我国滨海城市高盐度景观水体特征及富营养化控制措施.docx

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我国滨海城市高盐度景观水体特征及富营养化控制措施

我国滨海城市高盐度景观水体特征及富营养化控制措施

1、引言

随着国民经济的快速发展和人民生活水平的提高，城市生态环境的改善越来越受到人们的重视。

景观水的建造和修复往往是城市水环境要素的重要组成部分，不仅美化城市环境，而且还为市区提供生态氧源和大气湿度。

景观水在调节降水、减少热岛效应、增强人类抵御灾害和瘟疫等方面具有重要作用。

由于大部分城市景观水体都是封闭或半封闭水体，其自净能力较弱，当水体受到过量的营养物质，容易发生富营养化。

水体富营养化造成的水质恶化会导致一系列问题，使得水生态系统的完整性、可持续性以及安全利用性丧失。

虽然对水体富营养化已广泛深入研究了数十年，但是却很少有与高盐度相关的富营养化的经验数据，而对沿海城市来说，盐度也可能是水体营养状况的指标。

位于北部的沿海大城市----天津，这座中国--新加坡生态城在渤海沿岸地区已在建设中。

生态城市建设的其中一个重要部分就是水域的修复建设，该水域是由三个封闭或半封闭的水体组成。

由于有限的汇水面积和极少的降雨导致水体不能得到很好补充以及盐度的增加，成为人们关注的问题，为了找到处理问题的方法，对三个水体的水质及营养化状况进行了比较研究。

本文主要关注的是盐度对富营养化的影响及控制富营养化的措施。

2、材料与方法

2.1实验地点

中国-新加坡天健生态城（N39°5′14″-39°8′45″，E117°43′34″-117°46′48″）位于天津滨海新区，距离渤海海岸线仅1公里。

清经湖和蓟运河，作为该生态城市的地表水系统的重要组成部分，是我国海水入侵影响下的典型景观水域。

清经湖是水面大约1.1平方公里，平均深度2m；蓟运河故道水面约2.88平方公里，平均水深2.3m。

现在，蓟运河故道是封闭的水体，清湖为半封闭水体。

潮汐闸门的安装使得蓟运河故道和上游的其他水体分开，这样它在全年大多时间里都处于封闭状态。

除偶尔的降雨之外，根据需要水体会接受有限淡化的海水及水库水的补充。

2.2样品采集与分析

如图1所示，从这些景观水体中挑选了7个采样点进行采样，其中蓟运河故道布置1个采样点，清经湖4个，蓟运河2个，从2013年11月到2014年6月进行每月监测。

TP采用钼酸铵分光光度法，TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，用丙酮萃取分光光度法测定叶绿素a，插入磁盘法测透明度，COD和BOD5用高锰酸钾法和稀释接种法，电导率、TDS、pH和温度使用便携式仪器测定。

采用SPSS17.0软件进行相关分析。

Fig.1.Locationmapofthesamplingpoints.

采样点位置图

3、水质的时空变化

3.1盐度变化

由于研究区位于滨海新区，土壤含盐量较高，景观水体中盐分含量较高。

如图2所示，蓟运河故道TDS（总溶解固体，又称溶解性固体总量）含量最高，范围15.19—22.59g/L，这主要是由于潮汐入侵造成水和土壤中盐分积累的缘故。

清经湖TDS含量很低4.33--5.53g/L，这是由于使用淡化水补给，在不明显的季节性变化下，使得水和土壤中盐含量有效地减少。

蓟运河的TDS含量在1.62--5.56g/L之间，在冬季和早春之后有增加的趋势，在五月份可能达到高峰。

TDS增加的原因可能是来自穿过闸门的高盐度水的侵入。

Fig.2.SpatialandtemporalvariationofTDScontent.

TDS含量的时空变化图

3.2TN和TP的变化

如图3所示，蓟运河的TN含量高于蓟运河故道和清湖。

对于蓟运河，其TN浓度随时间而变化，在一月和五月出现两个峰值，分别是35.7mg/L和21.8mg/L。

蓟运河故道的TN含量相对较低，最高浓度是十一月的6.4mg/L。

对于清湖虽大多数月份TN浓度都较低，但是在一月监测到12.8mg/L的高浓度。

Fig.3.SpatialandtemporalvariationofTNcontent.

TN含量的时空变化

图4所示TP含量的时空分布。

一般来说，蓟运河的TP浓度比其它两个水体较高，且两个峰值分别出现在一月和四月，分别是5.59mg/L和1.32mg/L。

对于清湖，两个峰值也出现在一月和四月，但是TP浓度却较低，分别是0.42mg/L和0.63mg/L。

而蓟运河故道TP浓度在这期间往往较低，在四月显现1.37mg/L的峰值。

Fig.4.SpatialandtemporalvariationofTPcontent.

TP含量的时空变化

除了TN和TP的浓度外，N/P也能表明藻类的生长潜力。

对于封闭或半封闭的水体，N/P<14,N可能是藻类生长的限制因子，而当N/P>14时，则P可能被视为限制因子。

从监测结果看，N/P总是在25.3--39.4之间变化，这是远远大于14，因此，P被鉴定为这些藻类生长的限制因子。

3.3COD的变化

图5所示为三个水体的COD含量的时空分布。

其趋势大体上与TDS相似，即TDS浓度高的水其COD浓度也较高。

蓟运河故道COD含量一直都是最高的，并且逐渐增加，在六月达到78.2mg/L。

清湖的COD浓度在38mg/L--65.75mg/L之间波动，而蓟运河COD浓度相对稳定在41--49mg/L。

总的来说，每个水体的COD含量在监测期间变化不是很大。

这可能表明在盐水水域有机物不易降解也不易被植物吸收。

BOD5/COD（即B/C值）实际上在很低的0.1--0.2之间，这就是难降解的证据。

Fig.5.SpatialandtemporalvariationofCODcontent.

COD含量的时空变化

3.4叶绿素a的变化

图6所示，叶绿素a含量的分布与TN、TP一致，即蓟运河有较高的叶绿素a含量，然后再是蓟运河故道和清河。

但叶绿素a含量均是随温度的升高而上升趋势。

正如预期的一样，叶绿素含量在冬季较低，因为水温低不利于藻类生长，尤其是在一月份。

冬季过后，叶绿素含量逐渐增加，在夏季达到高值，部分原因是由于较高的温度，部分则是由于增加的太阳辐射有利于藻类利用在冬季积累的养分。

蓟运河较高的叶绿素含量也是由于顺流而下的海水的闯入，导致较高的N、P含量，促进了藻类的生长。

Fig.6.SpatialandtemporalvariationofChl-acontentandwatertemperature.

叶绿素a和温度的时空变化

4、水质指标相关性分析

4.1COD和TDS的相关关系

水中COD和TDS之间的显著的相关性已在一些研究报告中报道过。

通过四个季节的数据分析，这些水中COD和TDS浓度均呈现出明显的正相关，尤其是在春季、夏季和秋季都有很高的相关系数如表1所示。

Table1.CorrelativerelationbetweenCODandTDSineachseason.

每个季节中COD和TDS之间的相关关系

4.2pH值和TN、TP、叶绿素a的相关关系

在监测期间，景观水体的pH值在8.3和9.5之间变化，表明是弱碱性条件。

在这样的pH范围内，pH值和其它参数如TN、TP、叶绿素a之间没有明显的相关性。

如表2所示，大部分的相关性是消极的，相比之下，秋季的pH和TN之间，夏季的pH和叶绿素a之间相关性较为明显。

然而，TN、TP、叶绿素a和pH值之间在春季明显相关。

虽然pH可以作为影响藻类生长的重要因素，但是在这种含盐景观水中就可能不是那么重要了。

Table2.CorrelativerelationbetweenpHandTN,TP,Chl-aineachseason.

每个季节中pH、TP、Chl-a之间的相关关系

4.3叶绿素a和TN、TP、TDS的相关关系

在某种程度上，叶绿素a是水体中藻类的生长指标。

表3显示了每个季节水中的叶绿素a和TN、TP、TDS之间的相关关系。

可以看出，叶绿素a与TN、TP、TDS之间在秋季表现出负相关，而在冬季和春季叶绿素a与TN、TP之间呈现出正相关。

虽然不是很显著，叶绿素a在夏季与TN之间呈现正相关、而与TP呈负相关关系。

还应注意一点，叶绿素a与TDS之间在所有季节均呈现出明显的负相关，这可能是TDS对藻类生长抑制作用的指示。

Table3.CorrelativerelationsbetweenChl-aandTN,TP,TDSineachseason.

各个季节叶绿素a与TN、TP、TDS的相关关系

4.4富营养化状况综合评价

在水质监测资料的基础上，采用综合营养状态指数法对每个季节的各个景观水富营养状况进行评价。

如图7所示，在三个景观水体中，清湖几乎全年都表现出良好的状态，TLI值大多低于60，属于轻度富营养化程度。

TLI最高值约为60.5出现值在冬季，然而，由上述图6可以看出，冬季并不是藻类生长旺季，因此，清湖的富营养化控制并不是一项很沉重的任务。

Fig.7.Comprehensiveevaluationofeutrophicationstatusofeachwaterbodyineachseason.

各季各水体的富营养化状况的综合评价

对于蓟运河故道，其TLI值在春、秋、冬三季节里均高于60但低于70，处于中度富营养化状态。

然而，在夏季却达到74，表现出严重富营养化状态。

由于藻类在夏季易于生长，因此必须采取有效的措施来控制蓟运河故道水体的富营养化。

而蓟运河是这三个景观水体中最不好的，其TLI值在大多数季节里均高于其它两个水体。

在秋冬两季，它表现为中度富营养化，而在春夏两季却是严重富营养化状态，TLI值可达到78。

因此，蓟运河富营养化的控制很可能是一项重任了。

5、富营养化控制方案的制定

5.1水质参数和水体富营养化状况的关系

在前面的讨论之后，得到三个水体的水质参数和富营养化状态之间的关系如表4所示：

Table4.Summaryofwaterqualityandeutrophicationstatusofthethreewaterbodies.

三水体水质及水体富营养化状况综述

三个水体中，清湖在监测期间表现出轻度富营养化，相对较低的TP浓度（<1mg/L）、低的TN浓度（<4mg/L）以及适中的盐度（4-5g/L）是其主要的水质特征。

与此相比，蓟运河故道是典型的盐水河（TDS>15g/L），虽然它TP浓度（约0.1mg/L）较低，但是呈现中度富营养化状态，相对较高的TN浓度（>6mg/L）可能是有利贡献，但是由于TP才是这些水体中的限制因素，因此其中度富营养化的状态的原因被认为是由于其水体盐度太大。

而蓟运河适中的盐度（约4g/L），表现出的严重富营养化主要是由于其高的TP浓度（>1mg/L）。

比较清湖与蓟运河故道，可以发现水体的富营养化状况主要是由于较高的盐度而非TP浓度。

就拿与清湖盐度相似的蓟运河来说，较高的TP浓度肯定会带来严重的富营养化。

因此，研究区域水体的富营养化控制，减少盐度和营养盐都应该被考虑。

5.2削减盐度和营养盐的综合计划

图8是一个综合计划，将三个水体的水纳入到一个由几个设施组成的地表水系统，根据当前各水体的盐度及营养水平以及考虑低盐度水源的可用性之下，来降低盐度、控制营养物以及水流量调节等。

Fig.8.Comprehensiveplanforsalinityandnutrientsreduction

消减盐度和营养盐的综合计划图

如图所示，水体含盐量的减少主要原因是来自水库水、淡化的海水以及附近再生水的淡水补给。

天津市是中国北部最缺水的城市之一，景观用水的持续供应将非常困难。

因此，从现在的研究结果来看，计划水补给设施将是在“根据需要”的基础上来运作。

原则上，减少水体的盐度可通过淡水的稀释作用和/或盐水的排放来实现。

因此，计划在盐度高的蓟运河故道和盐度适中蓟运河之间设置双向泵站，进行两水体间盐度的调节。

另一方面，新鲜水的补充也可以使得水中营养物减少。

然而，由于地表径流是主要的本地营养来源，所以设置径流控制设施来协助减少其中的营养物。

TP是公认的水体富营养化的限制因素，径流中磷的去除可以采用化学沉淀法。

通过水体间水循环或内循环也是控制富营养化的重要措施，虽然不是本文研究的主题。

如图8中的箭头指示，使水沿着计划的方向流动的径流调节来削减富营养化程度的方法也在考虑之内。

六、结论

高盐度的景观水体富营养化是一个特殊的研究课题。

以天津-新加坡生态城市为典型案例，对同一地区的三个不同盐度的景观水体进行水质监测。

值的注意的是，除了营养盐，水体的盐度对富营养化也有很大影响。

在高盐度下，水体很容易发生富营养化，即使营养水平（这种情况下尤其是P）不是很高。

因此，当景观水水体有盐分入侵时，减少盐度和营养盐来控制水体富营养化可能同样重要。

本研究结果可以有利于所研究区域在控制水体富营养化方面制定合理的计划，同时也丰富了有关含盐水体的富营养化方面的知识。