渾河沈撫段水體污染季節性變化研究

劉 強,禹雪迪

(沈陽建筑大學市政與環境工程學院,遼寧 沈陽 110168)

渾河沈撫段水體污染季節性變化研究

劉 強,禹雪迪

(沈陽建筑大學市政與環境工程學院,遼寧 沈陽 110168)

為明確渾河沈撫段水污染特征,提升水環境治理有效性,2015年3月—2016年2月對渾河沈撫段進行水環境調查。根據豐、平、枯3個水期的pH值、電導率、COD、NH3-N、BOD及CODMn等水質指標,運用改進的綜合水質標識指數法識別出主要污染因子,并分析渾河沈撫段水質污染時空變化特征。結果表明,研究區域的pH值在一個水文年變化范圍為6.42～8.06,較適宜水生生物生長;水體在枯水期的電導率最高,豐水期最低。渾河沈撫段水體受沿岸工業廢水和生活污水的點源污染影響,流域枯水期和平水期各監測斷面的綜合水質均未達標;從上游到下游4項水質指標的綜合水質指數增大,污染逐漸加重,主要污染指標為COD和NH3-N。

綜合水質標識指數法;水質評價；污染源;季節性變化;渾河沈撫段

隨著沈撫新城的快速發展,渾河沈撫段已經由自然原生態河流向城市內河轉變,面臨著激增的城市點源與原有農業面源對支流和干流的疊加污染、上游污水廠出水水質較差、河流污徑比較大、生態需水量難以保證等問題,河流自凈能力逐漸降低，生態功能不斷退化，河流兩岸自然生態帶急劇萎縮。

現階段,國內學者們已對渾河水質進行了一定的研究,王輝等[1]對渾河中11項污染物的健康風險的時空變化特征進行分析,得出NH3-N超標嚴重的結論。張鴻齡等[2]利用NH3-N、TP、重金屬3個指標分析渾河水體的污染變化特征,結果表明渾河流域的TP、重金屬污染較輕,渾河下游NH3-N污染較重,水質屬于Ⅴ類甚至劣Ⅴ類。陳艷麗等[3]選用COD、NH3-N、BOD等7項監測項目對渾河干流水質進行評價,得出COD及NH3-N超標為河流部分水質斷面超標的主要原因。

圖1 采樣點位置示意圖

東北地區的氣溫、徑流、降雨量季節性變化較明顯,影響水體污染的因素眾多,監測污染指標的年內平均值無法明確反映水體污染的季節性變化特征[4]。筆者選取2015年3月—2016年2月，對渾河沈撫段枯、豐、平3個水期的污染指標進行分析,利用改進的綜合水質標識指數法識別主要污染因子,以期獲得更具意義的渾河沈撫段水體污染時空變化特征,為鞏固遼河流域重污染“摘帽”成果、進一步提升渾河沈撫段干流水質、實現渾河沈撫段景觀用水水質功能要求提供技術支撐。

1 研究區域概況與方法

1.1 研究區概況

渾河源于遼寧省撫順市清原縣滾馬嶺,流經撫順、沈陽等市縣,本次研究區域為渾河沈撫段區域,指沈陽市東部和撫順市西部的沈撫連接帶,流經該區域的渾河干流水域約11 km2,區域內干流全長32.7 km,干流平均水面寬度約411 m。區域內年徑流量分布不均勻,冬季河面結冰,主要靠地下水補給徑流,4月份之后氣溫逐漸升高,積雪融化,同時上游大伙房水庫放水補給,流量顯著增大。渾河沈撫段接納了沈陽和撫順沿渾河岸邊排放的大量污染物,其環境狀況直接影響著區域居民的健康安全。

1.2 樣品采集和分析

采樣點沿渾河沈撫段上游撫順和平橋開始布控,共設置22個監測斷面,包括10個干流斷面、8個支流斷面、3個排污口斷面,見圖1。從2015年3月到2016年2月對各監測斷面每月進行1次樣品采集,根據《水和廢水監測分析方法》,采用事先凈化好的塑料瓶采集水面下0.5 m水樣,并現場采用YSI6600 V2型多參數水質參數儀測定水溫、濁度、pH值及電導率等指標。每個采集的樣品經過濾后立即加H2SO4(1 mg/L)酸化,在分析樣品前將其保存在4℃的冰箱中,用于測定COD、NH3-N、BOD、CODMn。

1.3 水質評價方法

綜合評價水環境質量的方法有很多,目前較常見的有污染指數法、模糊綜合指數法、人工神經網絡法等,但其共有的不足之處是不能顯示各個水質指標中超標指標的個數,更不能表明河流是否滿足水體功能區水質要求。因此,選用綜合水質標識指數法進行水質評價,其顯著優勢為既可以定性定量評價水體,又不會因個別水質指標較差就否定水體綜合水質,從而對河流綜合水質做出合理評價,計算公式為

IWQ=X1.X2X3X4

(1)

式中:IWQ為綜合水質標識指數;X1為綜合水質級別;X2為綜合水質在該級別水質變化區間中所處的位置;X3為參與綜合水質評價的單項水質指標中,劣于水環境功能目標的指標個數;X4為綜合水質類別與水體功能區類別的比較結果,視綜合水質的污染程度,X4為一位或兩位有效數字[5-6]。

綜合水質標識指數法的重點是計算綜合水質指數X1.X2,為使其更確切反映現狀,初步選定以下3種改進方案[7]。

方案一:

(2)

方案二:

(3)

方案三:

(4)

2 水質指標變化及分析

2.1 pH值在一個水文年內的變化

水體pH值是水體水化學特征的綜合反映。如圖2所示,研究區域在一個水文年內pH值為6.42～8.06,屬中性水平。枯水期,水體pH值變化范圍為7.02～7.56,屬中性水平;豐水期,pH>7,屬中性偏堿水平,最高值出現在和平橋點位;平水期,pH變化范圍為6.42～6.97,屬中性偏酸水平。總體來說,河流水體pH值較適宜水生生物的生長。

圖2 渾河沈撫段枯、豐、平水期pH值變化

從水期變化來看,研究區域水體枯水期和豐水期pH值略高于平水期,且大部分監測斷面豐水期pH值最高。主要由3個原因造成:①對于空氣直接接觸的表層,豐水期溫度較高,CO2在水中的溶解度降低,pH值則上升;②豐水期浮游生物的光合作用強烈消耗水中的CO2導致pH值升高[8];③豐水期上游大伙房水庫放水,大量水流對河底產生沖擊作用,加速水體的解離速度,加速pH值上升。從河道走向來看,豐水期和平水期撫順西段內水體pH值高于沈陽東段,而枯水期規律不明顯,主要因為枯水期水量小、污染重、水質差,水體主要以排污口及支流排放的流量為主,導致各監測區段pH值差異不顯著。

2.2 電導率在一個水文年內的變化

電導率(σ)主要取決于水中的總離子濃度,是水化學分析的重要指標之一。如圖3所示,從水期變化來看,研究區域水體枯水期的電導率最高,其次為平水期,豐水期最低。Anderson等[9]在研究阿拉斯加Kennicott河流流量和電導率時發現,一般水量增大時電導率則降低,水量下降時電導率則升高。本研究中,枯水期的河流電導率明顯高于平水期和豐水期,與前述規律一致[10]。從河道走向來看,枯水期和豐水期撫順西段內電導率略高于沈陽東段,特別是在枯水期高坎大橋監測點達到峰值6.15 mS/m,這主要是因為高坎大橋上游存在下伯官排污口,排放的污水中含有可溶性鹽類,從而使下游電導率升高[11-12]。

圖3 渾河沈撫段枯、豐、平水期電導率變化

3 水質指標評價

渾河水環境功能區目標執行GB3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅳ類標準,采用COD、NH3-N、BOD和CODMn共4個項目作為主要評價指標[13],對其水環境狀況進行綜合評價,枯、豐、平3個水期各指標的單因子水質標識指數和水體綜合水質指數X1.X2的3種方案的評價結果見表1。

表1 渾河沈撫段枯、豐、平水期水質綜合評價結果

由表1可知,方案一的各監測斷面的綜合水質指數最小,主要是因其未充分考慮超標因子對水環境質量的影響,將所有因子賦予相同的權重;方案二賦予超標因子過多的權重,導致各監測斷面的綜合水質指數偏大;方案三合理考慮了超標因子對水環境的貢獻力,從而更加貼切地反映河流水體的綜合水質情況,因此本研究采用方案三對渾河沈撫段進行綜合水質標識評價。

3.1 單因子水質標識指數評價

渾河沈撫段枯、豐、平3個水期單因子水質標識指數評價結果見表1。可以看出,在枯水期,10個監測斷面的COD和NH3-N水質污染指標基本上達劣Ⅴ類水標準,絕大多數斷面BOD也處于Ⅴ類水標準,僅CODMn符合水環境功能區目標;豐水期各監測斷面的NH3-N、BOD及CODMn3個水質污染指標均為Ⅳ類水標準,水環境狀況良好,但COD仍均超標于水環境功能區目標,個別監測點劣于Ⅴ類水標準;平水期10個監測斷面的COD幾乎均劣于Ⅴ類水標準,BOD及CODMn水質污染指標均為Ⅳ類水標準,NH3-N變化差異性較大。

對研究區域各個監測斷面4個污染指標的單因子水質標識指數Pi取平均值(圖4)可看出,嚴重超標的污染指標是COD和NH3-N,3個水期中COD均未達到水環境功能區目標,超過水環境功能區2個等級的出現20次;NH3-N指標達到水環境功能區目標的僅有14次,有7次超過水環境功能區2個等級;BOD對河流水體的污染較輕,達到水環境功能區目標的占82.5%。

圖4 各監測斷面4項指標單因子水質標識指數平均值

3.2 綜合水質標識指數評價

采用方案三計算的綜合水質標識指數IWQ結果見表1。從水期變化來看,研究區域枯水期的IWQ最大,水質最差,X1.X2變幅為5.0～5.6,其中最大值出現在高坎大橋斷面,最小值出現在和平橋斷面,10個監測斷面均處于Ⅴ類水標準;平水期次之,X1.X2變幅為5.0～5.6,與枯水期差異較小,表明該區域污染源主要為點源污染;豐水期污染較輕,X1.X2變幅為4.0～5.5,僅高坎大橋和伯官大橋斷面未達到水環境功能區目標。根據表1中水質定性評價結果,枯水期和平水期整個研究流域均處于輕度污染狀態,豐水期情況較好。渾河受上游大伙房水庫影響較大,每年5月份左右水庫持續放水一個月供農業灌溉,之后斷續放水2～3個月,其他時間多為關閘蓄水[14],這是導致豐水期水質良好的主要原因。

研究流域各個監測斷面的IWQ在不同水期之間的變化率見圖5。可看出從枯水期到豐水期的過程中,水質情況改善幅度平均值為15.41%;而當轉為平水期時,水質情況惡化幅度平均值為16.08%,說明影響渾河水質的因素較復雜;從平水期到枯水期,水質情況惡化幅度最大為4.24%,水質基本不變。從圖5中可明顯看出,在高坎大橋斷面附近水質變化相對不明顯,說明此處水質情況主要受污染源影響。

圖5 各監測斷面IWQ隨水期變化率

從河道走向看,研究區域水體污染程度沿程變化較明顯。其中和平橋斷面位于研究區段上游,接納污水量相對較少,3個水期IWQ為4.010～5.021。下游污染情況逐漸加重,流經沈陽后在高坎大橋斷面達到峰值,3個水期IWQ為5.110～5.631,隨后污染情況呈緩慢好轉趨勢。

研究區域各監測斷面之間IWQ的空間變化率見表2。可看出豐水期高陽橡膠壩斷面至高坎大橋斷面IWQ惡化幅度為14.49%;豐水期渾河大橋斷面至高陽橡膠壩斷面IWQ惡化幅度為8.59%;豐水期新立堡立交橋斷面至王家灣攔河壩斷面的IWQ改善幅度為6.51%。

表2 各監測斷面之間IWQ的空間變化率 %

從渾河沈撫段水體IWQ變化規律來看,造成渾河水質變化的污染源較為復雜[15]。研究區域內主要為點源污染,從撫順西到沈陽東沿途有3處排污口、8條支流匯入渾河沈撫段區域[16]。各排污口及支流水質情況見表3。

表3 渾河沈撫段排污口及支流水質調查和評價結果

由表3可知,研究區段3個排污口均劣于Ⅴ類水標準,水質污染嚴重,排放的污水匯入干流,直接導致下游水質變差。8條支流中仁鏡河及舊站河堪比排污口,COD和NH3-N嚴重超標,由于周圍居民基本生活設施匱乏,生活污水和垃圾未經處理直接排放丟棄,河道逐漸成為天然垃圾場,導致水體呈黑色,基本不透明,是使下游高坎大橋斷面水質惡化的直接原因[17-18];蓮島河及滿堂河污染也較重,蓮島河沿岸存在多家化工工廠,其排放的污水導致蓮島河水體渾濁、有泡沫,劣于Ⅴ類水標準;只有東陵大橋斷面附近的白沙河符合水環境功能區目標。此外,渾河沿岸還布有多個生活污水直排口,偷排漏排現象也時有發生,這些都會加劇渾河水質的污染程度[19]。

4 結 論

為解決渾河水生態環境問題,摘掉流域重度污染帽子,本文利用綜合水質標識指數法對渾河沈撫段2015年3月—2016年2月的水質污染指標數據進行分析發現:

a. 研究區域在一個水文年內pH值為6.42～8.06,屬中性水平,較適宜水生生物的生長;水體枯水期的電導率最高,其次為平水期,豐水期最低,電導率沿河道走向變化不顯著。

b. 影響渾河沈撫段的主要污染指標為COD和NH3-N,BOD及CODMn基本上可達水功能區水質要求——Ⅳ類水標準。渾河沈撫段水體僅豐水期的80%監測斷面達到水環境功能區要求,枯水期及平水期各監測斷面的綜合水質均未達標;沿渾河沈撫段河道走向水污染程度表現出一定的規律性,撫順段的綜合水質標識指數總體低于沈陽段。

c. 造成渾河沈撫段水體污染的原因較復雜,從總體來看,渾河污染源主要來自兩岸工業和生活排污口、市政管網污水溢流口和渾河市區段主要支流排入的污水。因此,為防止水質進一步惡化,應加強對渾河的控制管理,以控源截污為重點,加強重點污染企業整治提升,減少污染物排放量;加快污水管網建設,提高污水納管率,從而實現科學治水。

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Study of seasonal variation of water pollution of Shenfu section of Hunhe River

LIU Qiang, YU Xuedi

(SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang110168,China)

In order to determine water pollution characteristics of the Shenfu section of the Hunhe River and improve the effectiveness of water environmental treatment, a water environmental investigation was conducted from March 2015 to February 2016. The survey data included pH, conductivity, COD, NH3-N, BOD, and CODMnin the wet, normal, and dry seasons, and the improved comprehensive water quality identification index method was used to identify the main pollution factors and analyze the characteristics of temporal and spatial variations of water pollution in the Shenfu section of the Hunhe River. The results show that the pH value ranged from 6.42 to 7.92 within a hydrological year, which is suitable for the growth of aquatic organisms. The conductivity was highest in the dry season and lowest in the wet season. Affected by point source pollution from industrial wastewater and domestic sewage, the comprehensive water quality of the monitoring sections in the study area in the dry and normal seasons did not reach the standards. The overall water quality index of four water quality indices from upstream to downstream was increased, and pollution was gradually aggravated. The main pollution indices were COD and NH3-N.

comprehensive water quality identification index method; water quality assessment; pollution source; seasonal variation; Shenfu section of Hunhe River

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.02.010

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07202-011)

劉強(1966—),男,教授,主要從事水污染控制理論與技術研究。E-mail:771780475@qq.com

X522

A

1004-6933(2017)02-0052-07

2016-06-07 編輯：王 芳)