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永定河怀来段水体富营养化评价

更新时间:2009-03-28

永定河水系为我国北方典型的缺水型河流,位于坝下低中山盆地农牧业交错带,属于海河流域。桑干河怀来段全长2.4 km,洋河怀来段全长21.6 km,桑干河与洋河在张家口怀来县朱官屯汇合后形成永定河,永定河全长30 km,主要分布在官厅水库上、下游,除水库库区河段外,上游长10.5 km,下游长19.5 km,永定河怀来段位于永定河水系最上游。永定河水系是官厅水库的重要入库水源,是北京重要水源地和生态保护屏障,对京津冀一体化大都市区的生态环境保护具有重要的作用[1]。自2007年以来,官厅水库恢复成为北京应急备用水源地[2],其中怀来县八号桥是永定河进入官厅水库前,最后的国控断面,流经八号桥国控断面水质直接影响官厅水库的水体质量。原环境保护部印发《国家环境保护标准“十三五”发展规划》(简称规划)中将洋河张家口市八号桥控制单元水质由Ⅳ类提升为Ⅲ类。北方农牧业交错带是气候、水文、生物等自然环境要素的过渡带,生态环境具有脆弱性和不稳定性[3]。北方典型的农牧业交错带的河流大多是外流河,水系较少、含沙量较大、径流量小且季节变化大,汛期较短,主要集中在夏季,冬季有结冰期。河流生态系统的生产力和物种多样性较低。

氮、磷是水体富营养化的主要限制性因素[4-6]。河流由于水文动力学原因富营养化程度一般不如湖泊水库等相对静止的水体严重[7],但营养盐的累积会增加河流富营养化的风险,因此河流富营养化是当今我国面临的重大问题[8]。永定河上游分布有钢铁、酿造、制药、印染、热电等工业企业,河道接纳了大量工业废水和生活污水,是造成河道富营养化、官厅水库持续污染、治理缓慢的关键原因。根据实地调研及怀来县环境保护局提供的数据得出,洋河是官厅水库上游的重点污染河流,工业废水年排放量为6 991.6万m3,占上游工业废水年排放总量的89.12%;桑干河工业废水年排放量为853.2万m3,占官厅水库上游工业废水年排放总量的10.88%。除受上游来水的水质影响,永定河怀来段的污染源还包括:1)污水处理厂出水。2014年怀来京西洁源污水处理厂处理生活污水476万t,工业废水192万t;氨氮出水浓度超GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅴ类标准限值,COD出水浓度超GB 3838—2002中Ⅳ类标准限值。2)入库前密集农业种植导致的面源污染。怀来县耕地面积占总县域面积的60%,密集的农业种植区尤其是葡萄园,是重要的面源污染源区。3)畜禽养殖。2014年怀来县共计有养殖专业户64个以及5个规模化养殖场,氨氮、COD、总磷年排放量分别为13.7、399.0和33.1 t;主要处理方式为直接农业利用以及厌氧产生沼气+农业利用。

笔者选取永定河怀来段作为研究对象,针对河流富营养化的问题进行了为期一年的水质监测、统计和分析;并采用氮磷比和对数型幂函数普适指数公式法,探索其氮、磷污染现状;分析水体氮、磷营养盐结构时空变化规律;评估水体富营养化程度;利用氮磷比解析富营养化风险,以期揭示该河段的水质指标的时空变化特征,及整个北方农牧业交错带干旱性缺水河流富营养化状况。

1 材料及方法

1.1 样品采集与处理

采样点主要设置在支干流以及入河口,选择在顺直的河道上,河床稳定、水面宽阔且无浅滩,尽量避开回水区、死水区。永定河怀来段共设置6个采样点:分别为桑干河和洋河汇合前各设置1个采样点(HL1和HL2);河流汇合均匀后设置1个采样点(HL3);东沙河设置1个采样点(HL4);东沙河和永定河汇合均匀后设置1个采样点(HL5);八号桥国控位点设置1个采样点(HL6)。采样点分布如图1所示。2016年11月—2017年10月,共采集样品12次,用有机玻璃采水器采集表层0.5 m处的水样,将水样倒入经酸浸泡、清洗干净的聚乙烯采样瓶中,倒入适量硫酸,调节pH,密封,然后带回实验室,于4 ℃冰箱中保存,并在72 h时内完成项目测定。

  

图1 永定河怀来段采样点示意Fig.1 Sampling points in Huailai section of Yongding River

1.2 样品分析方法

永定河怀来段水体营养盐监测指标包括总磷(TP)浓度、活性磷酸盐(SRP)浓度、总氮(TN)浓度、氨氮浓度、亚硝酸盐氮浓度和硝酸盐氮浓度。指标均用连续流动化学分析仪(AutoAnalyzer 3,德国SEAL公司)测定,水质有机氮(ON)浓度为TN浓度减无机氮(DIN)浓度得到。

监测期间永定河怀来段水体氮、磷各指标存在一定的相关性(表1)。由表1可知,TN和TP呈显著正相关,表明永定河怀来段氮、磷的输入形式和途径大致相同,上游流域大量氮、磷污染物进入水体;为循环过程中的中间产物,具有不稳定性,一般由氧化而成,因此在外源输入主要为的情况下,氧化成为过程未被抑制时,二者呈负相关,而永定河怀来段呈显著正相关,说明水体氧化还原电位较高,氧化还原电位是水质变化的先行指标,说明水体有变好的趋势。还原态的被氧化为和TN、TP、SRP浓度均呈显著正相关,说明及TP的输入途径一致,农业面源污染中进入水体,在河水自净作用下不断向转化[8]

1.3 富营养化评价方法

采用氮磷比反映水体营养物限制性特征,根据富营养化评估的营养物限制性划分标准:1)水质氮磷比<7,氮为限制性营养元素;2)水质氮磷比>30,磷为限制性营养元素;3)水质氮磷比为7~30,处于适合藻类生长的范围,浮游植物生理生化作用时,吸收一定的氮、磷,比值为16∶1[9]。氮磷比为12∶1时的水体中藻类产生周期最短,产生量最多,降到4∶1,则不会产生藻类[10]。藻类通过对的利用及摄取实现氮素的利用,合成有机物的生物化学作用较为明显[11]。当氮为限制性元素时,水体中磷的消耗降低;当磷为限制性营养元素时,水体中氮的消耗降低。

为评价指标,采用适用于河流水体富营养化评价的对数型幂函数普适指数公式[12],计算永定河怀来段水体富营养化评价综合指数(EI),判定其水体富营养化程度,得出与富营养化状态的各级标准相对应的营养状态分级标准,评价各时期各采样点水体的营养状态。计算公式[12]为:

 

2.2.1 永定河怀来段水体氮、磷营养盐结构分析

2.1.2 永定河怀来段TP、SRP时空分布特征

营养状态的分级标准:0<EI≤77.39,贫营养化;77.39<EI≤158.33,中营养化;158.33<EI≤249.35,富营养化;249.35<EI≤317.58,重富营养化;317.58<EI≤407.10,极富营养化。

2 结果与分析

2.1 水质基本现状

及TN时空分布特征

在监测周期内,采用对数型幂函数普适指数公式[12-13],计算永定河怀来段EI,评价各时期各采样点水体的营养状态,结果见图9和图10。

  

图2 永定河怀来段及TN平均浓度季节变化Fig.2 Seasonal variation of mean concentration of and TN in Huailai section of Yongding River

由图2可知,TN浓度从11—12月的变化较为平缓;1—4月浓度增长变快,尤其是4月达到峰值,为21.91 mgL;6月降到最低,为3.23 mgL;7—10月变化较为平缓。丰水期(6—9月)的TN浓度小于其他时期,而枯水期(12—次年2月)TN浓度小于平水期浓度平均值为0.87 mgL,最高为4.72 mgL,占流域内水体TN浓度的8.23%;11—12月浓度上升到峰值,1—4月逐渐降低到最低,4—5月上升,6—8月下降,8—10月继续上升;枯水期最高,为1.19 mgL,其次是平水期,为0.84 mgL,丰水期最低,为0.74 mgL,平水期和丰水期浓度均能达到Ⅲ类水体标准浓度为0.84~11.24 mgL,平均值为4.75 mgL,占流域内水体TN浓度的44.80%,一年中波动较大,其中丰水期的浓度最低,为4.38 mgL,枯水期最高,为8.87 mgL,平水期为5.11 mgL。ON平均值为4.82 mgL,1—4月逐渐上升,4—6月下降,可能是由于温度升高水体有机物分解所致。

各采样点浓度空间变化趋势如图3所示。由图3可知,永定河怀来段水体中HL4断面的TN浓度最高,因为HL4位于永定河支流东沙河,东沙河主要的补水供给是怀来京西洁源污水处理厂产生的污水。HL3、HL5及HL6的浓度变化并不明显,说明东沙河流量较小,不会对永定河水质造成较大的影响。洋河与桑干河汇合后,HL3断面浓度明显降低,可能是由于水体稀释和河流降解的作用。HL5到HL6水质和TN浓度均呈逐渐减少的趋势,表明河流对氮具有一定的净化能力。就形态而言,水体中氮的主要形式为相对较少,其分别占TN浓度的7.45%~81.01%和0.21%~6.99%。

矩阵Rbe反映了足端坐标系到机身坐标系的旋转关系,三维矢量Pbe反映了足端在机身坐标系中与质心的位置关系,两者共同体现了机器人足端的位姿。

  

图3 永定河怀来段中及TN浓度空间分布Fig.3 Spatial distribution of and TN concentration in Huailai section of Yongding River

2.2.1 标准曲线绘制。分别以吸光度A和标准品质量为纵坐标和横坐标,绘制标准曲线(图2)。标准曲线方程:A=4.533 3C+0.031 0(R = 0.999 6),在0.036~0.180 mg时线性关系好。

良好的环境可以唤起学生对真理的渴望,有助于启迪学生积极主动地去思考问题。现代心理学研究表明:人处于乐观的情境中可以产生愉快的情感,乐观的环境、心情愉快,兴趣会油然而生。

  

图4 永定河怀来段中SRP、TP浓度空间分布Fig.4 Spatial distribution of SRP,TP concentration in Huailai section of Yongding River

永定河怀来段水体中TP浓度为0.11~6.04 mgL,平均值为0.64 mgL,同样超出Ⅴ类水体标准限值;SRP浓度平均值为0.29 mgL,占TP浓度的44.85%。TP和SRP浓度有明显的时空分布差异(图4和图5)。由图4可知,水体中TP和SRP浓度的空间变化趋势与氮相似,HL4的SRP和TP浓度最高,分别为0.96和1.70 mgL,河道上游到下游TP和SRP呈下降趋势,且水质磷素的自净能力较好。就形态而言,永定河怀来段水体中的磷主要以SRP的形式存在,占TP浓度的39.96%~70.16%,表明永定河怀来段水体中的磷的生物可利用性很高。从图5可以看出,SRP和TP浓度的季节性变化趋势基本一致,2017年5月为周期峰值,其余月份变化不大。

研究区域应严格控制农业面源污染进入河道水体,加强氮排放削减力度,严格控制磷进入水体,防治河道水体磷限制的状况改变,防止藻类的快速繁殖[4,18]。充分考虑永定河流域的环境承载力和环境容量,充分重视周边湿地在氮磷阻截方面的作用。

(3)网络环境下企业财务会计管理的特征体现在虚拟化主体上,这是和传统的财务管理主体有着不同之处。网络环境下游诸多虚拟公司,对于市场环境变化所作出的反应也比较及时。在财务会计管理的组织结构以及管理的方式也发生了变化,如组织方式向着扁平化转变,扩大了企业财务管理范围。

  

图5 永定河怀来段SRP和TP平均浓度季节变化Fig.5 Seasonal variation of mean concentration of SRP and TP in Huailai section of Yongding River

 

表1 永定河怀来段各氮磷指标相关性分析结果Table 1 Correlation analysis results of nitrogen and phosphorus indexes in Huailai section of Yongding River

  

指标NH+4-N浓度NO-2-N浓度NO-3-N浓度TN浓度SRP浓度TP浓度氨磷比NH+4-N浓度1NO-2-N浓度0.448**1NO-3-N浓度-0.052-0.0131TN浓度0.0420.0220.588**1SRP浓度0.015-0.0640.360**0.2261TP浓度0.0320.1380.481**0.299**0.836**1氨磷比-0.178-0.236-0.0410.297*-0.343**-0.415**1

注:**为0.01水平下显著相关,*为0.05水平下显著相关。

2.2 永定河怀来段水体富营养化现状评估

式中:Wj为指标j的归一化权重值,本研究将各指标视为等权重;EIj为指标j的富营养化评价普适指数;Xj为指标j的规范值。

氮磷比对藻类类型和数量具有决定性作用,是水中浮游植物营养结构特点的重要反映,对藻类的生长具有重要的意义[9]永定河怀来段水体氮磷比空间分布见图6。从图6可以看出,绝大多数水体处在磷限制或适合藻类生长的氮磷比;桑干河部分时间的氮磷比高于洋河;仅HL4、HL5存在水质富营养化为氮限制,说明东沙河水质磷浓度较高。永定河怀来段水体氮磷比的季节变化见图7。从图7可以看出,12月—次年2月(枯水期)和6—8月(丰水期)期间氮磷比适合藻类生长繁殖,平水期表现为磷限制。

  

图6 永定河怀来段氮磷比的空间分布Fig.6 Spatial distribution of nitrogen and phosphorus ratio in Huailai section of Yongding River

  

图7 永定河怀来段氮磷比的季节变化过程Fig.7 Seasonal variation process of nitrogen and phosphorus ratio in Huailai section of Yongding River

上述结果表明:1)氮磷比年均值为32.78,水体浮游植物总体处于磷限制状态,水体TN和TP平均浓度分别为10.6和0.64 mgL,氮供应充足,磷为藻类生长的限制性营养元素。2)水体氮磷比为2.51~130.18,说明不同的时空环境的差异,出现氮限制、磷限制和适宜藻类生长的氮磷比。3)平水期表现为磷为限制性营养元素,尤其是4月达到最高比值(57.46),因为季节变化,随春季温度的升高,生物的生长及新陈代谢消耗大量的氮、磷,氮通过上游来水、降水等及时得到补充,而磷的迁移转化效率远不及氮,并且以颗粒态的形式流失,且在迁移转化过程中易被截留[4]。4)枯水期永定河怀来段水体整体上适合藻类生长,但由于冬季气温较低,在一定程度上抑制了藻类的生长繁殖,使冬季藻类产生周期延长,生产量相对较低[11],可以推测冬季藻类大量繁殖的风险较低[4]。5)丰水期氮磷比适合藻类大量的生长繁殖,但由于河流流速较快不会形成水华。

由图8可知,将氮磷比与TN、TP浓度分别进行对数化处理后进行线性拟合,其中lg(氮磷比)与lg(TP)拟合效果较好,R2为0.640,lg(氮磷比)=0.780 4×lg(TP)+1.055 5;lg(氮磷比)与lg(TN)拟合效果较差,R2=0.078 8。说明永定河怀来段水体氮磷比主要受磷的波动调控,进一步支持了永定河怀来段水体营养结构主要处于磷素限制的结论。

  

图8 永定河怀来段氮磷比与TP、TN浓度的对数相关关系Fig.8 Lg-lg correlation between TN and TP in Huailai section of Yongding River

2.1.3 氮、磷各指标相关性

2.2.2 永定河怀来段水体富营养化评价综合指数

监测期间永定河怀来段水体污染较为严重,TN浓度为3.23~21.91 mgL,平均值为10.60 mgL,均超过GB 3838—2002中Ⅴ类水质标准限值,是规划中地表水环境功能区划分Ⅲ类水体浓度限值的13.25倍,上游流域内汇入河流的污染物的量较大,远超出水体的环境容纳量,超出水体的自净能力。永定河怀来段及TN平均浓度的年际变化如图2所示。

  

图9 永定河怀来段富营养化评价综合指数空间变化Fig.9 Spatial variation of comprehensive index of eutrophication assessment in Huailai section of Yongding River

  

图10 永定河怀来段富营养化评价综合指数时间变化Fig.10 Time variation of comprehensive index of eutrophication assessment in Huailai section of Yongding River

由图9可知,永定河怀来段水体大多数处在富营养化阶段,EI最低值出现在HL5的1月,为128.68,处在中营养化阶段。HL4的EI最高,因其为城镇污水处理厂的排污河,河道上游到下游EI有降低趋势,表明河流功能尚且存在,有一定的自净能力。HL1、HL4和HL5有部分月份达到重富营养化,说明洋河、东沙河水体污染比桑干河严重,干流的重富营养化主要受支流氮磷污染的影响。由图10可知,随时间变化,河流整体水质EI变化不大,呈先上升后下降趋势,5月达到峰值,可能是由于温度上升,增加了磷的迁移转化效率,引起沉积物中磷的释放[11],生物化学反应消耗了部分营养元素,从而降低了河流水质EI。按旱季、雨季区分,旱季(9月—次年5月)EI为221.48,高于雨季(6—8月,206.79);按水量划分,枯水期最大(228.11),丰水期最小(213.06),平水期居中(218.30)。

氯化铁加入水中分解为三价铁离子及氯离子[见(1)式],使部分水分解为氢及氢氧根离子[见(2)式],两者结合后使溶液含有氢氧化铁和少量盐酸[见(3)式],溶液呈弱酸性。其对金属的腐蚀是氧化—还原反应,如对铜的腐蚀为:

2.2.3 永定河怀来段河流及入库水体水华爆发风险分析

河流中蓝藻水华的爆发取决于适合的氮磷比,缓慢的水流流态,适宜的气象气候3个条件[14]。营养盐是水体藻类水华暴发重要的因素,但不是唯一决定性的条件,水流流速同样起关键性作用,即使有充足的营养盐和适合的氮磷比,如果水文、气象条件不适宜,则藻类无法正常生长。藻类水华暴发是一个系统性的生态问题,取决于其生长的生态环境条件。

永定河怀来段水体污染较为严重,TN浓度为3.23~21.91 mgL,均值为10.60 mgL;TP浓度为0.108~6.04 mgL,均值为0.64 mgL。河流平水期氮磷比最高,为43.74;枯水期氮磷比最低,为21.26,丰水期的氮磷比为30.92。平水期和丰水期均表现出磷为限制性营养元素,而枯水期河流水体水质适合藻类生长,但考虑到枯水期恰逢北方冬季低温,因而永定河怀来段干流大面积蓝藻水华现象的风险较低。

将探测器和Ellipse2-A固定在一起,进行姿态解算精度的分析和比较。通过串口将各自的姿态解算结果发送到上位机,使用MATLAB搭建姿态解算评估系统上位机,不仅可以保证探测器和Ellipse2-A同时采样,还可以对姿态解算结果和精度进行直观的实时显示和即时评价。

流速快不易于藻类生长繁殖,缓流水体有利于藻类生长,降低水华的发生,理论上存在藻类生长的临界流速[15]。藻类只是在某一特定的流速下有显著的生长[16],一般认为,当水流速小于0.2 ms时,水体的交换作用减弱,就会有大量的浮游植物能够生长[17]。永定河怀来段河流动力学过程良好,河流流态具有连续性,河流干流流速为0.43~1.45 ms,远大于临界流量,干流大面积蓝藻水华现象的风险较低。

由于研究区域洋河上游有很多大型的挖沙场,使水体浊度增加,光线透明度增小、光线的穿透率降低,都会抑制浮游藻类的光合作用,抑制藻类的生长繁殖,更抑制水华的发生。

“所谓同声传译,是用一种语言把另一种语言所表达的思想和情感以与讲话人几乎同步的速度,用口头形式重新表述处理的一种翻译实践”(张维为)这种“同步性”意味着译员需要同时完成听力、理解、表达等多个任务。这个过程需要高强度的精力。在精力分配不佳的情况下,译者就会出现错误。然而译者在这一过程是主动的,可以对分配过程进行控制的。我们把这一过程称为译者的协调机制。

本研究围产期孕妇GBS带菌率为10.2%。南非孕妇 GBS 带菌率高达 25.5%[4],美国 25.8%[5],北京7.1%[6],福建 19.7%[7]。围产期妇女生殖泌尿道带菌情况具有时空和地域差异,与种族、生活习惯、医疗水平和实验室检测水平有关。本课题组前期结果示[8],广州地区新生儿侵袭性GBS感染的发病率为0.51/1 000活产儿,低于非洲和美洲[9],与欧洲相近[9],可能与不同地区和种族间母亲GBS带菌率的差异有关。

3 结论

(1)永定河怀来段水体污染较为严重,TN浓度均值为10.60 mgL,是规划中地表水环境功能区划分Ⅲ类水体浓度限值的13.25倍,ON和为TN的主要的存在形式;TP浓度均值为0.64 mgL,SRP占TP的44.85%。各指标具备农业面源污染特征。

(2)流域水体中氮、磷时空分布特征明显。在时间尺度上,水体中氮、磷浓度呈季节性变化规律;在空间尺度上,水体中氮、磷分布特征相似,呈显著正相关;SRP与TP浓度空间分布呈显著正相关;与TN、SRP、TP浓度呈显著正相关。

(3)永定河怀来段氮磷比年均值为32.78,水体浮游植物总体处于磷限制状态。水体氮磷比为2.51~130.18,说明不同的时空环境的差异,出现氮限制、磷限制和适宜藻类生长的氮磷比。平水期表现为磷为限制性营养元素,尤其是4月达到最高值(57.46);枯水期氮磷比最低,永定河怀来段水体整体上适合藻类生长;丰水期氮磷比适合藻类大量的生长繁殖,但由于河流流速较快不会形成水华。

2.1 量表的内容效度检测结果 为测试本量表CVI,包括条目水平的内容效度指数(I-CVI)和量表水平内容效度指数(S-CVI)[9],特邀请6位护理管理专家进行2次内容效度的测评。其中第一轮专家函询,删除4条目,修改1条目,增加1条目;第二轮专家函询修改1条目,共计21条目。此外,在计算CVI前,预先计算本量表的评价者间一致性水平(IR)[10]。结果显示,本量表IR值为0.89,I-CVI为0.67~1.00,随机一致性校正kappa值(记为K*)为0.56~1.00,平均 S-CVI(本研究采用的S-CVI/Ave)为0.95。第二轮专家函询的具体评分见表2。

(4)永定河怀来段水体时空变化大多数处在富营养化阶段,EI最低值出现在HL5的1月,为128.68,处在中营养化阶段。支流东沙河断面HL4的EI最高,洋河水体污染比桑干河严重,干流的重富营养化主要受支流氮、磷污染的影响。河流功能尚且存在,有一定的自净能力。按旱季、雨季区分,旱季(9月—次年5月)EI为221.48,高于雨季(6—8月,206.79);按水量划分,枯水期最大(228.11),丰水期最小(213.06),平水期居中(218.30)。

(5)永定河怀来段河流动力学过程良好,河流流态具有连续性,河流干流流速为0.43~1.45 ms,远大于水华爆发的临界流量,干流大面积蓝藻水华的风险较低。

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赵建国,李洪波,刘存歧,李霄宇,陈新勇,闫栋华,罗宁
《环境工程技术学报》2018年第03期文献

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