城市水體的黑臭現(xiàn)象是人們通過視覺和嗅覺對(duì)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(xiàn)黑色或灰黑色, 生態(tài)功能喪失的水體.隨著我國(guó)城市化進(jìn)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(yán)重影響了人們的生活環(huán)境。

目前已有許多學(xué)者開展了城市黑臭水體形成機(jī)制的研究, 認(rèn)為當(dāng)水體遭受嚴(yán)重有機(jī)污染時(shí), 有機(jī)物的好氧分解使水體中耗氧速率大于復(fù)氧速率, 造成水體缺氧, 致使有機(jī)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(zhì), 同時(shí)形成FeS、MnS等黑色物質(zhì), 致使水體發(fā)黑發(fā)臭.此外, 水體有機(jī)負(fù)荷、Fe和Mn等金屬污染、底泥污染和水動(dòng)力條件等環(huán)境因素的復(fù)雜性, 影響了黑臭水體形成的生物化學(xué)過程, 導(dǎo)致黑臭水體的水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)、顏色、氣味等具有差異性。因此, 有學(xué)者嘗試建立黑臭水體的評(píng)價(jià)模型, 如劉成等對(duì)目前國(guó)內(nèi)外各類河道黑臭評(píng)價(jià)模型進(jìn)行比較, 篩選出多個(gè)模型進(jìn)行分析, 比較后認(rèn)為值得推廣研究的評(píng)價(jià)模型有多元線性回歸模型和綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法.阮仁良等在水質(zhì)評(píng)價(jià)方法里篩選出污染指數(shù)法、有機(jī)污染綜合評(píng)價(jià)法、溶解氧值法進(jìn)行比較, 并提出有機(jī)污染綜合評(píng)價(jià)法是水質(zhì)黑臭評(píng)價(jià)的最佳方法。

上述研究主要從致黑致臭的水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)研究黑臭水體的形成和識(shí)別, 并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)全區(qū)域黑臭水體的識(shí)別和監(jiān)測(cè), 因此, 有學(xué)者嘗試?yán)眠b感技術(shù), 從水色指標(biāo)變化的角度開展對(duì)黑臭水體識(shí)別的研究.這方面最早的研究是關(guān)于“黑水團(tuán)”的研究。

黑水團(tuán)(在內(nèi)陸湖泊中也被稱為湖泛)是指在適當(dāng)?shù)臍庀髼l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(xiàn)象.黑水團(tuán)現(xiàn)象的發(fā)生, 可以看作是湖泊環(huán)境諸多要素對(duì)重度湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的一種劇烈響應(yīng).黑水團(tuán)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(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷等一些顯著的特征.Duan等分析了太湖黑水團(tuán)的吸收特性, 認(rèn)為浮游植物和有色可溶性有機(jī)物的高吸收, 以及較低的后向散射, 使水體呈現(xiàn)黑色.張思敏等對(duì)比分析了太湖黑水團(tuán)區(qū)與其他區(qū)域的吸收特性, 認(rèn)為黑水團(tuán)的顆粒物吸收系數(shù)和有色可溶性有機(jī)物(CDOM)吸收系數(shù)均高于正常水體.此外, 溫爽等構(gòu)建了基于GF-2影像的城市黑臭水體遙感識(shí)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(diǎn).靳海霞等基于水體岸線提取結(jié)果和反演的各類水質(zhì)參數(shù)的指數(shù)分布, 結(jié)合水體黑臭程度遙感判別指標(biāo), 對(duì)北京市9處河段進(jìn)行判別, 其黑臭水體識(shí)別與官方公布的結(jié)果基本一致。

由于遙感技術(shù)宏觀性的特點(diǎn), 使其可以同步對(duì)城鎮(zhèn)河網(wǎng)黑臭水體進(jìn)行監(jiān)測(cè), 因此, 研發(fā)黑臭水體遙感識(shí)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(duì)黑臭水體遙感監(jiān)測(cè)的研究才剛剛起步, 對(duì)黑臭水體光學(xué)特征的研究還不夠深入, 對(duì)水質(zhì)參數(shù)和固有光學(xué)特性對(duì)遙感信息的影響機(jī)制的研究還開展得很少, 研究主要集中在遙感反射率對(duì)黑臭水體的分類識(shí)別, 算法缺少機(jī)制性的支持。

本研究擬通過對(duì)長(zhǎng)沙、南京、無錫這3個(gè)城市的河流進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣和室內(nèi)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(jī)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(shí)別指標(biāo), 以期為構(gòu)建黑臭水體遙感識(shí)別模型提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)與樣點(diǎn)分布

2016~2017年在長(zhǎng)沙、南京、無錫進(jìn)行地面遙感實(shí)驗(yàn), 采集水樣并進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)和水體吸收系數(shù)測(cè)量.樣點(diǎn)分布見圖 1, 采樣時(shí)間與采樣數(shù)量見表 1。

圖1

圖 1 采樣點(diǎn)分布示意

表 1 采樣時(shí)間與采樣點(diǎn)數(shù)量

長(zhǎng)沙市位于中國(guó)中南部的長(zhǎng)江以南地區(qū)(東經(jīng)111°53′~114°5′, 北緯27°51′~28°40′), 城市中主要河流有湘江、瀏陽(yáng)河、撈刀河、靳江等.2016年6月19日在長(zhǎng)沙市建成區(qū)進(jìn)行采樣, 共計(jì)34個(gè)樣點(diǎn), 屬于黑臭水體的有15個(gè)。

南京市位于長(zhǎng)江下游中部地區(qū), 江蘇省西南部(東經(jīng)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(nèi)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(jì)采集85個(gè)樣點(diǎn), 屬于黑臭水體的有61個(gè)。

無錫市位于江蘇南部, 地處長(zhǎng)江三角洲平原(東經(jīng)119°31′~120°36′, 北緯31°07′~32°02′).無錫水網(wǎng)密集, 市區(qū)以京杭大運(yùn)河為中軸構(gòu)成河網(wǎng)水系, 并通達(dá)江湖, 共計(jì)采集46個(gè)樣點(diǎn), 屬于黑臭水體的有9個(gè)。

1.2 數(shù)據(jù)采集

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集主要包括室外實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)兩部分.室外實(shí)驗(yàn)主要包括水樣的采集, 同時(shí)記錄對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的pH、溶解氧、氧化還原電位等信息.室內(nèi)實(shí)驗(yàn)包括葉綠素濃度等水質(zhì)參數(shù)和水體組分吸收系數(shù)的測(cè)量。

1.2.1 黑臭水體判別

在實(shí)際采樣過程中, 根據(jù)住建部2015年發(fā)布的《城市黑臭水體整治工作指南》, 同時(shí)結(jié)合感官(嗅覺上為惡臭, 視覺上呈現(xiàn)黑色)對(duì)河段進(jìn)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(biāo), 將黑臭水體細(xì)分為“輕度黑臭”和“重度黑臭”, 其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)指標(biāo)測(cè)定方法見表 2.本研究中輕度黑臭與重度黑臭的數(shù)據(jù)量差異較大, 重度黑臭水體僅有5個(gè)樣本, 因而將輕度黑臭與重度黑臭統(tǒng)一歸為黑臭水體進(jìn)行研究。

表 2 城市黑臭水體污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.2 水質(zhì)參數(shù)測(cè)量

水質(zhì)參數(shù)包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)量?jī)刹糠? 其中, 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的參數(shù)包括透明度、溶解氧和氧化還原電位。

實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)量的水質(zhì)參數(shù)主要包括總懸浮物(TSM)、無機(jī)懸浮物(ISM)、有機(jī)懸浮物(OSM)、葉綠素a(Chla)、溶解性有機(jī)碳(DOC)、總磷(TP)、總氮(TN)。

懸浮物濃度測(cè)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(jìn)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(zhì)量, 減去空白膜的質(zhì)量, 即為總懸浮物的質(zhì)量.高溫煅燒烘干后的膜, 稱重減去空白膜的質(zhì)量得到無機(jī)懸浮物的質(zhì)量.最后計(jì)算得到總懸浮物(TSM)、無機(jī)懸浮物(ISM)、有機(jī)懸浮物濃度(OSM)。

葉綠素a濃度測(cè)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(jì)測(cè)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(cè)定酸化后的消光度, 從而計(jì)算葉綠素a濃度。

溶解性有機(jī)碳采用總有機(jī)碳分析儀測(cè)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(jī)碳分析儀測(cè)量溶解性有機(jī)碳。

總氮采用過硫酸鉀高壓消解法測(cè)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(jī)氮被氧化成硝酸鹽.配置不同濃度梯度的氮標(biāo), 測(cè)量其吸光度.取上清液, 用紫外分光光度計(jì)測(cè)量210 nm處的吸光度, 根據(jù)氮標(biāo)的濃度與吸光度之間的線性關(guān)系計(jì)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(yīng), 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(lán)(藍(lán)色絡(luò)合物), 然后測(cè)量700 nm處的吸光度值, 以超純水做參比, 進(jìn)而計(jì)算水中的總磷濃度值。

1.2.3 水體組分吸收系數(shù)的測(cè)量

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

總顆粒物的吸收系數(shù)使用定量濾膜技術(shù)(QFT)測(cè)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(rùn)程度的空白濾膜作為參比, 在紫外分光光度計(jì)下測(cè)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(shù)。

用一定體積的次氯酸鈉溶液漂白濾膜上的色素顆粒物質(zhì), 漂白15 min后用超純水淋洗.使用紫外分光光度計(jì)測(cè)定非色素顆粒物的吸收系數(shù).總顆粒物吸收系數(shù)減去非色素顆粒物的吸收系數(shù)即為色素顆粒物的吸收系數(shù)。

CDOM吸收系數(shù)采用0.22 μm的Millipore濾膜對(duì)濾液進(jìn)行二次過濾, 以超純水做參比, 用紫外分光光度計(jì)測(cè)定其吸光度, 并且以700 nm處的吸光度為零值進(jìn)行散射效應(yīng)的校正, 計(jì)算得到CDOM的吸收系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 城市黑臭水體水質(zhì)參數(shù)特征

2016~2017年采集了長(zhǎng)沙、南京和無錫的城市黑臭水體共計(jì)85個(gè)樣點(diǎn), 非黑臭水體共計(jì)80個(gè)樣點(diǎn)。

表 3為實(shí)驗(yàn)采集水體的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù).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(shí)驗(yàn)觀測(cè)的城市黑臭與非黑臭水體的水質(zhì)參數(shù)

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(jī)懸浮物濃度較高.黑臭水體中的有機(jī)懸浮物濃度高達(dá)57%, 而非黑臭水體中有機(jī)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(zhì)參數(shù)是溶解性有機(jī)碳和總氮總磷。其中, 黑臭水體中的溶解性有機(jī)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(zhì)。推測(cè)其產(chǎn)生的原因是城市水體中的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象導(dǎo)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(shí)釋放大量的溶解性有機(jī)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(duì)較高的氮磷濃度, 使得氮磷物質(zhì)與一般的碳水化合物一起參與耗氧過程, 而含氮有機(jī)物降解的耗氧量遠(yuǎn)大于含碳有機(jī)物的耗氧量, 這使得水體中的溶解氧快速降低, 導(dǎo)致水質(zhì)惡化, 發(fā)黑發(fā)臭。

表 4為2016~2017長(zhǎng)沙、南京和無錫這3個(gè)城市實(shí)測(cè)的黑臭水體的水質(zhì)參數(shù)。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(shí)間處于夏季, 該季節(jié)太湖的浮游藻類較多導(dǎo)致河道中Chla濃度增大。長(zhǎng)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(jī)懸浮物占比最高, 達(dá)到62%, 無錫黑臭水體的有機(jī)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(dá)到(26.00±12.60)mg·L-1, 明顯高于長(zhǎng)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(gè)城市黑臭水體的水質(zhì)參數(shù)存在一定的差異, 但并無明顯的區(qū)域性特點(diǎn)。

表 4 不同城市黑臭水體的水質(zhì)參數(shù)

2.2 城市黑臭水體吸收特征

進(jìn)入水體的光被水體組分吸收, 形成衰減, 水體對(duì)光的吸收作用可以用吸收系數(shù)表示.影響內(nèi)陸水體吸收特性的物質(zhì)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(zhì)(CDOM).某一波段的吸收系數(shù)可表示為各組分吸收系數(shù)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(zhì)的吸收系數(shù)(m-1).

不同城市間黑臭水體的吸收系數(shù)差異較小(表 5), 但是其主要影響因素不同, 長(zhǎng)沙與南京兩市以非色顆粒物吸收占主導(dǎo), 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(guān)系。不同城市的吸收系數(shù)光譜特征并未呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性特點(diǎn), 因而在之后的分析中將各城市樣點(diǎn)混合在一起進(jìn)行討論。

表 5 不同城市黑臭水體的吸收系數(shù)/m-1

2.2.1 總顆粒物吸收特征

總顆粒物吸收系數(shù)近似等于非色素顆粒物吸收系數(shù)與色素顆粒物吸收系數(shù)之和。圖 2為黑臭水體與非黑臭水體的總顆粒物吸收系數(shù)光譜曲線, 加粗的曲線是總顆粒物平均吸收系數(shù)光譜曲線.城市水體大多樣點(diǎn)在675 nm有一個(gè)吸收峰, 而在400~500 nm隨波長(zhǎng)增加呈現(xiàn)指數(shù)衰減, 少數(shù)幾個(gè)樣點(diǎn)則在440 nm、675 nm附近有吸收峰, 表現(xiàn)出明顯的藻類吸收特征, 而這些樣點(diǎn)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(duì)應(yīng)的樣點(diǎn)分別編號(hào)為G1、G2和G3, 其中, G1、G2是5月10日在南京市采集的樣點(diǎn), G3是8月5日在無錫市采集的樣點(diǎn), 這3個(gè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)判別均為重度黑臭。G1和G2號(hào)點(diǎn)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)?？傤w粒物吸收系數(shù)曲線隨波長(zhǎng)增加呈指數(shù)衰減, 說明非色素懸浮物質(zhì)對(duì)吸收系數(shù)有著更大的影響.而G3號(hào)點(diǎn)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(shí)間在8月, 推測(cè)G3號(hào)點(diǎn)產(chǎn)生黑臭與藻華的產(chǎn)生與降解有一定關(guān)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(shù)光譜曲線。

黑臭水體的總顆粒物吸收系數(shù)均值稍高于非黑臭水體, 但是二者的吸收系數(shù)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(shù)較高的樣點(diǎn), 這說明城市水體的情況較為復(fù)雜, 顆粒物吸收系數(shù)并非兩者最主要的區(qū)別。