城市河流水體污染變化特征及其對降雨的響應關系
——以新鳳河流域為例

陳 焰，夏 瑞，曾思棟，楊中文，王 璐，4，張 凱，賈蕊寧，5

（1.中國科學院重慶綠色智能技術研究院，重慶 400714；2.國家環境保護河口與海岸帶環境重點實驗室中國環境科學研究院，北京 100012；3.環境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環境科學研究院，北京 100012；4.北京師范大學，北京 100875；5.西北大學，陜西西安 710127）

隨著我國經濟的快速發展，城鎮化進程加快，城市排污量不斷增加，包括北京在內的許多城市河流受到嚴重污染，黑臭問題現象突出［1，2］。城市黑臭水體不僅給群眾帶來了極差的感官體驗，也直接影響群眾生產生活和制約城市發展。中國住建部2016 年公布全國295 座地級及以上城市中，有超70%存在黑臭水體。黑臭水體的形成受工業和生活污染排放影響，降雨徑流產生的非點源也是其成因之一，1993年美國EPA 把城市地表徑流列為導致全美河流和湖泊污染的第3大污染源，據統計，美國的非點源污染量占污染問題的2∕3，60%的水體污染起源于非點源，城市非點源日益成為水質惡化的主要原因［3，4］。新鳳河是北京市的主要水源地和生態廊道，2016年被列入北京市重點黑臭水體之一，受納大興區內主要污水、廢水和非點源污染，水環境問題十分突出，COD、氨氮和TP常年嚴重超標。

降雨通常被認為是水文和非點源模型中驅動徑流產生和質量運輸的最重要輸入途徑［5］，是除人為因素干擾外導致污染物流失進入水體的主要自然因素和先決條件，降雨特征（降雨量、降雨強度和雨前晴天天數等）對污染物的流失存在顯著影響［6］，降雨強度越大，產流系數越大，攜帶的污染物越多，產生的污染程度越大［7］，從狹義上講，非點源污染往往是由降雨徑流導致的污染過程。就影響方式而言，降雨主要通過降雨量、雨強、降雨歷時等對非點源污染產輸產生影響，不同的影響方式對非點源的響應機制存在顯著差異。大量研究表明，降雨與非點源污染的產生量有較為顯著的非線性相關關系，表現形式包括指數函數［8］、冪函數［9］、對數函數［10］和二項式函數［11］等。主流觀點認為，在自然條件下，無論暴雨、中雨還是小雨，降雨初期污染物濃度呈上升趨勢，隨后逐漸平緩，后期呈現下降趨勢［12］。

關于城市降雨和水質污染的響應關系研究主要體現在兩個方面，一是通過建立非點源污染模型，以降雨作為驅動要素模擬分析氣候變化與水環境的響應關系［13，14］，二是通過模擬降雨實驗和自然降雨事件聯合研究［15］，分析徑流與水質響應特征。受地形等條件的影響，當前研究大多集中在農田徑流［16］、平原區流域［17］和小區道路屋頂等不透水面［18，19］，基于降雨事件開展污染排放特征研究，分析降雨事件下的污染物遷移規律，對城市河流流域的研究較少。本研究擬基于新鳳河流域出口斷面的長年水質監測數據，識別新鳳河流域污染演變特征及其對降雨的響應關系，了解降雨強度影響下的污染物動態變化，探討城市河流污染對自然降雨的響應機制。

1 材料與方法

1.1 區域概況

新鳳河位于北京市大興區北部（圖1），自大興區黃村鎮立垡分水閘流經5 個鄉鎮，沿途匯入支流包括老鳳河、南苑灌渠、新西鳳渠、涼鳳灌渠、安南支流、姜鳳支流等，全長約30 km。主河道位于流域南部，屬北運河水系涼水河支流，西起永定河灌渠，向東南方向穿越新城后，從劉村向東至燒餅莊閘，再向東北方向，于馬駒橋鎮西北匯入涼水河。新鳳河流域面積約166 km2，地勢西北高東南低，地面高程39.7～74.8 m，相對高差35.1 m，地形坡度0.5‰～2.0‰。多年平均降雨量為516 mm（1956-2004 年），最大降雨量為1 040 mm 左右（1959 年），最小降雨量268 mm（1965 年），6-8 月為汛期，降水量占全年的87%以上。由于新鳳河匯入涼水河下游連接北京副中心通州，新鳳河水生態環境保護對于首都生態文明建設、保障下游城市副中心水安全至關重要。

1.2 數據描述

本研究以北京市大興區水務局和中國環境監測總站提供的污染物數據、氣象數據等為基礎，包括2015-2019年月尺度污染物數據和月尺度降雨數據。指標采樣點位（圖1）布設于新鳳河流域出口燒餅莊閘，也是河新鳳河的水質考核斷面，檢測方法參照國家統一標準［20］，期間逐月降雨數據來自流域內最近的黃村雨量站。根據大興區對新鳳河流域水質考核需求，選取COD、氨氮和TP 作為代表水質參數，分析新鳳河污染變化特征及其對流域降雨的響應關系。

圖1 新鳳河流域位置及其采樣站點Fig.1 The location of Xinfeng River and sampling

1.3 分析方法

數據采用Arcgis10.3、Excel、Origin9.1 等軟件及Python 語言進行統計分析和制圖。

（1）回歸分析。基于新鳳河流域出口斷面COD、氨氮、TP濃度與黃村雨量站降雨數據，利用Python 對降雨與水質指標進行回歸并計算Spearman 相關系數，分析降雨與水質的相關性?？紤]到降雨數據存在值為0 的特殊情況，在原始降雨量的基礎上加一定的數值Re（Re>0）對數據進行修正，對修正后的降雨量Rx進行對數轉換。

根據氣象局降雨等級劃分，將降雨事件按照降雨強度分為5 個等級，其中小雨（XR）日降雨量為小于10 mm，中雨（ZR）日降雨量為10～25 mm，大雨（DR）日降雨量為25～50 mm，暴雨（BR）日降雨量為50～100 mm，大暴雨或特大暴雨（TR）日降雨量為大于100 mm。利用Origin9.1 分別對COD、NH3-N、TP 與降雨進行回歸分析。

（2）MK（Mann-Kendall）突變檢驗。MK 突變分析用于分析水質指標突變過程及污染特征變化趨勢和原因。

式中：UFk是基于標準正態分布并基于X時間序列計算的統計系列，顯著水平α；當條件為|UFk|>Uα/2時，序列存在顯著趨勢變化。通常UFk的正負值代表趨勢的上升或下降，與UBk曲線交點對應的時間序列節點則為突變時段。

2 結果與分析

2.1 水質指標與降雨變化

2015-2019 年新鳳河流域水質逐年改善，由于汛期水質在2015-2017 年優于非汛期水質，在2018-2019 年劣于非汛期水質，初步認為新鳳河流域水質在2017 年發生突變。如圖2 所示，出口斷面COD、氨氮和TP 濃度在2015-2019 年表現為波動下降，2015年均超出地表水劣V類標準，2019年達到地表III～IV類水，平均濃度較2015 年分別下降54.9%、94.4%和87.8%。水質指標濃度與流域降雨的關系存在顯著的變化（表1），流域汛期均出現在6-8 月，從時間上對比指標濃度變化趨勢可見，2015-2017 年COD、氨氮、TP 濃度在汛期較低，非汛期月份較高，汛期與非汛期COD、氨氮、TP 濃度比值分別為0.75、0.72 和0.87。相反2018-2019 年COD、氨氮、TP 濃度在汛期較高，其他月份較低，濃度比值分別為1.05、1.17和1.22。

表1 汛期與非汛期水質指標變化差異Tab.1 Difference of water quality between flood season and non-flood season

圖2 水質指標與降雨變化趨勢Fig.2 Monthly variation trend of water quality and rainfall

2.2 基于降雨的水質突變分析

為了進一步明確流域降雨與出口斷面水質指標的相關關系變化特征以及變化原因，采用線性回歸方法建立降雨與COD、氨氮、TP 濃度的相關關系，如圖3 所示為2015-2019 年水質指標對降雨的響應趨勢，2015-2017 年COD、氨氮、TP 濃度與降雨的響應關系表現為不同程度的負相關，平均相關系數分別為-0.692、-0.543 和-0.521；相反2018-2019 年COD、氨氮、TP 濃度與降雨的響應關系均表現為正相關，平均相關系數分別為0.579、0.536 和0.720。可見，指標濃度隨降雨量增大呈現降低的趨勢逐漸轉變為呈現升高的趨勢，且發生變化的年份在2017-2018年之間。

圖3 2015-2019水質指標與降雨的響應趨勢Fig.3 Response trend of water quality indexes and rainfall from 2015 to 2019

為了揭示產生變化的主要原因，采用MK檢驗對COD、氨氮和TP濃度進行突變分析，結果如圖4所示，在1%顯著水平范圍內，COD、氨氮和TP 濃度在2015-2019 年均存在一個突變點，分別出現2018 年11 月、2018 年6 月和2017 年11 月，突變后濃度均下降，該結果與以上分析結果一致。主要因為2017-2018 年截污等水環境治理工程的實施使新鳳河流域點源得到控制［21］，工程實施前，水體主要受點源影響，降雨對指標濃度起到了一定的稀釋作用，導致濃度降低，雨量越大，稀釋效果越好，工程實施后，點源得到控制，入河非點源負荷隨著降雨量的增大而增加，濃度升高。

圖4 COD、氨氮和TP濃度MK檢驗結果Fig.4 MK test result of COD，ammonia nitrogen and TP concentration

2.3 水質指標對降雨強度的響應

新鳳河流域水質指標在不同降雨強度下變化較大，隨著降雨強度的增大，指標濃度呈現波動降低的趨勢。圖5可見，小雨強度下，COD、氨氮和TP 平均濃度分別為33.8、10.25 和1.02 mg∕L，濃度變化區間分別為14～85.5、0.4～24.3 和0.17～6.42 mg∕L。中雨強度下，COD、氨氮和TP 平均濃度分別為50.28、12.46 和1.87 mg∕L，濃度變化區間分別為12.5～80、0.93～27.4 和0.33～4.04 mg∕L。大雨強度下，COD、氨氮和TP 平均濃度分別為50.02、11.96 和1.49 mg∕L，濃度變化區間分別為19.5～83、0.42～29.6 和0.28～3.6 mg∕L。暴雨強度下，COD、氨氮和TP 平均濃度分別為37.68、9.02 和0.86 mg∕L，濃度變化區間分別為29.5～42.2、6.88～11.2 和0.25～1.36 mg∕L。特大暴雨強度下，COD、氨氮和TP平均濃度分別為33.8、10.25和1.02 mg∕L，濃度變化區間分別為29.2～37、8.11～12.2和0.12～1.72 mg∕L。

圖5 不同降雨強度下水質濃度變化趨勢Fig.5 Trends of water quality under different rainfall intensity

COD、氨氮和TP 濃度與降雨強度存在明顯的相關關系。COD 濃度在特大暴雨中最低，中雨和大雨中較高，可見隨著降雨強度的增大，濃度先上升后下降趨于平緩。氨氮和TP濃度均在暴雨中最低，中雨強度下最高，隨著降雨強度的增大，濃度先上升后下降，在特大暴雨中有略微回升。不同降雨強度下的水質指標濃度與降雨量存在二項式非線性關系，COD、氨氮和TP濃度在小雨事件與降雨量均呈現“∨”型曲線關系，濃度隨著降雨量的增大先降后升，相關性不顯著；在中雨事件與降雨量均呈現“∧”型曲線關系，濃度隨著降雨量的增大先升后降，相關性不顯著；在大雨事件隨著降雨量增大而降低，R2分別為0.545、0.2 和0.488；暴雨和特大暴雨事件中COD、氨氮和TP 濃度與降雨量的非線性關系顯著增強，尤其在特大暴雨條件下非線性關系分別達到0.955、0.987 和0.936，但與降雨量呈現不一樣的非線性關系。整體來看，三個指標濃度隨著降雨強度的增加呈現先上升后下降的趨勢，不同強度下的降雨量和指標濃度在一定程度上表現為非線性相關，且非線性相關關系隨降雨強度的增大而逐漸增強。

3 討論

2015-2019年，新鳳河流域水質逐步得到改善，根據地表水環境質量標準，從劣V 類上升到III～IV 類。降雨是水系統循環過程中主要組成部分［22］，在陸面水文循環過程中對河流水質具有突出貢獻［23］，具有沖刷和稀釋的作用，累積并儲存于陸面的污染物隨著降雨徑流的沖刷就近流入河道，當徑流中的污染物濃度高于河道水體，徑流無疑增加水體負荷，相反則能充當凈水的作用，稀釋水質濃度。當流域污染由點源主控時，降雨起到清水補給的作用，水體濃度高于降雨徑流攜帶的非點源濃度，稀釋水中污染物濃度，導致河道水質隨著降雨量的增大而逐漸改善，當點源在最大程度上得到控制，排入河道的點源負荷急劇減小，由降雨徑流產生的非點源對水體的影響逐漸顯著，降雨對河道水質的響應由沖刷作用主控，水質濃度隨著降雨量的增大而升高。本研究發現，流域出口斷面水質指標逐月濃度呈現明顯的變化，兩個時期的水質濃度的差異反映了流域污染源的變化（圖6），2015-2017年汛期水質濃度明顯低于非汛期，說明流域主要受到工業、城鎮生活等污染排放的影響［24］，由于水環境治理工程的實施運行，2018-2019 年汛期水質濃度高于非汛期，說明流域主要受到農業、城鎮徑流和農村生活等非點源的影響。

圖6 不同時期流域污染源分布特征Fig.6 Distribution characteristics of pollution sources in different periods

從新鳳河流域出口斷面水質與降雨強度的響應關系來看，水質指標濃度在小雨事件到中雨、大雨事件轉變的過程中逐漸升高，趨于平緩后在暴雨、特大暴雨事件中開始降低并達到飽和或輕微回升。原因在于降雨量較小時，由于產生徑流少甚至無徑流產生，對河道水質影響不大，隨著降雨量增大，產流增大，攜帶入河的污染物負荷增大［25］，會造成河道污染物濃度出現波動上升，當降雨量達到一定程度的時候，由于地表達到土壤飽和狀態，沖刷陸面污染物的能力降低，徑流和河道水體中的污染負荷達到平衡狀態，水質濃度降低并逐漸達到平衡，出現輕微回升可能的原因在于特大暴雨引起了底泥擾動，沉積物中的有機物和營養鹽釋放上浮，增加水體污染負荷，該結論與石德坤［26］等的研究結論一致。進一步分析不同降雨強度下水質指標濃度與降雨量的相關關系可見，在不同的降雨強度下，水質指標濃度隨降雨量的增大呈現先升后降或先降后升的二次函數關系，該結論在Xie［27］等、于興修［28］等、連慧珠［29］等、李曉虹［30］等的研究中均有所體現，可見降雨對河流水質的影響在稀釋作用和沖刷作用之間轉換（圖7）。

圖7 河流污染物對降雨的響應機制（李曉虹等總結）Fig.7 Response mechanism of river pollutants to rainfall（Summaried by Li Xiaohong et al）

4 結論

（1）新鳳河流域水質變化受降雨影響顯著。新鳳河流域出口斷面COD、氨氮和TP 三個組分濃度呈現逐年降低的趨勢，根據地表水環境質量標準，斷面水質類別從2015年的劣V 類提升2019 年的至III～IV 類，2015-2017 年汛期水質優于非汛期，2018-2019年劣于非汛期。

（2）降雨與水質的響應關系反映了流域污染變化特征。流域降雨與水質指標的相關關系從負相關轉變為正相關，變化拐點出現在2017-2018年，拐點前后，流域污染由點源主導變為非點源主導。

（3）不同降雨強度顯著影響污染輸出特征。降雨的稀釋和沖刷作用決定污染組分對降雨的響應關系，COD、氨氮和TP 濃度在中雨和大雨時較高，暴雨和特大暴雨時較低，隨著降雨強度的增大，3 個指標濃度在小雨～大雨過程中表現為先上升，逐漸趨于平緩，在暴雨～特大暴雨過程中開始下降。不同降雨強度下的降雨量與水質呈現二次函數非線性關系，且隨著強度的增大，非線性關系越強。