胡思骙，向 鵬，任晨媛，王慶國(guó)，梁 英

(1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，成都 610065；2.成都市濕地保護(hù)中心，成都 610072；3.成都大熊貓繁育研究基地，成都 610081)

引 言

城市封閉景觀水體是指城市中具有景觀功能的水體，有自然存在或人工建造的湖泊、溪流、河道等，具有封閉性較強(qiáng)、水體流動(dòng)性差、水環(huán)境容量小，自凈能力低等特點(diǎn)[1]。作為景觀功能水體，良好的表觀效果是其應(yīng)具有的最基本特性，然而水體表觀指標(biāo)惡化，水體渾濁、顏色異常、藻類瘋長(zhǎng)現(xiàn)象在城市中屢見不鮮。

水體表觀污染是指水體呈現(xiàn)出異常顏色、渾濁度高等引起人體感官不悅的現(xiàn)象，主要表征指標(biāo)有水體的懸浮物濃度(SS)、水體的渾濁度、水體的色度。水體中的表觀污染物以溶解態(tài)和非溶解態(tài)2種形式存在。根據(jù)已有文獻(xiàn)研究，溶解態(tài)物質(zhì)會(huì)造成水體顏色異常，其對(duì)水體的表觀污染的貢獻(xiàn)不可忽視，溶解性物質(zhì)主要是有色溶解有機(jī)物(chromophoric dissolved organicmatter，CDOM)，CDOM的來(lái)源與化學(xué)成分都比較復(fù)雜，主要由腐殖酸、富里酸、氨基酸和芳烴聚合物等溶解性有機(jī)物組成[2-3]。非溶解態(tài)物質(zhì)主要是懸浮顆粒物，懸浮物總體上由無(wú)機(jī)顆粒物和有機(jī)顆粒物兩部分組成，無(wú)機(jī)顆粒物主要是碎屑礦物、粘土礦物等，有機(jī)顆粒物主要是浮游植物浮游動(dòng)物殘?bào)w[4]。

目前對(duì)于懸浮顆粒物的存在特性對(duì)景觀水體表觀污染的機(jī)理研究仍較少，非溶解態(tài)物質(zhì)對(duì)光線具有反射和散射作用，使水體呈現(xiàn)出顏色異常，渾濁度高的表觀污染現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外研究表明懸浮顆粒物是引起水體表觀污染最主要原因[5～7]，但是水中懸浮顆粒物的粒徑分布特征對(duì)水體表觀污染指標(biāo)的影響機(jī)制仍未進(jìn)行深入研究。水體表觀污染的兩個(gè)主要表征指標(biāo)為濁度和色度，水的渾濁度與水中的懸浮物含量有一定的關(guān)系，一般懸浮物含量多，渾濁程度大，但兩者不等同，懸浮物含量是一種直接指標(biāo)，而濁度則是光學(xué)效應(yīng)，如在不同的水體中懸浮物的數(shù)量相同，但其濁度不一定相同[8]。水的色度是對(duì)天然水或處理后的各種水進(jìn)行顏色定量測(cè)定時(shí)的指標(biāo)，水中非溶解性的腐殖質(zhì)、有機(jī)物、或無(wú)機(jī)物質(zhì)所造成懸浮物顆粒的組分對(duì)水體的色度也有較大的影響[9]。不同水體中懸浮顆粒物的組分不同，對(duì)于濁度和色度的影響程度也不同。大型河流水體流速較快攜沙作用強(qiáng)造成水中懸浮物顆粒主要是砂石，湖庫(kù)等緩流水體有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度較高容易造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化藻類繁殖，因而湖庫(kù)類水體中藻類數(shù)量是水中懸浮物顆粒的主要組成部分，藻類的數(shù)量和種類影響懸浮物顆粒的粒度分布[10]。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于深入研究渾濁度以及水體的色度與懸浮物顆粒的組分與粒度分布之間的相關(guān)性研究以及影響因素比較少。本文以成都市小型封閉式景觀水體為研究對(duì)象，對(duì)其水體的渾濁度以及水體的色度與懸浮物顆粒粒度分布之間的相關(guān)性及其影響因素進(jìn)行研究分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 采樣點(diǎn)分布及概況

本研究以成都市城區(qū)內(nèi)三處小型封閉式景觀水體為研究對(duì)象，研究區(qū)域分別是成都市大熊貓繁育研究基地內(nèi)天鵝湖(以下簡(jiǎn)稱天鵝湖)、成都市天府新區(qū)白沙湖入流口(以下簡(jiǎn)稱白沙湖)以及成都市雙流區(qū)四川大學(xué)江安校區(qū)內(nèi)明遠(yuǎn)湖(以下簡(jiǎn)稱明遠(yuǎn)湖)，每個(gè)研究區(qū)域設(shè)置3個(gè)取樣點(diǎn)，均勻分布在整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)。

3個(gè)研究對(duì)象小型景觀湖的有效水深均小于3m，只采集其表層水樣(距水面0.5m深處)。測(cè)定研究區(qū)域內(nèi)水體的水質(zhì)指標(biāo)(總磷、總氮、COD、葉綠素a和透明度)，水質(zhì)指標(biāo)具體見表1。其中天鵝湖水樣在實(shí)驗(yàn)期間呈微綠色，白沙湖水樣呈黃色，明遠(yuǎn)湖水樣呈灰綠色，按照修正的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對(duì)各研究區(qū)域水體進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)[11]，天鵝湖和白沙湖水體均為中度營(yíng)養(yǎng)化，明遠(yuǎn)湖水體為輕度富營(yíng)養(yǎng)化。

表1 研究區(qū)域水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)Tab.1 Water quality monitoring indicators of study area

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

非溶解態(tài)物質(zhì)主要是指粒徑超過(guò)0.45μm的懸浮顆粒[12]，因此選用0.45μm微孔濾膜對(duì)水樣進(jìn)行抽濾處理，以分離水樣中的溶解態(tài)和非溶解態(tài)物質(zhì)。為分析不同粒徑組分的懸浮顆粒物對(duì)水中表觀污染指標(biāo)的影響，利用慢速定量濾紙(過(guò)濾孔徑1～3μm)、中速定量濾紙(過(guò)濾孔徑10～30μm)和快速定量濾紙(過(guò)濾孔徑100～120μm)分別過(guò)濾水樣，由于過(guò)濾精度不同，濾液中懸浮顆粒物的粒徑分布不同，測(cè)定水樣中過(guò)濾前后的水體色度、濁度以及葉綠素a(Chla)，并測(cè)定水體的SS濃度，利用粒度儀測(cè)定水體的顆粒物粒徑分布狀態(tài)。

相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定采用國(guó)標(biāo)方法[13]，總氮采用過(guò)硫酸鉀氧化紫外分光光度法，總磷采用過(guò)硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法測(cè)量，COD采用重鉻酸鉀法，葉綠素a采用熒光法(water pam，葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定儀)測(cè)定，SS濃度采用烘干稱重法，濁度采用HACH2100Q濁度儀，色度采用鉻鈷比色法[14]，透明度采用賽氏盤法，水溫及溶解氧采用HACH便攜式溶氧儀。

2 結(jié)果與分析

2.1 水體SS濃度以及粒度分布情況

水體中的懸浮物是指水樣經(jīng)過(guò)孔徑為0.45μm的濾膜過(guò)濾后殘留在濾膜并在103～105℃烘干至恒定質(zhì)量的各種不可濾殘?jiān)且环N復(fù)雜非均質(zhì)有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的混合物質(zhì)。水體中懸浮物的濃度和粒度分布與景觀水體的表觀污染機(jī)制是否存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)是本研究的主要內(nèi)容。圖1是不同研究區(qū)域的的懸浮顆粒物濃度分布，其中黃色水體白沙湖各點(diǎn)位水樣的SS濃度均超過(guò)40mg/L，平均濃度為54.38mg/L，淺綠色水體天鵝湖和灰綠色水體明遠(yuǎn)

湖的平均濃度分別為5.72mg/L、11.71mg/L，與表1中水體透明度呈正相關(guān)，有研究證明[15]，懸浮顆粒物的成分和含量極大的影響湖水透明度的變化，而水體透明度是色度和濁度等光學(xué)表觀污染指標(biāo)的綜合表現(xiàn)。圖2為不同點(diǎn)位水樣懸浮物的粒度分布特征，可以得出顆粒物的數(shù)量與水體SS濃度有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同一研究區(qū)域內(nèi)的水樣的粒徑分布及峰值數(shù)量分布特征相同，而不同研究區(qū)域粒度峰值的分布特征不同，總的來(lái)說(shuō)，3種景觀水體顆粒物粒度大都呈雙峰或多峰分布，其中明遠(yuǎn)湖水體粒徑分布最多具有4個(gè)峰，因此本研究將懸浮物根據(jù)粒徑范圍分為4個(gè)組分，粒徑范圍分別為組分Ⅰ(0.45μm～3μm)、組分Ⅱ(3μm～30μm)、組分Ⅲ(30μm～120μm)和組分Ⅳ(>120μm)，探究不同粒徑范圍內(nèi)的顆粒物對(duì)表觀污染指標(biāo)的影響。

圖1 研究區(qū)域水樣懸浮顆粒物濃度Fig.1 The concentration of suspended particulate matter in water samples in the study area

圖2 研究區(qū)域水體懸浮顆粒物粒度分布Fig.2 The particle size distribution of suspended particulate matter in water bodies in the study area

2.2 水體SS對(duì)濁度、色度的貢獻(xiàn)

由圖3和圖4可分析出，水體中溶解態(tài)物質(zhì)所引起的色度和濁度對(duì)總色度和濁度的貢獻(xiàn)較小，不同顏色的水體在經(jīng)過(guò)抽濾后均為無(wú)色透明液體，抽濾后水樣的最大色度為10.46度，最大濁度為3.21NTU，根據(jù)《城市污水再生利用——景觀用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18921-2002)，均不會(huì)引起景觀水的表觀質(zhì)量污染。根據(jù)圖3，黃色水體白沙湖非溶解態(tài)物質(zhì)引起的色度占總色度的83.13%，淺綠色水體天鵝湖非溶解態(tài)物質(zhì)引起的色度占總色度的53.01%，灰綠色水體明遠(yuǎn)湖非溶解態(tài)物質(zhì)引起的色度占總色度的85.21%，從圖4可以得出非溶解態(tài)物質(zhì)是造成水體渾濁的主要原因，因?yàn)樗蓄w粒物影響光散射性質(zhì), 引起水體的濁度。也就是說(shuō)三個(gè)景觀水體的濁度和色度主要是由SS產(chǎn)生的。

圖3 研究區(qū)域水體色度在兩相中的分布Fig.3 Distribution of water chroma in two phases

圖4 研究區(qū)域水體濁度在兩相中的分布Fig.4 Distribution of water turbidity in two phases

由2.1節(jié)可知水體懸浮顆粒物的粒徑分布對(duì)景觀水體表觀指標(biāo)有關(guān)鍵性的影響，分析不同粒徑范圍內(nèi)的組分對(duì)表觀污染指標(biāo)的影響可以探討懸浮顆粒物對(duì)表觀指標(biāo)的影響機(jī)理。

2.3 水中懸浮物顆粒粒度分布特征對(duì)表觀污染指標(biāo)的影響

2.3.1 水中顆粒物粒度分布情況與濁度的相關(guān)關(guān)系

圖5為各研究水體不同粒徑組分懸浮物對(duì)其濁度的影響，經(jīng)過(guò)快速濾紙過(guò)濾后，3個(gè)研究區(qū)域水體的濁度去除率均超過(guò)50%，說(shuō)明組分Ⅳ(>120μm)對(duì)不同表觀顏色的景觀水體的濁度都具有主要貢獻(xiàn)，組分Ⅰ、組分Ⅱ和組分Ⅲ對(duì)淺綠色水體天鵝湖的濁度幾乎沒(méi)有影響，黃色水體白沙湖除組分Ⅳ之外的其余3各組分對(duì)其濁度均有接近10%的影響，而灰綠色水體明遠(yuǎn)湖中顆粒物組分Ⅲ貢獻(xiàn)的濁度平均占其總濁度的30%，不同水體間的主要作用組分差異性明顯。

因?yàn)椴煌碛^污染程度的景觀水體的各懸浮顆粒物組分體積分?jǐn)?shù)不同，但顆粒物的組分差異仍會(huì)導(dǎo)致水體濁度的變化。同時(shí)不同研究區(qū)域下各組分所占的體積分?jǐn)?shù)對(duì)水體的濁度貢獻(xiàn)率不一致，對(duì)各組分的體積分?jǐn)?shù)與水體濁度進(jìn)行相關(guān)性分析可以得出不同組分對(duì)水體濁度的影響能力，找出不同表觀質(zhì)量水體的濁度敏感顆粒物的組分，從而能夠針對(duì)性地控制某一粒徑范圍內(nèi)的懸浮顆粒物來(lái)降低水體的濁度，提高水體的景觀效果。表2顯示，水體濁度主要與組分Ⅰ、組分Ⅱ、組分Ⅳ體積分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出顯著相關(guān)性，其中與組分Ⅳ相關(guān)性最大，與用濾紙過(guò)濾后濁度去除率實(shí)驗(yàn)得出的組分Ⅳ對(duì)水體濁度具有主要影響的結(jié)果相吻合。

圖5 研究區(qū)域水體不同粒徑組分懸浮物對(duì)水體濁度的影響Fig.5 The influence of suspended solids with different particle sizes on turbidity of water body studied

表2 濁度和顆粒物組分的皮爾遜相關(guān)系數(shù)Tab.2 Pearson correlation coefficient of turbidity and particulate matter

2.3.2 水中不同粒徑顆粒物分布情況與色度的相關(guān)關(guān)系

色度是表征水體表觀質(zhì)量的另一重要指標(biāo)，影響水體的表觀顏色。水的色度是由溶解性腐殖質(zhì)和有機(jī)物以及非溶解性懸浮顆粒物造成的，懸浮顆粒物造成的色度又稱水體的表觀色度。由2.2節(jié)可知，3種不同顏色的景觀水體的表觀色度均在其總色度中占主要作用，貢獻(xiàn)率超過(guò)60%。圖6為各研究區(qū)域水體不同粒徑組分懸浮物對(duì)其色度的影響。組分Ⅳ對(duì)3種顏色水體的表觀色度貢獻(xiàn)率均接近50%，其中灰綠色水體明遠(yuǎn)湖中組分Ⅳ對(duì)其表觀色度的貢獻(xiàn)率最高為62.47%，對(duì)黃色水體的表觀色度貢獻(xiàn)率最低，可以總結(jié)出組分Ⅳ對(duì)兩種表觀呈綠色的水體的表觀色度影響較大。根據(jù)研究表明[16]，水體呈綠色主要原因是由于水中的藻類以及其他水生生物的過(guò)量繁殖所造成水中Chla濃度等其他色素增多所引起; 藻類生物量越多，Chla的含量越高，水體顏色就越深。組分Ⅳ的粒徑范圍為>120μm的懸浮顆粒物，根據(jù)方建勇[17]等對(duì)水體顆粒物不同粒徑范圍內(nèi)可能組分的研究，單顆粒大小在1～300μm、絮凝集合體大小在10～150 μm的顆粒物組分中生物顆粒以藻類為主，絮凝集合體以藻類絮凝集合體和混雜絮凝集合體為主，而淺綠色天鵝湖和灰綠色明遠(yuǎn)湖中葉綠素a含量高，可推測(cè)淺綠色水體天鵝湖和灰綠色水體明遠(yuǎn)湖的色度主要貢獻(xiàn)顆粒為組分Ⅳ藻類單顆粒及其絮凝劑合體。對(duì)于黃色水體白沙湖，白沙湖的COD值最低，主要是沙粒、粘土等無(wú)機(jī)懸浮顆粒對(duì)黃色水體色度造成影響。

圖6 研究區(qū)域水體不同粒徑組分懸浮物對(duì)水體色度的影響Fig.6 The influence of suspended solids with different particle sizes on water chroma studied

3 結(jié) 論

3.1 小型封閉式景觀水體中懸浮顆粒物具有相似粒度分布特征，粒度分布存在多個(gè)峰值，出峰的位置大致相同，懸浮顆粒物的粒度分布由多個(gè)組分疊加組成，反映了多組分的粒度分布特征，最多有4個(gè)組分，各組分的粒徑范圍是：組分Ⅰ(0.45～3μm)、組分Ⅱ(3～30μm)、組分Ⅲ(30～120μm)和組分Ⅳ(>120μm)。其中，由于水體的表觀特征不同，3個(gè)目標(biāo)水樣各組分的體積比存在差異，天鵝湖組分Ⅰ數(shù)量占比76.7%，白沙湖組分Ⅱ數(shù)量占比64.5%，明遠(yuǎn)湖組分Ⅱ數(shù)量占比

為83.9%。

3.2 溶解態(tài)物質(zhì)引起的城市景觀水體表觀污染貢獻(xiàn)值很小，小型封閉式景觀水體的濁度、色度主要由懸浮顆粒物非溶解態(tài)物質(zhì)引起，非溶解態(tài)物質(zhì)是導(dǎo)致城市景觀水體表觀污染主要原因。

3.3 不同顏色類型城市景觀水體中懸浮顆粒物對(duì)水體表觀敏感組分是組分Ⅳ(粒級(jí)>120μm)和組分Ⅱ(粒級(jí)3～30μm)，水體濁度主要與組分Ⅰ(粒級(jí)0.45～3μm)、組分Ⅱ、組分Ⅳ體積分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出顯著相關(guān)性，3種顏色類型水體的色度的關(guān)鍵影響粒級(jí)為組分Ⅳ。