合肥市城市水体氮磷及微量元素时空分布特征

洪桂云，罗 刚，张 瑾

(安徽建筑大学 a.环境与能源工程学院;b.安徽省水污染控制与废水资源化重点实验室，合肥 230601)

城市水体作为具有重要功能的水体类型，一直以来都是城镇居民广泛关注的热点，城市水体富营养化不仅危害当地环境，同时也影响着城市的形象，其主要成因包括工业废水、生活污水、养殖废水排放等点源污染以及雨水冲刷地表废弃物进入水体、人为投放鱼饵和地下水污染等面源污染[1]，而富营养化的主要危害是破坏水体水质健康及生态系统平衡。城市水体富营养化是指水体接纳了过量的氮、磷等营养物质,使藻类及其他水生植物异常繁殖,导致水体透明度降低,水中溶解氧下降,水质恶化的现象。经调查，除重点湖泊(水库)外我国城市河道约80%已受不同程度污染，许多城市的内河水质常年严重超标。此外，城市公园水体水质恶化，浮游藻类疯长，富营养化状况严重，据不完全统计，全国约90%的城市公园水体遭受不同程度的污染。[2]研究选取合肥市三个典型水体为研究对象，采集表层水样品和表层沉积物样品，分析表层水和沉积物中N、P及微量金属含量，研究N、P及微量元素在合肥市城市水体及底泥中的分布特征及来源。

1 材料与方法

1.1 流域特征和样品采集

本试验从2021年3月初开始，选取合肥市翡翠湖、环城河、董铺水库三个典型水体，其中翡翠湖、董铺水库各取 3 个采样点采样，环城河南段选取4个采样点采样，且每隔20天采集一次水样，至2021年6月初结束，图1-3为采样点分布图。为了充分反映三个水体的水质状况，采样点选择在湖面开阔，水流平稳处，力求避开死水及回水区，采集时天气状况均良好。本实验样品采集于各采样点0.3～0.5m处，采用500mL的聚丙烯塑料瓶采满水样，采水器在使用之前，先用所取水样润洗2-3 次。沉积物样品用沉积物采泥器采集，样品厚度为0～15cm。每处采样点需同时取三个样品，作为平行样品。将采集的水样和底泥贴上标签冷藏保存待处理。[3]

图1 环城河南段采样点分布图

图2 翡翠湖采样点分布图

图3 董铺水库采样点分布图

1.2 分析和计算方法

水样的预处理及分析测试均参照国家相关标准方法。[4]总磷(TP)、总氮(TN)、CODcr和五种微量元素分别采用《过硫酸钾氧化—钼锑抗分光光度法》[5]《碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法》[6]《重铬酸钾消解分光光度法》[7]《水和废水检测分析方法》《电感耦合等离子体原子发射光谱法》[8～9]进行测定。所有样品均做3次平行，试验结果以3次分析结果的平均值表示。通过测试可知，3次平行分析结果的误差小于5%。[10]

2 结果与分析

2.1 TN、TP浓度随时间变化

图4为TN浓度随时间变化图，其中F为翡翠湖，H为环城河，D为董铺水库。环城河南段TN浓度在采样时间内均高于其他两地水体，以第三次采样时间为分界，环城河南段TN浓度前期变化幅度较大，后期则较为平稳，其平均值为2.298mg/L，若只以TN浓度来衡量水质状况，环城河南段水质总体处于Ⅴ类水，水质状况较其他两地差。翡翠湖水体TN浓度在第三次采样期间取到最小值，为1.321mg/L，而董铺水库水体则取到最大值，为1.519mg/L。在采样时间内翡翠湖水体TN平均浓度为1.736mg/L，仅以TN浓度作为评价指标，水质处于Ⅲ～Ⅳ类水，优于环城河南段水体水质。董铺水库TN浓度在采样时间内均低于另外两地水体，在第三次采样期间，其TN浓度变化幅度较大，但水库总体TN浓度变化趋势较平缓，其平均浓度为1.093mg/L，水体水质总体处于Ⅱ～Ⅲ类水。

图4 TN浓度随时间变化曲线图

由图5知，三个水体中TP浓度总体均呈上升趋势，其中环城河平均TP浓度最高，董铺水库平均TP浓度最低，第一次采样时为最低值0.168mg/L，三个水体TP平均浓度差距不大，三者TP平均浓度分别为0.218mg/L、0.230mg/L、0.194mg/L。若只以TP浓度评价水体水质，翡翠湖和环城河南岸水体水质均属于Ⅲ～Ⅳ类水，而董铺水库水体水质属于Ⅱ～Ⅲ类水。

图5 TP浓度随时间变化曲线图

2.2 三个水体中不同采样点TN、TP浓度分布

由图6至7可知，翡翠湖采样点2和3的TN、TP浓度较为接近，而采样点1的TN、TP浓度在采样期间低于采样点2和3，结合图6可以清晰看出，翡翠湖南岸水体TN、TP浓度低于北岸水体。而董铺水库水体采样点1的TN、TP浓度则高于采样点2和3的浓度，说明董铺水库北岸水体TN、TP浓度略低于南岸水体。环城河水体采样点1和2的TN、TP浓度低于采样点3和4，环城河南岸靠西边的水体TN、TP浓度低于靠东边的水体。

图6 翡翠湖水体不同采样点TN、TP浓度分布图

图7 环城河南岸水体不同采样点TN、TP浓度分布图

图8 董铺水库水体不同采样点TN、TP浓度分布图

为了清晰地反映所选三个水体中CODcr的浓度变化特征，如图9所示，翡翠湖和环城河南段CODcr浓度较为接近，董铺水库CODcr浓度在12.343mg/L～16.076mg/L之间变化，明显低于前两者。在第一次采样期间三个地点水样CODcr浓度值基本相同，在第二次采样期间均达到峰值，其中环城河南岸取到最高值，为33.912mg/L，是董铺水库最高值的1.86倍。若单以CODcr浓度为水质评价指标，三者水质分别处于Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅰ～Ⅱ类水。

图9 CODcr浓度随时间变化曲线图

2.3 水体中CODcr的浓度变化特征

2.4 三个水体中五种微量元素浓度变化特征

由图10可知，三个采样水体中铁元素浓度大小依次为翡翠湖>环城河>董铺水库，其中董铺水库水体中铁元素浓度变化较为平稳，而翡翠湖水体波动较大。

图10 水体中铁元素浓度随时间变化曲线图

参照《地表水环境质量标准》，三个水体中铁元素浓度均低于标准限值0.3mg/L。由图11可知，三个水体中锌元素浓度变化趋势较为相似，且三者都在第一次采样期间达到峰值。翡翠湖和环城河南岸水体锌元素浓度在第三次采样期间处于最低点，而董铺水库则在第四次采样期间达到最低值。总体来说，三个水体中锌元素浓度均低于Ⅰ类水锌浓度限值0.5mg/L。由图12可知，翡翠湖和环城河南段水体中铜元素浓度较为接近，董铺水库水体则低于两者。在第三次采样期间，翡翠湖水体中铜元素浓度到达三个水体中最大值。由图13和图14可知，相较于铁锌铜元素的浓度，三个水体中锰和钼的浓度较为稀少，除了第一次采样期间锰元素和钼元素的浓度稍高，其他时期两者变化幅度小。总体来说三个水体钼元素的浓度较为接近，锰元素的浓度翡翠湖和环城河南岸较为接近而董铺水库略小于前两者。

图11 水体中锌元素浓度随时间变化曲线图

图12 水体中铜元素浓度随时间变化曲线图

图13 水体中锰元素浓度随时间变化曲线图

图14 水体中钼元素浓度随时间变化曲线图

2.5 采样水体沉积物中五种微量元素浓度变化特征

由于近几年来合肥市政府对环城河水体采取的一系列整治措施，环城河南岸采样点处底泥较为稀少，同时董铺水库属于水源涵养地，周围设有围栏，底泥采集较为困难，因此本实验选取翡翠湖水体底泥进行研究。翡翠湖底泥五种微量元素含量如表1所示。

表1 翡翠湖底泥五种微量元素含量 单位：μg/g

从表1中可以看出，翡翠湖水体底泥中五种微量元素大小分布为Fe>Mn>Zn>Cu>Mo，其中铁元素含量远高于其他四种元素，钼元素含量最低。

3 讨论与结论

通过观察TN、TP、CODcr浓度随采样时间变化曲线图可看出，TN、CODcr浓度在3月3日到4月14之间处于较高水平，TP浓度则相反。经分析，温度较低时，微生物繁殖较慢，随着温度逐渐升高，饱和溶解氧含量降低，氮磷比逐渐提高，藻类繁殖加快。通过分析研究水体TN、TP分布及来源可知，翡翠湖水体TN、TP主要来源于地表径流及干湿沉降，由于翡翠湖地区植被覆盖率较高，雨水从马路流入湖体时，经草地过滤，相对减少了TN、TP的流入，而环城河南岸水体植被过滤程度较翡翠湖低，部分河段进行养殖活动，人为投饵也会加剧其TN、TP浓度的提升。同时，作为环城河主要水源的城市再生水中的营养元素含量也使其TN、TP浓度高于其他水体。董铺水库水体处于合肥市郊区，地表径流及干湿沉降所带来的TN、TP含量较城区少，但人为养殖活动、鱼类放生和投饵也会使水库TN、TP浓度提高。随着近几年来合肥市加大对景观水体的治理力度，南淝河水体和巢湖水体水质有明显的好转，但TN、TP浓度仍然较高，与李如忠等人[11]测定的南淝河水体及奚姗姗等人[12]测定的巢湖水体TN、TP浓度对比可知，南淝河水体和巢湖水体TN、TP浓度高于翡翠湖、环城河南岸、董铺水库水体，其中南淝河水体TN、TP浓度最高，董铺水库水体TN、TP浓度最低。

与程青[13]测定的西安市典型水体中五种微量元素浓度对比可知，翡翠湖水体中铁浓度明显高于汉城湖、南湖等西安市典型景观水体，而沉积物中铁元素的含量则较为接近，主要由于气候条件和其他因素影响，致使翡翠湖沉积物中铁元素释放得更快。本实验选取的三个水体中锌元素和铜元素的含量都略高于西安市水体，而锰元素和钼元素的含量则较为接近，翡翠湖底泥中锰、锌、钼含量略高于西安市水体，铜元素的含量则较为接近。总体而言，翡翠湖、环城河南岸、董铺水库水体与西安市水体中微量元素分布规律均为Fe>Zn>Cu，翡翠湖底泥中五种微量元素分布与西安市水体沉积物相似，均为Fe>Mn>Zn>Cu>Mo。

通过对实验数据进行分析，得到以下结论：

(1)翡翠湖水体TN浓度在1.321mg/L～2.243mg/L之间，整体呈下降趋势，TP浓度在0.183mg/L～0.265mg/L之间，变化规律不明显，TN、TP主要来源于城市地表径流和干湿沉降。CODcr总体呈下降趋势。水体中五种微量元素较环城河南岸和董铺水库高，底泥中铁锰锌含量较高。总体而言,翡翠湖水体水质处于Ⅳ类水，TN、TP浓度南岸水体低于北岸。

(2)环城河南岸水体水质较差，为Ⅴ类水，氮磷主要来源是地表径流、干湿沉降、鱼类养殖及城市再生水供给，且TN冬春交际时含量高，TP春夏交际时含量高，TN、TP浓度西边水体低于东边水体。同时，环城河南岸水体CODcr含量是三个水体中最高的，五种微量元素含量处于三个水体中间位置。

(3)董铺水库为合肥市水源涵养地，其水体水质良好，达到Ⅲ类水标准，TN浓度变化较为平均，TP浓度春季较低，春夏交际时较高，TN、TP浓度南岸高于北岸，氮磷主要来源为干湿沉降、鱼类养殖投饵等。