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城市黑臭水体吸收特性分析
城市水体的黑臭现象是人们通过视觉和嗅觉对水体的一种综合感观,通常是指散发出刺鼻、恶心的气味, 呈现黑色或灰黑色, 生态功能丢失的水体.随着我国城市化进程的加快, 城市河流的生态系统也面临着重大的挑战。由于工业废水和生活污水的排放, 很多水体发黑发臭, 严峻影响了人们的生活环境。
目前已有很多学者开展了城市黑臭水体形成机制的讨论, 认为当水体患病严峻有机污染时, 有机物的好氧分解使水体中耗氧速率大于复氧速率, 造成水体缺氧, 致使有机物降解不完全、速度减缓, 厌氧生物降解过程生成硫化氢、胺、氨、硫醇等发臭物质, 同时形成FeS、MnS等黑色物质, 致使水体发黑发臭.此外, 水体有机负荷、Fe和Mn等金属污染、底泥污染和水动力条件等环境因素的简单性, 影响了黑臭水体形成的生物化学过程, 导致黑臭水体的水质参数指标、颜色、气味等具有差异性。因此, 有学者尝试建立黑臭水体的评价模型, 如刘成等对目前国内外各类河道黑臭评价模型进展比拟, 筛选出多个模型进展分析, 比拟后认为值得推广讨论的评价模型有多元线性回归模型和综合水质标识指数法.阮仁良等在水质评价方法里筛选出污染指数法、有机污染综合评价法、溶解氧值法进展比拟, 并提出有机污染综合评价法是水质黑臭评价的最正确方法。
上述讨论主要从致黑致臭的水质参数指标讨论黑臭水体的形成和识别, 并不能实现对全区域黑臭水体的识别和监测, 因此, 有学者尝试利用遥感技术, 从水色指标变化的角度开展对黑臭水体识别的讨论.这方面最早的讨论是关于“黑水团”的讨论。
黑水团(在内陆湖泊中也被称为湖泛)是指在适当的气象条件下, 由于藻类的高度聚积使得水体突然发黑发臭的水污染现象.黑水团现象的发生, 可以看作是湖泊环境诸多要素对重度湖泊富养分化的一种猛烈响应.黑水团具有水体发黑发臭, 水生生物大量死亡, 水体含氧量低、高养分盐负荷等一些显著的特征.Duan等分析了太湖黑水团的汲取特性, 认为浮游植物和有色可溶性有机物的高汲取, 以及较低的后向散射, 使水体呈现黑色.张思敏等比照分析了太湖黑水团区与其他区域的汲取特性, 认为黑水团的颗粒物汲取系数和有色可溶性有机物(CDOM)汲取系数均高于正常水体.此外, 温爽等构建了基于GF-2影像的城市黑臭水体遥感识别算法, 并分析了南京市主城区黑臭水体的空间分布和环境特点.靳海霞等基于水体岸线提取结果和反演的各类水质参数的指数分布, 结合水体黑臭程度遥感判别指标, 对北京市9处河段进展判别, 其黑臭水体识别与官方公布的结果根本全都。
由于遥感技术宏观性的特点, 使其可以同步对城镇河网黑臭水体进展监测, 因此, 研发黑臭水体遥感识别模型, 必将在城镇黑臭水体监管中发挥重要的作用。然而, 目前对黑臭水体遥感监测的讨论才刚刚起步, 对黑臭水体光学特征的讨论还不够深入, 对水质参数和固有光学特性对遥感信息的影响机制的讨论还开展得很少, 讨论主要集中在遥感反射率对黑臭水体的分类识别, 算法缺少机制性的支持。
本讨论拟通过对长沙、南京、无锡这3个城市的河流进展现场采样和室内分析, 探讨城市黑臭水体中色素颗粒物、非色素颗粒物、有色可溶性有机物的汲取特性, 通过水体组分汲取特征的变化, 提醒黑臭水体与其它水体的差异性, 查找黑臭水体与其它水体的识别指标, 以期为构建黑臭水体遥感识别模型供应理论依据。
1 材料与方法
1.1 讨论区与样点分布
2022~2022年在长沙、南京、无锡进展地面遥感试验, 采集水样并进展水质参数和水体汲取系数测量.样点分布见图 1, 采样时间与采样数量见表 1。
图1

图 1 采样点分布示意

表 1 采样时间与采样点数量
长沙市位于中国中南部的长江以南地区(东经111°53′~114°5′, 北纬27°51′~28°40′), 城市中主要河流有湘江、浏阳河、捞刀河、靳江等.2022年6月19日在长沙市建成区进展采样, 共计34个样点, 属于黑臭水体的有15个。
南京市位于长江下游中部地区, 江苏省西南部(东经118°22′~119°14′, 北纬31°14′~32°37′), 有秦淮河、金川河、玄武湖等大小河流湖泊, 境内共有大小河道120条.2022年1月19日起至2022年5月10日止, 共计采集85个样点, 属于黑臭水体的有61个。
无锡市位于江苏南部, 地处长江三角洲平原(东经119°31′~120°36′, 北纬31°07′~32°02′).无锡水网密集, 市区以京杭大水道为中轴构成河网水系, 并通达江湖, 共计采集46个样点, 属于黑臭水体的有9个。
1.2 数据采集
本试验数据的采集主要包括室外试验和室内试验两局部.室外试验主要包括水样的采集, 同时记录对应点位的pH、溶解氧、氧化复原电位等信息.室内试验包括叶绿素浓度等水质参数和水体组分汲取系数的测量。
1.2.1 黑臭水体判别
在实际采样过程中, 依据住建部2022年公布的《城市黑臭水体整治工作指南》, 同时结合感官(嗅觉上为恶臭, 视觉上呈现黑色)对河段进展分类, 将城市河段区分为黑臭水体和正常水体。《指南》以透亮度、溶解氧、氧化复原电位和氨氮为指标, 将黑臭水体细分为“轻度黑臭”和“重度黑臭”, 其分级标准和相关指标测定方法见表 2.本讨论中轻度黑臭与重度黑臭的数据量差异较大, 重度黑臭水体仅有5个样本, 因而将轻度黑臭与重度黑臭统一归为黑臭水体进展讨论。

表 2 城市黑臭水体污染程度分级标准
1.2.2 水质参数测量
水质参数包括现场测量和试验室分析测量两局部, 其中, 现场测量的参数包括透亮度、溶解氧和氧化复原电位。
试验室分析测量的水质参数主要包括总悬浮物(TSM)、无机悬浮物(ISM)、有机悬浮物(OSM)、叶绿素a(Chla)、溶解性有机碳(DOC)、总磷(TP)、总氮(TN)。
悬浮物浓度测量使用煅烧法.用直径为47 mm玻璃纤维滤膜(Whatman GF/F)在450℃的高温下煅烧4~6 h, 将膜冷却并进展称量, 过滤肯定体积的水样后在恒温烘干箱中以110℃烘4~6 h.烘干称重得到质量, 减去空白膜的质量, 即为总悬浮物的质量.高温煅烧烘干后的膜, 称重减去空白膜的质量得到无机悬浮物的质量.最终计算得到总悬浮物(TSM)、无机悬浮物(ISM)、有机悬浮物浓度(OSM)。
叶绿素a浓度测量使用“热乙醇法”.用47 mm玻璃纤维滤膜(Whatman GF/F)过滤水样, 并将滤膜冷冻48 h以上.用90%的热乙醇萃取并使用分光光度计测量665 nm、750 nm处的吸光度, 参加一滴1mol·L-1的稀盐酸酸化1 min, 测定酸化后的消光度, 从而计算叶绿素a浓度。
溶解性有机碳采纳总有机碳分析仪测量.首先用直径为47 mm玻璃纤维滤膜(Whatman GF/F)过滤肯定的水样, 然后利用岛津总有机碳分析仪测量溶解性有机碳。
总氮采纳过硫酸钾高压消解法测定.参加过硫酸钾和氢氧化钠的混合溶液到肯定体积的水样中, 在120℃下加热分解30 min, 冷却至室温, 水样中的氨氮、亚硝酸盐、有机氮被氧化成硝酸盐.配置不同浓度梯度的氮标, 测量其吸光度.取上清液, 用紫外分光光度计测量210 nm处的吸光度, 依据氮标的浓度与吸光度之间的线性关系计算得出总氮的浓度。
总磷采纳钼锑抗分光光度法.在酸性条件下, 水样中的正磷酸盐与钼酸铵、酒石酸锑钾反响, 生成磷钼杂多酸.将消解的水样冷却至肯定温度后, 取局部样品, 参加抗坏血酸溶液, 充分混匀, 生成磷钼蓝(蓝色络合物), 然后测量700 nm处的吸光度值, 以超纯水做参比, 进而计算水中的总磷浓度值。
1.2.3 水体组分汲取系数的测量
水体组分的汲取系数包括总颗粒物汲取系数(ap)、色素颗粒物汲取系数(aph)、非色素颗粒物汲取系数(ad)和有色可溶性有机物(colored dissolved organic matter, CDOM)的汲取系数(ag)。
总颗粒物的汲取系数使用定量滤膜技术(QFT)测定.用直径为25 mm玻璃纤维滤膜(Whatman GF/F)过滤水样, 用同样潮湿程度的空白滤膜作为参比, 在紫外分光光度计下测量滤膜上颗粒物的吸光度, 并且以750 nm处吸光度为零值校正, 得到总颗粒物的汲取系数。
用肯定体积的次氯酸钠溶液漂白滤膜上的色素颗粒物质, 漂白15 min后用超纯水淋洗.使用紫外分光光度计测定非色素颗粒物的汲取系数.总颗粒物汲取系数减去非色素颗粒物的汲取系数即为色素颗粒物的汲取系数。
CDOM汲取系数采纳0.22 μm的Millipore滤膜对滤液进展二次过滤, 以超纯水做参比, 用紫外分光光度计测定其吸光度, 并且以700 nm处的吸光度为零值进展散射效应的校正, 计算得到CDOM的汲取系数。
2 结果与争论
2.1 城市黑臭水体水质参数特征
2022~2022年采集了长沙、南京和无锡的城市黑臭水体共计85个样点, 非黑臭水体共计80个样点。
表 3为试验采集水体的水质参数数据.从表中看出, 黑臭水体与非黑臭水体的Chla浓度变化范围都较大, 分别为1.23~272.15 μg·L-1和0.02~343.05 μg·L-1, 二者的Chla均值分别为(28.56±28.88) μg·L-1与(29.22±51.36) μg·L-1。

表 3 试验观测的城市黑臭与非黑臭水体的水质参数
黑臭水体与非黑臭水体的总悬浮物浓度差异不大, 但黑臭水体中的有机悬浮物浓度较高.黑臭水体中的有机悬浮物浓度高达57%, 而非黑臭水体中有机悬浮物浓度则仅占总悬浮物浓度的32%。
黑臭水体与非黑臭水体均值差异较大的水质参数是溶解性有机碳和总氮总磷。其中, 黑臭水体中的溶解性有机碳浓度均值是非黑臭水体均值的两倍, 这说明水体中含有更高的生物降解的碎屑物质。推想其产生的缘由是城市水体中的富养分化现象导致藻类等浮游植物大量生殖, 在藻类的降解过程中消耗了大量的氧气, 使水体表层处于厌氧状态, 同时释放大量的溶解性有机碳; 黑臭水体的总氮浓度均值(21.53±13.00)mg·L-1比非黑臭水体高3倍.类似地, 黑臭水体的总磷浓度均值(1.63±1.11)mg·L-1也比非黑臭水体高出3倍多。正是由于黑臭水体中具有相对较高的氮磷浓度, 使得氮磷物质与一般的碳水化合物一起参加耗氧过程, 而含氮有机物降解的耗氧量远大于含碳有机物的耗氧量, 这使得水体中的溶解氧快速降低, 导致水质恶化, 发黑发臭。
表 4为2022~2022长沙、南京和无锡这3个城市实测的黑臭水体的水质参数。不同城市黑臭水体的Chla浓度也略有差异。无锡黑臭水体的Chla浓度均值最高[(80.61±90.13) μg·L-1], 变化范围较大.可能的缘由是无锡的多条河流与太湖相连通, 而采样时间处于夏季, 该季节太湖的浮游藻类较多导致河道中Chla浓度增大。长沙、南京和无锡市黑臭水体中的DOC浓度与悬浮物浓度较为接近。其中, 南京黑臭水体的有机悬浮物占比最高, 到达62%, 无锡黑臭水体的有机悬浮物占比最低, 仅为36%.南京市黑臭水体中的总氮浓度最高, 均值到达(26.00±12.60)mg·L-1, 明显高于长沙市[(14.08±7.89)mg·L-1]和无锡市[(9.69±5.27)mg·L-1]的总氮浓度均值.3个城市黑臭水体的水质参数存在肯定的差异, 但并无明显的区域性特点。

表 4 不同城市黑臭水体的水质参数
2.2 城市黑臭水体汲取特征
进入水体的光被水体组分汲取, 形成衰减, 水体对光的汲取作用可以用汲取系数表示.影响内陆水体汲取特性的物质主要有4种:纯水(pure water)、浮游植物(phytoplankton)、非色素悬浮物(tripton)及黄色物质(CDOM).某一波段的汲取系数可表示为各组分汲取系数之和, 即:

(1)式中, aw、aph、ad和ag分别为纯水、色素颗粒物、非色素颗粒物和黄色物质的汲取系数(m-1).
不同城市间黑臭水体的汲取系数差异较小(表 5), 但是其主要影响因素不同, 长沙与南京两市以非色颗粒物汲取占主导, 而无锡市则是色素颗粒物汲取比例较高, 这与太湖的浮游藻类较多有肯定关系。不同城市的汲取系数光谱特征并未呈现明显的区域性特点, 因而在之后的分析中将各城市样点混合在一起进展争论。

表 5 不同城市黑臭水体的汲取系数/m-1
2.2.1 总颗粒物汲取特征
总颗粒物汲取系数近似等于非色素颗粒物汲取系数与色素颗粒物汲取系数之和。图 2为黑臭水体与非黑臭水体的总颗粒物汲取系数光谱曲线, 加粗的曲线是总颗粒物平均汲取系数光谱曲线.城市水体大多样点在675 nm有一个汲取峰, 而在400~500 nm随波长增加呈现指数衰减, 少数几个样点则在440 nm、675 nm四周有汲取峰, 表现出明显的藻类汲取特征, 而这些样点较多位于无锡市(图 2)。黑臭水体与非黑臭水体在440 nm处的范围是0.81~25.62 m-1、0.60~18.60 m-1, 平均值分别为(4.88±4.08)m-1、(3.98±2.96)m-1.此外, 图 2(a)中有3条曲线明显高于其他黑臭水体的曲线, 将这3条曲线对应的样点分别编号为G1、G2和G3, 其中, G1、G2是5月10日在南京市采集的样点, G3是8月5日在无锡市采集的样点, 这3个点现场判别均为重度黑臭。G1和G2号点均含有较高浓度的悬浮物(分别为297.50 mg·L-1和127.27 mg·L-1)。总颗粒物汲取系数曲线随波长增加呈指数衰减, 说明非色素悬浮物质对汲取系数有着更大的影响.而G3号点DOC浓度为19.55 mg·L-1, 与黑臭水体的均值相比明显偏高.考虑到采样的河流位于无锡, 且与太湖相连通, 采样时间在8月, 推想G3号点产生黑臭与藻华的产生与降解有肯定关系。
图 2

(a)黑臭水体, G1、G2分别是5月10日在南京市采集的重度黑臭水体, G3是8月5日在无锡市采集的重度黑臭水体; (b)非黑臭水体图 2 黑臭与非黑臭水体总颗粒物汲取系数光谱曲线。
黑臭水体的总颗粒物汲取系数均值稍高于非黑臭水体, 但是二者的汲取系数取值范围存在较大程度的穿插。非黑臭水体中也存在总颗粒物汲取系数较高的样点, 这说明城市水体的状况较为简单, 颗粒物汲取系数并非两者最主要的区分。