1 引言(Introduction)

景观水体是一个具有观赏、休闲、娱乐、改善生态环境等多种复合功能的自然或人工兴建的水体类型(贡丹燕等, 2016).作为城市人居环境的重要组成部分, 城市景观水体大都地处城区中心地域, 且大多数都处于一种近似封闭或半封闭状态, 由于流动性较弱和自净能力较差, 极易发生水质恶化和水体富营养化(李飞鹏等, 2013; Chen et al., 2013), 从而影响人居环境质量.目前, 国内外城市普遍面临氮、磷负荷过高带来的景观水体富营养化难题(Brase et al., 2018; Tatenda et al., 2018), 围绕该问题开展的各项研究工作受到人们的广泛关注(Xiong et al., 2016; Yang et al., 2017).景观水体水环境评价是城市水环境保护和治理的一项重要基础工作(郑剑锋等, 2016; 汪嘉杨等, 2017), 通过评价不仅可以有效识别水体水质状态及其演化特征, 也可为水污染控制和水环境修复方案的科学制定提供依据, 因此具有十分重要的意义.

合肥作为安徽省省会城市, 近十几年来城区面积扩展很快, 但老城区依旧是整个城市文化生活和经济贸易最为集中、活跃的区域, 特别是由环城公园景观水体围成的核心城区.2012年9月—2013年7月, 李如忠等(2014)针对环城公园景观水体开展了为期11个月的水样采集和分析评价工作, 识别了景观水体水质动态变化性和富营养化水平.从2016年4月开始, 安徽省省委、省政府及各厅局机关陆续从核心城区迁出, 使老城区的人口、交通、环境、生态压力得到一定程度的缓解.为评估政府机关搬迁对老城区景观水体环境质量的影响, 本研究拟以合肥市环城公园中6个主要景观水体为对象, 通过逐月采集水样, 解析水体水质动态变化性, 并通过与2013年以前水质状况的比较, 揭示搬迁工作对环城公园水体水质的影响效应, 从而为合肥市城区景观水体的生态环境保护提供参考.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区概况

合肥市位于巢湖西半湖北侧, 属亚热带季风性湿润气候, 年均气温15.7 ℃, 年均降水量约1000 mm.该市包括蜀山区、瑶海区、庐阳区和包河区4个市辖区, 以及长丰县、肥东县、肥西县、庐江县4个县和县级巢湖市.市区户籍总人口281.27万, 市区总面积约1655 km².环城公园位于合肥老城区, 总长约8.7 km, 总面积约137.6 hm², 是以古护城河和原环城林带为基础建成的敞开式公园, 主要由黑池坝景区、雨花塘景区、银河公园、包河公园、逍遥津公园等封闭或半封闭的湖泊型景观水体及南淝河上游河道环绕而成, 被誉为合肥市“翡翠项链”.南淝河穿越合肥城区, 是连接市区与巢湖西半湖的主要水力通道和污染物传输河道.有关各景观水体的具体基本特征参见文献(李如忠等, 2014).

2.2 样品采集及测试

在包河公园、银河公园、逍遥津公园、雨花塘景区、黑池坝景区等景区水体各布设3个代表性采样点位；针对南淝河城区段, 考虑在蒙城路桥至交通厅桥之间也布设3个采样点, 共计18个采样点(图 1).2018年10月—2019年5月, 针对各水体按每半月1次的频次采集水样, 其中, 2018年10月和2019年2月仅安排在当月下旬采集一次水样, 采样次数共计14次.现场测定水温(T)、pH、电导率(EC)、溶解性总固体(TDS)、氧化还原电位(ORP), 将采集的水样快速送至合肥工业大学环境工程专业实验室进行冷藏和分析测试.

实验室测定的水质指标包括总氮(TN)、氨氮(NH₄⁺)、硝酸盐氮(NO₃^-)、总磷(TP)、溶解性磷酸盐(SRP)、化学需氧量(COD)和叶绿素a(Chl-a).其中, Chl-a采用丙酮萃取分光光度法测定, 其它指标的测定方法参见文献(李如忠等, 2014).

2.3 模型与方法 2.3.1 Spearman秩相关系数

采用Spearman秩相关系数描述水质动态演化趋势, 相应的模型如下(李洪成等, 2012):

(1)

式中, r_s表示Spearman秩相关系数；n表示采样次数；X_j表示第j次采样序号；Y_j表示第j次采样指标浓度值在由小到大排序中的序号.根据参考文献(李洪成等, 2012), r_s为正值表示上升趋势；r_s为负值表示下降趋势；r_s≤临界值表示基本无变化.

2.3.2 水质指数法

水质指数(Water Quality Index)是综合描述水质的一个无纲量数值, 能代表水体水质信息而被广泛运用于水质评价.根据《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中指标及其分级情况, 本研究选取TN、TP、NH₄⁺和COD为评价因子, 采用水质指数法(李思悦等, 2003)开展单项水质指标评价, 即：

(2)

(3)

(4)

式中, C_i表示第i项评价指标的实测浓度；C_{i, k}表示第i项评价指标的第k级标准浓度；C_{i, k+1}表示第i项指标的第k+1级标准浓度；WQI_{i, k}表示第i项评价项目的第k级指数值；n表示相同标准值的个数(当无相同时, n=1).基于上述WQI值的水质指标分级标准见表 1(李思悦等, 2003).

2.3.3 综合营养状态指数

采用综合营养状态指数评价景观水体富营养化状况, 相应的计算模型为(张征等, 2004)：

(5)

式中, TLI(∑)表示综合营养状态指数；w_j表示第j种参数的相关权重；TLI(j)表示第j种参数的营养状态指数；m表示指标种类数目.

不妨以Chl-a作为基准参数, 计算第j种参数的归一化权重, 即：

(6)

式中, r_1j表示第j个参数与基准参数Chl-a的相关系数.

采用的富营养化评价标准为：0≤TLI < 30, 贫营养；30≤TLI < 50, 中营养；50≤TLI≤60, 轻度富营养；60 < TLI≤70, 中度富营养；TLI>70, 重度营养.

2.4 数据处理

采用SPSS19.0和Excel2007等软件进行数据处理及图形绘制；采用多因素方差分析, 开展景观水体水质差异性分析.

3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 水质对比分析

整个采样期间各景观水体水质指标平均值见表 2.显然, 6个景观水体pH均呈中偏弱碱性特征, 并较2013年以前稍低一些.南淝河、黑池坝景区、雨花塘景区、银河公园水体的EC均值都在500 μS·cm^-1左右, 逍遥津公园、包河公园的EC均值则在400 μS·cm^-1左右, 均较2013年有明显下降.

各景观水体TN平均浓度均显著高于国家《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)的Ⅴ类标准(2 mg·L^-1), 其中尤以南淝河、黑池坝和雨花塘景区水体TN浓度更高, 且除南淝河、黑池坝景区外, 其它水体TN浓度均明显高于2013年.与2013年以前相比, 不仅景观水体之间NO₃^-浓度的差异化下降, 而且除黑池坝的NO₃^-浓度略有降低外, 其它5个水体均增加明显.NH₄⁺指标则基本都较2013年以前有所好转.显然, 黑池坝景区、雨花塘景区、包河公园水体的TP、SRP浓度均较2013年以前有所抬升, 南淝河、逍遥津、银河公园水体则略有降低.另外, 南淝河、黑池坝景区、雨花塘景区、银河公园4个水体的COD较2013年有所增大, 南淝河、雨花塘景区和包河公园水体的叶绿素a浓度也略有增加.

综合来看, 环城公园大部分景观水体水质指标并未因搬迁工作而出现明显的好转, 反而大多数指标都较2013年以前变得更差一些.

3.2 水质指标动态变化性 3.2.1 物理指标动态变化性

图 2为整个采样期间各景观水体主要物理指标的逐月动态变化曲线.由于各水体的ORP均为正值, 表明水体处于较好的氧化状态.其中, 包河公园水体ORP值相对最高, 且从2018年10月至翌年1月增加迅速, 随后变化平缓；南淝河水体ORP呈现先减小而后逐步增大的趋势, 并在2019年4月达到峰值；黑池坝水体ORP在2月降到最低并于4月达到峰值；其余水体ORP均呈现先缓慢增大再逐步减小的趋势, 没有明显的峰值.

南淝河水体EC逐月波动最为剧烈, 在2018年11月降至最低随后快速上升, 并于翌年1月达到峰值, 2月以后大致保持平稳；逍遥津水体EC呈现持续缓慢下降态势, 而包河公园EC则表现为缓慢上升的趋势, 其余水体EC颇为稳定.

3.2.2 化学指标动态变化性

图 3为整个采样期间各景观水体主要化学指标的逐月动态变化曲线.显然, 6个水体TN浓度变化较稳定, 雨花塘、银河公园水体呈现先快速下降再缓慢降低的趋势, 其余4个水体波动不明显.从NO₃^-浓度来看, 2018年12月前逍遥津公园水体NO₃^-浓度急剧降低, 而其余5个水体则均在2018年11月达到峰值, 随后急剧下降, 并在12月后大致趋于平稳, 而且逍遥津、银河公园、包河公园水体NO₃^-浓度有缓慢降低的趋势.就NH₄⁺而言, 南淝河水体NH₄⁺浓度明显高于其他水体, 波动变化也相对最为剧烈, 基本上处于劣Ⅴ类水平；黑池坝水体NH₄⁺浓度持续增大, 特别是2019年1月以后增速更快, 并于4月达到峰值, 其余4个水体NH₄⁺浓度动态变化性均不明显, 基本上处于地表水(GB3838—2002)Ⅲ~Ⅳ类水平.

逍遥津公园水体TP浓度变化较稳定, 而其它5个水体波动性均较显著.与TP类似, 逍遥津公园水体SRP浓度变化相对稳定, 其它各水体则表现为显著的波动性特征.另外, 逍遥津公园和包河公园水体COD较为接近(均值为20~30 mg·L^-1), 所有水体COD总体上呈缓慢增大的趋势.

3.2.3 叶绿素a动态变化性

图 4反映了各景观水体Chl-a浓度的逐月动态变化特征.可以看出, 6个景观水体Chl-a浓度变化规律基本一致, 特别是在2019年1月后都表现出了逐步增大的趋势, 且增加速度基本相当.而在2019年1月以前, 除逍遥津和包河公园稍有不同外, 其它水体基本都呈现下降态势.而且, 逍遥津公园和包河公园水体Chl-a浓度相对略低一些, 这与2013年以前情形类似.

3.2.4 水质指标变化趋势

利用式(1)计算各指标的r_s值, 结果见表 3.在整个采样期间, 南淝河水体仅有NO₃^-表现出了降低趋势, 其余指标则均呈升高态势, 其中, ORP、EC、NH₄⁺、COD的上升趋势颇显著, 表明近年来南淝河水质呈现恶化的趋势.黑池坝水体的大多数指标有升高的趋势, 但仅NH₄⁺升高显著, TN、NO₃^-和Chl-a具有降低趋势, 特别是NO₃^-降低趋势显著.逍遥津公园水体半数以上指标呈现浓度显著升高的趋势, EC、TN、NO₃^-显著降低, ORP降低趋势不显著.雨花塘景区水体氮、磷和Chl-a指标基本都呈下降态势, ORP、EC上升趋势明显.银河公园水体TN、NO₃^-显著降低, NH₄⁺、COD却显著升高, 其它指标升降都不显著.包河公园大多数指标呈现升高趋势, 且只有SRP升高的趋势不显著；NO₃^-、TP显著降低, 而TN下降不明显.

总体上, 6个景观水体NO₃^-浓度均呈现下降的趋势, 除南淝河、雨花塘景观水体降低趋势不显著外, 其余水体均呈显著下降态势.与此相反, 6个水体NH₄⁺均呈升高趋势, 且仅有雨花塘景观水体升高的趋势不显著.除雨花塘水体SRP呈现降低趋势外, 其余水体均呈升高趋势.此外, 6个水体COD全部都有升高趋势, 且大多数表现为显著升高.除黑池坝、雨花塘景观水体Chl-a表现为下降趋势外, 其它水体均为升高或显著升高趋势.

3.3 水质评价

6个水体各指标WQI值见表 4.根据表 1的分级标准, 各景观水体WQI(TN) =100, 表明TN指标污染严重, 处于极差状态.从NH₄⁺来看, 南淝河水质污染最严重, 接近极差水平；其次是黑池坝和雨花塘水体, 两者处于较差水平；其它3个水体处于尚好状态.就TP来看, 南淝河和雨花塘水体处于极差状况, 其余水体TP污染状况为差.此外, 除逍遥津和包河公园水质COD指标处于较差状态外, 其它水体水质等级都属于差.

3.4 富营养化评价

根据6个景观水体连续14次水样采集分析测试结果, 计算Chl-a与其他各参数的相关系数r_1j, 进而计算相应的指标权重w_j, 结果见表 5.

图 5描述了秋季(2018年10、11月)、冬季(2018年12月—翌年2月)、春季(2019年3—5月) 6个景观水体TLI统计结果.根据前述富营养化判断标准, 各景观水体都处于中度富营养状态, 这与2013年以前包河公园和雨花塘水体接近轻富营养等级阈值, 逍遥津公园接近中富营养等级的评估结果存在一定的出入, 表明环城公园水体富营养化程度趋于加重且差异化有所减小.总体上, 各景观水体的秋、冬、春季富营养化情况相差不大, 且逍遥津、包河公园水体富营养化程度较其它4个水体略轻一些.

3.5 多元统计分析 3.5.1 差异性分析

根据TN、NO₃^-、NH₄⁺、TP、SRP、COD和Chl-a等指标的14次采样数据信息, 开展6个景观水体的差异性分析, 结果见表 6.可以看出, 逍遥津公园、包河公园水体均与南淝河、黑池坝景区水体表现出极显著差异性(p < 0.010), 雨花塘公园和包河公园水体也表现出显著差异性(p=0.027), 其它情形未出现显著或极显著差异性(p>0.050).

3.5.2 聚类分析

采用与差异性分析相同的水质指标, 开展不同景观水体间亲疏关系的聚类分析, 结果见图 6.总体上, 可以将6个景观水体划分为两大类, 即逍遥津公园和包河公园水体归为一类, 代表水质状况稍好水体；其它4个景观水体归为一类, 代表水质状况相对较差水域.而在文献(李如忠等, 2014)中, 黑池坝和南淝河归为一类, 其余4个景观水体归为另一类, 明显与本研究存在出入, 表明近年来合肥市环城公园景观水体水质动态性与2013年以前发生了较为明显的变化.但由图 6仍可以看出, 南淝河和黑池坝水体仍归为一个子类, 雨花塘和银河公园归为另一子类, 这与文献(李如忠等, 2014)结果一致.

4 讨论(Discussion)

底泥疏浚对改善河湖水体水质状况有较为明显的效果(匡翠萍等, 2019).2004年前后, 合肥市政府曾对逍遥津公园和包河公园水体开展了大规模的底泥疏浚工作, 对改善这两个水体环境质量状况发挥了重要作用.从逐月水质采样和分析测试的结果看, 逍遥津和包河公园水体水质污染和富营养化程度较其它4个景观水体相对较轻, 这与十多年前的底泥清淤有着密切关系.但与2013年以前情况相比, 底泥疏浚带来的环境效应优势正在逐步减弱, 这从本研究的水质指标和富营养化评价结果可以清楚地反映出来.众所周知, 城市面源是导致城区水体污染和水生态环境质量下降的重要污染源之一(Burns et al., 2015; Peyton et al., 2016).根据徐微等(2013)的研究, 合肥市典型城区地表径流中COD事件的平均浓度(EMC)高达609 mg·L^-1, TN、TP、SS、NH₄⁺的EMC值分别为10.016、0.839、545和2.857 mg·L^-1, 表明地表径流水质污染严重.不仅如此, 城市污水管网系统中管道的老旧、破损、错接等原因也容易导致污水传输过程中发生渗漏(徐祖信等, 2016), 并通过与地表水的补给、排泄作用影响地表景观水质.合肥市老城区为合流制排水系统(张显忠, 2012), 日益增大的机动车振动负荷, 导致街道下排水管网渗漏加剧, 加之雨水调蓄设施缺乏, 暴雨期间排水系统溢流污染较为严重.在上述因素的共同作用下, 即便是省级政府机关迁出了老城区, 逍遥津公园和包河公园底泥疏浚的环境效应仍逐步弱化, 致使水质不能长期维持良好的状态(Michał et al., 2017), 由此导致逍遥津公园和包河公园水体TN、NO₃^-浓度提升较为明显.

在采用综合营养状态指数评价水体富营养化状况时, 通常是直接利用我国22个湖泊的Chl-a与其他参数的相关关系r_1j估算指标权重(舒凤月等, 2012; 林衡等, 2016).从分布情况看, 这些湖泊遍布全国不同空间区域, 水文气候特征、生物种类及构成情况差异巨大, 参数TN、TP、COD、BOD等与Chl-a的关系和作用机制复杂多样, 根据这些湖泊相关水质信息, 经统计分析得到的Chl-a与其它水质参数的相关性结论, 对于具体湖泊水体可能存在较大的出入.本研究采用上述技术方法, 但却是立足于水质实测数据估算各景观水体Chl-a与TN、NH₄⁺、TP、COD等指标的相关系数r_1j.由计算结果发现, 各指标与Chl-a之间的相关关系与我国22个湖泊的统计结果差别较大, 甚至部分景观水体水质指标与Chl-a的相关关系相当弱, 表明水体Chl-a与其他参数的相关关系具有显著的时空变化性、异质性特征.

作为开放式河流水体, 南淝河在流动性和水力交换能力方面明显优于封闭或半封闭的城市湖泊型景观水体, 但仍旧面临较为严重的水质退化和生态恶化局面.据不完全统计, 南淝河合肥城区段90%以上补给水来自于污水处理厂的尾水排放, 导致河水常年处于Ⅴ类或劣Ⅴ类, 河流干流常呈现明显的富营养化特征.针对南淝河城市河段的水环境修复, 可采用人工间歇曝气, 通过营造交替的厌氧、好氧环境, 提高脱氮效率(Fan et al., 2013).其它5个湖泊型水体由于水域相对较为封闭, 水循环过程周期长, 在不断发生的城市面源、地下渗流污染补给作用及长期累积的内源污染负荷的共同作用下, 很容易造成水质进一步恶化和重富营养化.针对这种封闭型水体, 可考虑综合采用多种技术措施加以治理, 如加强景观水体之间的水力连通, 营造良好的水动力条件；通过底泥疏浚, 去除长久沉积的内源氮磷污染负荷, 从而有效减少内源污染物释放影响；协调城市景观建设布局, 采用生态浮床或浮岛技术, 利用植物根系的吸收或吸附作用推动氮磷负荷削减(张小龙等, 2015)等.

5 结论(Conclusions)

1) 环城公园大部分景观水体的氮磷水质指标并未因搬迁工作而出现明显的好转, 反而大多数指标都表现出较2013年以前更差的特点.

2) 整个研究期间, 6个景观水体NO₃^-浓度均表现为下降的趋势, 而NH₄⁺则均呈现出升高的趋势, TN基本都表现为降低趋势；各景观水体磷素污染指标变化波动较大, 绝大多数水体SRP和Chl-a呈现升高态势, 各景观水体COD均有升高趋势, 且大多数表现为显著升高.

3) 水质评价结果表明, 各景观水体TN污染严重, 逍遥津和包河公园TP、NH₄⁺、COD等指标污染相对较轻；富营养化评价结果表明, 各水体均处于中富营养化状态, 总体较2013年以前富营养化程度有所加重.

4) 差异性分析表明, 逍遥津、包河公园与南淝河、黑池坝水体有显著的差异性；聚类结果表明, 黑池坝景区和南淝河归为污染严重的一类, 雨花塘和银河公园归为污染较重的一类, 逍遥津和包河公园归为污染较轻的一类.