遼寧環(huán)渤海地區(qū)富營(yíng)養(yǎng)水體成因及治理模式探討

張欣欣

(盤(pán)錦市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，遼寧 盤(pán)錦 124000)

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)工業(yè)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化得到了飛速的發(fā)展，但隨之而來(lái)的又是一系列的環(huán)境問(wèn)題，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的富含營(yíng)養(yǎng)的廢水，在沒(méi)有被處理的情況下被直接排放到自然水體中，廢水中的氮素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)就在自然水體中聚集，隨著時(shí)間的推移，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)逐漸增加，進(jìn)而產(chǎn)生了水體富營(yíng)養(yǎng)化并引發(fā)了一系列生態(tài)問(wèn)題。水體富營(yíng)養(yǎng)化的產(chǎn)生具有量大、面廣、時(shí)空變化劇烈的特征，還因其隨機(jī)、不確定性強(qiáng)導(dǎo)致對(duì)其難以監(jiān)測(cè)、控制和治理[1-2]。

生物炭在處理水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題上具有很強(qiáng)的實(shí)用性，已成為研究的熱點(diǎn)，其表現(xiàn)出來(lái)優(yōu)秀的氮去除能力為處理國(guó)內(nèi)外嚴(yán)重的水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題提供幫助。文章在探究富營(yíng)養(yǎng)水體氮素成因的基礎(chǔ)上，研究生物炭吸附水體富營(yíng)水體氮素的吸附效果，以期為解決富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題提供科學(xué)依據(jù)[3-4]。

1 研究材料與方法

1.1 降雨數(shù)據(jù)采集

使用的雨量數(shù)據(jù)是來(lái)自中國(guó)氣象局東北區(qū)域氣象中心，選取了遼寧環(huán)渤海區(qū)域內(nèi)時(shí)間跨度大、數(shù)據(jù)記錄全、空間代表性強(qiáng)的10個(gè)氣象站(營(yíng)口站、大洼站、丹東站等10個(gè)氣象站)。提取了遼寧環(huán)渤海區(qū)域1960-2015年的歷年降雨數(shù)據(jù)。其他地區(qū)采用克里金插值法進(jìn)行空間插值處理。表1為各氣象站的基本概況。

表1 氣象站概況

1.2 溫度數(shù)據(jù)采集

首先選用了表1中10個(gè)氣象站提供的溫度數(shù)據(jù)對(duì)遼寧環(huán)渤海地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的溫度變化進(jìn)行分析。但是在研究取樣點(diǎn)的溫度對(duì)銨態(tài)氮濃度影響分析的時(shí)候，通過(guò)氣象站得到的溫度數(shù)據(jù)就會(huì)因受到自然植被和水體分布的影響，加上地形的影響，這就導(dǎo)致了氣象站臺(tái)的溫度數(shù)據(jù)不再有代表性。借助于遙感，可以獲得地面的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，這個(gè)方法為獲取地表真實(shí)溫度提供了可能[5]。在分析取樣點(diǎn)溫度的時(shí)候，通過(guò)研究Landsat8提供的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并利用ENVI工具對(duì)獲得的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并獲得溫度數(shù)據(jù)。

1.3 銨態(tài)氮采集與測(cè)定

為了更加科學(xué)準(zhǔn)確地了解遼寧環(huán)渤海地區(qū)的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題。本團(tuán)隊(duì)于2019年9月底，前往遼寧環(huán)渤海地區(qū)幾個(gè)具有代表性的灌區(qū)和河流進(jìn)行水樣采集。取樣點(diǎn)位置分布如圖1所示：

圖1 研究區(qū)域及取樣點(diǎn)分布

1.4 生物炭治理模式

試驗(yàn)材料和儀器：

1)玉米秸稈生物炭；

2)試劑:顆粒狀的氯化銨、銨氮顯色劑；試驗(yàn)所用試劑等級(jí)為分析純，試驗(yàn)用水為去離子水；

3)儀器:紫外分光光度計(jì)。

4)燒杯、玻璃棒、量筒、濾紙、精度為0.01g的計(jì)量秤、注射器、膠頭滴管、小燒瓶若干個(gè)。

試驗(yàn)步驟：

1)配置濃度為2mg/L的氯化銨溶液，量取50毫升于錐形瓶?jī)?nèi)備用，共量取7組；

2)稱取6組相同質(zhì)量的生物炭備用；

3)隔5min、10min、15min、30min、60min將生物炭倒入錐形瓶?jī)?nèi)搖勻，等待過(guò)濾；

4)用濾紙過(guò)濾，過(guò)濾的溶液保存后用；

5)制取銨氮溶液標(biāo)準(zhǔn)液；

6)用移液器量取2ml過(guò)濾溶液及標(biāo)準(zhǔn)液于比色管中，加入銨氮顯色劑，顯色一小時(shí)；

7)用自分光光度計(jì)測(cè)溶液中銨氮離子的濃度，獲得數(shù)據(jù)；

8)以上試驗(yàn)做三組重復(fù)試驗(yàn)；

9)改變生物炭用量：0.3g、0.9g、1.5g、3g、6g，重復(fù)上述試驗(yàn)步驟獲得數(shù)據(jù)；

10)統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)。

2 研究結(jié)果

2.1 遼寧環(huán)渤海地區(qū)降雨時(shí)空分布特征

通過(guò)計(jì)算線性趨勢(shì)法和滑動(dòng)平均法研究項(xiàng)目地區(qū)年降水資料計(jì)算得出的降水量年際變化曲線如圖2所示。通過(guò)曲線可以直觀地發(fā)現(xiàn)遼寧環(huán)渤海地區(qū)降水的明顯波動(dòng)變化。1964年研究區(qū)域年降雨量最大，為1123.8mm；2014年年降雨量最少，為449.3 mm，在整個(gè)時(shí)段中，降雨量總體變化為緩慢降低。降速達(dá)到11.267mm/10a。多年平均降水量為703.44 mm。

圖2 遼寧環(huán)渤海地區(qū)降水量年際變化曲線

統(tǒng)計(jì)各個(gè)取樣點(diǎn)的年平均降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金插值分析，得到如圖3所示的遼寧環(huán)渤海地區(qū)將于分布圖：

2.2 遼寧環(huán)渤海地區(qū)溫度時(shí)空分布特征

使用線性趨勢(shì)法和滑動(dòng)平均法計(jì)算統(tǒng)計(jì)遼寧環(huán)渤海地區(qū)平均溫度資料得出的平均溫度年際變化曲線如圖4所示。通過(guò)變化曲線可以看出，遼寧環(huán)渤海地區(qū)的年平均溫度波動(dòng)變化明顯。1969年的年平均溫度最低，達(dá)到了8.12℃，2007年的年平均溫度最高，達(dá)到了10.90℃。多年平均溫度為9.44℃。

圖3 遼寧環(huán)渤海地區(qū)降雨分布圖

圖4 遼寧環(huán)渤海地區(qū)歷史平均溫度

結(jié)合氣象站、歷史年鑒和相關(guān)文獻(xiàn)等獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，獲得遼寧地區(qū)歷史5-9月份的溫度。在對(duì)各個(gè)取樣點(diǎn)5-9月的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向分析，獲得了遼寧環(huán)渤海地區(qū)如圖5所示的時(shí)間分布特征。從圖中可以觀察到，各研究地區(qū)在研究月(5-9月)內(nèi)溫度變化都是“先增后減”都在7月或8月份達(dá)到最大值。其中，大石橋地區(qū)的研究月(5-9月)出現(xiàn)了最高溫度32.14℃，最低值出現(xiàn)在長(zhǎng)山縣的五月份21.77℃。

圖5 各取樣點(diǎn)研究月份溫度變化圖

2.3 遼寧環(huán)渤海地區(qū)主要水樣養(yǎng)分富集程度分析

2.3.1 銨態(tài)氮濃度

對(duì)9個(gè)取樣點(diǎn)共計(jì)18個(gè)樣品進(jìn)行銨態(tài)氮濃度檢測(cè)分析，取平均值整理后得到了如表2所示數(shù)據(jù)。

表2 銨態(tài)氮濃度

從獲得的數(shù)據(jù)上可以發(fā)現(xiàn)：在所有的樣品中，銨態(tài)氮的濃度都超過(guò)了0.3mg/L，多數(shù)都多于在0.5mg/L，在遼寧丹東大房身鄉(xiāng)的一個(gè)渠道中，銨態(tài)氮的濃度達(dá)到了1.8497mg/L。所有樣品中銨態(tài)氮含量的最小值也達(dá)到了0.3873mg/L。

參考國(guó)內(nèi)部分水庫(kù)、湖泊的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和以往學(xué)者的研究,確定水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[6]。如表3所示：

表3 水體富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

在此標(biāo)準(zhǔn)下，所有的取樣點(diǎn)都達(dá)到了“輕度營(yíng)養(yǎng)化”；而“大房身渠道”取樣點(diǎn)達(dá)到了“中度富營(yíng)養(yǎng)化”。從這9個(gè)取樣點(diǎn)可以說(shuō)明遼寧環(huán)渤海地區(qū)出現(xiàn)了不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化，富營(yíng)養(yǎng)化已經(jīng)是一個(gè)很?chē)?yán)重的問(wèn)題，解決富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫。

2.3.2 溫度、降雨與富營(yíng)養(yǎng)水體的關(guān)聯(lián)分析

數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析是生活中運(yùn)用十分廣泛的一種數(shù)據(jù)分析方法。表達(dá)事物之間相互聯(lián)系的有兩種方式：相關(guān)關(guān)系和回歸關(guān)系(函數(shù)關(guān)系)。在對(duì)遼寧環(huán)渤海地區(qū)的降雨量—銨態(tài)氮濃度、溫度—銨態(tài)氮濃度進(jìn)行相關(guān)性分析后，獲得表4。降雨量與銨態(tài)氮濃度的相關(guān)程度約為0.478，相關(guān)性為中等相關(guān)；溫度與銨態(tài)氮濃度的相關(guān)程度為約-0.161，相關(guān)關(guān)系為負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性較弱。

表4 采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)及相關(guān)性分析

3.4 生物炭治理模式與試驗(yàn)研究

圖6 不同量生物炭吸附率曲線(銨根離子濃度為2.0mg/L)

生物炭是優(yōu)良的處理廢水材料。通過(guò)圖6可以發(fā)現(xiàn)：在銨根離子濃度為2mg/L，生物炭投入量分別為0.3g、0.9g、1.5g、3g、6g試驗(yàn)條件下，各個(gè)試驗(yàn)組的生物炭在前10分鐘的吸附效率都很高，這體現(xiàn)了生物炭?jī)?yōu)越的吸附性能。隨著生物炭投入量的增加，吸附量也在增加。生物炭量從0.3g增加到6g，吸附率從15.65%左右增加到43.35%以上增加了約27.7%[7]。

3 結(jié) 論

GIS和ENVI分析表明，遼寧環(huán)渤海地區(qū)的年內(nèi)降雨和溫度分布均有較為明顯的時(shí)間和空間分布差異，研究區(qū)域的年平均降雨量呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì)，年平均溫度呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì)。相關(guān)分析表明，降雨是影響水體中銨態(tài)氮濃度的重要因素，對(duì)于降雨量多的東部地區(qū)更應(yīng)該注意水體富營(yíng)養(yǎng)化的防治，因此農(nóng)田有效地利用自然降雨量成為阻止水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵。遼寧環(huán)渤海地區(qū)的水體富營(yíng)養(yǎng)現(xiàn)況非常的嚴(yán)峻，以丹東地區(qū)最為嚴(yán)重，其富營(yíng)養(yǎng)水體中的氨氮濃度最高達(dá)1.85mg/L，而生物炭室內(nèi)吸附試驗(yàn)表明生物炭對(duì)低濃度富營(yíng)養(yǎng)水體中氨氮的吸附率高達(dá)43.35%，用于處理富營(yíng)養(yǎng)水體有著光明的前景。