石家莊景觀水系中溶解性活性磷的污染特征研究*

李孝通 王 媛,2# 滕志楠 鄭智信 裴心平 劉大喜,2 崔建升,2

(1.河北科技大學環境科學與工程學院，河北 石家莊 050000；2.河北省污染防治生物技術實驗室，河北 石家莊 050000)

隨著經濟活動的愈加頻繁和城市規模的不斷擴張，城市水環境污染狀況日益嚴重。磷作為評價水體質量的重要指標，是水體富營養化的限制性因素[1-3]。大量研究表明，水體中磷負荷過大會造成藻華和缺氧狀況的發生[4-5]，其中溶解性活性磷(SRP)由于可直接被植物所吸收而被視為最重要的磷源。SRP具有高度的生物可利用性[6]，大量SRP進入水體時極易發生水體富營養化，使水體喪失生態功能，危害環境健康[7-8]，特別是對于以封閉或半封閉的緩流水體為主的城市景觀水系，雖然其承擔著凈化水質、建設水景觀的生態和社會功能，但由于其自身水容量少、自凈能力較差，加之作為城市生活污水、工業廢水、地表徑流的受納體[9-11]，極易造成水體SRP濃度過高，這已成為我國現階段水污染治理所面臨的棘手問題，其帶來的危害以及經濟損失引起了極大的社會關注。

現有研究表明，不同類型水體中普遍存在SRP濃度過高的問題，并且來源和輸入途徑的不同會導致區域污染特征的差異[12-13]。單保慶等[14]發現北運河下游水系中SRP濃度時空分布差異顯著，SRP濃度在降雨集中的6月達到最大；余佑金等[15]在對滇池的調查中得到SRP濃度峰值出現在雨季，雨水會加速土壤中的磷元素隨地表徑流進入水體。上述研究多集中在大型流域、湖泊等以農業為主要磷來源的地區，而針對城市區域小型、密集型景觀水體的關注度卻不足[16-17]，特別是有關城市景觀水系中SRP污染特征的報道相對缺乏，影響其SRP濃度變化的因素也亟待系統地調查和分析。

近年來，石家莊快速推進城鎮化進程，以含磷原料為主的醫藥、化工、紡織等經濟支柱產業迅猛發展，不可避免地排放含磷廢水。同時，居住人口逐年增加使得生活污水排放量持續加大[18-19]，不斷增添的環境負擔將導致地表水磷污染的進一步惡化，使城市景觀水系富營養化問題更加嚴峻。鑒于此，本研究以石家莊景觀水系為研究對象，以SRP為觀測因子，研究磷污染的時空分布特征，并對景觀水系的富營養化水平進行初步評估，為保護和改善景觀水系水質狀況、緩解和控制富營養化水平提供科學依據。

1 方 法

1.1 研究區域概況及采樣點布設

石家莊位處河北省中南部，屬于溫帶季風氣候，季節變化分明，年均降雨量為401.1～752.0 mm[20]。石家莊景觀水系作為城市發展和生態規劃的重要環節，起著涵養水源、泄洪納污、綠色景觀的作用，體現著以“以水為鏈”的理念。景觀水系將城市各區塊連接起來，在承擔城市鏈接功能的同時又承擔著建設海綿城市、生態修復、美觀服務的綠色生態作用，極大地提高了城市功能的層次感。石家莊景觀水系補水水源主要為自然和人工引水、雨水、城鎮污水以及污水處理廠回用水，補水點多位于水系河道連接處，實行每日分段補水，補水量約為20 t/d；每年豐水期過后對河道進行清淤和換水工作[21]。

本次研究選擇了石家莊景觀水系中16處典型水體，其中有1條天然河流(設置采樣點N1)、9條人工河流(分別設置采樣點S1～S9)和6個景觀湖(分別設置采樣點L1～L6)，研究區域既包括人流密度較大的學校、公園、商業住宅等城市中心地區，也包括了人為因素影響較少的偏遠地區，幾乎涵蓋整個石家莊城區復雜的景觀水系網絡，水系的基本流向為自西北向東南，具體采樣點位置見圖1。

圖1 石家莊景觀水系采樣點分布Fig.1 Location of sampling sites in landscape water system of Shijiazhuang

1.2 水樣采集及測定

水樣采集工作分別于2018年6月(豐水期)、2018年9月(平水期)、2018年12月(枯水期)進行，在每個采樣點中心位置，采集約1 L表層水樣(0.3～0.5 m)，運回實驗室4 ℃低溫保存。其中豐水期的L6采樣點，平水期的S5、L3采樣點和枯水期的S6、L1采樣點因施工圍欄未采集到水樣。水樣中SRP采用鉬銻抗分光光度法[22]進行預處理和分析測定，為保證分析測定的精確性，設置3次平行實驗，結果取平均值。

1.3 數據處理

使用SPSS 24.0、Excel 2010和Origin 2018分別進行數據處理以及繪圖，通過QGIS 2.18繪制采樣點地圖。

2 結果與討論

2.1 石家莊景觀水系SRP的濃度水平

石家莊典型景觀水系全部采樣點均有SRP檢出，質量濃度在0.030～7.111 mg/L，平均值為1.496 mg/L，中位值為0.702 mg/L。根據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)對地表水水體使用功能的分類，絕大部分河段的SRP為劣Ⅴ類水平[23]，遠高于北美密歇根湖(0.005～0.447 mg/L)[24]、珠江口近岸(0.050～0.390 mg/L，平均值為0.110 mg/L)[25]的SRP水平，污染嚴重區域甚至比天津水上公園景觀湖(0.022～0.113 mg/L，平均值為0.060 mg/L)[26]中SRP濃度高出兩個數量級，說明石家莊景觀水系中磷污染問題普遍且較嚴重。從研究數據來看，石家莊景觀水系中SRP濃度已超出公認的水體富營養化磷元素質量濃度的閾值(TP=0.200 mg/L)[27]，同時在空間上也呈現出強烈的差異化。因此，進一步探究石家莊景觀水系中SRP濃度的時空分布特征，分析其影響因素，將對后續水環境治理具有重要的現實意義。

2.2 石家莊景觀水系SRP的空間分布特征

表1展示了石家莊景觀水系中SRP濃度的空間分布，使用Kruskal-Wallis檢驗進行顯著性差異的分析。結果表明，石家莊景觀水系中天然河流的SRP質量濃度最小(0.040～0.141 mg/L，平均值為0.075 mg/L)，人工河流和景觀湖的濃度水平相近并無明顯差異(p>0.05)，但在整體空間分布上表現出相似的特征。該地區西南部水系采樣點的SRP水平較高(0.702～5.518 mg/L，平均值為2.724 mg/L)，而東北部水系采樣點的SRP水平較低(0.030～0.864 mg/L，平均值為0.213 mg/L)，呈現出顯著的空間差異(p<0.05)。

表1 石家莊景觀水系中SRP的空間分布

位于石家莊北部，臨近太平河和滹沱河的N1、S3、S4、S5采樣點全年均保持著較低的SRP水平。這是因為太平河和滹沱河屬于自然河流，是石家莊景觀水系主要的自然匯水區，其上游水源充足，且常年有水，水體更新快，故水質狀況良好。而石家莊西南部以及市區部分人工河流和景觀湖采樣點距離上游水源較遠，自然水源補給不足。各景觀湖較為獨立，雖然有人工河流連通，但河道上設有大量的橡膠壩控制水位，水流流速小于0.01 m/s，動力不足，河道分割后連通性較差，極易形成靜止水體進而蓄積污染物，長期封閉的水體環境導致水質下降，SRP濃度升高[28]，嚴重時造成富營養化現象的發生。同時，SRP空間分布差異還與石家莊特殊的地形體貌特征存在一定關系。研究區域西臨太行山，東接華北平原，造成了西北高、東南低的獨特地形。而經流此處的子牙河水系和大清河水系皆自西北流向東南[29]。石家莊的地貌和水文特征共同作用使得市內河流方向大多為從西北向東南。同時，城市景觀水系又承擔收納生活污水和地表徑流等作用，同一河段內采樣點相互連通，不同河段又有連接點串聯，流經城區的各排污口和雨水排放口后，SRP隨水流方向在下游處聚集，使得石家莊景觀水系中SRP的濃度呈現出北低南高的特征。值得注意的是，太行山緊鄰本次研究中的西南區域水系，頻繁的耕作和人類活動使得太行山水土流失情況嚴重。因此太行山除對研究區域地形產生影響外，其水土流失引起的面源污染也會對水系造成影響。已有研究指出，水土流失會加速土壤中SRP以泥沙流失的方式進入水體[30]，這可能也是石家莊景觀水系西南區域SRP污染嚴重的原因之一。

除此之外，石家莊市區現主要運行兩座污水處理廠(見圖1)，承擔了市區絕大部分生活污水和少量工業廢水的處理任務，經處理的回用水成為石家莊景觀水系的部分水源補給。有相關文獻報道，污水處理廠會對所在區域水體SRP的空間分布造成影響[31-32]。由于石家莊經濟社會的快速發展與人口數量的激增，工業廢水和生活污水排放量大幅增加，這大大加劇了污水處理廠的處理負荷。本次研究結果中發現，石家莊景觀水系中臨近污水處理廠的南部水系采樣點(L1、L2、S1、S2、S9)SRP濃度均超過平均值及相應水質標準，間接表明污水處理能力不足可能是導致石家莊西南部景觀水系SRP濃度偏高的重要原因之一。

2.3 石家莊景觀水系中SRP的時間分布特征

全年不同時期石家莊景觀水系中SRP濃度動態變化見圖2?？梢钥闯?，景觀水系SRP呈現出枯水期較高，平水期次之，豐水期較低的規律。其中枯水期SRP質量濃度在0.043～5.518 mg/L，平均值為2.290 mg/L；平水期SRP質量濃度在0.040～7.111 mg/L，平均值為1.702 mg/L；豐水期SRP質量濃度在0.030～2.253 mg/L，平均值為0.751 mg/L。特別是在采樣點L5、S8、S9，豐水期SRP濃度遠遠小于平水期和枯水期。產生這種變化規律的原因可能與降水量密切相關，豐水期降雨量增大，加強了水源補給，利于水體流動和水環境的更新，磷污染情況稍有減輕，呈現濃度降低的趨勢[33]。而在枯水期和平水期，自然降水補給能力下降，若人工補水不及時或者河道堵塞，水體交換能力和自凈能力都會受到一定影響，易于發生磷元素的富集和富營養化現象[34]。李如忠等[35]對合肥景觀水體中SRP的研究也表明，SRP在枯水期(冬季)呈上升態勢并達到頂峰，進入春季后隨著降雨的增多，濃度下降。這說明位于城市環境中的典型景觀水體，其SRP的濃度具有受降水影響而隨時間變化的普遍性規律。

圖2 不同時期各采樣點SRP質量濃度Fig.2 SRP mass concentrations of sampling sites in different periods

值得注意的是，石家莊景觀水系不同類型采樣點中，人工河流和景觀湖中SRP的濃度符合上述枯水期>平水期>豐水期的變化規律，但是天然河流卻表現出與此相反的趨勢(見圖3)。這是因為降雨會使污染物更容易通過地表徑流等方式進入水體[36]，如以農業面源污染為主要污染源的湖泊、河流，降水增多反而會沖刷地表土壤中含磷農肥進入水體，造成SRP濃度升高。DALOGLU等[37]使用SWAT模型證明了降雨量和農肥使用頻率的增加促進了美國伊利湖中SRP負荷增大。在本研究中，N1采樣點所在的滹沱河是唯一流經石家莊市區的天然河流，河流兩邊為農業用地和景觀綠化帶，河岸以松散的卵石層和土壤為主，正是由于降雨加速了其中的SRP進入水體，致使降雨量大的豐水期水體中SRP濃度升高。綜上，磷的來源和傳輸途徑會對水體中SRP濃度的變化規律產生影響，特別是在城市復雜環境下受到多種因素的影響。后續應進一步關注滹沱河上游和太行山區域，擴大流域的研究范圍，并通過加強更長周期的監測，以期更好地探究不同類型水體中SRP濃度的時間變化規律和影響因素。對于城市環境下的人工河流和景觀湖，生活污水、工業廢水和中水排放等點源污染仍是磷元素進入水體的主要方式，以降水沖刷地表方式進入景觀水系的量相對較少?？傮w來說，石家莊景觀水系中SRP濃度高峰期在枯水期，在此期間應對可能造成影響的因素重點監控。

圖3 景觀水系不同類型水體中SRP質量濃度Fig.3 SRP mass concentrations of different water types in landscape water system

此外，位于石家莊水系北部的N1、S4、S5、S7、L6采樣點全年SRP質量濃度在0.101～0.305 mg/L，表現出濃度偏低且各時期無較大波動的特點，統計學分析顯示不存在顯著性差異(p>0.05)。這可能是由于東北部的點位與其他區域點位不同，其大多臨近上游水源，補給充足，水體水量大，受降雨影響較小，所以相較于其他水源補充受限的人工河道、景觀湖的點位，SRP濃度較低且穩定。

3 結論與建議

(1) 石家莊景觀水系中SRP水平偏高，質量濃度在0.030～7.111 mg/L，平均值為1.496 mg/L，中位值為0.702 mg/L，并呈現出較強的時空分布特征?？臻g上SRP主要表現為西南部大于東北部的分布特征，石家莊地貌特征、人工水系的連通狀況、水土流失引起的面源污染以及污水處理廠的處理能力是SRP存在空間差異的潛在影響因素。時間上，SRP呈現枯水期>平水期>豐水期的規律，降雨量可能是不同時間SRP濃度變化的主要原因。石家莊景觀水系西南部區域，特別是枯水期的SRP污染情況較為嚴重，需要引起后續的關注和進一步的監測研究。

(2) SRP是水體富營養化的限制性因子，其濃度同營養化水平具有高度的一致性。建議后續研究深入探索SRP與水體營養化水平之間的關系和驅動作用，在條件有限的情況下，達到通過SRP濃度來初步判斷水體富營養化水平的目的。

(3) 石家莊應通過更加合理的設計規劃和管理使城市景觀水系發揮更大作用，加強各水源補給、保證渠道暢通和各河段之間的連通性、定期進行河道底部清淤處理，進一步改善和提高石家莊地表水的環境狀況。