北京水环境的科学密码

北京日期:2022-01-15 00:38

1.前言(由于格式原因,请横屏或使用平板阅读)

1.1水环境简介

水环境是指自然界中水的形成、分布和转化所处空间的环境。是指围绕人群空间及可直接或间接影响人类生活和发展的水体。在地球表面,水体面积约占地球表面积的71%。水是由海洋水和陆地水二部分组成,分别占总水量的97.28%和2.72%。后者所占总量比例很小,且所处空间的环境十分复杂。水在地球上处于不断循环的动态平衡状态。天然水的基本化学成分和含量,反映了它在不同自然环境循环过程中的原始物理化学性质,是研究水环境中元素存在、迁移和转化和环境质量(或污染程度)与水质评价的基本依据。水环境主要由地表水环境和地下水环境两部分组成。地表水环境包括河流、湖泊、水库等,地下水环境包括泉水、浅层地下水、深层地下水等。水环境是构成环境的基本要素之一,是人类社会赖以生存和发展的重要场所,也是受人类干扰和破坏最严重的领域。水环境的污染和破坏已成为当今世界主要的环境问题之一。

图1   污水排放


1.2.日本正式决定排放核污水

据人民日报报道,日本政府已经正式作出“将福岛核水排入大海”的决定,消息一出,舆论哗然,一时间成了国际上的热门话题。大约124万吨的核污水一旦排到大海,最终汇入太平洋。核污水中含有放射性物质,其中最难被消除的是“氚”,其半衰期为12年,要想将大部分氚消除,至少需要60年。虽然氚如果没有直接接触不会穿透人体,但是饮用水中若有氚,就可以通过消化道等途径进入人体,进而对人类染色体产生消极影响。

 

1.3地球环境现状分析

自工业革命开始以来,地球的生态环境开始走了下坡路。如同日本排放核污水的事件。海洋生态系统是很重要的生态系统,这么做在污染水资源的同时,对人们的影响也是很大的。近年来水资源受到了严重破坏,这不仅关乎人们的健康,更事关生态平衡。水是生命之源,如果我们不先从眼前的珍惜爱护水资源做起,世界上的最后一滴水将会是人的眼泪。

 

2.研究目的

通过对北京水环境的调查与分析,了解北京的水质现状,通过分析水质与人类活动之间的潜在关系,激发人们心中保护环境、爱护水资源与节约资源的意识,并有针对性地提出水污染防治措施的建议。

 

3.研究过程

3.1制定研究计划

我们在城区(四环以内)、近郊(四环至六环)和远郊(六环外)各选取了2个地点作为该地区的代表进行水质采集:

城区:三里河公园、凉水河

近郊:亮马河、将府公园

远郊:德胜口水库、青龙峡

以上取样地点水体均为自然流动水体,可以直接反映出该地区的生态环境情况。我们安排分工,在十一假期前往采水。

图2 水样采集地


3.2水体取样

选取干净干燥的矿泉水瓶和饮料瓶作为采样容器,由父母陪同前往水源地采水。采集的水体临时保存在冰箱的保鲜层,第二天进行统一检测。



3.3准备实验材料

    TDS检测笔、水质检测试纸、20μL移液枪、20μL枪头、玻璃棒。

 

4.实验结果和数据分析

4.1 PH值

PH值,即氢离子H+)浓度指数是指溶液中氢离子的总数和总物质的量的比。PH是水溶液最重要的理化参数之一,涉及水溶液的自然现象与PH值均有关。一般地,当PH值<7时,溶液呈酸性;PH值=7时,溶液呈中性;PH值>7时,溶液呈碱性。而我们生活中的水就是溶液。人体的PH值在7.35-7.45之间,所以人们饮用弱碱水比较好,饮用水的PH值在6.5-8.5之间,过多的引用偏酸性或偏碱性的水,会对人的身体健康造成危害。

我们用PH计算机在多次测量求平均值后,得到了表1数据

1  各地水质的PH


三里河公园

凉水河

亮马河

将府公园

德胜口水库

青龙峡

PH

7.12

8.34

8.26

7.76

6.84

7.25

酸碱性

弱碱性

弱碱性

弱碱性

弱碱性

弱酸性

弱碱性

  按我国《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中功能分类标准看,我们发现,六个地区的水样均达到国家地表水水质的标准中类水,即集中式生活饮用水水源地二级保护区标准(6.5<PH<8.5)。这反映出北京市在对水质的治理和保护上有较好的结果,为人们的生活用水提供了一定的保障。数据同时也反映出,近年来国家对生态环境的综合治理有了很好的成效,没有表现出明显的酸性水体。有利于动植物的生存繁殖。

 

4.2 硬度

水的硬度是指水中钙、镁离子沉淀肥皂水化液的能力,一般用CaCO3(碳酸钙)的浓度来表示水的硬度。以下是水硬度的划分等级:

0~75mg/L 极软水                   75~150mg/L 软水

150~300mg/L 中硬水              300~450mg/L 硬水

450~700mg/L 高硬水               700~1000mg/L 超高硬水

>1000mg/L 特硬水

水的硬度表示水中重金属物质和矿物质的含量,水的硬度对生活影响很大。研究显示,由硬水所致的水垢会造成1/3以上的燃料浪费。随着水垢的日渐累积,还会造成设备的管路堵塞、流量减小、加热效率下降等。一般地,水的硬度越低,水质越好。

我们用试纸在多次测量后取平均值,得到了表2数据:

2 各地水质的硬度值


三里河公园

凉水河

亮马河

将府公园

德胜口水库

青龙峡

硬度

233

267

468

542

94

97

  通过数据对比我们发现:水的硬度呈现远郊<城区<近郊的关系。其中远郊水为软水水质,近郊水为高硬水,而城区水为中硬水。有研究表明轻度及中度硬水更适合人类饮用,可见若要将北京市的自然水体作为饮用水来源,近郊水和远郊水都需要经过一定的硬度处理。

  我们得到水环境呈现远郊好于城区好于近郊的结论。硬度越低代表重金属含量越少,而重金属等污染物质是人们生产生活所产生的,由此可以推断近郊水的污染现象仍然严重,政府等国家机关与相关部门应加大对近郊水质的监测与管理,人们在日常生活中也需要保护自己身边的水环境。

 

4.3 TDS值

       TDS值即总溶解固体,又称溶解性固体总量,测量单位为毫克/升(mg/L,它表明1升水中溶有多少毫克溶解性固体。TDS值越高,表示水中含有的溶解物越多。总溶解固体指水中全部溶质的总量,包括无机物有机物两者的含量。

   简单来说,TDS值表示水中杂质含量,但不能绝对地衡量一个地区水质的好坏,需要其他数据进行比对,综合分析。

   我们用TDS检测笔在多次测量求平均值并保留整数后,得到了表3数据:

3  各地水质的TDS


三里河公园

凉水河

亮马河

将府公园

德胜口水库

青龙峡

TDS

ppm

215

654

368

253

98

96

    根据图10,我们发现远郊水体中的TDS值最低,其次是三里河公园和两个近郊地区,TDS值最高的为凉水河,且在采集水体过程中我们发现凉水河的水体明显更加浑浊,在采集水体过程中我们发现不同水体的浑浊度不同,猜测可能和水体中的杂质相关,因此我们选取凉水河和青龙峡的水放大200倍的物象进行对比:


  二者TDS值分别为96654,相差了7倍之多。通过综合对比显微镜下水质,我们发现凉水河中的固体杂质明显高于青龙峡,猜测TDS值可能与这些杂质有一定的相关性。

 

12 凉水河(左)三里河公园(右)水环境照片


  从图12看出:凉水河的河岸为松软湿润的泥土;三里河公园的河岸则用石头堆砌而成。在水质检测之前,我们在凉水河的水样中发现了可见黑色的沉淀物,而三里河公园则没有发现。在凉水河采水时,土壤十分疏松、不结实,稍有不慎可能会有跌入河中的风险。由此我们可推测凉水河可能存在一定的水土流失现象。

 

13  2020.3(左)2021.10(右)凉水河周边环境


  在与百度地图20203月拍摄的G104国道街景与我们在2021.10在凉水河岸同一位置拍摄的图片进行对比。我们发现:在17个月中,有一片很大的陆地消失了。河岸边突出的一大片陆地不复存在,土地裸露引起地表的物质被冲向水体,造成水体浑浊,极造成水体中可溶性杂质的增多。

    综上可知:人们对凉水河流域周边的环境保护不当,易造成水土流失,水中溶解总固体(TDS)含量增加,如果人们不能对此加以治理,会导致下游河道水体变差,河道堵塞、工程效益与安全性降低等问题。


 

4.4 微生物量

  微生物量表示单位体积中微生物的数量。我们选取了血球计数板,对6个地区的水样进行观察和微生物(主要是浮游动植物)计数,并进行换算得到每升水中微生物的含量。

  我们在多次测量求平均值并换算后,得到了表4数据:

4  各地水体中的微生物量


三里河公园

凉水河

亮马河

将府公园

德胜口水库

青龙峡

微生物量

x106/L

7.33

15.83

18.33

13.67

6.67

16.7

  微生物的生存环境需要充足的营养和矿物质、适宜的温度、合适的酸碱度(PH值)及水中充足的氧气,是对水质衡量的综合性因素。由图14可知,近郊地区单位体积内微生物数量较多,城区和远郊地区相近。我们对微生物做了进一步研究,有了如下发现:在六组水样中,均发现有草履虫这一生物,我们对各个水体中的草履虫数目进行统计,结果如表:

表5 各地水体中的草履虫数目


三里河公园

凉水河

亮马河

将府公园

德胜口水库

青龙峡

草履虫数量

x105/L

2.67

1.33

1.25

2.25

3.33

4

  草履虫是一种身体很小,圆筒形的原生动物,它只由一个细胞构成,是单细胞原生动物。草履虫喜欢生活在有机质较丰富的池塘、缓流的小沟、小河以及居民区附近的水沟中,草履虫生存的环境水中营养丰富且环境较好,即单位体积内草履虫较多的水质,当地的水环境越好。根据表5数据分析,发现德胜口水库和青龙峡水库的草履虫数目明显较多,三里河公园和将府公园的草履虫数目相近,凉水河和亮马河的数目接近。表现出远郊区的水质明显优于近郊和城区。

 

4.5 总碱和碳酸根

  总碱是指水

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