2015, Vol. 35
[PDF全文]
2. 中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室, 北京 100085;
3. 中国矿业大学(北京), 北京 100083
2. State Key Laboratory of Environmental Aquatic Chemistry, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085;
3. China University of Mining & Technology, Beijing 100083
近30年以来，我国经济迅猛发展，生活污水和工业废水排放日益加剧，导致我国水环境中污染物质量浓度呈上升趋势(Tao et al., 2010；刘国华等，2001).随着水环境问题的日益严峻，河流水污染引起了众多学者的广泛关注，主要集中在水体耗氧污染、富营养化、有毒有害污染等方面(Caraco and Cole， 2002；张晟等，2007；马梅和王子健，2004).在我国北方地区，随着城市区域工业污染源得到不断控制，处理或未处理的生活污水以及面源径流补给成为城市河流的主要补给水源(边博等，2008；Mvungi et al., 2003).这类非常规水源补给城市河流水体污染严重，且水质水量波动大，一直是河流水环境研究关注的热点.
我国北方地区水资源匮乏，非暴雨期间，城市河流两岸及长期处于干枯状态的支流，残存大量污染物；而暴雨期间，雨水冲刷产生暴雨径流，汇入河流对水质产生极大冲击.海河流域人口密集，大中城市众多，是我国北方地区典型的缺水流域，加之大量未经处理的污废水直接或随水土流失排入河道，导致整个流域水环境质量不断恶化(易少奎等，2013).凉水河隶属海河流域北运河水系，水源补给单一，主要接纳污水处理厂出水，同时沿岸未经处理的生活污水也直接入河(王玉红，2008)，是一条典型的非常规水源补给城市河流.然而，关于暴雨径流对非常规水源补给城市河流水质的影响一直未受到关注.
本研究以凉水河典型河段作为研究区域，针对区域内水污染问题，通过7—10月份的连续水质监测结果统计和分析，研究暴雨期间凉水河典型河段水质变化过程，包括水体理化性质、耗氧物质和富营养化元素，进而揭示暴雨径流对非常规水源补给城市河流水质的冲击规律，以期为城市非常规水源补给河流水污染治理提供参考.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区域概况凉水河水系位于北京市东南郊，发源于石景山区，流经海淀、宣武、丰台等区县，在通州区榆林庄闸上游汇入北运河.凉水河干流全长约53km，流域总面积815 km2.区域内地貌多为平原，土地利用类型以工农业结合为主；气候属于大陆性季风气候，年降水量约620 mm，其主要集中在7—9月(Zhang et al., 2010).研究区域主要由城镇和农村区域组成，近年来开发建设加快，区域农业发展迅速，大量污染物质排入，整个凉水河水系年接受排放污水1.5×108~1.8×108 m3(Hu et al., 2010)，加上北京市水资源短缺，来水多为上游污水下排，导致研究河段污染严重，基本为劣Ⅴ类(姚晓飞，2011).此外，研究区域内闸坝较多(大红门闸、马驹桥闸、新河闸等)，水体流动缓慢，河渠湖库化严重，是整个流域营养盐输移过程中的重要环节.
2.2 样品采集与处理凉水河研究河段共设置了20个采样点，具体采样点位置如图 1所示.从2013年7月至2013年10月，每周采样1次，并于7月16日、7月31日、8月04日、8月12日采集暴雨期间河水.在距水面约0.20 m处采集水样，样品采集后用硫酸酸化保存，当天带回实验室第2天完成分析，每次采样用YSI便携式水质仪(YSI ProPlus)测定采样点水体理化性质(pH和DO).
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| 图 1 采样布点图 Fig. 1 Sampling sites |
水体中营养盐监测指标包括总氮(TN)、总磷(TP)、溶解性活性磷(SRP)、氨氮(NH4+-N)、COD.氮、磷指标按照《水和废水监测分析方法》标准方法分析(国家环境保护总局，2002)，其中TP：原水过硫酸钾消解，钼锑抗分光光度法；SRP：原水过0.45 μm孔径滤膜，钼锑抗分光光度法.TN：原水过硫酸钾(进口)消解，紫外分光光度计比色；NH4+-N：原水过0.45 μm孔径滤膜，纳氏试剂光度法；分光光度计采用日本岛津公司UV-1700.COD：原水2 mL 加入HACH COD专用药剂瓶(试剂货号：21258-15)，用DRB200(HACH，DRB200型数字式反应器)反应器进行消解，完成后用DR2800(HACH DR2800分析仪)比色.
2.4 富营养化评价方法选择广泛适用于我国湖泊、水库和河流水体富营养化评价的对数型幂函数普适指数公式(公式1)，依据各级分级标准(贫：EI≤20；中：EI≤39.42；富：EI≤61.29；重富：EI≤76.28；极富：EI≤99.77)，评价研究区域各采样点所处的富营养化状态.
式中，Wj为指标j的归一化权重值，本研究将各指标视作等权重；EIj为指标j的富营养化评价普适指数；Xj为指标j的“规范值”，其计算方法见参考文献(李祚泳等，2010).
3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 河流水体理化特征对凉水河研究河段水体水质进行长期定点监测，各采样点水体理化性质见表 1.观察发现采样点LS1至LS20水体pH均呈碱性，暴雨径流形成后河流水体pH值小于非暴雨期间，平均值分别为7.57和7.66.非暴雨径流监测期间，研究河段水体中DO质量浓度为3.88 mg · L-1，整体优于《国家地面水环境质量标准》(GB 3838—2002)中规定的Ⅴ类标准(2 mg · L-1)，而在暴雨径流形成后的监测期间，水体中DO质量浓度明显降低，多数采样点低于地面水Ⅴ类标准.
| 表1 凉水河水体理化性质 Table 1 Physicochemical characteristics of the water of Liangshui River |
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图 2显示了凉水河研究河段各采样点水体中COD值.由图 2可知，研究河段水体COD值在12.00~143.00 mg · L-1.在空间分布上，从LS1到LS20，COD值整体呈上升趋势(除LS6).在LS3点COD值最低，平均值为27 mg · L-1；在LS6点最高，平均值达到89 mg · L-1.暴雨期间COD值(49.11 mg · L-1)与非暴雨期间COD值(47.41 mg · L-1)变化不明显，均接近地表水Ⅴ类标准(40 mg · L-1).
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| 图 2 凉水河水体中COD质量浓度(a.散点图，b.平均值图) Fig. 2 COD in the water of Liangshui River |
各采样点NH4+-N质量浓度变化趋势如图 3所示.从图 3可以看出，凉水河研究河段水体中氨氮质量浓度为9.67 mg · L-1，远高于地面水Ⅴ类标准(2 mg · L-1).与COD相似，从LS1到LS20样点，NH4+-N质量浓度呈现略微上升趋势，并在LS3点处于最低值(2.97 mg · L-1)，最高值出现于LS12点(12.75 mg · L-1). 暴雨期间雨水汇入凉水河后水体中NH4+-N质量浓度达到10.95 mg · L-1，明显高于非暴雨期间研究河段水体中氨氮质量浓度(8.39 mg · L-1).
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| 图 3 凉水河水体中NH4+-N质量浓度(a.散点图，b.平均值) Fig. 3 NH4+-N in the water of Liangshui River |
研究河段TN平均质量浓度在暴雨期间与非暴雨期间分别为16.23 mg · L-1和16.34 mg · L-1，无明显变化(图 4)，而t检验结果也表明研究河段水体中TN平均质量浓度在暴雨前后并无明显的分布差异(p>0.05).在空间尺度上，TN质量浓度沿河流走向整体呈现略微上升趋势，分别在LS3和LS11点达到最低和最高值，为12.35 mg · L-1和20.39 mg · L-1.由图 5可发现研究河段水体中TP质量浓度呈现明显上升趋势，并分别在LS4和LS12点达到最低和最高值，为0.78 mg · L-1和2.60 mg · L-1.暴雨期间研究河段水体TP质量浓度(1.95 mg · L-1)高于非暴雨期间水体TP质量浓度(1.45 mg · L-1)，t检验发现研究河段水体TP在暴雨前后分布差异极明显(p<0.01).此外，研究河段20个采样点TN和TP平均质量浓度分别为16.08 mg · L-1和1.70 mg · L-1，远远高于地表水Ⅴ类标准(2.0 mg · L-1和0.4 mg · L-1).根据现有指标，监测期间凉水河研究河段水体营养评价综合指数值计算结果如图 6所示，各采样点水体均处于“极富”营养状态.
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| 图 4 凉水河水体中TN质量浓度(a. 散点图，b.平均值) Fig. 4 TN in the water of Liangshui River |
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| 图 5 凉水河水体中TP质量浓度(a.散点图，b.平均值) Fig. 5 TP in the water of Liangshui River |
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| 图 6 凉水河水体营养评价综合指数值 Fig. 6 EI values of the water in Liangshui River |
北运河流域水资源短缺，河流以污水处理厂出水等非常规水源补给为主(许晓伟等，2009)，除北京市中心区部分河段外，河流水体污染严重，多数河段为重度污染(张汪涛等，2012).凉水河隶属北运河流域，水体耗氧污染问题突出，耗氧物质以NH4+-N和COD为主(许晓伟等，2009).监测期间，凉水河研究河段水体中COD质量浓度为48.26 mg · L-1，接近地表水Ⅴ类标准，但从LS1到LS20样点，COD值整体呈现上升趋势，超标问题突出，可能是下游区大量未处理的生活污水排入，使水体中COD值升高.研究河段水体中COD值在暴雨期间为(49.11 mg · L-1)和非暴雨监测期间(47.41 mg · L-1)差别不大，说明暴雨期间，雨水径流中COD值与研究河段水体中COD值相当.凉水河研究河段水体中NH4+-N平均质量浓度为9.67 mg · L-1，从LS1到LS20样点，整体呈上升趋势，但在LS3处出现最低质量浓度(2.97 mg · L-1)，分析其原因可能是小红门污水处理厂出水标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A标准，对研究河段水质起到一定的稀释作用.暴雨期间研究河段水体中NH4+-N质量浓度(10.95 mg · L-1)明显高于非暴雨期间水体NH4+-N质量浓度(8.39 mg · L-1).已有研究显示，城市道路降水径流中NH4+-N质量浓度可以高达29.82 mg · L-1(甘华阳等，2006)，因此可以认为暴雨期间，降雨径流携带大量污染物进入研究河段，是NH4+-N质量浓度升高的主要原因.在暴雨径流形成后，地表径流挟带了耗氧污染物进入河道，加剧水体中DO的消耗(王立明和邢海燕，2002；Bai et al., 2008)，导致水体中DO质量浓度较低.凉水河研究河段水体中NH4+-N平均质量浓度为地面水Ⅴ类标准的4.8倍，应为当前河流治理时首要关注的污染物.
凉水河研究河段由于闸坝调控存水，水体流动缓慢，同时大量来自上游区域的营养物汇入，导致水体富营养化问题日趋凸显(许晓伟等，2009).研究河段水体中TN平均质量浓度为16.08 mg · L-1，TP为1.70 mg · L-1，其中NH4+-N/TN平均值为60.15%，SRP/TP平均值为59.30%，表明N、P元素生物可利用性比例很高(Akhurst et al., 2012).与国内其他水体相比，凉水河研究河段水体中TN、TP平均质量浓度处于较高水平(张晟等，2007；单保庆等，2012).非暴雨期间TN质量浓度在LS7点达到第一个峰值，可能是该处附近居民区与工厂较多，排放生活污水对水体中TN影响较大(Bayram et al., 2013)；而至LS11处TN质量浓度达到最高，推测是由于通惠河灌渠带来的大量农田面源污染物输入，导致水体中TN质量浓度迅速升高(Al et al., 2008).研究河段水体中TN平均质量浓度在暴雨监测期间与非暴雨监测时期变化不明显(p=0.28＞0.05)，分别为16.23 mg · L-1和16.39 mg · L-1.凉水河研究河段水体中TP平均质量浓度为地表水Ⅴ类标准的4.25倍，属于严重的P超标状态.从研究河段LS1至LS20点，TP平均质量浓度上升趋势明显(图 5)，与沿程生活污水和面源污染输入有关(Al et al., 2008)，但在LS3至LS5，水体中TP平均质量浓度均在1.00 mg · L-1以下，这也符合LS3点为小红门污水处理厂出水口，其出水中TP质量浓度为0.50 mg · L-1.暴雨期间研究河段水体中TP平均质量浓度(1.95 mg · L-1)明显高于非暴雨时期(1.45 mg · L-1)，表明径流污染和农田施肥中磷流失进入水体是其重要原因(Zhang et al., 2004).此外，通过计算监测期间凉水河研究河段水体营养评价综合指数值表明研究区域各采样点水体均处于“极富”营养状态.因此，凉水河水体富营养化问题应引起相关部门重视.
5 结论(Conclusions)1)凉水河下游段河流水体耗氧污染严重，COD略高于地表水Ⅴ类标准，但NH4+-N平均质量浓度为Ⅴ类标准4.8倍；暴雨径流导致水体耗氧污染物增加，尤其是NH4+-N质量浓度上升明显，导致水体中DO迅速消耗；NH4+-N应该作为凉水河下游水环境治理优先关注的污染物.
2)凉水河下游段河流水体处于“极富”富营养化状态，TN、TP平均质量浓度分别为地表水Ⅴ类标准8.04和4.25倍，暴雨径流导致TP质量浓度增加，最高质量浓度达到2.60 mg · L-1；凉水河的“极富”富营养化状态应引起相关治理部门关注.
3)暴雨径流冲击城市典型非常规水源补给河流，对河流水质产生恶劣影响，导致河流水质进一步恶化，需要在河流水质治理过程引起重视.
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