大明湖水污染物因子分析及富营养化评价.pdf
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1、第3 7 卷第6 期2023年11月文章编号:16 7 1-3 559(2 0 2 3)0 6-0 6 9 6-0 7济南大学学报(自然科学版)Journal of University of Jinan(Science and Technology)Vol.37 No.6Nov.2023D0I:10.13349/ki.jdxbn.20230329.001大明湖水污染物因子分析及富营养化评价刘光正1,王明森,刘健,林琳(1.济南大学水利与环境学院,山东济南2 50 0 2 2;2.山东省水利科学研究院,山东济南2 50 0 14)摘要:为了对济南市大明湖水质进行科学、合理的评价,基于2 0 1
2、9 年枯水期与丰水期的水质数据,使用Pearson相关分析和主成分分析对主要水污染物因子进行数据分析,并采用综合营养状态指数法对水质进行富营养化评价,探究大明湖水质时空变化特征。结果表明:大明湖水污染物因子中超标因子为总氮,超出V类水标准,且水质空间差异显著,烟波桥进水口为污染来源的主要途径;枯水期水质处于中营养水平,丰水期水质处于轻度富营养化水平,大明湖富营养化因子主要为总氮和叶绿素a,受到外来氮营养盐和水温的控制;结合历史年份的综合营养状态指数可知,近年来大明湖水质呈逐年好转趋势。关键词:水质评价;水污染物因子;富营养化;主成分分析;大明湖中图分类号:X824文献标志码:A开放科学识别码(
3、OSID码):D口Water Pollutant Factor Analysis andEutrophication Evaluation of the Daming LakeLIU Guangzheng,WANG Mingsen,LIU Jian,LIN Lin?(1.School of Water Conservancy and Environment,University of Jinan,Jinan 250022,Shandong,China;2.Water Resources Research Institute of Shandong Province,Jinan 250014,S
4、handong,China)Abstract:To scientifically and reasonably evaluate water quality of the Daming Lake in Jinan city,Pearson correlationanalysis and principal component analysis were used to conduct data analysis of main water pollutant factors on the basisof water quality data in dry season and wet seas
5、on in 2019.Comprehensive nutritional status index method was used toevaluate eutrophication of the water quality and explore spatio-temporal variation characteristics of the water quality in theDaming Lake.The results show that in the water pollutant factors of the Daming Lake,the overstandard facto
6、r is totalnitride,which exceeds the standard of Class V water,and the spatial difference of the water quality is significant.YanboBridge inlet is the main source of pollution.The water quality in dry season is at the mesotrophic level,and the waterquality in wet season is at the mild eutrophic level
7、.Eutrophication factors of the Daming Lake are mainly total nitride andchlorophyll a,which are controlled by exotic nitrogen nutrients and water temperature.Combined with comprehensivenutritional status indexes in historical years,the water quality of the Daming Lake shows a trend of improvement yea
8、r byyear in recent years.Keywords:water quality evaluation;water pollutant factor;eutrophication;principal component analysis;the DamingLake收稿日期:2 0 2 2-0 9-0 4基金项目:国家自然科学基金项目(42 0 0 7 3 9 7)第一作者简介:刘光正(19 9 7 一),男,江西丰城人。硕士研究生,研究方向为环境水文水资源。E-mail:16 3 9 47 6 8 3 7 q.c o m。通信作者简介:林琳(19 7 9 一),女,山东济南人。
9、博士,高级工程师,研究方向为环境水文水资源。E-mail:1l i n _ma i l 12 6.c o m。网络首发地址:https:/ 0 2 3-0 3-2 9 T14:46:23第6 期近些年来,伴随着社会经济高速发展的潮流,大量人口涌人城市,人类活动加重了城市湖泊水体有机物以及氮、磷等营养物质的负荷污染。由于城市湖泊基本为缓流甚至是静止的水体形态,且水环境容量和水域面积十分有限,因此,与自然流域湖泊相比,城市湖泊本身的自净能力较低2 ,水生态环境较为脆弱,更容易遭受到城市工业废水、生活废水、地表径流等影响,最终导致大部分城市湖泊水体富营养化严重。城市湖泊水环境问题日益突出3-4,不仅
10、影响城市的对外形象,甚至会恶化湖泊周边的生态环境,对城市居民的生活产生负面影响,所以在当下快速城市化的时代背景下,对城市湖泊的水污染物因子进行研究是十分必要的。大明湖位于山东省济南市,是泉城济南著名的城市景观湖泊和重要“名片”,因此大明湖水环境问题一直受到社会各界广泛关注。近几年来,大明湖水体浑浊、发黑的问题时有发生,而且作为城市景观湖泊,大明湖水环境与居民、游客健康密切相关,因此,本文中通过识别大明湖主要水污染物因子和重点污染区域,探究各典型时期的水质特征,并对湖泊的水质进行科学、合理的评价,以此为依据采取有效、合理的防范和控制措施,为大明湖水资源综合治理和利用提供参考。1材料与方法1.1研
11、究区域大明湖处于济南市中心位置。济南市位于鲁西北冲积平原与鲁中低山丘陵的中间带,地势呈现南高北低的特征,有利于地表径流和地下水向中心城区汇流,成为大明湖的主要水源。济南市处于暖温带气候区,因特殊的地理特征而形成了夏热冬冷、四季分明的气候,夏秋两季降雨较为集中,平均降雨量约为450 mm,占全年降水量的6 0%以上,是全年的丰水期;冬季平均降雨量约为2 0 mm,仅占全年降水量的3%,是全年的枯水期。大明湖湖泊形状主要为东西宽、南北窄的扁矩形5,水域面积约为0.58 km,湖水平均深度为2 3 m。1.2水样采集及测定方法结合湖区各空间断面的实际污染状况,对大明湖枯水期(2 0 19 年1月)和
12、丰水期(2 0 19 年9 月)共选取南门码头、雨荷厅、北极阁码头、湖心亭、双桥和烟波桥6 个采样点,具体位置分布见图1。其中南门码头、烟波桥为进水口采样点,雨荷厅、双桥为出水口采样点。刘光正,等:大明湖水污染物因子分析及富营养化评价双桥4湖心享烟波桥南门码头湖内采样点陆地景区湖泊图1大明湖水质采样点【资料来源:国家测绘地理信息局标准地图服务网站,审图号为 CS(2019)3333,http:/ 项化学指标和营养状态指标叶绿素a(Chl.a)作为水污染物因子。水污染物因子的测定方法:水温使用温度计进行现场测量,透明度(SD)使用塞氏盘法,pH使用Delta320 型 pH 计。TN、T P、N
13、H,-N、NO;-N、CODM等指标依据湖泊富营养化调查规范6 和水和废水监测分析方法7 的方法测定,Chl.a含量采用丙酮萃取分光光度法测定8 1.3评价方法综合营养状态指数法是根据湖泊富营养化评价方法及分级标准对湖泊富营养化状态进行综合评价的方法9-13 ,本文中共选择TP、T N、SD、CO D M m和Chl.a共5项在大明湖富营养化状态变化中最为重要的指标,对湖水营养状态进行评价,表达式为Ia=ZW,la.,(1)式中:I为综合营养状态指数;为评价参数的个数;W为i项水质指标的营养状态指数的相关权重;Ii,为i项水质指标的营养状态指数。各项水质指标的营养状态指数表达式为lu,Tn=1
14、0(5.453+1.694ln pr),la,rp=10(9.436+1.624ln prp),I=10(0.109+2.61ln pcom)),(4)la,chl.a=10(2.5+1.086ln pchl.a),(5)I1,sp=10(5.118-1.94ln 入sp),(6)式中:PTN、PT P、Pc o D m分别为总氮、总磷、高锰酸钾697北明湖宝鼎雨荷享00.250.50m1.00km(2)(3)698指数的质量浓度实测值;Cchla为叶绿素a的质量浓度实测值;入sp为透明度的实测值。2结果与分析2.1水污染物因子参数统计根据大明湖枯水期和丰水期统计的结果,对水污染物因子进行参数
15、统计,并以地表水环境质量标准(GB38382002)的IV类水体作为标准,具体结果见表1。大明湖枯、丰水期的水温与季节气温相关,平均水温分别为7.8 8、2 0.8 5,丰水期的水温高于枯水期的。湖水透明度在枯、丰水期的均值分别为1.18、0.7 3 m,丰水期的透明度有所降低。枯、丰水期湖水的pH分别为7.9 2 8.2 7、7.7 48.02,时期差异较小,水体基本为弱碱性。枯水期水体TP的质量浓度由于低于检测下限(0.0 2 mg/L),时期指标水温/透明度/m实测值7.308.500.90 1.90枯水期均值实测值2 0.10 2 1.40 0.40 1.10丰水期均值标准限值注:pH
16、为酸碱度;TP为总磷;TN为总氮;NO;-N为硝酸盐;NH3-N为氨氮;CODMn为高锰酸钾指数;空白项表示含量低于检测下限,未计人。由于枯水期湖水中TP的质量浓度低于检测下限(0.0 2 mg/L),未计人统计范围,因此采用Pearson相关分析法只对丰水期的主要水污染物因子进行分水污染物因子透明度透明度1.000pHNH;-NNO;-NTNChl.a水温TPCODMn注:pH为酸碱度;NHs-N为氨氮;NO;-N为硝酸盐;TN为总氮;Chl.a为叶绿素a;T P为总磷;CODMn为高锰酸钾指数;*表示显著性水平为0.0 1时显著相关;*表示显著性水平为0.0 5时显著相关。济南大学学报(自
17、然科学版)因此未计人统计范围,丰水期TP含量有所提升,质量浓度均值为0.0 3 mg/L。枯、丰水期水体中TN的质量浓度分别为7.47 10.2 2、8.56 10.2 9 mg/L,TN含量全年不仅严重超标,且均超过V类水体标准(2 mg/L)。NO;-N 的质量浓度在枯、丰水期分别为8.3 5 9.49、7.2 9 10.0 4mg/L,临近饮用水源地标准限值(10 mg/L),甚至部分湖区水质超出限值。CODMn在枯、丰水期的质量浓度均值分别为0.41、2.3 mg/L,表明湖水在丰水期有机污染稍微加重,但仍满足IV类水质标准。NH,-N含量较低,在枯、丰水期的质量浓度均值分别为0.0
18、5、0.31mg/L,符合水质标准要求。Chl.a的质量浓度在枯、丰水期分别为7.2 18.4、2 0.3 42.8 g/L,时期差异性显著,丰水期湖水中的Chl.a含量明显高于枯水期的。表1大明湖水污染物因子参数统计结果叶绿素a的pH质量浓度/(g/L)7.92 8.277.2018.407.881.1820.850.73表2 大明湖水污染物因子的Pearson相关系数pHNH,-N-0.6910.3901.000-0.1051.000第3 7 卷质量浓度/(mg/L)TPTN7.47 10.22 7.29 10.040.04 0.068.0713.537.74 8.020.02 0.048
19、.56 10.29 8.35 9.497.900.036.09.00.1NO;-N0.759-0.6180.7231.000NO;-N9.098.890.10 0.689.158.721.510.0析,结果见表2。TN与NO;-N、NH,-N呈显著正相关,相关系数分别为0.9 54、0.8 9 5,说明NO3-N、NH,-N可能来自于同一污染源,结合参数统计可知TNChl.a0.652-0.7700.4390.7610.895*-0.6890.954*-0.939*1.000-0.893*1.000NH,-N0.050.793.55 20.3042.800.312.301.510.0水温TP-
20、0.925*-0.3240.6630.184-0.568-0.708-0.895*-0.632-0.826*-0.6880.834*0.6871.0000.3241.000CODMn0.14 0.630.4136.37CODMn0.146-0.396-0.2770.068-0.0460.013-0.3020.7021.000第6 期水中N元素基本以NO;-N的形式存在。丰水期Chl.a与水温呈显著正相关,而与 TN、NO;-N呈显著负相关,由此说明水温对浮游藻类的生长代谢有促进作用,丰水期水温升高使得浮游藻类生物量增加,Chl.a含量也随之升高,而TN含量降低,可能是由于藻类主要汲取的营养盐为
21、氮营养盐所致。在Chl.a含量较高的情况下,湖泊水体上层浮游藻类生物量较多,导致丰水期水体透明度降低,因此Chl.a与透明度呈显著负相关。2.2主成分分析为了探究大明湖水污染物的主要影响因子,采用主成分分析法对大明湖各时期的水污染物因子进行统计分析,枯水期和丰水期均提取了2 项主成分,分别用第一主成分F,和第二主成分F,表示,枯水期Fi、F的贡献率依次为54.7 9%、31.84%,累计贡献率之和是8 6.6 3%。丰水期F、Fz的贡献率依次为55.9 1%、3 1.0 4%,累计贡献率之和是8 6.9 5%,丰、枯水期的累计贡献率均大于8 5%,表明主成分F1、F均可以较完整地包含大明湖的主
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