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景观水体是城市水环境的重要组成部分。随着城市的发展和人民生活水平的提高,景观水体作为一种可以美化环境、陶冶情操的元素,在越来越多的城市开始出现,良好的水环境可以增加水汽循环,起到调节城市内部气候和有效涵养地下水的作用[1]。由于城市景观水体大多具有水深浅、流速低和水系循环不畅等特点,自我净化能力较弱,富营养化程度问题比较突出[2-3]。城市公园湖泊承载了休闲娱乐功能,受人为影响因素较大,容易受到污染,对水体功能和城市景观造成严重影响[4]。
近年来,针对天津地区公园湖泊水质的研究分析评价有很多,但大多针对天津市远郊地区自然湖泊开展[5-6],对中心城区景观水体研究甚少。因此有必要对中心城区景观水体进行系统研究。本文通过对天津市中心城区的5处景观水体水质进行长期跟踪监测,综合分析了各景观水体的富营养化现状及水环境质量,为同类市景观水体的富营养化研究与治理提供借鉴。
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选取位于天津市中心城区的5处景观水体为研究对象,分别为水上公园东湖、水上公园西湖、卫津河(位于天津市南开区,是中心城区二级河道,全长11.47 km,由于该河较长故选取具有代表性河段卫津路至气象台路河段)、南翠屏公园和阳光100景观湖(某大型居住区内的景观湖泊)。监测工作从2017年4~11月(景观湖冰封期的12月至次年3月除外),采样频次随季节略有区别:夏季每月2次,春秋及冬季每月1次,全年共计采样11次。采样时刻均为上午9点~11点,每个景观水体设置4个取样点,取样地点根据实地情况设置,每月监测点尽量吻合。5处景观水体水深均小于5 m,因此采集水面下0.5 m处的水样。
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监测项目包括:水温(T)、溶解氧(DO)、pH、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH4+-N)、高锰酸盐指数(CODMn)、透明度(SD)、浊度(TURBIDITY)、色度(COLORTY)、硝酸盐氮(NO3–-N)和叶绿素a含量(Chl-a),其监测分析法及统计性描述见表1。
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目前判断水体富营养化程度的方法多种多样,尚未形成统一指标,常见的有营养状态指数法(卡尔森营养状态指数(TSI)、修正的营养状态指数法[7]、营养度指数法以及综合营养状态指数法[8]。综合营养状态指数法(TLI)具有指标简单明确、反应灵敏等特点,且考虑了相关权重的差异,是评价景观水体富营养化的最佳方法,计算见式(1)。
式(1)中:
${\rm{TLI}}(\sum )$ 为综合营养状态指数;${W_j}$ 为第j种参数的营养状态指数的相关权重。$ {\rm{TLI}}\left(j\right) $ 为代表第j种参数的营养状态指数。以Chl-a作为基准参数,则第j种参数的归一化的相关权重计算见式(2)。式(2)中:
$r_{ij}^2$ 为第j种参数与基准参数Chl-a的相关系数;$ m $ 为评价参数的个数。中国湖泊(水库)的Chl-a与其他参数之间的相关关系$ {r}_{ij} $ 及$r_{ij}^2$ 见表2,其中$ {r}_{ij} $ 来源于中国26个主要湖泊调查数据的计算结果[9]。
1.1. 采样方法
1.2. 水质分析与评价
1.2.1. 监测项目和分析方法
1.2.2. 景观水体营养状态评价
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天津市5处景观水体监测结果表明,水温测定范围分别为4.1~33.3 ℃,平均值为22.4 ℃。pH在7.57~9.27之间,阳光100景观湖最高、卫津河最低。水体呈弱碱性,这可能与当地的土壤性质有关。最大值出现在夏季。当藻类大量生长繁殖时,强烈的光合作用使pH值急剧升高,这与藻类的呼吸作用相一致[10]。
5处景观水体水质差异性较大见表1。由于补水是影响景观水水质的重要因素。因此,景观水体水质差异性较大很可能是不同的补水水源造成的[11]。
研究区域内的景观水体补水水源均没有特定的规律,都是根据水体水位来补水。可分为3大类:雨水补水、天然地表水补水和再生水补水。其中水上公园东湖和水上公园西湖除降雨外,根据自然蒸发、渗漏等引起的损失,采用凌庄子水厂的源水进行补水。源水原为滦河水,有时为黄河水,南水北调后,为滦河水、长江水,即地表水。南翠屏公园湖(环形河道)采用自然降水、再生水。阳光100景观湖原设计采用再生水,实际有自然降雨、再生水和地下水。卫津河补水源有自然降雨和海河水。不同补水水源部分指标均值见表3。
表3可知,天然地表水、再生水和雨水的的TN、TP测定值依次增大。说明天然地表水的营养物质含量最低,再生水的营养物质含量处于一般水平,雨水中营养物含量最高。这说明,景观水的多水源补水特性是水质保持与提升的难度。
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研究区域内的5处景观水体TN随月份变化特征见图1。
图1可见,TN浓度的大小顺序为南翠屏公园>卫津河>阳光100景观湖>水上公园东湖>水上公园西湖。
5处景观水体TP随月份变化见图2。
图2可见,TP浓度大小顺序为南翠屏公园>水上公园西湖>水上公园东湖>卫津河>阳光100景观湖,TN、TP值随月份变化幅度较大,峰值出现在8月中旬。这可能是由于盛夏季节温度较高,大量居民到公园游玩,带入了大量的N、P营养废弃物,受人类活动影响因素较大。同时降雨增多,造成雨水和地表径流以及废弃物等积累到湖中。一般认为,TN>0.2、TP>0.02即为富营养化水体,研究区域内TN、TP含量高于一般标准5倍以上,这说明,几处公园景观水体已经发生了较高程度的富营养化。
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选取TN、TP、SD、DO、Chl-a和CODMn 5项指标,计算5项指标的营养状态指数(TLI),其计算公式见文献[7],TLI值的大小与不同的营养状态分级相对应:0<TLI≤30,贫营养;30<TLI≤0,中营养;50<TLI≤60,轻度富营养;60<TLI≤70,中度富营养;TLI>70,重度富营养。5处景观水体综合营养状态指数随时间变化见图3。
图3可见,水上公园东湖、水上公园西湖、卫津河、南翠屏公园和阳光100景观湖的TLI指数分别为34.6~48.3、36.6~52.0、27.1~45.4、41~50.7和33.1~49.4,研究区域内的5处景观水体在8月中旬水体富营养化比较严重,监测期间南翠屏公园的综合营养状态指数介于中营养与轻度富营养化之间,水上公园东湖、水上公园西湖、卫津河和阳光100景观湖为中营养水平。
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监测结果表明,氨氮和硝酸盐氮是水体中无机离子的主要存在形式。氨氮在一定的情况下会发生硝化反应,消耗水体中大量的溶解氧,变成硝酸盐氮,硝酸盐氮被自养微生物利用,促进藻类的生长,加速水质的恶化。水上公园东湖、水上公园西湖、南翠屏公园和阳光100景观湖中氨氮含量分别为0.28、0.26、0.26和0.25 mg/L,达到地表水环境质量Ⅱ类标准,卫津河氨氮为0.61 mg/L,为Ⅲ类标准,硝酸盐氮浓度分别为0.27、0.23、0.46、0.20和0.14 mg/L,氨氮占总氮的24.8%,硝酸盐氮占总氮的19.5%,水体中还原态氨氮含量高于氧化态硝酸盐氮,说明景观水体环境失去氧化能力,水体自净能力较差。
2.1. 水质结果分析
2.2. TN、TP值随月份变化特征
2.3. 富营养状态评价
2.4. 无机离子含量分析
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1)天津市5处城市景观水体(水上公园东湖、水上公园西湖、卫津河、南翠屏公园和阳光100景观湖)的水质差异性较大,均无特定的补水规律,景观水体的多水源补水特性,是水质保持与提升的难点。
2)水体中的TN和TP值随月份变化幅度较大,峰值均出现在8月中旬,受人类活动和降雨增多影响因素较大。
3)监测期间南翠屏公园水质最差,其综合营养状态指数介于中营养与轻度富营养化之间,水上公园东湖、水上公园西湖、卫津河和阳光100景观湖为中营养水平。
4)研究区域内的5处景观水体中的还原态氨氮含量高,氧化态硝酸盐氮低,说明景观水体环境失去氧化能力,水体自净能力较差。