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颐和园葫芦河对径流水质净化的研究

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作者:原作原创  来源:网络转载  发布时间:2016-12-16 16:55:00

 1 背景介绍 
  景观水系是城市景观的重要组成部分,随着时代背景改变,当代城市景观水系在具备传统特征的同时,向生态方向发展。工业革命后,现代城市出现了不同程度的淡水资源、园林绿地用水紧缺和污染问题。水体富营养化、微生物代谢污染、重金属污染是最突出的几种水质问题表现形式,也是城市水循环系统中需要重点处理的水质问题。在此要求下,现代水景设计应格外重视对水体生态工程技术的应用,并使相关技术在建成的水景中真正实现其生态功能,使景观水系不仅不会成为城市水循环系统的净水消费者,反而成为城市水循环系统的水质净化者。 
  雨水是地表水蒸发形成的结果。由于人类科技不断发展,工业废水、工厂有害气体、汽车尾气等最终被大气吸收而形成雨水,周而复始的恶性循环。雨水中少量二氧化硫、二氧化氮,还有空气中各种各样的杂质和浮尘。景观水系中降落的雨水和地表的径流是造成园林景观水质污染的一个重要来源。 
  位于北京颐和园内的昆明湖原为北京西北郊众多泉水汇聚成的天然湖泊。清朝,乾隆皇帝在瓮山一带兴建清漪园,将湖开拓并命名昆明湖,并将开拓昆明湖的土方按照原布局的需要堆放于万寿山上,使山体南北地势起伏较大。雨季,雨水对于万寿山山体冲刷不可避免,携带着泥沙的雨水从山上流入昆明湖,造成大量泥沙堆积,水体的清淤工作将非常繁重。古匠通过造景的手法,让万寿山上汇集的雨水径流先汇入一个小河。这些池塘叫‘沉淀池’,水流汇集到这里,流速会变缓,夹杂的泥土在这里自然沉降,再通过排水管道排入湖中,大大减少了湖水中的泥沙淤积,便于清淤。颐和园昆明湖旁就有一个葫芦形状的沉淀池,称为“葫芦河”,于山前平地上。从造景方面说,葫芦河的意义不大,和昆明湖开阔的水域相比,葫芦河太小,且水不深,基本无亲水性可言。 
  葫芦河的设置拦截了万寿山前山的暴雨径流,避免雨水直接冲击长廊的基础,沉降雨水中携带的树枝落叶和沙石。葫芦河的设置既利用了雨洪资源,又保护了建筑和游人的安全,兼有方便清淤的作用,可谓一举三得。但这一说法众说纷纭,古代建造的葫芦河是否有此功能,其效果到底如何,至今没有实验性研究和论证。 
  2 目的和方法 
  为论证葫芦河的生态意义,我们通过前期策划、连续四个月的实地调研和实验结果分,对葫芦河净化作用做深入地探究。 
  葫芦河水域面积约800平方米,沿岸边的水深约25cm,河中央的水深达40cm,位于万寿山山前平地,距昆明湖湖水之间的距离不过30米。葫芦河中主要生长着马尿花、菖蒲、睡莲这三种植物。 
  在2016年5月至8月4个月的时间,我们对湖水进行定点采水。葫芦河面积较小,湿地类型单一,实验确定了两个监测点位,分别为葫芦河中的水及昆明湖某一堤岸的水,取样采水点水深均为0.3m。我们在晴天和特殊天气进行采水监测,如降雨、冰雹天气等。采集来的水样在当天进行实验检测并录入结果。我们使用哈希DR3900水质分析仪、消解器DRB200双通道仪器来检验采集标本中的总氮、总磷、氨氮、固体悬浮物和化学需氧量五个指标,并和《地表水环境质量标准GB3838-2002》的各项指标进行比较。 
  《地表水环境质量标准GB3838-2002》是防治水污染、保护地表水水质、保障人体健康、维护良好的生态系统而制定的标准。该标准依据地表水水域环境功能和保护目标,按功能高低划分为五类,我们采取第Ⅳ类标准,即一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区,研究氨氮、总磷、总氮、COD、TSS五个参数。标准依次是:化学需氧量(COD)需≤30;氨氮(NH3-N)需≤1.5;总磷(P)需≤0.3(湖、库0.1);总氮(N)需≤1.5。TSS指标是本次实验的第五个参数。悬浮物是悬浮在水中的固体物质,包括不溶于水中的无机物、有机物及泥沙、黏土、微生物等,是造成水浑浊的主要原因,是衡量水污染程度的重要指标之一。 
  通过采集周期性的数据,按时间轴画出水质指标的柱状图,直接反映通过葫芦河对的地表径流的净化程度和对昆明湖的水质影响。 
  采水过程中水样的特殊性、实验时间的滞后性、实验过程中不可避免的操作误差都会对结果造成一定的影响。因此,我们在操作和实验中尽可能降低河水收集和操作过程中的误差。 
  3 结果和分析 
  3.1 晴天监测 
  在5月到8月4个月每月初的晴天,对昆明湖和葫芦河进行水质采集和检测,分别是5月4日、6月3日、7月6日、8月7日四天。 
  实验结果同国家地质标准水质的数据比较,两地水质的氨氮量均为标准数据,总磷都有所超标。8月葫芦河水样测得数据出现大幅度增长,超过国家标准值,其他各项数据均在国家地质水质标准的规范范围内。总氮与COD较接近标准内的最大极限数据。TSS数值均为昆明湖大于葫芦河。随着月份的推移,气温的变暖,各组数据的整体呈增长趋势,昆明湖的水质富营养化在5月到8月内,是逐步加重的。 
  3.2 雨天监测 
  在5月到8月连续四个月内的每一个降水日24h内对采水点进行采水和实验。控制不同天气变量的影响,得出尽可能更准确的结果。 
  实验结果同国家地质标准水质的数据比较,雨水径流水源经过葫芦河注入昆明湖的氨氮有所降低;葫芦河的总氮数值普遍高于国家标准;昆明湖的总氮数值个别超过国家标准;雨水径流经过葫芦河注入昆明湖后总氮值明显降低,使得昆明湖的水质有较大的提升;葫芦河然对水体中的总磷有着净化能力,但净化能力不足。雨水径流水源经过葫芦河注入昆明湖的COD有所降低。降水量对于水体中总磷的数据影响较大,降水量越大水体中的总磷数据越高。

3.3 晴雨天同时比较、监测 
  将5月到8月内所有采水日的晴天和降雨日的数据同时比较,进而分析葫芦河对雨水径流的净化作用及对昆明湖的影响。(柱状图的线框标注为晴天的采水日期及数据,其他日期均为雨天的采水日数据) 
  图4 NH3-N氨氮检测数据 
  5月到8月数据中,雨天的氨氮值总的来说大多高于晴天的氨氮值,且都远低于标准值,两地水质在氨氮量方面表现良好。雨水径流流入葫芦河的氨氮数值明显高于经过葫芦河流入昆明湖后河水的氨氮值,即葫芦河对于氨氮的净化有一定作用。 
  从实验数据看出,雨天的总氮值基本都高于晴天,即降雨会增加河水中总氮值含量。雨季,径流流到葫芦河的总氮含量偏高,而流经葫芦河进入昆明湖的总氮的含量有所下降,说明葫芦河对于总氮有净化作用。将数据和标准值作比较,河水流过葫芦河时的总氮量总是高于标准数值,通过葫芦河的净化,使总氮值有所下降,都达到了标准值或低于标准值。 
  从实验数据看出,雨天的总磷值基本都高于晴天,由此看出降雨会增加河水中总磷含量。雨季,雨水径流经葫芦河进入昆明湖后的总磷数值有所下降,但与标准基本项目标准限值相比,数值基本在标准值上下徘徊,说明葫芦河具有的吸收磷的能力有限,且均有所超标。 
  从实验数据看出,晴天的COD值低于下雨时,说明雨水对河中COD数值有增大的影响。雨季,径流经过葫芦河的过滤进入昆明湖后的OCD含量低于葫芦河,则葫芦河能降低径流中COD含量,对水质净化起到一定作用。将测量数据标准值比较,发现葫芦河和昆明湖的COD含量都远低于标准值,说明两地水质在COD方面良好。 
  通过数据对比,雨水冲刷地表形成雨水径流,携带了大量悬浮物,使晴天TSS含量低于雨天含量,河水污染加剧。数据显示晴天和降雨时TSS数值均为昆明湖大于葫芦河,由于葫芦河自身存在类似湿地的净化作用,能沉淀水中的杂质。 
  4 讨论总结 
  通过实验分析,呈现趋势显示: 
  第一,葫芦河具有较明显的净化作用。晴天,葫芦河的水质与昆明湖的差异相对较低,而雨季,地表径流流入葫芦河内,葫芦河水质情况差于昆明湖。水流经过葫芦河进入昆明湖,对氨氮、总氮及COD的净化作用显著,均恢复为正常标准;葫芦河对总磷有一定的降低作用,未达到国家标准值;而昆明湖水质的TSS指标持续较高。 
  第二,湿地中存在的微生物在污染物与微量元素的降解过程中起着一定作用,葫芦河就是这个这样的湿地系统,利用其自身的机制,净化了来自雨水和地表径流的水源,再流入昆明湖。 
  第三,可溶性有机物通过土壤中的生物膜(下转第页)(上接第页)的吸附及微生物的代谢过程被去除。从实验数据分析来看,降雨后葫芦河和昆明湖的COD值均明显上升,而晴天两地的COD值趋于同一区间,即葫芦河对地表径流中的有机物COD值有一定程度的净化作用,正是由于葫芦河中的土壤吸附了一定程度的有机物。 
  第四,湿地去除氮的机理主要包括水生植物的吸收、微生物的硝化/反硝化脱氮和氮的挥发。雨后葫芦河和昆明湖的总氮值均明显上升,而晴天两地的总氮值趋于同一区间且远低于雨季,葫芦河对地表径流的氮含量即通过这样的机制净化。葫芦河的水生植物除景观作用之外,对总氮的吸收和降解具有明显的生态作用。 
  第五,湿地对磷的去除是植收、微生物及物理化学作用等三方面共同作用的结果。葫芦河湿地系统通过这三种方式降低总磷含量。 
  第六,湿地对氨氮有一定降解效果,以微生物降解起主要作用。葫芦河通过微生物等对雨水、地表径流进行水质净化。 
  第七,雨后水质各指标降低,葫芦河水质的各项指标变化尤为明显;大部分污染物随着沉淀到葫芦河,减弱降水与地表径流对水体污染的作用。 
  第八,随着夏季的到来,温度的增加、气候变潮湿,昆明湖和葫芦河水质中的五项指标均有所增加。净化处理效果不甚稳定,处理效果随季节变化而变。 
  综上,葫芦河和昆明湖的水质大多超标,受降水影响大。葫芦河对降低昆明湖总磷的作用不足,需要结合其他净化方式;葫芦河对降低昆明湖氨氮、总氮及COD有一定作用,说明小湖对于大湖有着积极的净化过滤功能,对于人工湿地的建设提供了有效的有效依据和处理方式,意义较大。 
  由于人为或者实验仪器的原因造成了个别实验数据的误差,实验的精确性有待进一步提高。 
  5 结语 
  通过实验讨论,总结出完整雨季葫芦河和昆明湖的水质情况。葫芦河在工程上发挥的作用,类似的“沉淀池”,小水池间接地起着净化大湖水质的辅助功能、生态效益、经济效益。这个类似的功能可以加以推广,延续其作用,充分利用在园林建设和城市绿化设计中。在绿化建设中,此类小湖的净化功能需结合当地的气候、水质等进行设计及应用。但从水质净化而言沉淀池的作用不能完全解决水质净化问题,仍需从根源出发,减少水污染,通过其他净化措施与技术结合,以充分达到景观水系中水循环与利用。 
  由于采水的河水中,水质测量会存在着一定的各种微生物和微量元素分布不均的情况,以及实验中不可避免的误差会对实验造成一定的影响。我们会对采水方式进行改进,实验操作的过程尽量的精确,保证实验数据更加准确和科学。 
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