城市水體的黑臭現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, 呈現黑色或灰黑色, 生態(tài)功能喪失的水體.隨著我國城市化進程的加快, 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, 許多水體發(fā)黑發(fā)臭, 嚴重影響了人們的生活環(huán)境。

目前已有許多學者開展了城市黑臭水體形成機制的研究, 認為當水體遭受嚴重有機污染時, 有機物的好氧分解使水體中耗氧速率大于復氧速率, 造成水體缺氧, 致使有機物降解不完全、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, 同時形成FeS、MnS等黑色物質, 致使水體發(fā)黑發(fā)臭.此外, 水體有機負荷、Fe和Mn等金屬污染、底泥污染和水動力條件等環(huán)境因素的復雜性, 影響了黑臭水體形成的生物化學過程, 導致黑臭水體的水質參數指標、顏色、氣味等具有差異性。因此, 有學者嘗試建立黑臭水體的評價模型, 如劉成等對目前國內外各類河道黑臭評價模型進行比較, 篩選出多個模型進行分析, 比較后認為值得推廣研究的評價模型有多元線性回歸模型和綜合水質標識指數法.阮仁良等在水質評價方法里篩選出污染指數法、有機污染綜合評價法、溶解氧值法進行比較, 并提出有機污染綜合評價法是水質黑臭評價的最佳方法。

上述研究主要從致黑致臭的水質參數指標研究黑臭水體的形成和識別, 并不能實現對全區(qū)域黑臭水體的識別和監(jiān)測, 因此, 有學者嘗試利用遙感技術, 從水色指標變化的角度開展對黑臭水體識別的研究.這方面最早的研究是關于“黑水團”的研究。

黑水團(在內陸湖泊中也被稱為湖泛)是指在適當的氣象條件下, 由于藻類的高度聚積使得水體突然發(fā)黑發(fā)臭的水污染現象.黑水團現象的發(fā)生, 可以看作是湖泊環(huán)境諸多要素對重度湖泊富營養(yǎng)化的一種劇烈響應.黑水團具有水體發(fā)黑發(fā)臭, 水生生物大量死亡, 水體含氧量低、高營養(yǎng)鹽負荷等一些顯著的特征.Duan等分析了太湖黑水團的吸收特性, 認為浮游植物和有色可溶性有機物的高吸收, 以及較低的后向散射, 使水體呈現黑色.張思敏等對比分析了太湖黑水團區(qū)與其他區(qū)域的吸收特性, 認為黑水團的顆粒物吸收系數和有色可溶性有機物(CDOM)吸收系數均高于正常水體.此外, 溫爽等構建了基于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果和反演的各類水質參數的指數分布, 結合水體黑臭程度遙感判別指標, 對北京市9處河段進行判別, 其黑臭水體識別與官方公布的結果基本一致。

由于遙感技術宏觀性的特點, 使其可以同步對城鎮(zhèn)河網黑臭水體進行監(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)測的研究才剛剛起步, 對黑臭水體光學特征的研究還不夠深入, 對水質參數和固有光學特性對遙感信息的影響機制的研究還開展得很少, 研究主要集中在遙感反射率對黑臭水體的分類識別, 算法缺少機制性的支持。

本研究擬通過對長沙、南京、無錫這3個城市的河流進行現場采樣和室內分析, 探討城市黑臭水體中色素顆粒物、非色素顆粒物、有色可溶性有機物的吸收特性, 通過水體組分吸收特征的變化, 揭示黑臭水體與其它水體的差異性, 尋找黑臭水體與其它水體的識別指標, 以期為構建黑臭水體遙感識別模型提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)與樣點分布

2016~2017年在長沙、南京、無錫進行地面遙感實驗, 采集水樣并進行水質參數和水體吸收系數測量.樣點分布見圖 1, 采樣時間與采樣數量見表 1。

圖1

圖 1 采樣點分布示意

表 1 采樣時間與采樣點數量

長沙市位于中國中南部的長江以南地區(qū)(東經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119°31′~120°36′, 北緯31°07′~32°02′).無錫水網密集, 市區(qū)以京杭大運河為中軸構成河網水系, 并通達江湖, 共計采集46個樣點, 屬于黑臭水體的有9個。

1.2 數據采集

本實驗數據的采集主要包括室外實驗和室內實驗兩部分.室外實驗主要包括水樣的采集, 同時記錄對應點位的pH、溶解氧、氧化還原電位等信息.室內實驗包括葉綠素濃度等水質參數和水體組分吸收系數的測量。

1.2.1 黑臭水體判別

在實際采樣過程中, 根據住建部2015年發(fā)布的《城市黑臭水體整治工作指南》, 同時結合感官(嗅覺上為惡臭, 視覺上呈現黑色)對河段進行分類, 將城市河段區(qū)分為黑臭水體和正常水體?！吨改稀芬酝该鞫取⑷芙庋?、氧化還原電位和氨氮為指標, 將黑臭水體細分為“輕度黑臭”和“重度黑臭”, 其分級標準和相關指標測定方法見表 2.本研究中輕度黑臭與重度黑臭的數據量差異較大, 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)一歸為黑臭水體進行研究。

表 2 城市黑臭水體污染程度分級標準

1.2.2 水質參數測量

水質參數包括現場測量和實驗室分析測量兩部分, 其中, 現場測量的參數包括透明度、溶解氧和氧化還原電位。

實驗室分析測量的水質參數主要包括總懸浮物(TSM)、無機懸浮物(ISM)、有機懸浮物(OSM)、葉綠素a(Chla)、溶解性有機碳(DOC)、總磷(TP)、總氮(TN)。

懸浮物濃度測量使用煅燒法.用直徑為47 mm玻璃纖維濾膜(Whatman GF/F)在450℃的高溫下煅燒4~6 h, 將膜冷卻并進行稱量, 過濾一定體積的水樣后在恒溫烘干箱中以110℃烘4~6 h.烘干稱重得到質量, 減去空白膜的質量, 即為總懸浮物的質量.高溫煅燒烘干后的膜, 稱重減去空白膜的質量得到無機懸浮物的質量.最后計算得到總懸浮物(TSM)、無機懸浮物(ISM)、有機懸浮物濃度(OSM)。

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

溶解性有機碳采用總有機碳分析儀測量.首先用直徑為47 mm玻璃纖維濾膜(Whatman GF/F)過濾一定的水樣, 然后利用島津總有機碳分析儀測量溶解性有機碳。

總氮采用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一定體積的水樣中, 在120℃下加熱分解30 min, 冷卻至室溫, 水樣中的氨氮、亞硝酸鹽、有機氮被氧化成硝酸鹽.配置不同濃度梯度的氮標, 測量其吸光度.取上清液, 用紫外分光光度計測量210 nm處的吸光度, 根據氮標的濃度與吸光度之間的線性關系計算得出總氮的濃度。

總磷采用鉬銻抗分光光度法.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, 生成磷鉬雜多酸.將消解的水樣冷卻至一定溫度后, 取部分樣品, 加入抗壞血酸溶液, 充分混勻, 生成磷鉬藍(藍色絡合物), 然后測量700 nm處的吸光度值, 以超純水做參比, 進而計算水中的總磷濃度值。

1.2.3 水體組分吸收系數的測量

水體組分的吸收系數包括總顆粒物吸收系數(ap)、色素顆粒物吸收系數(aph)、非色素顆粒物吸收系數(ad)和有色可溶性有機物(colored dissolved organic matter, CDOM)的吸收系數(ag)。

總顆粒物的吸收系數使用定量濾膜技術(QFT)測定.用直徑為25 mm玻璃纖維濾膜(Whatman GF/F)過濾水樣, 用同樣濕潤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750 nm處吸光度為零值校正, 得到總顆粒物的吸收系數。

用一定體積的次氯酸鈉溶液漂白濾膜上的色素顆粒物質, 漂白15 min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吸收系數.總顆粒物吸收系數減去非色素顆粒物的吸收系數即為色素顆粒物的吸收系數。

CDOM吸收系數采用0.22 μm的Millipore濾膜對濾液進行二次過濾, 以超純水做參比, 用紫外分光光度計測定其吸光度, 并且以700 nm處的吸光度為零值進行散射效應的校正, 計算得到CDOM的吸收系數。

2 結果與討論

2.1 城市黑臭水體水質參數特征

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為實驗采集水體的水質參數數據.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1.23~272.15 μg·L-1和0.02~343.05 μg·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 實驗觀測的城市黑臭與非黑臭水體的水質參數

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懸浮物濃度較高.黑臭水體中的有機懸浮物濃度高達57%, 而非黑臭水體中有機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參數是溶解性有機碳和總氮總磷。其中, 黑臭水體中的溶解性有機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。推測其產生的原因是城市水體中的富營養(yǎng)化現象導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, 使得氮磷物質與一般的碳水化合物一起參與耗氧過程, 而含氮有機物降解的耗氧量遠大于含碳有機物的耗氧量, 這使得水體中的溶解氧快速降低, 導致水質惡化, 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參數。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.可能的原因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懸浮物占比最高, 達到62%, 無錫黑臭水體的有機懸浮物占比最低, 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參數存在一定的差異, 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參數

2.2 城市黑臭水體吸收特征

進入水體的光被水體組分吸收, 形成衰減, 水體對光的吸收作用可以用吸收系數表示.影響內陸水體吸收特性的物質主要有4種:純水(pure water)、浮游植物(phytoplankton)、非色素懸浮物(tripton)及黃色物質(CDOM).某一波段的吸收系數可表示為各組分吸收系數之和, 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的吸收系數(m-1).

不同城市間黑臭水體的吸收系數差異較小(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吸收占主導, 而無錫市則是色素顆粒物吸收比例較高, 這與太湖的浮游藻類較多有一定關系。不同城市的吸收系數光譜特征并未呈現明顯的區(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行討論。

表 5 不同城市黑臭水體的吸收系數/m-1

2.2.1 總顆粒物吸收特征

總顆粒物吸收系數近似等于非色素顆粒物吸收系數與色素顆粒物吸收系數之和。圖 2為黑臭水體與非黑臭水體的總顆粒物吸收系數光譜曲線, 加粗的曲線是總顆粒物平均吸收系數光譜曲線.城市水體大多樣點在675 nm有一個吸收峰, 而在400~500 nm隨波長增加呈現指數衰減, 少數幾個樣點則在440 nm、675 nm附近有吸收峰, 表現出明顯的藻類吸收特征, 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 nm處的范圍是0.81~25.62 m-1、0.60~18.60 m-1, 平均值分別為(4.88±4.08)m-1、(3.98±2.96)m-1.此外, 圖 2(a)中有3條曲線明顯高于其他黑臭水體的曲線, 將這3條曲線對應的樣點分別編號為G1、G2和G3, 其中, G1、G2是5月10日在南京市采集的樣點, G3是8月5日在無錫市采集的樣點, 這3個點現場判別均為重度黑臭。G1和G2號點均含有較高濃度的懸浮物(分別為297.50 mg·L-1和127.27 mg·L-1)。總顆粒物吸收系數曲線隨波長增加呈指數衰減, 說明非色素懸浮物質對吸收系數有著更大的影響.而G3號點DOC濃度為19.55 mg·L-1, 與黑臭水體的均值相比明顯偏高.考慮到采樣的河流位于無錫, 且與太湖相連通, 采樣時間在8月, 推測G3號點產生黑臭與藻華的產生與降解有一定關系。

圖 2

(a)黑臭水體, G1、G2分別是5月10日在南京市采集的重度黑臭水體, G3是8月5日在無錫市采集的重度黑臭水體; (b)非黑臭水體圖 2 黑臭與非黑臭水體總顆粒物吸收系數光譜曲線。

黑臭水體的總顆粒物吸收系數均值稍高于非黑臭水體, 但是二者的吸收系數取值范圍存在較大程度的交叉。非黑臭水體中也存在總顆粒物吸收系數較高的樣點, 這說明城市水體的情況較為復雜, 顆粒物吸收系數并非兩者最主要的區(qū)別。