平原城市景观水体水质特征及环境需水量研究

平原城市景观水体水质特征及环境需水量研究摘要：城市景观水体有美化市容、改善生态环境等多种作用，但是随着城市经济的快速发展，景观水体的污染日益严重，发挥不了其正常的功能。本次研究选取平原河网城市盐城市的两个典型的景观水体—聚龙湖和盐城工学院希望大道校区景观水体，分别监测两个景观水体2月份（枯水期）及7月份（洪水期）的水质指标，讨论平原景观水体富营养化特征。选取叶绿素a、总氮、总磷、和高锰酸盐指数作为评价指标，采用单因子指数法和综合营养指数法，分析其污染特征，研究结果表明：聚龙湖枯水期和洪水期的主要污染因子都是总磷。校园景观水体枯水期的主要污染因子是总氮，洪水期的主要污染因子是总磷。聚龙湖主体水域在枯水期和洪水期处于轻度和中度富营养状态，而人民南路以东的水域在枯水期和洪水期均处于重度富营养状态。校园景观水体在枯水期和洪水期处于中度和重度富营养状态。利用ArcGIS软件进行反距离权重插值，发现聚龙湖的水质由西向东逐渐变差。校园景观水体枯水期基本处于重度富营养状态，洪水期进水端水质差，中心水域水质较好。采用换水周期法，计算出洪水期校园景观水体最小生态环境需水量为0.02m³/s，为防治景观水体富营养化提供理论基础。关键词：景观水体；单因子指数法；综合营养状态指数法；富营养状态StudyonwaterqualitycharacteristicsandenvironmentalwaterdemandoflandscapewaterinplaincitiesAbstract:Theurbanlandscapewaterbodyhasmanyfunctionssuchasbeautifyingthecityappearanceandimprovingtheecologicalenvironment,butwiththerapiddevelopmentofthecityeconomy,thepollutionofthelandscapewaterbodyisincreasinglyserious,whichcannotplayitsnormalfunction.Inthisstudy,twotypicallandscapewaterbodies,JulonglakeandhopeAvenuecampusofYanchengInstituteoftechnology,areselectedtomonitorthewaterqualityindexesofthetwolandscapewaterbodiesinFebruary(dryseason)andJuly(floodseason)respectively,anddiscusstheeutrophicationcharacteristicsoftheplainlandscapewaterbodies.Chl-a,TN,TPandCODMnwereselectedasevaluationindexes,andsinglefactorindexmethodandcomprehensivenutritionindexmethodwereusedtoanalyzethecharacteristicsoflandscapewaterpollution,theresultsshowthat:ThemainpollutionfactorinthedryseasonandfloodseasonofJulonglakeistotalphosphorus.Themainpollutionfactorofcampuslandscapewaterinlowwaterperiodistotalnitrogen,andthemainpollutionfactorinfloodperiodistotalphosphorus.ThemainwaterareaofJulonglakeisinlightandmediumeutrophicationstateinlowwaterperiodandfloodperiod,whilethewaterareaeastofRenminSouthRoadisinheavyeutrophicationstateinlowwaterperiodandfloodperiod.Thecampuslandscapewaterbodyisinthestateofmoderateandsevereeutrophicationinlowwaterperiodandfloodperiod.UsingArcGISsoftwaretocarryoutinversedistanceweightinterpolation,itisfoundthatthewaterqualityofjulonglakegraduallybecomesworsefromwesttoeast.Thecampuslandscapewaterisbasicallyinastateofheavyeutrophicationinthelowwaterperiod,thewaterqualityattheinletendispoorinthefloodperiod,andthewaterqualityinthecentralwaterareaisgood.Byusingthemethodofwaterchangecycle,theminimumecologicalenvironmentwaterdemandofcampuslandscapewaterinfloodperiodiscalculatedtobe0.02m3/s,whichprovidestheoreticalbasisforthepreventionandcontrolofeutrophicationoflandscapewater.Keywords:Landscapewater;Singlefactorindexmethod;Comprehensivenutritionalstatusindexmethod;Eutrophication目录第一章绪论 第一章绪论1.1研究目的和意义城市景观水体是指城市内天然湖泊、公园中的人工湖泊、水库、河流、城市运河、人造河道等具有调节区域气候、美化市容、防灾防旱以及改善生态环境等多种价值的一类水体REF_Ref42007694\r\h[1]。根据国家环保总局公布的《2018年中国环境状况公报》显示，2018年监测水质的111个重要湖泊（水库）中，Ⅰ类水质的湖泊（水库）7个，占6.3%；Ⅱ类34个，占30.6%；Ⅲ类33个，占29.7%；Ⅳ类19个，占17.1%；Ⅴ类9个，占8.1%；劣Ⅴ类9个，占8.1%。主要污染指标为总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数。监测营养状态的107个湖泊（水库）中，贫营养状态的10个，占9.3%；中营养状态的66个，占61.7%；轻度富营养状态的25个，占23.4%；中度富营养状态的6个，占5.6%REF_Ref42007763\r\h[2]。除重点湖泊（水库）外，REF_Ref42008000\r\h[3]我国城市河道约80％已受不同程度污染，部分水质达不到景观用水的标准，而且在许多城市，内陆水的质量一直大大高于标准，藻类的大量繁殖对城市景观水的生态环境产生了严重的影响。针对城市水质恶劣和水资源紧张的矛盾问题，开展面向城市景观水体健康的环境需水量研究，对于构建城市景观水体生态文明，保护水体健康具有重要意义。我国东部沿海平原地区河网流速相对较慢，流量较小，河流分布密集，潮汐影响较大，河网水文要素复杂；河道闸坝多，易产生往复流，而且污水在河道中长期无限期地来回流动，不利于大量工业废水和生活污水的稀释、扩散和转移，污染物降解能力差，河网水质容易恶化REF_Ref42008024\r\h[4]，且平原河网区大都处于温带地区，太阳辐射和温度比较适合浮游植物生长，导致其景观水体极易发生富营养化现象。因此，本文选择平原河网区盐城市内的景观水体作为研究对象，对平原城市景观水体进行监测研究，分析其污染特征，并计算获得景观水体的最小环境生态需水量，为防治景观水体富营养化提供理论基础。1.2国内外研究现状1.2.1富营养化国外研究现状在20世纪初期，水体富营养化问题引起国外部分生态学家、湖沼学家的注意，开始了对其成因的初步探索。后来经过近年来世界各国学者的深入研究，特别是加拿大的瓦伦泰因和渥伦华达、日木的板本及奥地利的H.列夫勒等人的杰出贡献，目前公认的富营养化形成原因主要是适宜的温度，缓慢的水流流态，总磷、总氮等营养盐相对充足，能给水生生物主要是藻类大量繁殖提供丰富的物质基础，导致浮游藻类或大型水生植物暴发性增殖。但由于富营养化的发生发展比较复杂，包含着一系列物理、化学、生物变化的过程，并与水体理化性质、底质特性和水域形态等众多因素有关，研究所涉及的学科也很多，所以至今仍然无法对富营养化形成机理作出科学的解释。关于富营养化的影响因素的研究。日本湖学家合田建提出，氮磷比（TN/TP）在12～13之间时最适宜藻类生长，当氮磷比小于4时，氮是水体富营养化的限制性因素。HansUtkilen和李小平均在研究中表示，除了氮、磷、水温、溶解氧等水质因子，水体中的有机质、维生素类及锰、铁等重金属也对藻类的生物量有影响，进而影响水体的富营养化状况REF_Ref42008070\r\h[5]。水库的运行阶段对水体水质也具有影响，研究证明，富营养化状况更多地发生在运行水位上升阶段REF_Ref42008086\r\h[6]。在欧洲统计的96个湖泊中，有80%的湖泊受到了不同程度的富营养化污染，氮磷元素的过量流入使得南非、南美洲、美洲等很多地区的湖泊出现了不同程度的富营养化问题，对生产和生活造成了一定的影响REF_Ref42008095\r\h[8]。1.2.2富营养化国内研究现状我国对于水体富营养化的调查研究起步较晚，从50年代开始，我国的湖泊、河流相继发生富营养化现象，引起了我国广泛学者的关注。第一次大规模的调查是在70年代，由中科院组织，先后调查了我国杭州西湖、无锡太湖、南京玄武湖、云南滇池等34个湖泊水库的富营养化情况，分析了不同湖泊在不同自然环境下向富营养化发展的变化趋势、类型、水文特征及水底沉积物中营养盐类型等，提出了预防和控制湖泊（水库）富营养化的措施REF_Ref42008095\r\h[8]。目前我国大部分的湖泊（水库）都处于富营养状态。富营养化问题具有高度的复杂性，不同环境背景的湖泊原有的营养盐背景值、水文水力条件及富营养化效应之间的关系存在一定的地域性差异。张艳艳通过对选取三个长三角地区的城市湖泊作为典型案例开展富营养化特征分析及其影响因子识别与相互比较研究，发现控磷是北里湖和滴水湖富营养化治理的关键，而银锄湖富营养化治理需要氮磷双控REF_Ref42008119\r\h[9]。Xiong等对不同盐度、有机物和养分入侵条件下的清静湖、纪云河和纪云河曲流湾三种景观水体进行了对比研究，发现纪云河水体含盐量高达20g/L以上，与盐度为4~5g/L的水体相比，虽然其TP浓度通常很低(约0.1mg/L)，但几乎在所有季节都处于中度富营养化状态REF_Ref42008133\r\h[10]。说明，淡化盐分流入及减少养分，可作为控制研究区内景观水域富营养化的主要措施。关于水体富营养化的限制因子方面，张彦对郑州大学新校区小型人工湖眉湖展开监测，结果表明Chl-a、SD、COD、TP和TN为影响眉湖水体富营养化的主要限制因子REF_Ref42008119\r\h[9]，眉湖基本上处于富营养化状态。邱乐对2016-2017年龟石水库库区、入库河流的水质进行采样监测，结果表明TP和TN是龟石水库最主要的污染因子，近两年龟石水库营养状态为中度富营养化REF_Ref42008146\r\h[11]。还有一些学者对叶绿素a进行了研究，张羽以津河不同河段的监测数据为基础，分析了水体叶绿素a随时间的变化规律以及与相关环境因子的关联性，研究表明:津河水华暴发季节性变化显著，叶绿素a与水温、溶解氧、透明度、磷、总氮/总磷呈极显著相关，与pH值、氮的相关性不显著，水温与磷是津河富营养化的主要影响因子REF_Ref42008431\r\h[12]。宋丽江对汉阳地区5个湖泊(后官湖、三角湖、南太子湖、墨水湖和龙阳湖)的水质参数和叶绿素a进行了调查，分析了湖泊水体叶绿素a的时空变化特征及其与环境因子的关系，发现总氮、化学需氧量和透明度是影响水体叶绿素a含量空间分布的主要环境因子REF_Ref42008492\r\h[13]。1.2.3环境需水量研究现状生态环境需水量的概念最早是由美国的环境保护组织为了保证生态平衡，而规定的河流最小流量。在20世纪40年代，美国开始对河道内最小生态流量进行研究，主要研究了河流流量和鱼类繁殖的产量的关系。20世纪90年代，随着生态环境问题的日益严重，水资源和生态相关性的研究陆续开展，关于它研究才逐渐成为全球关注的焦点REF_Ref42008505\r\h[14]。1996年Gleick提出了生态需水的概念框架。1998年，Gleick总结出自然生态需水量的理论，即划分一定数量的水给自然生态环境，来保护动植物物种多样性和自然生态环境完整性REF_Ref42008519\r\h[15]。Gordon提出河道内流量的定义是能够满足河流的特定需求或者是管理目标所需要的流量REF_Ref42008529\r\h[16]。Petts认为不仅应该关注河流生态环境的状况，还应该分析河流生态系统与流量变化的关系REF_Ref42008543\r\h[17]。这些理论的提出极大的促进了生态环境需水量的研究进展。我国在20世纪90年代后期，在国家“九五”科技攻关项目“西北地区水资源保护与合理利用”和1999年中国工程院项目“中国可持续发展水资源战略研究”等的推动下，真正揭开了我国生态需水研究的序幕。国内研究生态需水的范围很广，涉及了水域、陆地(干旱区植被)、城市等生态系统，不同研究者的研究侧重点不同，生态需水的定义也不同。真正具有普适性的生态环境需水定义，是2001年钱正英等在《中国可持续发展水资源战略研究综合报告及各专题报告》中提出的，即：从广义上讲，生态需水是指维持全球生态系统水分平衡包括水热平衡、水盐平衡、水沙平衡等所需用的水，狭义的生态环境需水是指为维护生态环境不再恶化，并逐渐改善所需要消耗的水资源总量REF_Ref42008557\r\h[18]。对于生态需水量和环境需水量，有些研究者认为两者是有区别的。马乐宽等认为生态需水量的研究对象多侧重于生物群落，是为了解决生态问题，主要考虑依赖于水而生存的动物、植物、微生物所消耗的水量，而环境需水量的研究对象则侧重于自然环境，是专门为解决环境问题，如治理污染、保护水环境景观等所需要的水量REF_Ref42008587\r\h[19]。韩琦等认为生态需水量应该是特定区域内生态系统需水量的总称，实质上是维持生态系统生物群落和栖息环境动态稳定所需的用水量，而环境需水量实质上是为满足生态系统的各种基本功能健康所需的用水REF_Ref42008597\r\h[20]。梁世奎认为生态需水部分是以河流水生态系统水量需求为目标，需要分别从最小生态需水量和脉冲生态需水量进行分析，满足生态需求的脉冲需水属于适宜生态需水量；而环境需水是以河道基本用水保障为目标，包括最小环境需水量和脉冲环境学水量REF_Ref42008610\r\h[21]。有些研究者则认为不需要将环境需水量和生态需水量割裂开来讨论，认同生态环境需水量这个概念。综上所述，本文选取两个具有代表性的盐城城市景观水体—聚龙湖和盐城工学院希望大道校区校园景观水体，分别对他们的富营养状态进行研究，同时为保证景观水体水生态环境的健康，探寻换水周期法，以计算满足城市景观水体需求的最小环境需水量。1.3主要研究的内容、方法及技术路线1.3.1主要研究内容及关键技术1.3.1.1研究内容（1）选取盐城市两处典型的景观水体（聚龙湖和校园景观水体）作为研究对象，设置采样点，分别在2019年2月份（洪水期）和7月份（枯水期）采取水样。（2）调查分析不同景观水体的水环境质量，选取的水质指标包括：溶解氧、叶绿素a（Chla)、氨氮、总氮（TN）、总磷（TP）、和高锰酸盐指数（CODMn）等，分析水体主要污染因子与富营养化程度，剖析不同景观水体水质的时空变化特征。（3）探寻与水质目标相关联的换水周期法，以计算获得满足城市景观需求的最小景观水体需水量，为平原城市景观水体富营养化污染控制提供一定的理论基础。1.3.1.2拟解决的关键问题选取适合的方法评价景观水体富营养化程度，在此基础上选取方法进行计算最小景观水体需水量。关键问题在于采样点的水质项目是否具有代表性，和数据资料的完整性。1.3.2研究方法采用单因子评价法，判断选取的两个典型的景观水体——聚龙湖和校园景观水体的主要污染因子。采用综合营养状态指数（TLI）对景观水体进行富营养程度评价，分析富营养程度结果。采用换水周期法，计算满足城市景观水体需求的最小生态环境需水量。1.3.3技术路线图1-1技术路线图第二章材料与方法2.1研究区域2.1.1盐城市概况盐城，江苏省地级市，长江三角洲中心区27城之一，地处中国东部沿海地区，江苏省中部。全市土地总面积16931平方千米，其中沿海滩涂面积4553平方千米，有“东方湿地之都，仙鹤神鹿世界”“鱼米之乡”的美称。盐城市全境为平原地貌，西北部和东南部高，中部和东北部低洼，大部分地区海拔不足5米，最大相对高度不足8米。分为3个平原区：黄淮平原区、里下河平原区和滨海平原区。盐城市地处北亚热带向暖温带气候过渡地带，地处里下河水网地区，市区河流纵横交错，蜿蜒曲折，数量众多，水乡特色显著，号称“百河之城”。流经市区的主要河流有新洋港、蟒蛇河、串场河、朱沥沟、皮岔河、小洋河、通榆河、川东港、江界河等，是盐城主要的生态水脉和生态走廊。随着盐城经济的快速发展，市内水体生态环境遭到破环，水污染问题日益严重。近年来，政府加大对景观水体的修复的投入，城市水生态环境得到改善。2.1.2采样地区概况聚龙湖位于江苏省盐城市盐南高新区，人民路以西，新都路以南，湖面占地360亩。项目总投资3.57亿元,占地面积500亩,工程于2008年初开工,是盐南高新区的核心地块，在原有的地形地貌基础上进行规划改造，湖面占地360亩。聚龙湖是人工景观水体，通过闸站进行控制并处于封闭状态。盐城工学院希望大道校区位于盐城市希望大道中路1号，天山路以东，世纪大道以北，占地总面积1828.48亩，左临通榆河，校园内的景观水体多由通榆河引入，人工干预较少，处于自然状态。景观水体受地形影响，水流流速缓慢，又由于缺乏管理，无法发挥其正常的景观水体功能。2.2数据采集与分析2.2.1布设采样点本研究于2019年2月（枯水期）和7月（洪水区）在聚龙湖和校园景观水体布设采样点，进行监测。其中，聚龙湖水体设置13个采样点（人民南路以西聚龙湖水体设置11个采样点，人民南路以东欧风花街景观水体设置2个采样点），采样点布设图如图2-1所示。校园景观水体设置8个采样点，采样点布设图如图2-2。图2-1聚龙湖采样点布设图图2-2校园景观水体采样点布设图2.2.2样品的采集根据《水与废水监测分析方法（第四版）》，用采水器于水面以下0.3m处采集水样于500ml聚乙烯瓶和有机玻璃瓶中，接着送回实验室放在冰箱内保存，及时进行监测实验。采样地点为聚龙湖公园和盐城工学院希望大道校区。2.3水样的监测方法与水质标准2.3.1水样的监测方法采用国家相关标准方法进行监测，如下表2-1：表2-1实验所用监测方法所测项目监测方法溶解氧溶解氧测定仪叶绿素aHJ897-2017分光光度法总磷GB11893-89钼酸铵分光光度法总氮HJ636-2012碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法氨氮HJ535-2009纳氏试剂分光光度法高锰酸盐指数GB11892-89高锰酸盐指数的测定2.3.2水质标准本文主要选用2002年颁布的《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）《地表水环境质量标准》，聚龙湖和校园景观水体，主要参考地表水Ⅴ类水的标准。见表2-2。表2-2地表水环境质量标准基本项目标准限值序号项目各分类标准限值Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅳ类Ⅴ类1pH(无量纲)6~92溶解氧/（mg/L）≥饱和率90%(或7.5)65323高锰酸盐指数/（mg/L）≤24610154总氮(湖、库，以N计)/（mg/L）≤0.20.511.525氨氮(NH3-N)/（mg/L）≤0.150.511.526总磷(以P计)/（mg/L）≤0.02(湖、库0.01)0.1(湖、库0.025)0.2(湖、库0.05)0.3(湖、库0.1)0.4(湖、库0.2)7叶绿素a（湖、库）/（mg/L）≤0.0010.0040.010.030.0652.4结果与分析2.4.1监测数据2.4.1.1聚龙湖的水样监测数据将2019年2月份和7月份的聚龙湖监测得到的水质指标—TP、TN、氨氮、DO、CODMn和Chl-a的数据通过Excel表格进行处理，得到下图2-3、图2-4。图2-3聚龙湖2月份数据根据图2-3可以看出，聚龙湖2月份（枯水期）采样点1~11总氮、总磷含量较低，总磷0.09~0.48mg/L之间，总氮在0.3~1.4mg/L之间，氨氮在0.03~0.1mg/L之间。溶解氧含量较高，在6~16mg/L之间，说明聚龙湖人民南路以西的主体水域含有足够的氧气。而人民南路以东的采样点12和采样点13总氮、总磷、氨氮含量较高，溶解氧含量较低，在6~7mg/L之间，这片水域可能受到有机物污染，水中没有充足的氧气，水中的厌氧菌很快地繁殖，水体会因此变黑变臭。聚龙湖叶绿素a的整体含量较低，在0.001~0.013mg/L之间。聚龙湖的总氮、总磷、氨氮和溶解氧含量空间差异较明显。高锰酸盐指数在13~17mg/L之间，呈上下波动的趋势。图2-4聚龙湖7月份水质数据根据图2-4可以看出，聚龙湖7月份（洪水期）采样点1~11总磷、总氮、氨氮的含量较低，其中氨氮含量低于1mg/L，达到Ⅲ类水标准，总氮含量低于2mg/L，达到Ⅴ类水标准，总磷含量在0~0.3mg/L之间。人民南路以东水域的采样点12和采样点13的总磷、总氮和氨氮的含量超标严重。聚龙湖7月份的总磷、总氮、氨氮的含量仍呈现显著的空间差异。聚龙湖7月份的溶解氧和高锰酸盐指数变化不明显，水体中氧气充足，高锰酸盐指数在8~11mg/L之间，含量较低。采样点7、采样点8和采样点13的叶绿素a含量较高，除去这三个采样点，其余采样点的叶绿素a含量在0.065mg/L之下。2.4.1.2校园景观水体的水样监测数据将2019年2月份和7月份的校园景观水体监测得到的水质指标—TP、TN、氨氮、DO、CODMn和Chl-a的数据通过Excel表格进行处理，得到下图2-5、图2-6。图2-5校园景观水体2月份数据根据图2-5可以看出，校园景观水体2月份（枯水期）的总氮含量很高，在2.7~4.9mg/L之间，总磷含量变化不明显，且含量较少，基本低于0.4mg/L。氨氮含量普遍较低，在0.5~2.4mg/L之间。校园景观水体的溶解氧含量很高，在13.5~19.4mg/L之间，可能处于富营养化初期，藻类大量繁殖，导致水中溶解氧含量大量增加。高锰酸盐指数也很高，在14.6~17.1mg/L之间。采样点3和采样点8的叶绿素a超标较严重，其余采样点的叶绿素a含量在0.065mg/L之下。图2-6校园景观水体7月份数据根据2-6可以看出，校园景观水体7月份（洪水期）总氮含量和氨氮含量很高，总磷含量在0.2~1.3mg/L之间，总氮含量在2.2~5.4mg/L之间。溶解氧含量较低，在2~7mg/L之间。高锰酸盐指数变化不大，在7.7~10.4mg/L之间。采样点5和采样点6的叶绿素a含量较高，其余采样点的叶绿素a含量在0.065mg/L之下。2.4.2景观水体主要污染物采用单因子指数法，以地表水Ⅴ类水为标准，选取总磷、总氮、高锰酸盐指数和叶绿素a数据作为主要水质指标，判断聚龙湖及校园景观水体主要污染因子。单因子指数法公式如下：（2-1）式中:Pi为单因子评价指数;Ci为第i种评价因子的观测值;Si为第i种评价因子的评价标准值。单因子评价指数Pi>1时，说明该水质参数超过了标准水质参数。2.4.2.1聚龙湖景观水体主要污染物分别对校园景观水体2019年2月份及7月份的水质指标进行单因子评价，结果如下表。表2-3聚龙湖景观水体2月份单因子评价结果采样点总磷总氮高锰酸盐指数叶绿素a10.4940.2561.0310.17920.5060.2420.9670.19530.4490.2330.9240.12042.3020.1710.9880.15252.3140.5530.9960.15562.3640.4590.9460.08872.2010.6760.9670.11481.8220.2610.9240.13491.6860.1850.8960.148101.9290.4120.9460.112110.5110.3360.9740.028124.2293.5860.9960.099133.5113.5061.1020.104平均1.8710.8370.9740.125表2-4聚龙湖景观水体7月份单因子评价结果采样点总磷总氮高锰酸盐指数叶绿素a10.2760.6450.5720.23020.1590.6320.5720.34130.5170.7100.5980.55740.2210.7100.6180.42150.2080.6910.6310.80860.5790.7170.6960.50571.0250.6450.5791.60281.4100.8010.5982.03690.2690.7880.6310.333100.0290.6710.6370.583110.1320.6390.6570.366124.2763.1000.6632.721136.8193.2430.6830.353平均1.2251.0770.6260.835由表2-3可以看出聚龙湖景观水体2月份主要污染因子为总磷。除采样点12、13（人民南路以东水域）之外，其余采样点的总氮含量均达到地表水Ⅴ类水标准。除采样点1、13，其余采样点的高锰酸盐指数均达到地表水Ⅴ类水标准。叶绿素a含量较低，均达到地表水Ⅴ类水标准。由表2-4可以看出聚龙湖景观水体7月份主要污染因子为总磷，其次为总氮。高锰酸盐指数较低，均达到地表水Ⅴ类水标准。叶绿素a含量除采样点7、8和12外均达到地表水Ⅴ类水标准。聚龙湖2015年采用“食藻虫引导水下生态修复技术”很大的改善了主体水域（采样点1~11）的水质。人民南路以东水域（采样点12、13）总氮、总磷超标严重，可以采用主体水域水质修复的技术改善水质。2.4.2.2校园景观水体景观水体主要污染物分别对校园景观水体2019年2月份及7月份的水质指标进行单因子评价，结果如下表。表2-5校园景观水体2月份单因子评价结果采样点总磷总氮高锰酸盐指数叶绿素a31.3421.5911.0241.91141.4551.7991.0241.02461.3931.9730.9740.78481.2061.3501.0101.91991.4772.2001.0310.432101.0822.1811.0240.318112.0762.4021.1380.830121.4322.2891.0600.307平均1.4331.9731.0360.941表2-6校园景观水体7月份单因子评价结果采样点总磷总氮高锰酸盐指数叶绿素a33.8302.5680.6830.39843.7062.6780.6890.75761.2041.6710.5921.67282.4761.8400.5400.91096.1591.9770.6310.041102.5171.8530.6050.203112.4141.8210.5850.415121.1291.1130.5140.325平均2.9291.9400.6050.590由表2-5可以看出校园景观水体2月份主要污染因子是总氮，其次是总磷，总磷和总氮含量均超出地表水Ⅴ类水标准。除采样点6之外，其余采样点的高锰酸盐指数也超出地表水Ⅴ类水标准。由表2-6可以看出校园景观水体7月份主要污染因子是总磷，其次是总氮，总磷和总氮含量均超出地表水Ⅴ类水标准。校园景观水体受氮、磷污染最严重，可以利用水生植被构建水生生态系统，从水体和沉积物中吸收氮、磷等营养物质，修复水体水质。第三章景观水体富营养状态评价3.1评价方法3.1.1综合富营养状态指数法在众多的富营养化评估指数中，由于TN、TP、SD、CODMn和Chl-a对富营养化水平及相关风险具备较好的指示意义且操作简单，在湖（库）富营养化评价中的应用非常广泛REF_Ref42008942\r\h[22]。本次研究选取叶绿素a（Chl-a）、总磷（TP）、总氮（TN）和高锰酸盐指数（CODMn）作为评价指标，按照《湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定》，采用综合富营养状态指数法来评价聚龙湖和校园景观水体的富营养化程度。计算公式为：（3-1）式中：TLI（∑）综合营养指数Wj第j种参数的营养状态指数的相关权重TLI（j）第j种参数的营养状态指数综合营养状态指数法以叶绿素a（Chl-a）为基准参数，由于四个评价参数的量纲不一致，因此在计算各参数相关权重之前需对数据进行归一化处理，处理后第j个参数相关权重的计算公式为：（3-2）式中：rij第j种参数与基准参数叶绿素a的相关系数m指评价参数的个数中国湖泊(水库)的Chl-a与其它参数之间的相关关系rij、rij²及营养状态指数权重见表3-1。表3-1中国湖泊（水库）的叶绿素a与其他参数之间的相关性参数Chl-aTNTPCODMnrij10.820.840.83rij²10.67240.70560.6889Wj权重0.32610.21920.23010.2246营养状态指数TLI（j）计算方法如下：TLI(Chl-a)=10×(2.5+1.086lnChl-a)（3-4）TLI(TP)=10×(9.436+1.6241InTP)（3-5）TLI(TN)=10×(5.453+1.694InTN)（3-6）TLI(CODMn)=10×(0.109+2.6611nCODMn)（3-7）式中Chl-a的单位是mg/m3，其它指标的单位均为mg/L。为了说明湖泊富营养化程度，对湖泊营养状态进行分级，见表3-2：表3-2营养化程度评价标准营养程度贫营养中营养轻度富营养中度富营养重度富营养评分TLI<3030≤TLI≤5050<TLI≤6060＜TLI≤70TLI>703.2富营养状态评价结果3.2.1聚龙湖的富营养状态评价结果利用综合营养状态指数法（TLI）对2019年2月份和7月份的聚龙湖景观水体进行富营养化程度评价，评价结果见下表：表3-3聚龙湖综合富营养化程度评价结果编号二月7月综合营养状态指数（TLI）评价结果综合营养状态指数（TLI）评价结果156.0轻度富营养54.6轻度富营养255.8轻度富营养53.9轻度富营养353.2轻度富营养60.7中度富营养459.4轻度富营养56.7轻度富营养563.9中度富营养58.8轻度富营养661.0中度富营养61.7中度富营养763.2中度富营养66.5中度富营养859.2轻度富营养69.5中度富营养957.9轻度富营养57.2轻度富营养1060.7中度富营养50.3轻度富营养1150.2轻度富营养54.3轻度富营养1271.5重度富营养80.3重度富营养1371.5重度富营养75.2重度富营养根据综合营养状态指数（TLI）计算结果，聚龙湖景观水体2月份综合营养状态指数（TLI）在50.2~71.5之间，7月份综合营养状态指数（TLI）在50.3~75.2之间，聚龙湖2月份和7月份的富营养程度相差不大。采样点1~11富营养状态较好，特别是采样点1、2、4、9、11在枯水期和洪水期都处于轻度富营养状态。而人民南路以东的采样点12和采样点13在枯水期和洪水期都处于重度富营养状态。3.2.2校园景观水体的富营养状态评价结果利用综合营养状态指数法（TLI）对2019年2月份和7月份的校园景观水体进行富营养化程度评价，评价结果见下表：表3-4校园景观水体综合富营养化程度评价结果编号二月7月综合营养状态指数（TLI）评价结果综合营养状态指数（TLI）评价结果374.8重度富营养72.6重度富营养473.4重度富营养74.9重度富营养672.3重度富营养70.9重度富营养873.8重度富营养71.2重度富营养971.2重度富营养64.9中度富营养1068.9中度富营养66.7中度富营养1175.7重度富营养68.8中度富营养1270.2中度富营养62.5中度富营养根据综合营养状态指数（TLI）计算结果，校园景观水体二月份综合营养状态指数（TLI）在68.9~75.7之间，7月份综合营养状态指数（TLI）在62.5~74.9之间。可以看出校园景观水体处于中度富营养状态和重度富营养状态下，二月份（枯水期）的富营养程度更严重。3.3水质指标的综合营养状态指数对比3.3.1聚龙湖水体的水质指标TLI对比图3-1聚龙湖水体2月份的水质指标TLI值由图3-1可以看出，2月份聚龙湖水体的叶绿素a的TLI值整体在综合营养状态指数之下，证明叶绿素a不是主要污染物。采样点1~3TLI值依次为CODMn＞TP>TN，该区域水体富营养化主要的贡献因子为CODMn和TP，水体富营养化主要受高锰酸盐指数含量的影响，该区域水体有机物污染较严重。采样点3~11处，各采样点的TLI值依次为TP＞CODMn＞TN，该区域的水体富营养化的主要贡献因子为总磷，其次为高锰酸盐指数。说明该区域水体富营养化污染主要受总磷的影响。采样点12和采样点13的TLI值依次为TP＞TN＞CODMn，水体富营养化主要的贡献因子为总磷和总氮，受氮磷污染严重。图3-2聚龙湖水体7月份的水质指标TLI值7月份聚龙湖主体水域采样点1~6和采样点9~11的总氮TLI值在综合营养状态指数之下，不是主要污染物。采样点7和采样点8水体富营养化主要的贡献因子为Chl-a和TP，主要受到Chl-a的影响。采样点12和采样点13水体富营养化主要的贡献因子为TP，其次是TN。采样点3和采样点6各指标TLI值相近，这两个采样点的富营养化污染受到各个指标的影响。采样点1、2、4、5、9、10、11受到总氮、高锰酸盐指数和叶绿素a的综合影响。3.3.2校园景观水体的水质指标TLI对比图3-3校园景观水体二月份的水质指标TLI值2月份校园景观水体采样点3和采样点8的水体富营养化主要的贡献因子为Chl-a，其余采样点的叶绿素a的TLI值在综合营养状态指数之下，不是主要污染物。采样点4、6、9、10、11、12水体富营养化主要的贡献因子为TN。图3-4校园景观水体7月份的水质指标TLI值7月份校园景观水体采样点3~4、8~12的水体富营养化主要的贡献因子为TP，其次为TN。采样点6的TLI值依次为Chl-a＞TN＞TP＞CODMn，水体富营养化主要的贡献因子为叶绿素a和TN。3.4本章小结（1）对聚龙湖景观水体进行富营养化程度评价分析表明，在枯水期和洪水期，聚龙湖富营养状态都呈显著的空间差异，聚龙湖主体水域富营养化程度较轻，属于轻度或中度富营养化状态。人民南路以东的水域富营养化程度较严重，总体达到重度富营养化状态。校园景观水体污染严重，处于重度和中度富营养化状态。校园景观水体在2月份（枯水期）的富营养程度更严重，基本处于重度富营养化状态。7月份（洪水期）时，西部水域的指标要高于东部水域的指标，主要受上游来水的水质影响。（2）根据综合营养状态指数（TLI）中的各评价因子的贡献情况表明，2月份（枯水期）聚龙湖景观水体中，主体水域富营养化主要的贡献因子是总磷和高锰酸盐指数，人民南路以东的水域富营养化污染的主要贡献因子是总磷和总氮。7月份（洪水期）聚龙湖景观水体中主体水域富营养化受叶绿素a、总氮和高锰酸盐指数的综合作用，人民南路以东的水域富营养化污染的主要贡献因子是总氮和总磷。2月份（枯水期）校园景观水体中，北部水域富营养化主要的贡献因子是叶绿素a，南部水域富营养化主要的贡献因子是总氮。7月份（洪水期）校园景观水体中，采样点6富营养化主要的贡献因子是叶绿素a和总氮，其余采样点主要贡献因子是总磷。第四章景观水体富营养化空间特征分析4.1反距离权重插值法反距离权重插值法是以插值点于样本之间的距离为权重的插值方法，权重的和为1，对于插值点越近的样本点赋予的权重越大，其权重贡献与距离成反比REF_Ref42009173\r\h[23]。它的最重要的一个假设就是观测点对于插值点都会有局部影响,任意一个观测点的值对插值点值的影响都是随着距离的不断增加而不断减弱的REF_Ref42009207\r\h[24]。反距离权重插值作为一种全局插值算法，它的所有离散观测点都将参与每一插值点数值的计算，同时，它也是一种精准插值，插值生成的曲面中的预测的观测值与实测的观测值完全一致REF_Ref42009256\r\h[25]。反距离权重插值法适用于观察点数据集均匀分布的场景，因此，本次研究采用反距离权重插值方法对聚龙湖和校园景观水体进行空间插值，探讨不同景观水体富营养化状态。4.2主要水质参数反距离权重插值结果4.2.1聚龙湖反距离权重插值结果对聚龙湖景观水体水质监测数据利用ArcGIS软件进行反距离权重插值，选取的指标与富营养化评价指标一致。有总磷、总氮、高锰酸盐指数以及叶绿素a。插值结果如下图所示。图4-12月份聚龙湖景观水体反距离插值插值图从反距离插值图可以看出，2月份的聚龙湖主体水域（采样点1~11）的水质总体要优于人民南路以东的欧风花街水域（采样点12、13）的水质。总氮含量呈现由西向东阶梯性增高的趋势，总磷含量超出Ⅴ类水标准所占的水域范围最广。聚龙湖主体水域西部（采样点1、2）总氮、总磷含量较低，高锰酸盐指数和叶绿素a含量较高，说明该区域受有机物污染较严重，应该采取相应的治理措施来降低有机物污染。人民南路以东水域（采样点12、13），总氮含量、总磷含量和高锰酸盐指数均超出Ⅴ类水标准，受污染最严重，可以利用水生植被构建水生生态系统，从水体和沉积物中吸收氮、磷等营养物质，修复水体水质。图4-27月份聚龙湖景观水体反距离插值插值图从图4-2可以看出，7月份的聚龙湖主体水域（采样点1~11）的水质总体仍优于人民南路以东的欧风花街水域（采样点12、13）的水质。聚龙湖总氮含量呈现由西向东阶梯性增高的趋势。采样点7、8、12、13所处的水域总磷含量和叶绿素a含量超出Ⅴ类水标准，受磷素污染和有机污染严重。4.2.2校园景观水体反距离权重插值结果对盐城工学院希望大道校区景观水体水质监测数据利用ArcGIS软件进行反距离权重空间插值，选取的指标与富营养化评价指标一致。有总磷、总氮、高锰酸盐指数以及叶绿素a。插值结果如下图所示。图4-32月份校园景观水体反距离权重插值图校园景观水体西部上端与通榆河相连，由此流入后在校园图书馆南面形成一片水域，并于东部上端流出。由图4-3可以看出，2月份校园景观水体总氮、总磷含量和高锰酸盐指数基本达不到地表水环境Ⅴ类标准，除叶绿素a含量外，其他指标含量皆呈现中心水域含量高，引入和引出水域含量低的趋势。中心水域（采样点11附近）水体流动性差，导致水体的氮、磷含量累积，藻类大量生长，加剧水体富营养化程度。图4-47月份校园景观水体反距离权重插值图由图4-4可以看出，7月份校园景观水体总氮含量和总磷含量达不到地表水环境Ⅴ类标准。总氮、总磷、叶绿素a、高锰酸盐指数水质指标呈现出明显的空间差异，除总磷含量外，西侧水域的水质指标要高于东侧水域的水质指标，即东侧水域（采样点8~12）水质较好。4.3富营养化程度反距离权重插值结果4.3.1聚龙湖反距离权重插值结果对聚龙湖洪水期和枯水期的各个采样点的综合营养状态指数（TLI）值利用ArcGIS软件进行反距离权重插值，得到如下结果图。图4-52月份聚龙湖富营养化程度反距离权重插值图图4-67月份聚龙湖富营养化程度反距离权重插值图由图4-5、4-6可以看出，聚龙湖景观水体富营养化程度由西向东逐渐严重，呈现出明显的空间差异。聚龙湖主题水域（采样点1~11）于2015年采用“食藻虫引导水下生态修复技术”建立了完整的水生态平衡系统，有效地改善了主体水域的水质。人民南路以东（采样点12、13）的欧风花街水域处于重度富营养化状态，要采取相应的治理措施及时进行治理。4.3.2校园景观水体反距离权重结果对校园景观水体各个采样点的综合营养状态指数（TLI）值利用ArcGIS软件进行反距离权重插值，得到如下结果图。图4-72月份校园景观水体富营养化程度反距离权重插值图图4-87月份校园景观水体富营养化程度反距离权重插值图对比图4-7、4-8可知，2月份的校园景观水体绝大多数区域处于重度富营养化状态，比7月份的校园景观水体富营养化程度严重。7月份的校园景观水体西侧水域（采样点3、4、6）处于重度富营养化状态，东侧水域（采样点8~12）处于中度富营养和重度富营养状态，靠北的水质较差。4.3本章小结本章利用ArcGIS软件对聚龙湖和校园景观水体进行聚龙湖权重插值，得出以下结论：（1）聚龙湖主体水域（采样点1~11）的水质优于人民南路以东的欧风花街水域（采样点12、13）的水质。聚龙湖主体水域在2月份受总磷污染较严重，在7月份受总磷和叶绿素a的污染较严重。聚龙湖欧风花街水域受污染最严重，2月份除叶绿素a以外的指标均超标，7月份水质指标基本都超标，需要采取整治措施，进行水质修复。（2）校园景观水体整体水质较差。2月份的校园景观水体总氮含量、高锰酸盐指数基本达不到地表水环境Ⅴ类标准，除叶绿素a含量外，其他指标含量皆呈现中心水域（采样点11附近）含量高，引入和引出水域含量低的趋势。7月份校园景观水体总氮含量和总磷含量达不到地表水环境Ⅴ类标准，水质指标呈现出明显的空间差异，除总磷含量外，西侧水域的水质指标要高于东侧水域的水质指标。（3）从综合富营养指数来看，聚龙湖中心水域处于轻度富营养和中度富营养状态，聚龙湖欧风花街水域基本处于重度富营养状态。校园景观水体处于中度富营养和重度富营养状态，洪水期的水质要优于枯水期的水质。聚龙湖整体水质要优于校园景观水体的水质。第五章换水周期法计算最小生态需水量5.1生态需水量及换水周期法城市湖泊的生态环境需水量一般是指为保证其作为景观水体发挥正常景观功能，维持生态系统环境健康而必需的一定数量和质量的水REF_Ref42009481\r\h[26]。湖泊最小生态环境需水量的计算方法有：最小水位法；换水周期法；功能法；水量平衡法。其中换水周期法遵循出入湖水量交换的基本规律和自然湖泊水量平衡的基本原理，适用于水量充沛的吞吐湖和人工控制下的城市人工湖泊的保护和管理。校园景观水体由通榆河引入，水流流速缓慢，导致水体中氮、磷等元素累积，藻类大量生长，又由于缺乏管理，富营养化更加严重，枯水期基本处于重度富营养状态，洪水期的水质要好一些。为保证校园景观水体发挥正常景观水体的效用，采用换水周期法，以计算满足城市景观水体需求的最小环境需水量。校园景观水体换水周期采用《水域纳污能力计算规程》中湖（库）纳污能力计算模型进行计算，按Ⅴ类水标准控制。当湖（库）富营养状态指数≥50时，采用富营养化模型计算湖（库）水域纳污能力：（5-1）式中：M为氮或磷的水域纳污能力，t/d；Cs为湖（库）水质目标浓度值，mg/L；H为湖（库）平均水深，m；Qa为湖（库）出水量，m³/d；Z为湖（库）计算水域的平均水深，m；10/（365Z）为沉降系数，1/d；V为湖（库）容积，m³；S为平均水位对应的计算水域面积，km²。换水周期计算公式为：（5-2）式中：T为湖（库）换水周期，d；W为排入湖（库）污染物量，t(用主要污染物表示）；M为湖（库）纳污能力，t(用主要污染物表示）。计算校园景观水体最小生态需水量，公式如下：（5-3）式中：T为换水周期，d（计算时换为s）；W为多年平均蓄水量，m³；Q为最小生态需水量，m³/s。5.2校园景观水体的换水周期计算由于实验条件限制，只计算校园景观水体洪水期的换水周期及最小生态需水量。洪水期校园景观水体的主要污染因子为总磷，按地表水Ⅴ类水标准计算。校园景观水体平均水深为1米，水域面积约为102485㎡。计算得到结果如下表5-1。表5-1换水周期法计算成果参数V（m³）M（t）W（t）T（d）Q（m³/s）数值1024850.0340.05655.50.02第六章结论与展望6.1结论本次研究选取两个典型景观水体—校园景观水体和聚龙湖景观水体作为研究对象，在2月份（枯水期）和7月份（洪水期）均设置采样点，监测水质参数。其中聚龙湖景观水体通过闸站进行控制，属于人工景观水体。校园景观水体由通榆河引入，在校图书馆南面形成水域后流向其余河流，处于自然状态。本次研究在景观水体的在监测水样的溶解氧、叶绿素a、氨氮、总氮、总磷、和高锰酸盐指数含量的基础上，选择叶绿素a、总氮、总磷、和高锰酸盐指数作为评价指标，采用单因子指数法，判断景观水体的主要污染物。采用综合营养状态指数的方法，对水体进行富营养状态评价。利用ArcGIS软件对两个景观水体进行反距离权重插值，通过分析景观水体水质参数在空间上的分布的特点，探寻景观水体的污染及富营养化特征。本次研究得到的成果如下：（1）通过单因子指数法，得到了景观水体的主要污染因子。聚龙湖枯水期和洪水期的主要污染因子都是总磷。校园景观水体枯水期的主要污染因子是总氮，洪水期的主要污染因子是总磷。（2）根据综合营养状态指数（TLI）评价结果，可知聚龙湖主体水域在枯水期和洪水期处于轻度和中度富营养状态，而人民南路以东的欧风花街水域在枯水期和洪水期均处于重度富营养状态。聚龙湖的水质空间差异显著。校园景观水体在枯水期和洪水期处于中度和重度富营养状态，枯水期富营养程度更严重。（3）根据综合营养状态指数（TLI）中的各评价因子的贡献情况表明：在枯水期，聚龙湖的采样点1、2、3和11（西部水域）富营养化主要的贡献因子是高锰酸盐指数，采样点4~10（中部水域）、采样点12、13（人民南路以东的东部水域）富营养化主要的贡献因子是总磷。校园景观水体采样点3和8（北部水域）的水体富营养化主要的贡献因子为叶绿素a，其余采样点所在的南部水域水体富营养化主要的贡献因子为总氮。在洪水期，聚龙湖的采样点1~6、9~11的水域受到总氮、高锰酸盐指数和叶绿素a的综合影响。采样点7和8所在的水域富营养化主要的贡献因子是叶绿素a，采样点12和13所在的水域富营养化主要的贡献因子是总磷。校园景观水体采样点6富营养化主要的贡献因子是叶绿素a，其余采样点富营养化主要的贡献因子是总磷。（4）根据反距离权重插值的结果，可以看出：聚龙湖水质指标除去枯水期的叶绿素a含量及高锰酸盐指数，其余水质指标大体呈现出由西向东增高的趋势。聚龙湖人民南路以东的水域（采样点12、13）要明显劣于主体水域的水质（采样点1~11），空间差异显著。聚龙湖人民南路以东的水域污染严重，所有指标基本都超出地表水Ⅴ类水标准。校园景观水体在枯水期基本处于重度富营养状态，总氮、总磷含量和高锰酸盐指数均超出地表水Ⅴ类水标准，校图书馆南侧的中心水域水质指标最高。在洪水期，校园景观水体西北侧水域（进水端）处于重度富营养状态，东南侧水域基本处于中度富营养状态，这时校园景观水体的水质受到进水端的影响。总氮和总磷含量均超出地表水Ⅴ类水标准。（5）校园景观水体污染严重，为保证景观水体发挥其正常的效用，通过采用换水周期法，计算得到洪水期校园景观水体最小生态环境需水量为0.02m³/s，换水周期为55.5d。6.2展望由于时间和研究条件的限制，本次研究取得了以上的成果，但仍存在一定的问题与不足。（1）最小生态环境需水量方面：由于聚龙湖景观水体通过闸站进行控制，并未测得聚