辽宁环渤海地区富营养水体成因及治理模式探讨

张欣欣

(盘锦市水利勘测设计有限公司，辽宁 盘锦 124000)

0 引 言

近年来，我国工业化和农业现代化得到了飞速的发展，但随之而来的又是一系列的环境问题，生产过程中产生的富含营养的废水，在没有被处理的情况下被直接排放到自然水体中，废水中的氮素等营养物质就在自然水体中聚集，随着时间的推移，营养物质逐渐增加，进而产生了水体富营养化并引发了一系列生态问题。水体富营养化的产生具有量大、面广、时空变化剧烈的特征，还因其随机、不确定性强导致对其难以监测、控制和治理[1-2]。

生物炭在处理水体富营养化问题上具有很强的实用性，已成为研究的热点，其表现出来优秀的氮去除能力为处理国内外严重的水体富营养化问题提供帮助。文章在探究富营养水体氮素成因的基础上，研究生物炭吸附水体富营水体氮素的吸附效果，以期为解决富营养化问题提供科学依据[3-4]。

1 研究材料与方法

1.1 降雨数据采集

使用的雨量数据是来自中国气象局东北区域气象中心，选取了辽宁环渤海区域内时间跨度大、数据记录全、空间代表性强的10个气象站(营口站、大洼站、丹东站等10个气象站)。提取了辽宁环渤海区域1960-2015年的历年降雨数据。其他地区采用克里金插值法进行空间插值处理。表1为各气象站的基本概况。

表1 气象站概况

1.2 温度数据采集

首先选用了表1中10个气象站提供的温度数据对辽宁环渤海地区长时间内的温度变化进行分析。但是在研究取样点的温度对铵态氮浓度影响分析的时候，通过气象站得到的温度数据就会因受到自然植被和水体分布的影响，加上地形的影响，这就导致了气象站台的温度数据不再有代表性。借助于遥感，可以获得地面的实时温度数据，这个方法为获取地表真实温度提供了可能[5]。在分析取样点温度的时候，通过研究Landsat8提供的卫星数据，并利用ENVI工具对获得的卫星数据进行分析并获得温度数据。

1.3 铵态氮采集与测定

为了更加科学准确地了解辽宁环渤海地区的富营养化问题。本团队于2019年9月底，前往辽宁环渤海地区几个具有代表性的灌区和河流进行水样采集。取样点位置分布如图1所示：

图1 研究区域及取样点分布

1.4 生物炭治理模式

试验材料和仪器：

1)玉米秸秆生物炭；

2)试剂:颗粒状的氯化铵、铵氮显色剂；试验所用试剂等级为分析纯，试验用水为去离子水；

3)仪器:紫外分光光度计。

4)烧杯、玻璃棒、量筒、滤纸、精度为0.01g的计量秤、注射器、胶头滴管、小烧瓶若干个。

试验步骤：

1)配置浓度为2mg/L的氯化铵溶液，量取50毫升于锥形瓶内备用，共量取7组；

2)称取6组相同质量的生物炭备用；

3)隔5min、10min、15min、30min、60min将生物炭倒入锥形瓶内摇匀，等待过滤；

4)用滤纸过滤，过滤的溶液保存后用；

5)制取铵氮溶液标准液；

6)用移液器量取2ml过滤溶液及标准液于比色管中，加入铵氮显色剂，显色一小时；

7)用自分光光度计测溶液中铵氮离子的浓度，获得数据；

8)以上试验做三组重复试验；

9)改变生物炭用量：0.3g、0.9g、1.5g、3g、6g，重复上述试验步骤获得数据；

10)统计分析，总结。

2 研究结果

2.1 辽宁环渤海地区降雨时空分布特征

通过计算线性趋势法和滑动平均法研究项目地区年降水资料计算得出的降水量年际变化曲线如图2所示。通过曲线可以直观地发现辽宁环渤海地区降水的明显波动变化。1964年研究区域年降雨量最大，为1123.8mm；2014年年降雨量最少，为449.3 mm，在整个时段中，降雨量总体变化为缓慢降低。降速达到11.267mm/10a。多年平均降水量为703.44 mm。

图2 辽宁环渤海地区降水量年际变化曲线

统计各个取样点的年平均降雨量数据进行克里金插值分析，得到如图3所示的辽宁环渤海地区将于分布图：

2.2 辽宁环渤海地区温度时空分布特征

使用线性趋势法和滑动平均法计算统计辽宁环渤海地区平均温度资料得出的平均温度年际变化曲线如图4所示。通过变化曲线可以看出，辽宁环渤海地区的年平均温度波动变化明显。1969年的年平均温度最低，达到了8.12℃，2007年的年平均温度最高，达到了10.90℃。多年平均温度为9.44℃。

图3 辽宁环渤海地区降雨分布图

图4 辽宁环渤海地区历史平均温度

结合气象站、历史年鉴和相关文献等获得的数据进行整合，获得辽宁地区历史5-9月份的温度。在对各个取样点5-9月的温度数据进行纵向分析，获得了辽宁环渤海地区如图5所示的时间分布特征。从图中可以观察到，各研究地区在研究月(5-9月)内温度变化都是“先增后减”都在7月或8月份达到最大值。其中，大石桥地区的研究月(5-9月)出现了最高温度32.14℃，最低值出现在长山县的五月份21.77℃。

图5 各取样点研究月份温度变化图

2.3 辽宁环渤海地区主要水样养分富集程度分析

2.3.1 铵态氮浓度

对9个取样点共计18个样品进行铵态氮浓度检测分析，取平均值整理后得到了如表2所示数据。

表2 铵态氮浓度

从获得的数据上可以发现：在所有的样品中，铵态氮的浓度都超过了0.3mg/L，多数都多于在0.5mg/L，在辽宁丹东大房身乡的一个渠道中，铵态氮的浓度达到了1.8497mg/L。所有样品中铵态氮含量的最小值也达到了0.3873mg/L。

参考国内部分水库、湖泊的评价标准和以往学者的研究,确定水体富营养化评价标准[6]。如表3所示：

表3 水体富营养化分级标准

在此标准下，所有的取样点都达到了“轻度营养化”；而“大房身渠道”取样点达到了“中度富营养化”。从这9个取样点可以说明辽宁环渤海地区出现了不同程度的富营养化，富营养化已经是一个很严重的问题，解决富营养化问题已经迫在眉睫。

2.3.2 温度、降雨与富营养水体的关联分析

数据的相关性分析是生活中运用十分广泛的一种数据分析方法。表达事物之间相互联系的有两种方式：相关关系和回归关系(函数关系)。在对辽宁环渤海地区的降雨量—铵态氮浓度、温度—铵态氮浓度进行相关性分析后，获得表4。降雨量与铵态氮浓度的相关程度约为0.478，相关性为中等相关；温度与铵态氮浓度的相关程度为约-0.161，相关关系为负相关，且相关性较弱。

表4 采样点数据及相关性分析

3.4 生物炭治理模式与试验研究

图6 不同量生物炭吸附率曲线(铵根离子浓度为2.0mg/L)

生物炭是优良的处理废水材料。通过图6可以发现：在铵根离子浓度为2mg/L，生物炭投入量分别为0.3g、0.9g、1.5g、3g、6g试验条件下，各个试验组的生物炭在前10分钟的吸附效率都很高，这体现了生物炭优越的吸附性能。随着生物炭投入量的增加，吸附量也在增加。生物炭量从0.3g增加到6g，吸附率从15.65%左右增加到43.35%以上增加了约27.7%[7]。

3 结 论

GIS和ENVI分析表明，辽宁环渤海地区的年内降雨和温度分布均有较为明显的时间和空间分布差异，研究区域的年平均降雨量呈现波动下降的趋势，年平均温度呈现波动上升的趋势。相关分析表明，降雨是影响水体中铵态氮浓度的重要因素，对于降雨量多的东部地区更应该注意水体富营养化的防治，因此农田有效地利用自然降雨量成为阻止水体富营养化的关键。辽宁环渤海地区的水体富营养现况非常的严峻，以丹东地区最为严重，其富营养水体中的氨氮浓度最高达1.85mg/L，而生物炭室内吸附试验表明生物炭对低浓度富营养水体中氨氮的吸附率高达43.35%，用于处理富营养水体有着光明的前景。