2.4.2 湖泊(水庫)營養(yǎng)狀態(tài)分級

        采用0~100的一系列連續(xù)數(shù)字對湖泊(水庫)營養(yǎng)分級,營養(yǎng)類型劃分范圍詳見表4。

        表4 中國湖泊(水庫)營養(yǎng)狀態(tài)分級

        水體營養(yǎng)狀態(tài)分級劃分為貧養(yǎng)型、中養(yǎng)型以及富養(yǎng)型,富養(yǎng)型又分為輕度富營養(yǎng)、中度富營養(yǎng)及重度富營養(yǎng)。貧養(yǎng)型是表示水體中植物性營養(yǎng)物質(zhì)濃度較低的一種狀態(tài),其特點是水體清澈透明、DO 含量較高,水中生物生產(chǎn)力水平較低;富營養(yǎng)型是表示水體中透明度下降,DO含量較低,氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)濃度較高;中營養(yǎng)型是介于貧營養(yǎng)型和富營養(yǎng)型之間的過渡狀態(tài)。

        2.4.3 水體富養(yǎng)狀態(tài)評價結(jié)果

        利用2020 年4—10 月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),計算得出各月水體營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)數(shù)值。以4 月監(jiān)測數(shù)值為例,計算出各營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)數(shù)值,詳見表5。對上游水系目前水體營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行了評價,結(jié)果詳見表6。由表6 可以看出,4、7 月TLI(∑)高于50,屬于輕度富營養(yǎng)化程度;5—6、8—10月TLI(∑)均低于50,屬于中營養(yǎng)化程度,水體質(zhì)量較好,但不能放松警惕,還是要在7 月加強(qiáng)監(jiān)控,以免當(dāng)光照增強(qiáng)水溫升高時發(fā)生水環(huán)境問題。

        表5 以4月監(jiān)測數(shù)值為例計算各營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)數(shù)值

        表6 上游水系4—10月水體富營養(yǎng)狀態(tài)評價

        3 上游水系水體治理對策與建議

        通過分析2020 年上游水系情況發(fā)現(xiàn),其總體水質(zhì)趨于良好,在4、7月水體處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài),但仍需加強(qiáng)監(jiān)督和管控,以免造成水質(zhì)惡化。針對河道存在的問題和水質(zhì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果,對于如何改善上游水系水質(zhì)提出以下建議。

        (1)加強(qiáng)排污治理工作,督促排水集團(tuán)加強(qiáng)產(chǎn)權(quán)管線的日常檢查工作,避免出現(xiàn)因堵塞等管線原因?qū)е碌奈鬯牒游廴竞拥浪w現(xiàn)象。對雨污合流管線可采取工程措施,改造排污管線,進(jìn)行雨水、污水排放系統(tǒng)的分流改造升級,有效降低雨中污染物入河的總量。

        (2)借助河長制、聯(lián)合執(zhí)法等措施,依法依規(guī)對違法排污、私排亂排等問題加大處罰力度,起到警示作用。

        (3)目前南長河、轉(zhuǎn)河已經(jīng)列為全年禁漁,應(yīng)加強(qiáng)與區(qū)農(nóng)業(yè)執(zhí)法大隊的日常聯(lián)絡(luò),加強(qiáng)對違法行為的處罰,有效保障河湖生態(tài)環(huán)境。

        (4)加大宣傳教育力度,提高人們特別是老舊小區(qū)、臨河商販和公園區(qū)域內(nèi)游客的環(huán)保意識,自覺保護(hù)水生態(tài),不亂倒生活污水和垃圾,不損壞綠化植被等。

        (5)目前上游河道中均有水草生長,如輪藻、金魚藻等沉水植物,日常維護(hù)中應(yīng)控制好水草高度,保障整體效果,如清割不及時將會導(dǎo)致水草大面積死亡腐爛,死亡的沉水植物會進(jìn)行腐敗分解,將有機(jī)氮、磷重新釋放回水中,最終導(dǎo)致水體中氮磷含量會有所增高[7]。

        (6)補(bǔ)植多樣性水生植物,形成良好的水生植物體系以及整體景觀效果。轉(zhuǎn)河可在原水生植物槽內(nèi)補(bǔ)植蘆葦?shù)韧λ参?,雙紫支渠建議補(bǔ)種睡蓮,南長河由于沒有水生植物槽,結(jié)合水深建議在水面中央?yún)^(qū)域安裝生態(tài)浮島,以浮島作為載體,種植挺水植物,通過水生植物根部的吸收、吸附以及根系分泌等作用,消減水體中的氨、磷和有機(jī)污染物,使水質(zhì)得到改善。水生植物的選擇主要考慮根系較發(fā)達(dá)、景觀效果較好的種類,可選擇美人蕉、旱傘草、千屈菜、水蔥等品種。

        4 結(jié)語

        通過對上游水系水體周期性的監(jiān)測,掌握了其目前水質(zhì)特征和營養(yǎng)化指標(biāo)變化情況。結(jié)合現(xiàn)狀,提出了6 點建議來有效緩解水體中營養(yǎng)物質(zhì)濃度。在實際應(yīng)用中,多項措施還需恰當(dāng)組合,做到預(yù)防為主、防治結(jié)合。在不斷的探索研究中,對上游水系的水質(zhì)改善工作一定能夠取得非常理想的效果,以此來保障下游核心區(qū)的水環(huán)境安全。

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