河北省東部沿海水域水質(zhì)評價(jià)

裴 培

（河北環(huán)境工程學(xué)院，河北秦皇島066000）

1 概述

渤海三面環(huán)繞陸地，是一個(gè)半封閉的海，水量交換條件差［1］。遼寧省、河北省、山東省和天津市在北部、西部和南部環(huán)繞其周圍［2］。以上地區(qū)環(huán)渤海人口較多、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)。然而，這些地區(qū)也導(dǎo)致大量工業(yè)和城市廢水污染物排入海洋。同時(shí)，渤海沿岸地區(qū)分布著許多油田和大型港口，溢油事故和污水排放進(jìn)一步加劇了水環(huán)境污染［3］。河北省沿海水域由海洋污染引發(fā)的環(huán)境問題從河口區(qū)到沿海區(qū)均有發(fā)生，如水質(zhì)惡化、赤潮頻發(fā)、海洋生態(tài)系統(tǒng)失衡、漁業(yè)資源下降等［4］。因此，了解和分析河北省內(nèi)陸和沿海水環(huán)境的污染源，對于海洋環(huán)境的管理和水質(zhì)的改善具有十分重要的意義。

化學(xué)需氧量和磷酸鹽等污染物對沿海水域的海洋生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅［5］。針對渤海海域水體污染，已有一些研究如丁東生［6］針對海洋污染物環(huán)境容量多采用箱式數(shù)學(xué)模型計(jì)算的不足，提出了濃度梯度積分三維空間數(shù)值模型，計(jì)算了渤海沿海地區(qū)環(huán)境污染物總量；蘇一冰等［7］采用遙感、社會經(jīng)濟(jì)和常規(guī)檢測數(shù)據(jù)分析了近些年渤海海域氮磷營養(yǎng)鹽連續(xù)超過海洋水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的原因。然而，對于渤海近海污染濃度較高的沿海區(qū)域，對其水質(zhì)變化的分析研究較少。

本文對渤海西部河北省沿海地區(qū)27個(gè)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)的點(diǎn)源污染物負(fù)荷進(jìn)行了分析，并對水質(zhì)狀況進(jìn)行了調(diào)查。對污染源影響及研究區(qū)化學(xué)需氧量和磷酸鹽的濃度分布進(jìn)行了分析和討論，計(jì)算了有機(jī)污染物指數(shù)和富營養(yǎng)化指數(shù)，對2015年枯水期和豐水期水體污染水平和水質(zhì)狀況進(jìn)行了量化評估。

2 數(shù)據(jù)來源

有機(jī)污染物指數(shù)是一個(gè)包含很多水質(zhì)成分的綜合指數(shù)，解釋了化學(xué)需氧量、溶解無機(jī)氮、溶解無機(jī)磷和溶解氧的多變量效應(yīng)。通過與標(biāo)準(zhǔn)值的比較及幾種污染物在同一性質(zhì)下的組合，得到評價(jià)水環(huán)境有機(jī)質(zhì)的無量綱指標(biāo)［8］。基于其在評估有機(jī)污染物污染水平和水質(zhì)狀況方面的優(yōu)勢，已將其應(yīng)用于若干沿海和河口水域。富營養(yǎng)化是指水體中含有過多營養(yǎng)物質(zhì)，引起的營養(yǎng)物過度富集，導(dǎo)致有機(jī)物質(zhì)的過度積累。有機(jī)物質(zhì)的積累將改變水體的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)（食物網(wǎng)）。通過對觀測數(shù)據(jù)的處理，富營養(yǎng)化指數(shù)可以顯示化學(xué)需氧量、溶解無機(jī)氮和溶解無機(jī)磷等污染物負(fù)荷對水質(zhì)的相關(guān)影響。更全面、更清楚地顯示水體富營養(yǎng)化的程度。

河北省內(nèi)陸的污水可分為兩類： 河流排污口和直接排入海洋中的工業(yè)污水。研究區(qū)具有水質(zhì)數(shù)據(jù)的河流排污口有28個(gè)（自北向南分別為：石河、新開河、唐河、洋河、任棗河、大埔河、灤河、二灤河、大清河、二峽莊河、蘇河、青龍河、雙龍河、沙河、陡河、北排河、滄浪河、捷地減河、老石碑河、廖家洼、新石碑河、南排河、潢南河、黃南排水、老石碑河、黃南河、宣惠河和漳衛(wèi)新河。滄州市沒有工業(yè)污水直接排入海洋。秦皇島和唐山工業(yè)僅有山海關(guān)開發(fā)區(qū)、山海關(guān)船廠、北戴河西處理廠和三友化工4個(gè)污水排放源。其中，洋河、任棗河、大埔河、蘇河、漳衛(wèi)新河和三友化工是主要的污染物排放口，其他河流排放的為低濃度污水。

本文只考慮秦皇島和唐山工業(yè)區(qū)排放的污水即山海關(guān)開發(fā)區(qū)污水、山海關(guān)造船廠、北戴河西污水處理廠和三友化工排放的污水。其中，洋河、人民河、大浦河、蘇河、漳衛(wèi)新河和三友化工是主要的受污染區(qū)域。三友化工是主要的污染物排放點(diǎn)。在2018年4月、5月、6月、7月、9月和10月共進(jìn)行了6次污染源調(diào)查。主要污染物排放指標(biāo)包含：糞便中的大腸菌群、化學(xué)需氧量、生化需氧量、懸浮物、磷酸鹽、氨氮、石油、汞、砷、揮發(fā)酚、鎘、鉛?；瘜W(xué)需氧量、氨氮、磷酸鹽、六價(jià)鉻、氰化物和懸浮物指標(biāo)適用于一般污水。

海水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來自2015年7月21日至27日、11月20日至12月1日國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，主要水質(zhì)成分包括水溫、鹽度、溶解氧、酸堿度、化學(xué)需氧量、總氮、總磷、活性硅酸鹽、溶解氮、懸浮物、總有機(jī)碳等化學(xué)指標(biāo)。河北省沿海地區(qū)27個(gè)監(jiān)測點(diǎn)如圖1。

圖1 河北省沿海地區(qū)27個(gè)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)分布

本文描述的水質(zhì)成分均采用高氟水采樣器作為采樣工具進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。溶解氧和化學(xué)需氧量采用玻璃瓶。其他水質(zhì)樣本使用聚乙烯瓶。

3 研究方法

污染物指數(shù)［9］采用如式（1）計(jì)算：

式中 Pi為第i種污染物的污染物指數(shù)，當(dāng)Pi大于1時(shí)，說明污染物i的排放已超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)；Mi為污染物i的觀測濃度（mg/L）；Si為污染物i規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)濃度（mg/L）。

為考慮多種水質(zhì)成分對河北省沿海水域影響，渤海水質(zhì)評價(jià)采用有機(jī)污染物指數(shù)和富營養(yǎng)化指數(shù)。

3.1 有機(jī)污染物指數(shù)［10］

式中 COD為化學(xué)需氧量；DIN為溶解無機(jī)氮；DIP為溶解無機(jī)磷；DO為溶解氧。

CODs，DINs，DIPs，DOs為GB 3097—1997《中國海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)濃度。

3.2 富營養(yǎng)化指數(shù)［11］

本文采用了《中國海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中的一級標(biāo)準(zhǔn)，其中CODs=2mg/L，DINs=0.2mg/L，DIPs=0.015mg/L，DOs=6mg/L。

上述方程中，有機(jī)污染物指數(shù)綜合考慮了化學(xué)需氧量、二氧化氮和二氧化硫?qū)λ|(zhì)的影響，富營養(yǎng)化指數(shù)綜合考慮了化學(xué)需氧量、二氧化氮和二氧化硫?qū)λw富營養(yǎng)化的多重影響。如果A<0，則水質(zhì)被認(rèn)為優(yōu)；如果0≤A<1，則為好；如果11，說明水體處于富營養(yǎng)化狀態(tài)。E值越高，表明水體富營養(yǎng)化越嚴(yán)重。根據(jù)水質(zhì)觀測數(shù)據(jù)，在計(jì)算過程中，DIN用溶解氮的濃度代替，DIP用磷酸鹽的濃度代替。排污口污染物濃度的標(biāo)準(zhǔn)值如表1。

表1 排污口污染物濃度標(biāo)準(zhǔn)值 單位：mg/L

4 結(jié)果分析

圖2~圖4給出了2015年一般污水的污染物負(fù)荷，其濃度超過相應(yīng)水污染標(biāo)準(zhǔn)的濃度值。大多數(shù)普通污水中化學(xué)需氧量的最高濃度出現(xiàn)在4月份，其中部分發(fā)生在5，6，7月，很少出現(xiàn)在9，10月。大多數(shù)普通污水中氨氮濃度的極值出現(xiàn)在4，5，10月。有些發(fā)生在6，7，8月。在4，5，6，7，10月，一些污水中的六價(jià)鉻濃度最高，少數(shù)出現(xiàn)在9月。大多數(shù)普通污水排放口的氰化物濃度在5月份達(dá)到最高，其中一些在6，9，10月，只有少數(shù)出現(xiàn)在7月份。磷酸鹽濃度最大值出現(xiàn)在4，5，7，10月，很少一部分出現(xiàn)在6，9月。大多數(shù)普通污水中懸浮物質(zhì)的高濃度發(fā)生在4，5，6月。在一般污水中，主要污染物為化學(xué)需氧量、磷酸鹽和懸浮物。

圖2 不同區(qū)域COD污染物濃度值

圖3 不同河流磷酸鹽污染物濃度值

圖4 不同河流懸浮物污染物濃度

圖5~圖6給出了2015年主要排污口的化學(xué)需氧量和磷酸鹽濃度值，其濃度超過相應(yīng)水污染標(biāo)準(zhǔn)的濃度值。大多數(shù)主要污染物排放口的糞便中大腸菌群濃度最高是在7月，其很少出現(xiàn)在4，6，9，10月。大多數(shù)主要污染物排放口的5日生化需氧量最高濃度出現(xiàn)在4，5月，有些出現(xiàn)在6月，大多數(shù)出口的最高石油濃度出現(xiàn)在5，9月。大多數(shù)出口的汞濃度在7月最大，少數(shù)出口的汞濃度出現(xiàn)在9，10月。在大多數(shù)主要污染物排放口，砷的最高濃度出現(xiàn)在7，10月。大多數(shù)主要污染物排放口的揮發(fā)酚濃度在5，7月最高，少數(shù)出現(xiàn)在4月。鎘的最高濃度出現(xiàn)在6，9月。只有少數(shù)出現(xiàn)在5月。在大多數(shù)出口，鉛濃度在7月份較高，在4，10月份較低。與一般污水相比，主要污染物排放口排放的污染物對海洋環(huán)境的污染程度較嚴(yán)重。

圖5 主要排污口的化學(xué)需氧量濃度

圖6 主要排污口的磷酸鹽濃度

圖7給出了汛期（2015年7月21～27日）河北省沿海水域化學(xué)需氧量和磷酸鹽的平均濃度等值線圖，可以看出： 沙河和陡河河口附近的化學(xué)需氧量濃度最高，為4.4~5.2mg/L，洋河和灤河河口也受到嚴(yán)重污染，化學(xué)需氧量濃度分別為2.8~3.6mg/L和2.4~3.2mg/L，其他水域的化學(xué)需氧量濃度低于2mg/L，沙河和陡河河口附近水域的磷酸鹽濃度最高，為0.035~0.04 mg/L，部分遠(yuǎn)海的磷酸鹽濃度高于沿海水域。表明磷酸鹽的來源不僅來自內(nèi)陸污水，也來自遠(yuǎn)海捕魚區(qū)及港口地區(qū)。

圖7 汛期污染物濃度等值線

圖8給出河北省沿海水域旱季（2015年11月20日至12月1日）化學(xué)需氧量和磷酸鹽的平均濃度等值線圖。

圖8 枯水期污染物濃度等值線

由圖8可看出：沙河和陡河河口附近的化學(xué)需氧量濃度最高為14mg/L，其濃度較高是由于三友化工過量排放污染物造成的結(jié)果。灤河河口入海附近也發(fā)生了嚴(yán)重污染，其化學(xué)需氧量濃度6～8mg/L，其他水域的化學(xué)需氧量濃度均低于2mg/L，沙河和陡河河口附近水域的磷酸鹽濃度最高，為0.09mg/L，這也是由于三友化工過量排放造成的。秦皇島和唐山海域的磷酸鹽濃度偏高，為0.04mg/L。曹妃甸和黃驊港遠(yuǎn)海地區(qū)的磷酸鹽濃度高于沿海地區(qū)。

圖9~圖10給出了汛期和旱季污染物濃度的比較結(jié)果。

圖9 汛期和旱季實(shí)測化學(xué)需氧量對比

圖10 汛期和旱季實(shí)測磷酸鹽對比

由圖9～圖10可看出： 秦皇島附近水域枯水期化學(xué)需氧量濃度高于汛期。與唐山和滄州附近水域的情況相反，大多數(shù)測站旱季磷酸鹽濃度較高。污染物濃度與徑流流速密切相關(guān)，在大部分水域，污染物濃度隨著汛期流速的增加而降低，但在其他一些水域，徑流在汛期會攜帶更多污染物，這導(dǎo)致其流入水域污染物濃度更高。對于中國北方的大多數(shù)河流來說，汛期和枯水期的流量差異較大。以2015年灤河為例，汛期平均流量64.21m3/s，枯水期僅11.49m3/s。

針對2015年，27個(gè)站點(diǎn)的有機(jī)污染物指數(shù)和富營養(yǎng)化指數(shù)結(jié)果如表2。

表2 有機(jī)污染物指數(shù)及富營養(yǎng)化指數(shù)

從表2中可看出：汛期天津和滄州水域的有機(jī)污染和富營養(yǎng)化程度均比秦皇島和唐山水域嚴(yán)重得多。而在旱季，這種特殊的分布并不明顯，因?yàn)榇蟛糠炙蚓艿讲煌潭鹊奈廴尽?/p>

表3給出了基于污染指數(shù)的受污染沿海水域的統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果。

表3 水體污染程度定量評價(jià)統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：%

從表3可看出：在汛期，沿海地區(qū)3.70%的站點(diǎn)受到有機(jī)污染物的輕度污染，中度和重度污染的站點(diǎn)占7.41%，富營養(yǎng)化污染的測站比例為40.74%。在枯水期水質(zhì)發(fā)生了明顯惡化，輕度污染占18.52%，中度污染占37.04%，有機(jī)污染占33.33%，富營養(yǎng)化污染的測站占88.89%。更嚴(yán)重的污染有可能發(fā)生在旱季而非汛期。

統(tǒng)計(jì)分析表明有機(jī)污染物指數(shù)與富營養(yǎng)化指數(shù)呈正相關(guān)，2015年汛期和枯水期有機(jī)污染物指數(shù)和富營養(yǎng)化指數(shù)的空間計(jì)算結(jié)果表明：秦皇島海域（僅有BD05站）、唐山海域和黃驊港海域有機(jī)污染物濃度較高。秦皇島水域（僅有BD05站）、唐山水域（僅有ZD-BDH076站）、天津水域（僅有HBBZ11站）和黃驊港水域富營養(yǎng)化嚴(yán)重。結(jié)果表明，唐山水域和黃驊港水域污染嚴(yán)重，與實(shí)測數(shù)據(jù)相符。

5 結(jié)語

（1） 工業(yè)污水排放造成的污染物負(fù)荷比一般污水（生活污水）對水環(huán)境的影響更大。從化學(xué)需氧量和磷酸鹽的分布來看，高濃度的水主要集中在沙河、陡河、洋河和灤河附近。

（2）化學(xué)需氧量的污染主要來自陸地電源污染。磷酸鹽濃度主要來自沿海水域（漁業(yè)和港口地區(qū)）的非點(diǎn)源污染。

（3）2015年秦皇島水域水質(zhì)狀況好于唐山和滄州?？偟膩碚f，旱季污染水平比汛期高得多。

（4）應(yīng)重視旱季污染物的擴(kuò)散和分布，建立排污口污染物凈化處理措施，減少工業(yè)廢水的排放，使沿海區(qū)域水體向著健康生態(tài)的方向發(fā)展。