大學校園人工水體的地球化學晝夜演變過程研究

摘 要：校園人工水體是校園景觀的重要組成部分，開展相關研究，從科學的角度規劃水體景觀，能極大地改善校園生態環境和人居環境，提升高校形象，實現人與自然的和諧發展。同時，研究人工水體地球化學的晝夜演變過程有助于進一步認識人工水體的存儲過程、運移規律及動態變化特征，能更好地掌握外界環境輸入的污染物對人工水體系統的影響。本文以西南大學崇德湖為例，采用多指標高分辨率在線監測和實驗室分析相結合的方法，獲取崇德湖水體的物理化學指標，對人工水體地球化學的晝夜演變過程進行研究。

關鍵詞：人工水體 地球化學 晝夜演變過程 西南大學崇德湖

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

1研究區概況

1.1自然環境概況

崇德湖是一座中型規模的景觀水體，位于重慶市北碚區西南大學（106°18′14″E～106°56′ 53″E、29°39′10″N～10°3′53″N）第八教學樓、李園學生園區旁，由4個小湖組成（圖1），靠近第八教學樓的為一號湖，白帆下方的為二號湖，圖書館對面分別是三號湖和四號湖。四個小湖底部之間均有管道相連，湖水可以由上方地勢較高的小湖流入下方地勢較低的小湖，實現湖水的水循環和平衡供給。崇德湖周圍地形較為開闊，東北西三面地勢明顯高于南面，降雨形成的地表徑流從周圍匯集到湖中。崇德湖地處于亞熱帶季風氣候區，雨量充沛，有春早、夏熱、秋短、冬遲的特征，最高氣溫可達44.3℃，最低氣溫至-3.1℃，年平均氣溫18.2℃。

圖1 崇德湖區位圖

1.2功能與現狀概況

崇德湖能產生小環境效應，能對附近的氣候產生良好的影響，能充分發揮分隔不同功能區、阻隔噪音、休閑娛樂等功能。同時，崇德湖周邊有小山、樹木、草地等綠化環境較好的空間，在一定程度上達到了“水清岸綠”的效果，對于改善校園生態環境和學習生活環境有重要的作用。

由于周圍人類活動頻繁，水體富營養化嚴重，水體透明度下降，濁度增加，時常呈現出顏色發黃黑，滿湖綠色浮萍且有異味的現象，嚴重影響其應有的功能。

2 研究方法

本研究采用儀器在線記錄、人工采樣、實驗室分析相結合的方法，選取2014年11月15日16：00至2014年11月16日20：00共28h的崇德湖水質晝夜動態變化為分析對象。

2.1儀器在線記錄

為準確記錄水質的晝夜變化規律，研究利用Manta2多參數水質分析儀（美國Eureka公司生產）在線測定水溫、溶解氧、pH值、電導率等物理指標，測試精度分別為0.01℃、0.01mg/L、0.01、0.1μS/cm，測試時間間隔為5min。同時，在崇德湖的護欄上安裝了GLZ-A型光合有效輻射記錄儀（浙江托普公司生產）以測試光合有效輻射強度，測試時間步長值設定為1min，測試精度為1μmol/m2·s。

2.2人工采樣

利用多參數水質分析儀自動監測的同時，進行2h間隔的人工采樣。

水體主要陽離子及微量元素取樣、陰離子取樣：用1：3硝酸提前浸泡48h并用超純水潤洗干凈的60mL聚乙烯瓶取陽離子樣品，現場加入2滴1：1優級純硝酸，以保持金屬離子活性；陰離子取樣則使用的是500mL聚乙烯瓶。共取30件水樣，陰陽離子樣品預處理完畢后運至實驗室4℃冷藏，具體保存和運送方法按文獻[1]。

2.3實驗室分析

水樣采集后于5d內在地球化學與同位素實驗室中進行陰陽離子的測定。K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+、Zn2+、全Fe、全Mn等陽離子的含量利用PerkinElmer Optima 21 DV型電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES）測定，儀器檢測下限為0.001mg/L，1h內RSD小于2%。SO42-、NO3-和PO43-等陰離子的濃度采用UV-2450紫外分光光度計測定。

3研究結果與分析

3.1物理指標動態變化分析

圖22014年秋季崇德湖水體物理指標晝夜動態變化圖

3.1.1 水溫

如圖2所示，研究期內湖水溫度變化范圍為16.2℃～16.5℃，變化幅度較小，崇德湖水溫的日變化主要是受氣溫和光照的影響，水溫變化較有規律。

3.1.2 溶解氧

溶解氧濃度晝夜變化范圍為4.9 mg/L～6.33mg/L，濃度最低值出現在11月16日的20：25，最高值出現在11月15日的16：35。水中微生物在光合作用下產生大量O2，同時，水溫的上升使得微生物呼吸作用、有機物分解的耗氧作用變強，也消耗了一定量的O2。但總體上，產氧速率顯著高于耗氧速率，使得溶解氧濃度在白天仍呈現上升趨勢。夜晚，光合作用逐漸減弱，產氧速率低于耗氧速率，使得溶解氧濃度下降，并在清晨達到最低值，因此，溶解氧濃度呈現出一定的“峰谷現象”。

3.1.3 pH值

水體pH值的波動范圍為7.35～7.51，最低值出現在11月16日的20：30，最高值出現在11月15日的17：40。pH值總體呈現出白天升高，夜晚降低的趨勢。這表明在白天光合作用的影響下，水中的CO2被吸收含量下降，水體酸性減弱，導致pH值升高，隨著光合作用減弱，呼吸作用占主導后，CO2被釋放，含量增加并不斷積累，水體酸性增強，pH值降低。崇德湖的pH值整體偏高，呈弱堿性，這可能存在碳酸鹽巖和白云巖的風化作用[2]。湖水上方有大量碳酸鹽巖的景觀石，周圍土壤是含有碳酸鈣的紫色土，在降水淋溶和地表徑流的侵蝕下，有大量鈣離子進入湖中導致湖水pH值升高，從而使得pH值總體呈弱堿性。

3.1.4 電導率

電導率的晝夜變化范圍為454μS/cm～458μS/cm，在11月16日的14：30達到最低值，在11月15日的17：30達到最高值。電導率由溶解在水體中的離子濃度、種類和水溫等因素決定。在研究期內，電導率整體呈現出白天降低，夜晚升高的趨勢，崇德湖的電導率整體偏高，表明水體離子濃度較高。一方面是由于崇德湖周圍為教學區和學生生活園區，人類活動產生的物質在大氣降水以及地表徑流的作用下將大量離子匯入湖中，導致電導率升高。另一方面，則是由于崇德湖周圍的碳酸鹽巖景觀石和含碳酸鈣的紫色土使得水體中鈣離子濃度極高，從而使得電導率升高。此外，電導率能在水質分析中作為一個重要指標反映水體的污染情況，水污染越嚴重，水體的電導率越高。

綜上分析，白天光合有效輻射、水體溶解氧濃度、pH值之間呈極好的正相關關系，同時這些指標與電導率存在顯著的負相關關系。而夜晚則相反。這主要是因為白天光合有效輻射促進水體中綠色植物的光合作用，吸收水體中的CO2，釋放出O2，使得水體中的溶解氧濃度升高，pH值升高。同時，一方面由于水體的pH值升高，酸性減弱，導致水中的溶質減少，另一方面由于水生植物的光合作用吸收水體中的營養成分，進一步促使水體溶質的減少，這兩方面共同導致了水體電導率的降低。而夜晚，則表現出相反的地球化學過程。

3.2化學指標動態變化分析

通過對水樣進行室內測試分析，得出崇德湖陰陽離子的濃度（表1），其中Ca2+的含量最高，并且崇德湖水體的重金屬含量沒有超標。

4結語

在2014年11月15日～16日對崇德湖水體的光合有效輻射、水溫、溶解氧、pH值、電導率等物理指標進行在線高分辨率監測，對水體常見的陰陽離子等化學指標進行實驗室的分析測試，將獲取的物理化學指標進行了定量和定性分析，得出崇德湖人工水體地球化學的晝夜演變規律。在秋季，崇德湖表層的溶解氧濃度主要受到光合作用、呼吸作用及氧化作用的影響，總體呈現出白天升高，夜晚降低的趨勢；pH值偏高，呈弱堿性，表層pH主要受光合作用、呼吸作用、氧化作用的影響，因此也呈現了白天升高，夜晚降低的趨勢。水體的電導率呈現白天降低，夜晚升高的趨勢，但電導率整體偏高，這一特征與崇德湖周圍的紫色土及碳酸鹽巖景觀石的淋溶作用關系密切，紫色土中的鐵元素和碳酸鹽巖中的鈣元素在雨水作用下大量進入湖中，水體中的離子含量增多，使得電導率上升。水體的溶解氧濃度、pH值之間呈極好的正相關關系，同時這兩者與電導率存在顯著的負相關關系。

當前，崇德湖水體的總細菌數明顯高于生活飲用水衛生標準，且屬于污染較為嚴重的富營養化水體。因此，針對崇德湖水體的外界污染來源，應當安排專人定期打撈漂浮在崇德湖上的枯草、樹葉及垃圾，優化崇德湖中的動物種類、數量和比例，限制魚類的垂釣。可以結合植物生長的特性，在崇德湖中種植部分水生植物，從而達到凈化水質的目的。同時，要從源頭做起對水體進行維護，并加強對崇德湖水體的管理與政策宣傳，提高人們保護水資源與水環境的意識。

參考文獻

[1] 余超.城市公共空間人工水體景觀設計與生態策略探析[D].西安：西安建筑科技大學，2010.

[2] 胡春華.鄱陽湖水環境特征及演化趨勢研究[D].南昌：南昌大學，2010：31-33.

[3] 謝慧聰.北方地區人工水體景觀設計研究[D].大連：大連理工大學，2012.