北京北運河水系水質污染特征及污染來源分析

荊紅衛,張志剛,郭 婧 (.北京市環境保護監測中心,北京 00048；.核與輻射安全中心,北京 0008)

北京地處海河流域,從東到西分布有薊運河、潮白河、北運河、永定河、大清河五大水系.其中只有北運河水系發源于本市,其流域范圍涉及10個區(40個鄉鎮,1600多個行政村).流域面積占全市總面積的 25.9%,人口卻占全市總人口的70%以上,GDP占全市的80%以上[1],是北京市人口最集中、產業最密集、城市化水平最高的流域.由于流域排污量大,水資源量匱乏,因此地表水污染十分嚴重,具有典型的城市河流污染特征和變化規律.近年來,雖然北京市河流污染治理力度逐年加大,市區污水處理能力不斷提高,重污染企業搬遷和產業結構調整等,水質污染狀況有了很大程度改善,但由于污染物排放量遠超過其環境容量,仍有80%以上河段水質為劣Ⅴ類[2].

國內外對地表水方面研究,一方面集中于對大江大河、湖泊的研究,對于人口集中、經濟發達城市區域地表水研究不多[3-5];另一方面,現有研究主要針對耗氧有機物和營養鹽等幾項主要指標,鮮見針對地表水標準中20余項指標的全面分析與評價[6-8].本文選取了23項污染指標,對北運河水系水質污染特征以及污染來源進行了全面分析與評價,以期有針對性地提出治理措施.

1 研究區域與方法

1.1 研究區概況

北運河水系在北京境內干流總長約 90km,按照區域特征、水域功能等,又可分為城市中心區河流、城市排水河流以及遠郊區河流.中心區河流主要有昆玉河、長河、北護城河、南護城河等,為重要景觀河流.排水河流主要有清河、壩河、通惠河、涼水河四大排水系統,市區內的雨水、生活污水、工業廢水都經過這四個水系最終匯入北運河.其中清河水系是市區西北部的排水河網,接納肖家河、清河 2座污水處理廠退水;壩河水系是市區東北部排水河網,接納北小河、酒仙橋2座污水處理廠退水;通惠河是城區雨水管道的排水尾閭,接納高碑店污水處理廠退水;涼水河水系是市區西南部排水河網,接納方莊、吳家村、盧溝橋、小紅門、亦莊開發區5座污水處理廠退水.遠郊河流主要有溫榆河、北運河、鳳河、港溝河等,為一般景觀用水和農業用水.

1.2 監測概況

本研究數據來源于北京市環境保護監測中心地表水監測網,主要選擇了23條(段)干支流.每條河段設置有1～3個監測斷面,見圖1.監測時間為2011年1～12月,每月監測1次.監測項目為《地表水環境質量標準》[9]中的23項,分別是水溫、pH值、溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)、高錳酸鹽指數(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN)、銅(Cu)、鋅(Zn)、氟化物(F－)、硒(Se)、砷(As)、汞(Hg)、鎘(Cd)、六價鉻(Cr6+)、鉛(Pb)、氰化物(CN-)、揮發酚(AR-OH)、石油類(OIL)、陰離子表面活性劑(LAS)、硫化物.監測項目分析方法依據《地表水環境質量標準》[9]和《水和廢水監測分析方法》[10].

1.3 評價統計方法

1.3.1 水質評價方法 水質評價方法采用水質類別法和平均綜合污染指數法.水質類別評價采用單因子評價法,其中斷面水質類別評價根據評價時段內該斷面參評指標中類別最高的一項來確定,河流水質類別評價先計算該河流所有斷面各評價指標濃度算術平均值,然后按照“斷面水質類別評價”方法進行評價.依據《地表水環境質量標準》[9],將水質類別分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類,水質達不到Ⅴ類標準的,定義為劣Ⅴ類.

平均綜合污染指數計算方法如下:

(當污染指標為溶解氧時:Pi= C0Ci)

式中:Ci為某評價指標監測濃度值;C0為某評價指標標準值;i為評價指標個數,i＝1,2,3,……,n; Pi為第i項指標的污染分指數;P為平均綜合污染指數;評價標準執行《地表水環境質量標準》[9]中的Ⅲ類標準值.

1.3.2 數據統計方法 本研究數據統計方法采用主成分分析和聚類分析法[11-12].主成分分析是將多個指標化為少數幾個不相關的綜合指標(主成分)的統計分析方法,綜合指標能反映出原指標所提供的絕大部分信息,達到降維和源識別的目的.本文取樣足夠度的 Kaiser-Meyer-Olkin度量值為 0.748(＞0.7),選取的主成分累計方差貢獻率在85%以上(一般要求大于70%).

聚類分析基本原理是根據樣本自身的屬性,用數學方法按照某種相似性或差異性指標,定量確定樣本之間的親疏關系,并按這種親疏關系程度對樣本進行聚類.本文選擇組間連接法、采用歐氏距離度量樣本之間的距離,生成具有層次結構聚類樹,根據各樣點相似性進行歸并和分類.

圖1 北運河水系主要干支流及監測斷面分布Fig.1 Monitoring sections of Bei Canal river system

2 監測結果分析

2.1 主要干支流水質評價

2.1.1 綜合評價 根據2011年水質監測及評價結果,23條主要干支流中,位于城市中心區的昆玉河、長河水質類別為Ⅲ類,北護城河為Ⅳ類,南護城河為劣Ⅴ類;位于近郊區的城市排水河流及遠郊區河流水質均為劣Ⅴ類.主要污染指標為耗氧有機物和營養鹽,而重金屬及毒性指標污染較輕.水質類別為劣Ⅴ類的水體中,南護城河綜合污染指數為 1.21,污染程度相對較輕;遠郊區縣河流綜合污染指數為 4.11,污染最嚴重;城市排水河流綜合污染指數為 2.86,污染介于二者之間.可見,從城市中心區河流到近郊區城市排水河流再到遠郊區干支流,水質污染不斷加重.

2.1.2 污染指標評價 監測結果表明,耗氧有機物、營養鹽污染從城市中心區河流到城市排水河流再到遠郊區河流逐漸加重.重金屬 Cd、Cr6+、Pb、As、Cu和 Zn在上述三類河流中無明顯差別,為未檢出或檢出濃度較低,符合地表水Ⅰ～Ⅱ類標準.Hg在中心區河流中均未檢出或小于檢出限,在排水河流及遠郊區河流中有檢出,并且在遠郊河流如東沙河、北沙河、南沙河等支流中的年均濃度值相對較高,水質類別為Ⅳ類.AR-OH、OIL和LAS在中心區河流中均未檢出或檢出濃度較低;在排水河流和遠郊區河流中污染明顯加重.氰化物在北運河水系所有河流中均為Ⅰ類.Se、硫化物為Ⅰ～Ⅲ類.氟化物除在溫榆河、藺溝河流中為Ⅴ～劣Ⅴ類外,其他河流水質均為Ⅰ類.主要污染指標監測統計結果詳見表1.

2.2 水質主成分分析

根據對2011年53個監測斷面年均值數據進行主成分分析.在監測的 23項指標中:水溫、pH值、Cu、Zn、Se、As、Cd、Cr6+、Pb、氰化物、氟化物、硫化物12項指標在北運河水系水平較低,不屬于主要污染因子,因此,選擇其余的 DO、COD、CODMn、BOD5、NH3-N、AR-OH、OIL、TP、TN、LAS、Hg等11項指標進行主成分分析.表 2給出了主成分分析中各指標的相關關系矩陣,表3和表4分別給出了主成分特征值、貢獻率、累計貢獻率,以及主成分載荷矩陣.由表 3和表4可知,前3個主成分累計貢獻率已達85.1%.其中COD、CODMn、BOD5、NH3-N、TP、TN、LAS在第一主成分上載荷較大,其相關系數分別為0.921,0.967,0.935,0.948,0.771, 0.853,0.799,方差貢獻率為 63.9%,主要反映由生活污染以及農業污染引起的耗氧有機物、營養鹽等污染;汞在第二主成分上載荷較大,相關系數為 0.922,方差貢獻率為 12.7%,反映生活垃圾滲濾液、生活污水、醫院污水等排放的重金屬汞污染;石油類在第三主成分上載荷較大,相關系數為 0.689,方差貢獻率為 8.51%,反映石油化工和生活污水引起的石油類污染.

表1 2011年北運河水系水質監測數據統計及評價結果Table 1 Water quality monitoring results of Bei Canal river system in 2011

表2 相關系數矩陣Table 2 Correlation coefficient matrix

2.3 水質聚類分布特征

由圖2可見, 23條主要干支流根據水質間差異可分為4類.第1類為清潔水源類河流,主要集中在城市中心區,包括15-昆玉河、16-長河、17-北護城河 3條河流,由于河道兩岸污水口已全部截留,只有雨季排放的雨水入河,并且有清潔水源補充,因此水質較好,全年平均水質類別為Ⅲ類,綜合污染指數為0.47.

表3 特征值及累計貢獻率Table 3 Eigen value and cumulative

表4 主成分載荷矩陣Table 4 Principal component loading matrix

圖2 北運河主要干支流水質聚類樹狀圖Fig.2 Water quality clustering tree of trunk streams and tributaries of Bei Canal river system

第 2類為再生水水源類河流,主要集中在城市排水上游河流,包括 18-南護城河、13-通惠河上段、14-通惠河下段、8-清河上段、19-涼水河上段、2-北沙河、6-溫榆河上段、4-北運河,水質類別均為劣Ⅴ類,綜合污染指數為 2.40,污染指標主要是耗氧有機物及營養鹽,其次是石油類.其中南護城河雖然也是城市中心區河流,但由于河道補充水源為污水處理廠的再生水,因此其水質明顯比昆玉河、長河差;通惠河上下段、清河上段、涼水河上段 90%以上排水為市區污水處理廠再生水和二級出水,因此河道水質相對較穩定,明顯比下游水質好,但劣于城市中心區水質;位于遠郊區的溫榆河上段以及北運河等干流,由于近年來的綜合治理,水質有了很大程度改善,也歸為此類.

第3類為再生水與污水混合水源類河流,主要集中在城市排水下游及遠郊區河流,包括 9-清河下段、10-壩河上段、11-壩河下段、20-涼水河中下段、12-小中河、5-藺溝、7-溫榆河下段、3-南沙河、1-東沙河、22-鳳港減河、23-港溝河,水質類別均為劣Ⅴ類,綜合污染指數平均值為 3.67,污染指標主要是耗氧有機物及營養鹽,其次是汞、石油類和揮發酚.排水河流清河下段、壩河上下段及涼水河中下段主要污染源是污水處理廠二級出水,由于其兩岸截污不徹底,污水口雨水口混接現象較嚴重,以及清河、方莊污水廠等超負荷運轉,仍有未經處理的污水排入,使得下游排水河流水質仍然較差;其他遠郊河流小中河、南沙河、溫榆河下段、鳳港減河等由于污水處理率較低,主要接納昌平、順義、通州等的生活污水、工業廢水和農田退水,且河道缺乏生態補水,水質整體較差.

第 4類為污水水源類河流,即21-鳳河,水質類別為劣Ⅴ類,綜合污染指數為9.76,污染指標主要是耗氧有機物及營養鹽,其次是石油類和揮發酚.由于主要接納了周邊畜禽養殖廢水和生活污水、鄉鎮工業污水和農田退水,同時河道缺乏生態補水,水質污染最嚴重.

2.4 水期水質變化特征

根據北京市降雨特點,全年可劃分為枯、豐、平3個水期,其中3～5月為枯水期,6～9月為豐水期.本文選擇 4～5月、7～8月監測結果平均值分別代表典型枯水期、豐水期水質.由圖3可見,不同干支流枯豐水期水質變化有明顯差異.對于清潔水源類河流,豐水期水質比枯水期嚴重惡化,其中NH3-N濃度均值變化顯著,豐水期比枯水期升高478%,CODMn升高19%;對于再生水水源類河流,枯水期污染較重,豐水期水質明顯好于枯水期,CODMn、NH3-N濃度均值在豐水期比枯水期降低 21%～24%;對于再生水與污水混合水源類河流,也表現為枯水期污染較重,豐枯水期水質變化更加明顯,CODMn、NH3-N濃度均值在豐水期比枯水期降低 20%～42%;對于污水水源類河流,也表現為豐水期水質好于枯水期,CODMn、NH3-N濃度均值豐水期比枯水期降低27%,水質差異沒有城市排水下游河流及遠郊區河流明顯.

圖3 北運河系主要干支流枯豐水期CODMn、NH3-N濃度Fig.3 CODMn、NH3-N concentration between wet season and dry season in Bei Canal river

3 北運河水系污染來源分析

3.1 清潔水源類河流污染來源分析

該類河流兩岸的污水已全部截留入污水處理廠,點源污染已得到全面控制,豐水期河流水質明顯變差,表明由于降雨地表徑流引起的非點源污染成為影響中心區地表水水質達標的重要因素.根據北京市水環境非點源污染調查[13]:一方面,天然降水在降到地表之前部分指標已經受到污染,其中氨氮濃度較高,為 4.12mg/L,已超過地表水Ⅴ類標準限值,COD、SS、TP濃度相對較低,基本符合地表水Ⅱ～Ⅲ類水質標準;另一方面,降雨沖刷城市下墊面,如道路、屋面、停車場、綠地等,將地表累積的污染物沖刷到雨水管道,雨水徑流COD平均濃度高達310mg/L,氨氮、總磷、SS等指標也較高,排入受納水體后,河道水質污染明顯加重;第三,中心區排水管網分合流制和分流制,合流制排水已改造為截留式排水,在晴天和初雨時,所有污水都入污水廠處理后排入下游水體,但當出現較大降雨時(一般降雨量超過15mm),來水流量超過截留干管的輸水能力,將出現溢流,雨水攜帶污水直接溢流入河,對下游受納水體水質造成很大威脅,而且雨污合流排水系統的徑流污染比分流制排水系統更加嚴重[14-15].根據北京市環境保護監測中心對西城區南壇根合流管網的監測,COD平均濃度高達452mg/L,氨氮51.4mg/L,總磷6.56mg/L.目前合流管在城市中心區中占有很大的比重.第四,污染還來自河流底部沉積物作為水體污染物的匯,將通過二次釋放使污染物重新進入上覆水體,成為影響水環境質量的關鍵因素,7～9月水溫較高,利于污染物的釋放,也是豐水期該類河流污染加重的因素之一.所以,加強對城市非點源和內源污染的治理是進一步改善城市中心區水質的重要措施.

3.2 再生水水源類河流污染來源分析

污水處理廠退水不僅是城市排水河道主要補給水源,同時又是最大的污染源.根據北京市環境保護局對北運河流域污染源調查結果[16],清河、壩河、通惠河、涼水河共接納上游10座污水廠排水,排放的COD總量占比依次為93.6%、89.2%、93.0%和 67.8%,氨氮總量占比依次為96.2%、97.1%、91.2%、68.2%,其余是直排入河的生活源、工業源以及農業源,占比較小.

目前的主要問題,一是現行污水處理廠出水排放標準與地表水環境質量標準之間差距較大.按照地表水標準衡量,污水廠處理排放達標的出水,實際上就是新的污染源.以高碑店污水廠及下游受納水體通惠河為例(圖 4),2011年高碑店污水廠出口COD濃度月均值介于28.5～ 59.5mg/L,全部符合《城鎮污水處理廠污染物排放標準》[17]中的一級 B標準限值(60mg/L),但按照下游受納水體通惠河Ⅳ類水體功能評價,12個月中只有 2個月濃度值符合地表水Ⅳ類標準(30mg/L),其余均不達標.二是污水處理廠對 COD、BOD5、SS的去除效率較高,基本在90%以上;但是對總磷、總氮的去除效率較低,在 60%～70%,從而導致目前城市河流中總磷、氨氮、總氮濃度仍然偏高.加之河道有閘壩控制,缺乏流動性,水體自凈能力差,下游受納水體水質較污水廠出口水質差.所以,提高城鎮污水處理廠水污染物排放標準,嚴格控制水污染物的排放,是改善城市排水河流地表水環境質量的重要措施.

3.3 再生水與污水混合水源類河流污染來源分析

主要污染源仍然是污水處理廠排水;其次由于城市排水下游河流地處近郊區城鄉結合地帶,管網不健全,截留不徹底,如朝陽區孫河鄉、海淀山后地區的居民生活污水尚不能進入污水管網;第三,部分區域存在雨污管線混接,污水接入雨水管線直排入河,城市排水下游河流匯水區污水集中處理率明顯降低;第四,在污水處理能力方面,部分污水處理廠由于超負荷運轉,在用水高峰和雨季進水量超過其處理能力時,出現跨越式排放,部分污水未經處理直排入河,也是城市排水下游河流水質比上游水質以及污水廠退水水質更差而且難以發生根本性好轉的重要原因.以清河流域的肖家河、清河污水廠出口及其清河受納水體斷面的COD、氨氮為例:肖家河污水廠出水排入清河上游水體,控制斷面為樹村閘;清河污水廠出水排入清河下游水體,控制斷面為沙子營.由圖 5可見,(1)肖家河污水廠出水 COD和氨氮濃度與其受納水體控制斷面樹村閘較接近,表明污水廠出水對城市排水上游河流水質起著主導作用;(2)清河污水廠出水雖與肖家河污水廠出水COD和氨氮濃度較接近(清河污水廠出水濃度略高),但由于其他污水排入,其下游受納水體沙子營控制斷面COD和氨氮濃度高于污水廠出水濃度76%和 208%.第五,根據北運河流域污染源調查結果[16],遠郊區城關鎮和新城污水處理率為70.7%,農村污水處理率只有 30%,大量生活污水未經處理直排入河,生活點源污染貢獻依然較大.位于下游的大興、通州、順義等區域,農業種植面積較大,畜禽養殖業發達,農業源貢獻率也較大.工業源貢獻率總體占比雖然較低,但行業類型為石油化工、食品飲料、汽車制造業等,對于部分受納水體影響依然較大.所以,進一步完善城市污水管網,提高鄉鎮和農村污水處理率是改善城市排水下游河流及遠郊區河流水質的重要措施.

圖4 高碑店污水處理廠出水與下游通惠河斷面水質變化Fig.4 Water quality change trend of effluent in Gaobeidian sewage treatment plant, river section in Tonghuihe

圖5 2011年肖家河、清河污水廠出口以及清河受納水體斷面水質變化Fig.5 Water quality change of effluent in Xiaojiahe, Qinghe sewage treatment plants, river sections in Qinghe receiving water

3.4 污水水源類河流污染來源分析

根據北運河流域污染源調查結果[16],鳳河流域污染源貢獻率最大的是農業源,其 COD貢獻率占71%,氨氮占79.8%,尤以畜禽養殖廢水污染最為突出;其次是生活源,COD貢獻率占 26.5%,氨氮占 17.7%.調查顯示,規模化畜禽養殖場主要為奶牛、肉牛、肉豬、肉雞和蛋雞,由于大部分養殖場污水處理設施不能正常運行,產生的養殖廢水與畜禽糞尿,使環境難以消納.根據北京市環境保護監測中心對北京市規模化畜禽養殖場畜禽廢水的采樣監測[18],畜禽廢水中污染物濃度與清糞方式有關,以豬場水沖糞廢水濃度最高,COD最高達21600mg/L,氨氮、總氮、總磷平均濃度分別高達 5900,8050,1270mg/L,水沖糞廢水濃度比干檢方式廢水濃度高7～28倍,畜禽養殖廢水污染物濃度為城市污水污染物濃度的幾十倍至幾百倍.另外還有種植土壤施用農藥、化肥引起的面源污染.由于畜禽養殖、生活污染、農田退水等的共同影響,導致鳳河在北運河水系中污染最嚴重.因此,建議進一步加大對畜禽養殖業、種植業的環境治理力度.

4 結論

4.1 北運河流域由于排污量大,地表水污染嚴重,除城市中心區的昆玉河、長河、北護城河水質為Ⅲ～Ⅳ類外,城市排水河流、遠郊河流水質均為劣Ⅴ類.COD、CODMn、BOD5、NH3-N、TP等為第一主成分,主要反映由生活和農業污染引起的耗氧有機物、營養鹽等的污染,貢獻率占63.9%;汞為第二主成分,反映通過生活垃圾滲濾液、生活污水、醫院污水等排放的重金屬汞污染;石油類為第三主成分,反映石油化工污染企業排污和生活污水引起的石油類污染.

4.2 根據系統聚類分析,北運河水系主要干支流按照水質間差異可分為4類,第1類為清潔水源類河流,主要集中在城市中心區;第2類為再生水水源類河流,主要集中在城市排水上游河流;第3類為再生水與污水混合水源類河流,主要集中在城市排水下游河流及部分遠郊區;第 4類為污水水源類河流,即遠郊區縣的鳳河.

4.3 對于清潔水源類河流,降雨地表徑流、雨污合流管網溢流引起的非點源污染是其重要污染源.因此,城市中心區需重視對非點源污染的治理;再生水水源類河流的主要污染源是城鎮污水處理廠排水,應加強對城市污水廠出水提標改造,提高污染物去除效率;再生水與污水混合水源類河流,污水集中處理率低,應完善城市污水管網,提高鄉鎮和農村污水處理率;污水水源類河流,應加大對遠郊區縣農業源的治理力度.

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