北方典型城市地區水質評價及污染源分析

徐袈檬， 潘興瑤， 蘇 遙， 鞠 琴， 張宇航， 張 猛

(1.北京市水科學技術研究院 北京市非常規水資源開發利用與節水工程技術研究中心， 北京 100048；2.河海大學 水文水資源學院， 江蘇 南京 210098 ； 3.北京市北運河管理處， 北京 101100)

1 研究背景

近年來，城市化、工業化進程不斷加快，水體污染形勢愈加嚴峻，地表水及地下水水質污染情況也發生了較大改變[1-5]，對現狀水質的有效評價將為水環境污染的問題診斷、科學治理提供數據基礎及理論上的借鑒[6-8]。

2012年左銳等[9]采用因子分析法，利用因子得分進行多元線性回歸，實現對金積水源地可能的地下水污染源的識別；2016年谷天雪等[10]運用Piper圖分析地下水化學特征，采用單因子指數法評價污染現狀，并采用因子分析法及克呂格空間插值等方法解析污染源空間分布特征; 2017年徐慶勇等[11]采用地下水水質綜合質量評價方法，評價了北京市北運河流域平原地區地下水水質，分析了其空間分布特征、成因及主要影響指標；2018年高玉琴等[12]利用提出的正態云-模糊可變評價耦合模型評價秦淮河流域2016年水環境，并將評價結果與采用單因子指數評價法、模糊綜合評價法和云模型評價法進行對比，得到耦合模型的評價精度更高的結論；2018年王彥麗等[13]針對遼河水質存在污染嚴重的問題，采用模糊綜合評價和隸屬度加權平均處理的方法對其干流2008-2017年10年間的水質狀況進行了研究。綜觀近5年來水質評價方面的國內研究進展，可以發現國內學者對現狀水質評價方面的研究，主要集中于對地下水及污染源識別解析方面的研究，研究重點在于研究方法的耦合創新或多種研究方法的對比分析，而對結合同一地區的地表水與地下水綜合評價、分析二者之間的污染因子轉化遷移關系及針對性的治理對策方面研究較少。因此本研究不對評價方法進行深入探討，選取常用的單指標評價法、綜合污染指數法、模糊數學法作為地表水及地下水水質評價的主要研究方法[14]，研究重點在于對地表水與地下水水質的綜合評價，結合二者評價結果，針對性地將海綿城市的理念應用到城市流域水環境的治理，從而得到適用于北方城市流域的有效水環境治理策略。

本研究選取我國北方典型城市區域——北京市豐臺區為研究區，基于2016年研究區域7條主要河流的8個地表水代表監測點及17個地下水監測井的水質指標逐月監測數據，通過計算地表水和地下水超標水質指標的超標率及超標倍數，識別了研究區的地表水和地下水的主要污染因子，從微觀和宏觀的角度分析了地表水與地下水水質污染因子化學成分的相關關系及超標水質指標含量的空間分布；采用綜合污染指數法和模糊數學法對研究區的地表水及地下水的整體水質進行了評價，識別了研究區水體污染的主要污染源。通過以上對水質污染的成因分析，從點源污染控制及面源污染治理兩個方面提出針對性的水質治理對策。

2 研究區概況

本研究選取北京市豐臺區作為北方城市地區的典型代表城市，豐臺區位于北京城區西南部，面積305.9 km2，其中山區面積60.0 km2，平原區面積245.9 km2，平原區占總面積的80.4%。研究區內共有43條河道，總長度約203.5 km，分屬于大清河、永定河、北運河水系。2016年研究區年平均降雨量為623.4 mm，汛期(6-9月)月平均降雨量為137.0 mm，非汛期月平均降雨為15.9 mm，多年平均水面蒸發量為888.4 mm，地表水資源量為3797.8×104m3。

依據城市功能特性，以中部永定河為界將研究區劃分為東、西地區兩個典型代表區域，東部區域主要為已建區，面積179.9 km2，西部地區多為郊區、農村及生態山地區，面積126.0 km2，較大的城市功能區跨度使其具有典型的北方城市地區的代表特征。本研究選取研究區內7條河道8個河流水質監測點監測數據進行現狀地表水水質評價，選取17眼地下水水質長期監測井的監測數據進行地下水水質評價。研究區地理位置、地形、主要河道分布及地表水、地下水水質監測點位置見圖1。

3 地表水現狀水質評價

依據水資源綜合規劃技術細則的要求，本研究評價了地表水現狀水質評價必評及選評項目共15項：溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(CODMn)、氨氮(NH3—N)、揮發酚(AR-OH)、總砷(As)、五日生化需氧量(BOD5)、氟化物(F-)、總氰化物(CN-)、總汞(Hg)、總銅(Cu)、總鉛(Pb)、總鋅(Zn)、總鎘(Cd)、六價鉻(Cr6+)以及石油類(OIL)。

3.1 河流整體水質類別及超標情況

河流整體水質類別評價選取汛期(6-9月)、非汛期和年度平均3個評價代表值，依據《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)進行評價。依據地表水水域環境功能和保護目標，評價結果以河流水功能區(一般景觀水域)確定的地表水標準值類別V類為標準，計算超標倍數。評價結果表明：蓮花河、新開渠、涼水河上段(大紅門閘上)為Ⅳ類水質，涼水河上段(i測點)水質為V類水質，而馬草河、新豐草河、小龍河及九子河均為劣V類水質，主要超標項目為NH3—N、COD、CODMn、BOD5及TP 5項，其中氨氮超標倍數最大，最大倍數達到了20.8倍(見表1)。

表1 研究區現狀地表水水質類別評價

由于河流水質受徑流變化的影響較大[15]，因此地表水汛期和非汛期的水質情況具有一定的差異性。涼水河上段(i測點)汛期水質為Ⅳ類，非汛期為劣V類，此結果表明汛期降水的增多使得河流中污染因子濃度得以稀釋，整體水質狀況相對于非汛期有所改善。但除i測點以外的其他7個測點，汛期和非汛期的水質類別并無明顯變化，這可能是由于研究區目前已經具有較高的城市化水平，下墊面的硬化程度較高，汛期河道污染物主要來自降雨徑流沖刷的城市面源污染[8]。

3.2 河流地表水水質綜合評價

采用綜合污染指數法計算研究區各河流地表水綜合污染指數(見表2)，評價結果表明研究區各代表斷面總體水環境狀況較差，蓮花河、新開渠河流水質較好，涼水河、馬草河分別有輕度污染或中度污染，而新豐草河、小龍河及九子河污染極為嚴重，其中九子河污染指數達到了8.18，需重點加強其流域范圍內的污染治理。

4 地下水現狀水質評價

基于單指標評價法及模糊數學法進行地下水水質評價，評價指標選取與地下水污染特征密切相關的色度、嗅味、渾濁度、PH值、總硬度、溶解性固體、硫酸鹽、氯化物、鐵、錳、銅、鋅、酚類、陰離子合成洗滌劑、高錳酸鉀指數、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮、氟化物、氰化物、汞、砷、鎘、六價鉻、鉛、細菌總數、總大腸桿菌群共27項進行了水質評價。

表2 研究區河流地表水水質綜合評價結果

4.1 地下水水質指標超標情況

根據2016年研究區17眼監測井監測結果年平均值，以《地下水質量分類指標》(GB/T1484-2017)Ⅲ類水標準值為基準進行評價，地下水水質超標指標有6項，即總硬度(以CaCO3計)、細菌總數、硝酸鹽氮、總大腸桿菌群、溶解性固體及硫酸鹽。結果表明：超標最嚴重的水質指標為總硬度，17眼井中有14眼井超標，超標率為82.35%；細菌總數和總大腸桿菌群污染等級在Ⅲ級以上的均為12處，超標率為70.59%；硝酸鹽氮的超標情況與總硬度空間分布大概一致，溶解性固體及硫酸鹽也有不同程度的超標，此外，其他水質指標均未出現超過Ⅲ類水的情況，但整體水質評價仍為V類水。

4.2 地下水整體水質類別評價

采用模糊數學評價法進行地下水水質類別評價(見表3)，模糊數學評價法考慮到了每個污染因子的污染權重與隸屬情況，所得到的水質評價結果能夠較為綜合地反映其水質情況，其中測點F、O、H、I、M、J、P的模糊數學水質整體評價結果均已超標，研究區整體的水質評價結果仍為V類水，可見污染十分嚴重，需采取有力措施改善區內地下水水質。

表3 研究區現狀地下水整體水質類別評價結果

4.3 地下水超標水質指標含量空間分布

根據《地下水質量分類指標》(GB/T1484-2017)，將超標水質指標分為5個等級指標，繪制研究區現狀地下水超標水質指標含量分布圖(見圖2)，以直觀反映地下水污染空間分布情況。

由圖2可得，總硬度、硝酸鹽氮及溶解性總固體的超標地下水主要分布在研究區東南部的P測點、O測點及北部的I測點，東、西地區3項水質指標具有明顯的差異性，東部地區地下水污染情況明顯高于西部地區；對于細菌總數和總大腸桿菌群，超標地下水主要分布在西部地區，農業面源污染對其地下水污染具有較大的影響；對于硫酸鹽，研究區大部分區域已達標，但I測點周圍地下水狀況為Ⅴ類水，其周圍分布有污水排放口，可推測污染來源主要為工業廢水點源污染。

4.4 地表水與地下水水質污染關系分析

地下水的補給主要源于大氣降水、地表水體，因此地表水水質污染會嚴重影響地下水水質[16]。地表水中除了蓮花河、新開渠等河流水質稍好以外，其他河流水質污染均非常嚴重，未經處理的工業廢水和生活污水直排入河，地表水對地下水的補給會間接地污染地下水，由評價結果可知，地表水質較差的河流對應的地下水水質也極差，因此可知研究區地表水與地下水的污染因子化學成分具有一定的相關關系。

5 水質污染成因分析及對策

5.1 水質污染成因分析

從超標污染因子化學成分角度分析，研究區地表水超標污染因子主要為NH3—N、COD、CODMn、BOD5及TP 5項，經調查，研究區工業和生活廢水的主要成份為CODcr、NH3—N、TP和TN，可見地表水超標水質指標污染來源主要為未經處理的工業及生活廢水點源污染。此外，據統計數據可得，2016年研究區化肥施用量為294.2 t，其中氮肥為112.2 t，氮肥、磷肥等化肥的過量使用可通過地表徑流和土壤侵蝕匯入水體中[17-19]，導致NH3—N、TP等化學元素的嚴重超標，受納水體有機物、微生物增多，從而導致COD、CODMn、BOD5超標嚴重。地下水超標污染因子主要為總硬度、細菌總數、硝酸鹽氮、總大腸桿菌群、溶解性固體及硫酸鹽6項，對于超標水質指標總硬度、溶解性固體及硫酸鹽，超標原因與研究區地質環境有關，在水巖化學作用下使其含量偏大[20-22]；而細菌總數、硝酸鹽氮及總大腸桿菌群超標的原因可能是相應的地表水體受到點源或面源污染，含磷含氮有機污水對淺層地下水水質影響程度較高，地表水在補給地下水的同時會將污染因子遷移到地下水中；其次，農村及城市降雨徑流面源污染也會在降雨入滲補給的同時攜帶污染物進入地下水體中[23-25]。

從超標水質指標空間分布角度分析，地表水超標水質指標主要集中在馬草河、小龍河、新豐草河、九子河。圖3為研究區主要污水排放口位置分布圖，由圖3可知，除新豐草河外，其他3處河流排污口分布均較為集中，說明未經處理的工業及生活污水點源污染對水質影響較為嚴重，而新豐草河所在位置城市化程度較高，因此可推測污染源主要為城市降雨徑流對下墊面污染物的沖刷。地下水受影響較為嚴重的河流主要有馬草河、九子河、牤牛河、佃起河、新豐草河、小清河、造玉溝；其中馬草河、九子河、新豐草河地表水污染也較為嚴重，地下水污染主要來自地表水補給的污染物遷移。此外，由圖3可知，其他4處河流分布有密集的排污口，點源污染為地下水主要污染源。

圖1 研究區地理位置、地形圖及水質監測點位置圖

圖2 研究區現狀地下水超標水質指標含量分布圖

根據調查可知，研究區東部建成區全部河道均采取了截污措施，但雨污合流問題仍十分突出，在超標降雨情景下，合流制溢流污水直排入河，對受納水體水質造成了嚴重污染。農村地區基礎設施建設滯后，市政污水管網不健全，大部分污水直接入河，河道內水質均為劣V類。啞叭河、九子河、牤牛河、佃起河流域目前基本無污水系統，雨水及部分生活、工業污水全部直排入河，河道水質嚴重惡化。

5.2 對策

城市地區應新建或擴建污水處理廠，通過對污水處理廠的升級改造確保污水處理水質的達標，提升整體污水處理能力；對于農村地區，需配合河道截污，新建污水處理站，也可就近納入城鎮污水管網。完善城市污水收集管網，增加污水收集能力，對雨污合流口開展截流式合流制改造，在經濟和空間條件允許情況下，可進行雨污分流改造。建設再生水管網，加大再生水利用量，增加河道環境用水，擴大園林綠化、道路澆灑等市政雜用利用量。對地表污染點源及地下水污染物擴散較嚴重區域采取防范措施。建議今后海綿城市建設過程中，將LID措施的生態功能與淺層點源污染控制相結合[26-28]。

圖3 研究區主要污水排放口位置分布圖

全面治理面源污染的建議如下：(1)城市降雨徑流面源污染。解決城市降雨徑流面源污染最有效的措施是進行低影響開發改造處理。在進行LID改造之前，需計算河流的污染物容量，對于超出受納水體污染污容量的降雨徑流，則需進行徑流污染的源頭LID改造[29]。在降雨徑流進入市政排水管網前對其進行污染物的削減和處理，常用的海綿措施包括綠色屋頂、雨水罐和生物滯留池等。此外，在市政排水管網中雨水或雨污合流污水排入受納水體之前，可進行末端處理的工程性措施改造，如滯留池、雨水濕地、濱水植被緩沖區以及雨污合流制排水系統中的就地調蓄池及截污設施等。除工程性措施以外，非工程性措施的有效實施也有利于改善城市面源污染，如保持街道清潔、加強城市固體廢物管理、城市綠化中控制肥料和殺蟲劑的使用以及完善相應的法律法規等。(2)農村面源污染。減少農業化肥的使用，保護好農村地區現有的森林、綠地、濕地等能夠對污染物進行稀釋、降解的自然區域。

6 結論與討論

(1)研究基于北京市豐臺區2016年水質指標逐月監測數據，分析北方典型城市地區的地表水及地下水水質污染現狀情況及污染成因。通過評價分析各監測河流地表水整體水質類別及超標情況可得，研究區8個河流監測點有一半監測河流整體水質為劣V類水質，主要超標項目為NH3—N、COD、CODMn、BOD5及TP 5項，其中NH3—N超標倍數最大，達到20.8倍；研究區地下水單指標評價結果表明超標最嚴重的污染因子為總硬度，超標率為82.35%，地下水整體水質類別為V類水。針對評價結果，提出了應用“海綿城市”理念的適用于北方城市地區水環境治理的新思路。

(2)本研究的重點在于通過對研究區整體水質進行評價后，針對評價結果將“海綿城市”理念應用到城市流域的水環境治理上，因此只采用常規方法進行評價，未進行深入探討。而綜合指數法、模糊數學法均采用超標賦權法計算權重，模糊性、隨機性及最大隸屬度不嚴謹的特點往往導致評價結果與實際有所偏差，建議今后采用多方法耦合或改進的研究方法，綜合各評價方法的優點，以得到更精確的評價結果。