城市景觀水體是指流經(jīng)城市的河流、城區(qū)的湖泊和水庫、公園水系、人工運河和人工湖等，而無機型城市水體一般呈黃色或者土黃色，黏土、泥沙等無機顆粒物含量較高，通常為流經(jīng)城市的運河水.目前，隨著公路網(wǎng)化及人們對生活品質(zhì)的追求，運河水的航運功能逐漸被弱化，景觀及生態(tài)功能漸漸凸顯.但是，隨著我國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速發(fā)展，運河作為城市生活污水和工業(yè)廢水的受納體，其透明度降低，顏色異常，并且有異味，水體表觀污染嚴重.
非溶解態(tài)顆粒物是造成水體表觀污染的主要原因[8]，顆粒物的組成和含量決定著水體表觀污染類型和程度，而粒度分布是表征顆粒物的重要參數(shù)，能反映懸浮顆粒物的組分信息和含量信息.目前針對水體中懸浮顆粒物的研究主要涉及河口、湖泊以及海洋等不同生境，國內(nèi)外學者通過對水中懸浮物粒度的組成、分布及變化規(guī)律的研究來揭示水體的物質(zhì)組分、水動力環(huán)境、表觀污染機制和污染物遷移轉(zhuǎn)化機制等.目前雖然無機型城市景觀水體作用的漸漸凸顯，但其表觀污染機制尚不明確，而其是否與懸浮顆粒物之間存在關聯(lián)性也并不知曉.
京杭運河(蘇州段)水體顏色呈現(xiàn)黃色，黏土、泥沙等無機顆粒物含量較高，屬于典型的無機型水體.本文以蘇州運河為研究對象，探究無機型水體中懸浮顆粒物粒度分布特征，并結合水體表觀質(zhì)量和懸浮顆粒物粒度分布的影響因素來揭示無機型城市景觀水體表觀污染機制，以期為城市河道的治理提供理論依據(jù)和技術支撐.
1 材料與方法
1.1 采樣點分布
本文以流經(jīng)蘇州城區(qū)內(nèi)運河為研究對象，水體常年呈黃色，渾濁度高.研究區(qū)域主要涉及高新區(qū)和吳中區(qū)，在研究區(qū)域內(nèi)共設了13個采樣點，其中5個是常規(guī)監(jiān)測點.本研究于2015年7~9月對5個采樣點進行持續(xù)監(jiān)測，共90組數(shù)據(jù).常規(guī)采樣點位置如圖 1所示.
1.2 測定方法
本研究所測的水質(zhì)指標主要有總懸浮物濃度(SS)、濁度、葉綠素a (Chl-a)、高錳酸鹽指數(shù)、總氮(TN).水質(zhì)指標測定采用國標法. SS采用英國Partech740污泥濃度計測量，濁度采用HACH2100N濁度儀，葉綠素a (Chl-a)和最大光化學效率(Fv/Fm)采用熒光法(water pam，葉綠素熒光測定儀)測定，高錳酸鹽指數(shù)采用高錳酸鉀酸性法，總有機碳(TOC)和總氮(TN)采用Multi3100N/C測量，水溫及溶解氧(DO)采用YSI便攜式溶氧儀.懸浮顆粒物的粒度測量采用馬爾文激光粒度分析儀(Mastersizer 3000, Malvern, Britain).
表觀污染指數(shù)的測定采用吸收光譜法[24]，即：
式中，SPI為表觀污染指數(shù);a、b為常數(shù);β為修正系數(shù);x為水樣抽濾前后掃描曲線面積差.根據(jù)SPI值將表觀污染分為清潔(0~10)、微污染(10~25)、輕污染(25~45)、中污染(45~70)以及重污染(>70)這5個表觀污染等級.
1.3 懸浮顆粒物粒度特征參數(shù)的獲得
不同種顆粒系統(tǒng)具有不同的粒度分布，因此用于表征粒度分布的函數(shù)種類很多. Kostadinov等指出，當顆粒物中無機成分占主導時，粒徑分布一般遵循榮格普分布.本研究水體中懸浮顆粒物是以無機顆粒物為主導，用冪指數(shù)模型可以較好地描述其粒度分布特征. 圖 2是幾組典型的此類水體中懸浮顆粒物粒度頻率分布，用冪函數(shù)對全樣品進行數(shù)學分離.冪函數(shù)見方程(2)，以各粒級的粒徑為自變量，以該粒級的篩下累計含量為分布函數(shù)值.對該方程兩邊取對數(shù)，雙對數(shù)坐標下，二者呈線性關系，見方程(3).以擬合誤差最小為目標對樣品進行了粒度頻率曲線擬合，如圖 3所示(Origin 7.0)，擬合效果良好.
圖 2 懸浮顆粒物粒徑頻率分布
圖 3 懸浮顆粒物粒徑累計頻率分布對數(shù)擬合
篩下累計分布方式：
式(2)方程兩邊取對數(shù)，可得:
式中:
因而，以y(x)為縱坐標，x為橫坐標的雙對數(shù)圖上二者呈線性，其直線的斜率為m，截距為c.
2 結果與討論
2.1 研究區(qū)內(nèi)水體表觀污染程度分布特征
各采樣點水體表觀質(zhì)量變化具有時間差異性，研究期內(nèi)SPI值范圍為39.1~84.2(圖 4). 7月底到8月初期間，除4號點和5號點在7月中下旬出現(xiàn)躍低值，此時SPI值分別為39.1和40.3，其他采樣點SPI值有上升趨勢，8月期間則開始下降，而4號點和5號點在此期間則是先上升后下降，在8月中旬SPI出現(xiàn)峰值;9月以后SPI值整體上升，達到70以上，水體表觀質(zhì)量處于重污染水平. 表 1顯示，在整個研究時間內(nèi)，SPI值與DO、濁度、SS和高錳酸鹽指數(shù)均在(P < 0.01)水平下顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.654、0.857、0.82和0.50，與溫度在(P < 0.05)水平下顯著負相關，相關系數(shù)為-0.357，與Chl-a和Fv/Fm無顯著相關關系.李功振等研究指出，京杭大運河底泥的成分主要有石英、石膏, 部分或少量的長石、方解石和黏土礦物等無機顆粒，并且運河水層淺，河床高，加上航船的擾動，很容易發(fā)生再懸浮，導致水中SS和濁度增加，影響藻類的光合作用，從而對水中的藻類起到抑制作用，所以此時葉綠素并沒有呈現(xiàn)出一定的相關性.而隨著城市經(jīng)濟的快速發(fā)展，運河漸漸成為生活污水的受納體，從而導致水中COD的含量也在增加，對水體表觀產(chǎn)生影響.
表 1 SPI值和水質(zhì)指標的皮爾遜相關系數(shù)1)
圖 4 采樣點的SPI值比較(2015年)
2.2 水中懸浮顆粒物粒度分布特征及與水體表觀質(zhì)量相關性分析
2.2.1 水中懸浮顆粒物粒度組成特征
懸浮顆粒物的成分含量不同比率混合在水體表觀上會表現(xiàn)出SPI值差異，在粒度分布曲線上則會表現(xiàn)出粒度組分體積分數(shù)差異.因而有必要分析不同表觀污染水體中懸浮顆粒物的組分分布，對于科學地控制和治理水體表觀污染具有重要意義.因為運河水中的懸浮顆粒物主要以無機顆粒為主，所以本研究按照烏氏粒級標準把無機懸浮顆粒物分為7個粒級，即7個組分，各組分粒徑范圍分別為:小于3.8 μm、3.8~16 μm、16~32 μm、32~64 μm、64~122 μm、122~280 μm、大于280 μm. 圖 5是水體中懸浮顆粒物各粒級組分體積分數(shù)分布，結果表明，組分Ⅱ體積分數(shù)在所有組分中最高(體積分數(shù)范圍為29.4%~59.6%)，是優(yōu)勢組分.組分Ⅲ和組分Ⅳ體積分數(shù)次之，體積分數(shù)范圍分別為8.98%~32.36%和2.3%~23.05%;組分Ⅰ和組分Ⅴ體積分數(shù)范圍是3.78%~32.88%和0.21%~10.16%;后兩個組分在較多樣品中消失，體積分數(shù)為零.這一現(xiàn)象與底質(zhì)類型主要為粉砂質(zhì)類型有關，即使再懸浮帶入的物質(zhì)亦為粉砂顆粒，各組分體積分數(shù)在樣品中表現(xiàn)出較大的差異性，這也預示著懸浮顆粒物粒度控制因素的復雜性.
從上述分析可以看出，不同表觀污染下懸浮顆粒物的組分體積分數(shù)不一致，但顆粒物組分改變?nèi)詴䦟е滤w表觀差異.同時，不同表觀污染下各組分體積分數(shù)對水體表觀質(zhì)量的貢獻率不一樣，對其與水體表觀質(zhì)量的相關性分析可以獲取不同組分對表觀污染潛力，找出水體表觀敏感顆粒物組分，從而有針對性地控制某一粒級范圍內(nèi)顆粒物. 表 2顯示，水體表觀質(zhì)量主要與組分Ⅰ、組分Ⅱ、組分Ⅲ、組分Ⅳ(粒徑<64 μm)體積分數(shù)表現(xiàn)出顯著相關性，表明對水體表觀產(chǎn)生影響的是粒徑<64 μm的顆粒物，其中又以組分Ⅱ和組分Ⅳ的影響最大.但這種相關性具有分段性，節(jié)點為濁度等于45NTU.當濁度小于45NTU時，SPI值與組分Ⅱ含量在(P<0.01)水平下呈顯著正相關，與組分Ⅳ含量在(P<0.05)水平下顯著負相關.當濁度大于等于45NTU時，SPI值與上兩個組分體積分數(shù)的關系與濁度小于45NTU時完全相反，SPI值與組分Ⅱ體積分數(shù)在(P<0.01)水平下呈顯著負相關，與組分Ⅳ呈現(xiàn)出顯著正相關. 圖 6顯示了SPI值與組分Ⅱ和組分Ⅳ的散點分布狀況.能更清楚詳細地反映組分含量與SPI值的相關性. SS是表征水體質(zhì)量好與否的重要指標，它們與水體表觀質(zhì)量相關性很強，所以研究中同時分析了SS和粒級組分體積分數(shù)的關系.結果表明，它們與各組分體積分數(shù)的關系具有很好的一致性，當水中懸浮物質(zhì)增加，濁度大于等于45NTU時，主要是大顆粒物質(zhì)占比增加，相反，當濁度小于45NTU時，則是小顆粒物質(zhì)占比增加，即在不同的懸浮物濃度下，對水體表觀質(zhì)量產(chǎn)生影響的組分也是不同的.
表 2 SPI值和各組分含量的皮爾遜相關系數(shù)1)
2.2.2 水中懸浮顆粒物各組分粒度參數(shù)特征
中值粒徑D50、粒徑累計頻率雙對數(shù)曲線斜率m以及截距c等粒度參數(shù)是經(jīng)常用來表征粒度分布特征的重要粒度參數(shù).利用冪函數(shù)擬合水體中懸浮顆粒物粒徑分布(圖 7)可以得到各組分的中值粒徑D50、斜率m以及截距參數(shù)c.樣品中D50的范圍是13~25.2 μm，c的范圍是-0.06~0.48，而m的范圍則是1.02~1.31. 圖 7顯示，各粒度參數(shù)間也有一定的相關性，D50與c、m呈負相關，表明從總體上說D50表示的中值粒徑越小，截距和斜率越大，粒度分布越往小粒徑方向偏.
圖 7 粒度參數(shù)間關系散點圖
不同表觀污染下懸浮顆粒物的體積分數(shù)的變化可以表征水體表觀污染的情況，而粒徑參數(shù)可以更加宏觀地看出他們之間的聯(lián)系. 表 3表明，水樣中SPI值與D50和c關系顯著.但這種關系也是在濁度等于45NTU節(jié)點處發(fā)生改變, 當濁度小于45NTU時，SPI值與D50呈顯著負相關，與c呈顯著正相關，均在(P<0.01)水平下;當濁度大于等于45NTU時，SPI值與D50呈顯著正相關，相關系數(shù)為0.847(P<0.01)，與c呈顯著負相關，相關系數(shù)為-0.744(P<0.01).相應地也作了SPI值與D50和c散點圖(圖 8)，可以更加直觀地看出表觀污染指數(shù)和粒徑參數(shù)之間的關系. 表 3也做了SS與粒度參數(shù)之間的相關性，結果表明SS只在懸浮顆粒物超過一定數(shù)量時(濁度大于等于45NTU)與D50相關性才顯著，相關系數(shù)為0.792. SS與c的顯著相關性也是在濁度大于等于45NTU才顯現(xiàn)，均在(P<0.05)水平下顯著負相關，相關系數(shù)-0.647.由圖 9可以看出，在9月初，水中懸浮顆粒物濃度出現(xiàn)激增的過程，所以當濁度逐漸增大的時候，沉降在河底的大顆粒物質(zhì)由于水動力等因素大量懸浮到上層水面，導致水中的懸浮顆粒物的粒徑朝大粒徑的趨勢變化，水體表觀污染嚴重.
表 3 SPI值與粒度參數(shù)皮爾遜相關系數(shù)1)
圖 9 SPI、Chl-a和SS的分布(2015年)
2.3 表觀污染水體中懸浮顆粒物粒度分布的影響因素
2.3.1 生物作用的影響
Kostadinov等指出，當顆粒物中無機成分占主導時，粒徑分布一般遵循榮格普分布，當夏季生物作用明顯時，水中存在大量浮游藻類絮體，粒度分布則會呈現(xiàn)雙峰或其他復雜分布.已有研究表明，藻類可以生長的溫度區(qū)間為15~35℃，而最適宜藻類生長的水體溫度為29~30℃.在7月底和9月初，水體溫度范圍為27.7~33.3℃，平均溫度為29.3℃，此時藻類生長速度較快，各個采樣點的懸浮顆粒物粒度分布曲線尾部出現(xiàn)了一個上升峰，如圖 10中混合水樣懸浮顆粒物粒度分布曲線，同時Chl-a濃度也達到40 μg ·L-1左右(如圖 9)，用格篩把絮凝藻類進行篩出后繼續(xù)測量水中懸浮顆粒物的粒度分布，篩除后即圖 10中無藻水樣的粒度分布曲線，從中可以看出尾部的上升峰消失.為進一步驗證這一結果，文中對大量絮凝藻類的水體進行粒度檢測，粒度分布結果如圖 10所示，純藻的出峰位置和之前尾部上升峰的位置大致相同, 表明在這個時期藻類的生長等生物絮凝物對水中懸浮顆粒物粒度分布產(chǎn)生了一定的影響.在這兩個階段SPI也相應地發(fā)生了改變.表明生物作用對粒度分布產(chǎn)生影響時，水體表觀也有一致的響應. 圖 4中的4號點和5號點處于運河支流段，河水流量較小，并且船只較少，水力擾動也小，相比其他3個點，可能更適合藻類的生長.在7月底，雨水頻繁，雨水的沖刷影響了藻類的聚集，并對水體中的污染物起到一定的稀釋作用，使水體表觀質(zhì)量出現(xiàn)躍低值.但9月后期，水中浮游藻類含量降低，水中總懸浮顆粒物含量仍持續(xù)上升，表明還有其他作用對水中顆粒物產(chǎn)生了影響.
圖 10 水中懸浮顆粒物粒度分布
2.3.2 水動力條件的影響
運河水區(qū)域底質(zhì)再懸浮作用很強，底層顆粒在強烈的水動力作用下發(fā)生再懸浮進入水體，一方面加大了水體中懸浮顆粒物的濃度，另一方面改變了懸浮顆粒物原有的粒度組分，因此有無再懸浮直接影響著水體表觀和懸浮顆粒物粒度分布特征.
C-M圖是帕塞加提出的，該圖是應用每個樣品的C值(μm)為縱坐標和M值(μm)為橫坐標繪成的雙對數(shù)坐標圖形. C值是粒度分析資料篩上累積曲線上顆粒含量1%處對應的粒徑，M值是累積曲線上50%處對應的粒徑，即粒度中值. C值與樣品中最粗顆粒的粒徑相當，代表了水動力攪動開始搬運的最大能量;M值是中值，代表了水動力的平均能量. C-M圖可以提供關于懸浮顆粒物搬運狀態(tài)和水動力強弱的信息.
遞變懸浮指在流體中懸浮顆粒物由下而上粒度逐漸變細，密度逐漸變低.它常位于水流底部，一般由于渦流發(fā)育造成;均勻懸浮常是遞變懸浮之上的上層水流搬運方式.在弱水流中可能不存在遞變懸浮，而是由均勻懸浮直接與底床接觸.從圖 4可以看出，9月開始，表觀污染指數(shù)持續(xù)增加，說明水體表觀越來越差，而圖 9顯示，9月以后，水中的SS也突然增大，并且主要是大顆粒物質(zhì)的增加，所以本研究以9月為臨界點做C-M圖，圖 11是9月前后顆粒物C-M圖，從圖 11(a)可以看出該長條形區(qū)域與C=M直線平行，C與M值成比例增減，說明9月以前，懸浮顆粒物主要是遞變懸浮，還未發(fā)生再懸浮作用;從圖 11(b)可以看出，在9月以后不僅有遞變懸浮，還存在均勻懸浮，表明由于再懸浮作用，懸浮物質(zhì)已有部分達到表層，對樣點所在水體的懸浮顆粒物粒度分布產(chǎn)生影響.從圖 9可以看出，在9月以后藻含量沒有增加時，SPI值仍在增大，表明這個期間SPI的增大不是由于藻含量增加引起，而主要是再懸浮導致底質(zhì)遷移至水體中，因此水中SS含量增加，SPI值增大.這也解釋了9月以后水中懸浮顆粒物濃度持續(xù)上升，水體表觀質(zhì)量SPI值增大.具體參見污水寶商城資料或http://m.bnynw.com更多相關技術文檔。
3 結論
(1)無機型城市景觀水體中懸浮顆粒物具有相似的粒度分布特征，粒度分布以單峰分布為主.按照烏氏粒級標準，把它劃分為7個組分，各組分粒級范圍分別為小于3.8 μm、3.8~16 μm、16~32 μm、32~64 μm、64~122 μm、122~280 μm、大于280 μm.
(2)無機型城市景觀水體中懸浮顆粒物對水體表觀敏感組分是組分Ⅱ(粒級3.8~16 μm)和組分Ⅳ(粒級32~64 μm)，SPI值與組分Ⅱ和組分Ⅳ體積分數(shù)關系具有分段性，分段節(jié)點是濁度為45NTU處.濁度小于45NTU時，SPI值與組分Ⅱ體積分數(shù)呈顯著正相關，與組分Ⅳ體積分數(shù)呈顯著負相關;當濁度大于等于45NTU時關系相反.通過對SPI與中值粒徑及粒徑參數(shù)的相關性分析得出，懸浮顆粒物濃度的增加主要是大顆粒物質(zhì)的增加，表明水體發(fā)生了再懸浮作用.
(3)生物作用和水動力條件是影響水中懸浮顆粒物粒度分布和水體表觀質(zhì)量的重要因素.生物因子的影響主要表現(xiàn)為藻類等生物絮凝物的生長進而影響水體的粒度組分含量，造成水體表觀污染;水動力條件的影響則是使水體底質(zhì)發(fā)生再懸浮，部分沉降在底部的大顆粒物質(zhì)進入水體，導致水體的懸浮物濃度升高，表觀污染嚴重.
