城市黑臭水體吸收特性分析

2/2城市黑臭水體吸收特性分析城市水體的黑臭現(xiàn)象是人們通過視覺和嗅覺對水體的一種綜合感觀,通常是指散發(fā)出刺鼻、惡心的氣味,呈現(xiàn)黑色或灰黑色,生態(tài)功能丟失的水體.隨著我國城市化進(jìn)程的加快,城市河流的生態(tài)系統(tǒng)也面臨著重大的挑戰(zhàn)。由于工業(yè)廢水和生活污水的排放,很多水體發(fā)黑發(fā)臭,嚴(yán)峻影響了人們的生活環(huán)境。

目前已有很多學(xué)者開展了城市黑臭水體形成機(jī)制的討論,認(rèn)為當(dāng)水體患病嚴(yán)峻有機(jī)污染時,有機(jī)物的好氧分解使水體中耗氧速率大于復(fù)氧速率,造成水體缺氧,致使有機(jī)物降解不完全、速度減緩,厭氧生物降解過程生成硫化氫、胺、氨、硫醇等發(fā)臭物質(zhì),同時形成FeS、MnS等黑色物質(zhì),致使水體發(fā)黑發(fā)臭.此外,水體有機(jī)負(fù)荷、Fe和Mn等金屬污染、底泥污染和水動力條件等環(huán)境因素的簡單性,影響了黑臭水體形成的生物化學(xué)過程,導(dǎo)致黑臭水體的水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)、顏色、氣味等具有差異性。因此,有學(xué)者嘗試建立黑臭水體的評價模型,如劉成等對目前國內(nèi)外各類河道黑臭評價模型進(jìn)行比較,篩選出多個模型進(jìn)行分析,比較后認(rèn)為值得推廣討論的評價模型有多元線性回歸模型和綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法.阮仁良等在水質(zhì)評價方法里篩選出污染指數(shù)法、有機(jī)污染綜合評價法、溶解氧值法進(jìn)行比較,并提出有機(jī)污染綜合評價法是水質(zhì)黑臭評價的最佳方法。

上述討論主要從致黑致臭的水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)討論黑臭水體的形成和識別,并不能實現(xiàn)對全區(qū)域黑臭水體的識別和監(jiān)測,因此,有學(xué)者嘗試?yán)眠b感技術(shù),從水色指標(biāo)變化的角度開展對黑臭水體識別的討論.這方面最早的討論是關(guān)于“黑水團(tuán)”的討論。

黑水團(tuán)(在內(nèi)陸湖泊中也被稱為湖泛)是指在適當(dāng)?shù)臍庀髼l件下,由于藻類的高度聚積使得水體突然發(fā)黑發(fā)臭的水污染現(xiàn)象.黑水團(tuán)現(xiàn)象的發(fā)生,可以看作是湖泊環(huán)境諸多要素對重度湖泊富養(yǎng)分化的一種猛烈響應(yīng).黑水團(tuán)具有水體發(fā)黑發(fā)臭,水生生物大量死亡,水體含氧量低、高養(yǎng)分鹽負(fù)荷等一些顯著的特征.Duan等分析了太湖黑水團(tuán)的汲取特性,認(rèn)為浮游植物和有色可溶性有機(jī)物的高汲取,以及較低的后向散射,使水體呈現(xiàn)黑色.張思敏等對比分析了太湖黑水團(tuán)區(qū)與其他區(qū)域的汲取特性,認(rèn)為黑水團(tuán)的顆粒物汲取系數(shù)和有色可溶性有機(jī)物(CDOM)汲取系數(shù)均高于正常水體.此外,溫爽等構(gòu)建了基于GF-2影像的城市黑臭水體遙感識別算法,并分析了南京市主城區(qū)黑臭水體的空間分布和環(huán)境特點.靳海霞等基于水體岸線提取結(jié)果和反演的各類水質(zhì)參數(shù)的指數(shù)分布,結(jié)合水體黑臭程度遙感判別指標(biāo),對北京市9處河段進(jìn)行判別,其黑臭水體識別與官方公布的結(jié)果基本全都。

由于遙感技術(shù)宏觀性的特點,使其可以同步對城鎮(zhèn)河網(wǎng)黑臭水體進(jìn)行監(jiān)測,因此,研發(fā)黑臭水體遙感識別模型,必將在城鎮(zhèn)黑臭水體監(jiān)管中發(fā)揮重要的作用。然而,目前對黑臭水體遙感監(jiān)測的討論才剛剛起步,對黑臭水體光學(xué)特征的討論還不夠深化,對水質(zhì)參數(shù)和固有光學(xué)特性對遙感信息的影響機(jī)制的討論還開展得很少,討論主要集中在遙感反射率對黑臭水體的分類識別,算法缺少機(jī)制性的支持。

本討論擬通過對長沙、南京、無錫這3個城市的河流進(jìn)行現(xiàn)場采樣和室內(nèi)分析,探討城市黑臭水體中色素顆粒物、非色素顆粒物、有色可溶性有機(jī)物的汲取特性,通過水體組分汲取特征的變化,揭示黑臭水體與其它水體的差異性,查找黑臭水體與其它水體的識別指標(biāo),以期為構(gòu)建黑臭水體遙感識別模型供應(yīng)理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1討論區(qū)與樣點分布

2016~2017年在長沙、南京、無錫進(jìn)行地面遙感試驗,采集水樣并進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)和水體汲取系數(shù)測量.樣點分布見圖1,采樣時間與采樣數(shù)量見表1。

圖1

圖1采樣點分布示意

表1采樣時間與采樣點數(shù)量

長沙市位于中國中南部的長江以南地區(qū)(東經(jīng)111°53′~114°5′,北緯27°51′~28°40′),城市中主要河流有湘江、瀏陽河、撈刀河、靳江等.2016年6月19日在長沙市建成區(qū)進(jìn)行采樣,共計34個樣點,屬于黑臭水體的有15個。

南京市位于長江下游中部地區(qū),江蘇省西南部(東經(jīng)118°22′~119°14′,北緯31°14′~32°37′),有秦淮河、金川河、玄武湖等大小河流湖泊,境內(nèi)共有大小河道120條.2016年1月19日起至2017年5月10日止,共計采集85個樣點,屬于黑臭水體的有61個。

無錫市位于江蘇南部,地處長江三角洲平原(東經(jīng)119°31′~120°36′,北緯31°07′~32°02′).無錫水網(wǎng)密集,市區(qū)以京杭大水道為中軸構(gòu)成河網(wǎng)水系,并通達(dá)江湖,共計采集46個樣點,屬于黑臭水體的有9個。

1.2數(shù)據(jù)采集

本試驗數(shù)據(jù)的采集主要包括室外試驗和室內(nèi)試驗兩部分.室外試驗主要包括水樣的采集,同時記錄對應(yīng)點位的pH、溶解氧、氧化還原電位等信息.室內(nèi)試驗包括葉綠素濃度等水質(zhì)參數(shù)和水體組分汲取系數(shù)的測量。

1.2.1黑臭水體判別

在實際采樣過程中,依據(jù)住建部2015年發(fā)布的《城市黑臭水體整治工作指南》,同時結(jié)合感官(嗅覺上為惡臭,視覺上呈現(xiàn)黑色)對河段進(jìn)行分類,將城市河段區(qū)分為黑臭水體和正常水體。《指南》以透亮?????度、溶解氧、氧化還原電位和氨氮為指標(biāo),將黑臭水體細(xì)分為“輕度黑臭”和“重度黑臭”,其分級標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)指標(biāo)測定方法見表2.本討論中輕度黑臭與重度黑臭的數(shù)據(jù)量差異較大,重度黑臭水體僅有5個樣本,因而將輕度黑臭與重度黑臭統(tǒng)一歸為黑臭水體進(jìn)行討論。

表2城市黑臭水體污染程度分級標(biāo)準(zhǔn)

1.2.2水質(zhì)參數(shù)測量

水質(zhì)參數(shù)包括現(xiàn)場測量和試驗室分析測量兩部分,其中,現(xiàn)場測量的參數(shù)包括透亮?????度、溶解氧和氧化還原電位。

試驗室分析測量的水質(zhì)參數(shù)主要包括總懸浮物(TSM)、無機(jī)懸浮物(ISM)、有機(jī)懸浮物(OSM)、葉綠素a(Chla)、溶解性有機(jī)碳(DOC)、總磷(TP)、總氮(TN)。

懸浮物濃度測量使用煅燒法.用直徑為47mm玻璃纖維濾膜(WhatmanGF/F)在450℃的高溫下煅燒4~6h,將膜冷卻并進(jìn)行稱量,過濾肯定體積的水樣后在恒溫烘干箱中以110℃烘4~6h.烘干稱重得到質(zhì)量,減去空白膜的質(zhì)量,即為總懸浮物的質(zhì)量.高溫煅燒烘干后的膜,稱重減去空白膜的質(zhì)量得到無機(jī)懸浮物的質(zhì)量.最終計算得到總懸浮物(TSM)、無機(jī)懸浮物(ISM)、有機(jī)懸浮物濃度(OSM)。

葉綠素a濃度測量使用“熱乙醇法”.用47mm玻璃纖維濾膜(WhatmanGF/F)過濾水樣,并將濾膜冷凍48h以上.用90%的熱乙醇萃取并使用分光光度計測量665nm、750nm處的吸光度,加入一滴1mol·L-1的稀鹽酸酸化1min,測定酸化后的消光度,從而計算葉綠素a濃度。

溶解性有機(jī)碳采納總有機(jī)碳分析儀測量.首先用直徑為47mm玻璃纖維濾膜(WhatmanGF/F)過濾肯定的水樣,然后利用島津總有機(jī)碳分析儀測量溶解性有機(jī)碳。

總氮采納過硫酸鉀高壓消解法測定.加入過硫酸鉀和氫氧化鈉的混合溶液到肯定體積的水樣中,在120℃下加熱分解30min,冷卻至室溫,水樣中的氨氮、亞硝酸鹽、有機(jī)氮被氧化成硝酸鹽.配置不同濃度梯度的氮標(biāo),測量其吸光度.取上清液,用紫外分光光度計測量210nm處的吸光度,依據(jù)氮標(biāo)的濃度與吸光度之間的線性關(guān)系計算得出總氮的濃度。

總磷采納鉬銻抗分光光度法.在酸性條件下,水樣中的正磷酸鹽與鉬酸銨、酒石酸銻鉀反應(yīng),生成磷鉬雜多酸.將消解的水樣冷卻至肯定溫度后,取部分樣品,加入抗壞血酸溶液,充分混勻,生成磷鉬藍(lán)(藍(lán)色絡(luò)合物),然后測量700nm處的吸光度值,以超純水做參比,進(jìn)而計算水中的總磷濃度值。

1.2.3水體組分汲取系數(shù)的測量

水體組分的汲取系數(shù)包括總顆粒物汲取系數(shù)(ap)、色素顆粒物汲取系數(shù)(aph)、非色素顆粒物汲取系數(shù)(ad)和有色可溶性有機(jī)物(coloreddissolvedorganicmatter,CDOM)的汲取系數(shù)(ag)。

總顆粒物的汲取系數(shù)使用定量濾膜技術(shù)(QFT)測定.用直徑為25mm玻璃纖維濾膜(WhatmanGF/F)過濾水樣,用同樣潮濕程度的空白濾膜作為參比,在紫外分光光度計下測量濾膜上顆粒物的吸光度,并且以750nm處吸光度為零值校正,得到總顆粒物的汲取系數(shù)。

用肯定體積的次氯酸鈉溶液漂白濾膜上的色素顆粒物質(zhì),漂白15min后用超純水淋洗.使用紫外分光光度計測定非色素顆粒物的汲取系數(shù).總顆粒物汲取系數(shù)減去非色素顆粒物的汲取系數(shù)即為色素顆粒物的汲取系數(shù)。

CDOM汲取系數(shù)采納0.22μm的Millipore濾膜對濾液進(jìn)行二次過濾,以超純水做參比,用紫外分光光度計測定其吸光度,并且以700nm處的吸光度為零值進(jìn)行散射效應(yīng)的校正,計算得到CDOM的汲取系數(shù)。

2結(jié)果與爭論

2.1城市黑臭水體水質(zhì)參數(shù)特征

2016~2017年采集了長沙、南京和無錫的城市黑臭水體共計85個樣點,非黑臭水體共計80個樣點。

表3為試驗采集水體的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù).從表中看出,黑臭水體與非黑臭水體的Chla濃度變化范圍都較大,分別為1.23~272.15μg·L-1和0.02~343.05μg·L-1,二者的Chla均值分別為(28.56±28.88)μg·L-1與(29.22±51.36)μg·L-1。

表3試驗觀測的城市黑臭與非黑臭水體的水質(zhì)參數(shù)

黑臭水體與非黑臭水體的總懸浮物濃度差異不大,但黑臭水體中的有機(jī)懸浮物濃度較高.黑臭水體中的有機(jī)懸浮物濃度高達(dá)57%,而非黑臭水體中有機(jī)懸浮物濃度則僅占總懸浮物濃度的32%。

黑臭水體與非黑臭水體均值差異較大的水質(zhì)參數(shù)是溶解性有機(jī)碳和總氮總磷。其中,黑臭水體中的溶解性有機(jī)碳濃度均值是非黑臭水體均值的兩倍,這表明水體中含有更高的生物降解的碎屑物質(zhì)。推想其產(chǎn)生的緣由是城市水體中的富養(yǎng)分化現(xiàn)象導(dǎo)致藻類等浮游植物大量繁殖,在藻類的降解過程中消耗了大量的氧氣,使水體表層處于厭氧狀態(tài),同時釋放大量的溶解性有機(jī)碳;黑臭水體的總氮濃度均值(21.53±13.00)mg·L-1比非黑臭水體高3倍.類似地,黑臭水體的總磷濃度均值(1.63±1.11)mg·L-1也比非黑臭水體高出3倍多。正是由于黑臭水體中具有相對較高的氮磷濃度,使得氮磷物質(zhì)與一般的碳水化合物一起參加耗氧過程,而含氮有機(jī)物降解的耗氧量遠(yuǎn)大于含碳有機(jī)物的耗氧量,這使得水體中的溶解氧快速降低,導(dǎo)致水質(zhì)惡化,發(fā)黑發(fā)臭。

表4為2016~2017長沙、南京和無錫這3個城市實測的黑臭水體的水質(zhì)參數(shù)。不同城市黑臭水體的Chla濃度也略有差異。無錫黑臭水體的Chla濃度均值最高[(80.61±90.13)μg·L-1],變化范圍較大.可能的緣由是無錫的多條河流與太湖相連通,而采樣時間處于夏季,該季節(jié)太湖的浮游藻類較多導(dǎo)致河道中Chla濃度增大。長沙、南京和無錫市黑臭水體中的DOC濃度與懸浮物濃度較為接近。其中,南京黑臭水體的有機(jī)懸浮物占比最高,達(dá)到62%,無錫黑臭水體的有機(jī)懸浮物占比最低,僅為36%.南京市黑臭水體中的總氮濃度最高,均值達(dá)到(26.00±12.60)mg·L-1,明顯高于長沙市[(14.08±7.89)mg·L-1]和無錫市[(9.69±5.27)mg·L-1]的總氮濃度均值.3個城市黑臭水體的水質(zhì)參數(shù)存在肯定的差異,但并無明顯的區(qū)域性特點。

表4不同城市黑臭水體的水質(zhì)參數(shù)

2.2城市黑臭水體汲取特征

進(jìn)入水體的光被水體組分汲取,形成衰減,水體對光的汲取作用可以用汲取系數(shù)表示.影響內(nèi)陸水體汲取特性的物質(zhì)主要有4種:純水(purewater)、浮游植物(phytoplankton)、非色素懸浮物(tripton)及黃色物質(zhì)(CDOM).某一波段的汲取系數(shù)可表示為各組分汲取系數(shù)之和,即:

(1)式中,aw、aph、ad和ag分別為純水、色素顆粒物、非色素顆粒物和黃色物質(zhì)的汲取系數(shù)(m-1).

不同城市間黑臭水體的汲取系數(shù)差異較小(表5),但是其主要影響因素不同,長沙與南京兩市以非色顆粒物汲取占主導(dǎo),而無錫市則是色素顆粒物汲取比例較高,這與太湖的浮游藻類較多有肯定關(guān)系。不同城市的汲取系數(shù)光譜特征并未呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性特點,因而在之后的分析中將各城市樣點混合在一起進(jìn)行爭論。

表5不同城市黑臭水體的汲取系數(shù)/m-1

2.2.1總顆粒物汲取特征

總顆粒物汲取系數(shù)近似等于非色素顆粒物汲取系數(shù)與色素顆粒物汲取系數(shù)之和。圖2為黑臭水體與非黑臭水體的總顆粒物汲取系數(shù)光譜曲線,加粗的曲線是總顆粒物平均汲取系數(shù)光譜曲線.城市水體大多樣點在675nm有一個汲取峰,而在400~500nm隨波長增加呈現(xiàn)指數(shù)衰減,少數(shù)幾個樣點則在440nm、675nm四周有汲取峰,表現(xiàn)出明顯的藻類汲取特征,而這些樣點較多位于無錫市(圖2)。黑臭水體與非黑臭水體在440