渾河沈撫段水體污染季節(jié)性變化研究

劉 強(qiáng),禹雪迪

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110168)

渾河沈撫段水體污染季節(jié)性變化研究

劉 強(qiáng),禹雪迪

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110168)

為明確渾河沈撫段水污染特征,提升水環(huán)境治理有效性,2015年3月—2016年2月對(duì)渾河沈撫段進(jìn)行水環(huán)境調(diào)查。根據(jù)豐、平、枯3個(gè)水期的pH值、電導(dǎo)率、COD、NH3-N、BOD及CODMn等水質(zhì)指標(biāo),運(yùn)用改進(jìn)的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法識(shí)別出主要污染因子,并分析渾河沈撫段水質(zhì)污染時(shí)空變化特征。結(jié)果表明,研究區(qū)域的pH值在一個(gè)水文年變化范圍為6.42～8.06,較適宜水生生物生長(zhǎng);水體在枯水期的電導(dǎo)率最高,豐水期最低。渾河沈撫段水體受沿岸工業(yè)廢水和生活污水的點(diǎn)源污染影響,流域枯水期和平水期各監(jiān)測(cè)斷面的綜合水質(zhì)均未達(dá)標(biāo);從上游到下游4項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的綜合水質(zhì)指數(shù)增大,污染逐漸加重,主要污染指標(biāo)為COD和NH3-N。

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法;水質(zhì)評(píng)價(jià)；污染源;季節(jié)性變化;渾河沈撫段

隨著沈撫新城的快速發(fā)展,渾河沈撫段已經(jīng)由自然原生態(tài)河流向城市內(nèi)河轉(zhuǎn)變,面臨著激增的城市點(diǎn)源與原有農(nóng)業(yè)面源對(duì)支流和干流的疊加污染、上游污水廠出水水質(zhì)較差、河流污徑比較大、生態(tài)需水量難以保證等問(wèn)題,河流自?xún)裟芰χ饾u降低，生態(tài)功能不斷退化，河流兩岸自然生態(tài)帶急劇萎縮。

現(xiàn)階段,國(guó)內(nèi)學(xué)者們已對(duì)渾河水質(zhì)進(jìn)行了一定的研究,王輝等[1]對(duì)渾河中11項(xiàng)污染物的健康風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析,得出NH3-N超標(biāo)嚴(yán)重的結(jié)論。張鴻齡等[2]利用NH3-N、TP、重金屬3個(gè)指標(biāo)分析渾河水體的污染變化特征,結(jié)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(zhì)屬于Ⅴ類(lèi)甚至劣Ⅴ類(lèi)。陳艷麗等[3]選用COD、NH3-N、BOD等7項(xiàng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目對(duì)渾河干流水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),得出COD及NH3-N超標(biāo)為河流部分水質(zhì)斷面超標(biāo)的主要原因。

圖1 采樣點(diǎn)位置示意圖

東北地區(qū)的氣溫、徑流、降雨量季節(jié)性變化較明顯,影響水體污染的因素眾多,監(jiān)測(cè)污染指標(biāo)的年內(nèi)平均值無(wú)法明確反映水體污染的季節(jié)性變化特征[4]。筆者選取2015年3月—2016年2月，對(duì)渾河沈撫段枯、豐、平3個(gè)水期的污染指標(biāo)進(jìn)行分析,利用改進(jìn)的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法識(shí)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(shí)空變化特征,為鞏固遼河流域重污染“摘帽”成果、進(jìn)一步提升渾河沈撫段干流水質(zhì)、實(shí)現(xiàn)渾河沈撫段景觀用水水質(zhì)功能要求提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

渾河源于遼寧省撫順市清原縣滾馬嶺,流經(jīng)撫順、沈陽(yáng)等市縣,本次研究區(qū)域?yàn)闇喓由驌岫螀^(qū)域,指沈陽(yáng)市東部和撫順市西部的沈撫連接帶,流經(jīng)該區(qū)域的渾河干流水域約11 km2,區(qū)域內(nèi)干流全長(zhǎng)32.7 km,干流平均水面寬度約411 m。區(qū)域內(nèi)年徑流量分布不均勻,冬季河面結(jié)冰,主要靠地下水補(bǔ)給徑流,4月份之后氣溫逐漸升高,積雪融化,同時(shí)上游大伙房水庫(kù)放水補(bǔ)給,流量顯著增大。渾河沈撫段接納了沈陽(yáng)和撫順沿渾河岸邊排放的大量污染物,其環(huán)境狀況直接影響著區(qū)域居民的健康安全。

1.2 樣品采集和分析

采樣點(diǎn)沿渾河沈撫段上游撫順和平橋開(kāi)始布控,共設(shè)置22個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,包括10個(gè)干流斷面、8個(gè)支流斷面、3個(gè)排污口斷面,見(jiàn)圖1。從2015年3月到2016年2月對(duì)各監(jiān)測(cè)斷面每月進(jìn)行1次樣品采集,根據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)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(xiàn)場(chǎng)采用YSI6600 V2型多參數(shù)水質(zhì)參數(shù)儀測(cè)定水溫、濁度、pH值及電導(dǎo)率等指標(biāo)。每個(gè)采集的樣品經(jīng)過(guò)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(cè)定COD、NH3-N、BOD、CODMn。

1.3 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

綜合評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量的方法有很多,目前較常見(jiàn)的有污染指數(shù)法、模糊綜合指數(shù)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等,但其共有的不足之處是不能顯示各個(gè)水質(zhì)指標(biāo)中超標(biāo)指標(biāo)的個(gè)數(shù),更不能表明河流是否滿(mǎn)足水體功能區(qū)水質(zhì)要求。因此,選用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià),其顯著優(yōu)勢(shì)為既可以定性定量評(píng)價(jià)水體,又不會(huì)因個(gè)別水質(zhì)指標(biāo)較差就否定水體綜合水質(zhì),從而對(duì)河流綜合水質(zhì)做出合理評(píng)價(jià),計(jì)算公式為

IWQ=X1.X2X3X4

(1)

式中:IWQ為綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù);X1為綜合水質(zhì)級(jí)別;X2為綜合水質(zhì)在該級(jí)別水質(zhì)變化區(qū)間中所處的位置;X3為參與綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)的單項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)中,劣于水環(huán)境功能目標(biāo)的指標(biāo)個(gè)數(shù);X4為綜合水質(zhì)類(lèi)別與水體功能區(qū)類(lèi)別的比較結(jié)果,視綜合水質(zhì)的污染程度,X4為一位或兩位有效數(shù)字[5-6]。

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的重點(diǎn)是計(jì)算綜合水質(zhì)指數(shù)X1.X2,為使其更確切反映現(xiàn)狀,初步選定以下3種改進(jìn)方案[7]。

方案一:

(2)

方案二:

(3)

方案三:

(4)

2 水質(zhì)指標(biāo)變化及分析

2.1 pH值在一個(gè)水文年內(nèi)的變化

水體pH值是水體水化學(xué)特征的綜合反映。如圖2所示,研究區(qū)域在一個(gè)水文年內(nèi)pH值為6.42～8.06,屬中性水平?？菟?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(xiàn)在和平橋點(diǎn)位;平水期,pH變化范圍為6.42～6.97,屬中性偏酸水平?？傮w來(lái)說(shuō),河流水體pH值較適宜水生生物的生長(zhǎng)。

圖2 渾河沈撫段枯、豐、平水期pH值變化

從水期變化來(lái)看,研究區(qū)域水體枯水期和豐水期pH值略高于平水期,且大部分監(jiān)測(cè)斷面豐水期pH值最高。主要由3個(gè)原因造成:①對(duì)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(qiáng)烈消耗水中的CO2導(dǎo)致pH值升高[8];③豐水期上游大伙房水庫(kù)放水,大量水流對(duì)河底產(chǎn)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(lái)看,豐水期和平水期撫順西段內(nèi)水體pH值高于沈陽(yáng)東段,而枯水期規(guī)律不明顯,主要因?yàn)榭菟谒啃?、污染重、水質(zhì)差,水體主要以排污口及支流排放的流量為主,導(dǎo)致各監(jiān)測(cè)區(qū)段pH值差異不顯著。

2.2 電導(dǎo)率在一個(gè)水文年內(nèi)的變化

電導(dǎo)率(σ)主要取決于水中的總離子濃度,是水化學(xué)分析的重要指標(biāo)之一。如圖3所示,從水期變化來(lái)看,研究區(qū)域水體枯水期的電導(dǎo)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(dǎo)率時(shí)發(fā)現(xiàn),一般水量增大時(shí)電導(dǎo)率則降低,水量下降時(shí)電導(dǎo)率則升高。本研究中,枯水期的河流電導(dǎo)率明顯高于平水期和豐水期,與前述規(guī)律一致[10]。從河道走向來(lái)看,枯水期和豐水期撫順西段內(nèi)電導(dǎo)率略高于沈陽(yáng)東段,特別是在枯水期高坎大橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)到峰值6.15 mS/m,這主要是因?yàn)楦呖泊髽蛏嫌未嬖谙虏倥盼劭?排放的污水中含有可溶性鹽類(lèi),從而使下游電導(dǎo)率升高[11-12]。

圖3 渾河沈撫段枯、豐、平水期電導(dǎo)率變化

3 水質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)

渾河水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)執(zhí)行GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),采用COD、NH3-N、BOD和CODMn共4個(gè)項(xiàng)目作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)[13],對(duì)其水環(huán)境狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),枯、豐、平3個(gè)水期各指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)和水體綜合水質(zhì)指數(shù)X1.X2的3種方案的評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 渾河沈撫段枯、豐、平水期水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

由表1可知,方案一的各監(jiān)測(cè)斷面的綜合水質(zhì)指數(shù)最小,主要是因其未充分考慮超標(biāo)因子對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的影響,將所有因子賦予相同的權(quán)重;方案二賦予超標(biāo)因子過(guò)多的權(quán)重,導(dǎo)致各監(jiān)測(cè)斷面的綜合水質(zhì)指數(shù)偏大;方案三合理考慮了超標(biāo)因子對(duì)水環(huán)境的貢獻(xiàn)力,從而更加貼切地反映河流水體的綜合水質(zhì)情況,因此本研究采用方案三對(duì)渾河沈撫段進(jìn)行綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)評(píng)價(jià)。

3.1 單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)

渾河沈撫段枯、豐、平3個(gè)水期單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯?在枯水期,10個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的COD和NH3-N水質(zhì)污染指標(biāo)基本上達(dá)劣Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn),絕大多數(shù)斷面BOD也處于Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn),僅CODMn符合水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo);豐水期各監(jiān)測(cè)斷面的NH3-N、BOD及CODMn3個(gè)水質(zhì)污染指標(biāo)均為Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn),水環(huán)境狀況良好,但COD仍均超標(biāo)于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo),個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)劣于Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn);平水期10個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的COD幾乎均劣于Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn),BOD及CODMn水質(zhì)污染指標(biāo)均為Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn),NH3-N變化差異性較大。

對(duì)研究區(qū)域各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面4個(gè)污染指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Pi取平均值(圖4)可看出,嚴(yán)重超標(biāo)的污染指標(biāo)是COD和NH3-N,3個(gè)水期中COD均未達(dá)到水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo),超過(guò)水環(huán)境功能區(qū)2個(gè)等級(jí)的出現(xiàn)20次;NH3-N指標(biāo)達(dá)到水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的僅有14次,有7次超過(guò)水環(huán)境功能區(qū)2個(gè)等級(jí);BOD對(duì)河流水體的污染較輕,達(dá)到水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的占82.5%。

圖4 各監(jiān)測(cè)斷面4項(xiàng)指標(biāo)單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)平均值

3.2 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)

采用方案三計(jì)算的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)IWQ結(jié)果見(jiàn)表1。從水期變化來(lái)看,研究區(qū)域枯水期的IWQ最大,水質(zhì)最差,X1.X2變幅為5.0～5.6,其中最大值出現(xiàn)在高坎大橋斷面,最小值出現(xiàn)在和平橋斷面,10個(gè)監(jiān)測(cè)斷面均處于Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn);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(qū)域污染源主要為點(diǎn)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(dá)到水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)。根據(jù)表1中水質(zhì)定性評(píng)價(jià)結(jié)果,枯水期和平水期整個(gè)研究流域均處于輕度污染狀態(tài),豐水期情況較好。渾河受上游大伙房水庫(kù)影響較大,每年5月份左右水庫(kù)持續(xù)放水一個(gè)月供農(nóng)業(yè)灌溉,之后斷續(xù)放水2～3個(gè)月,其他時(shí)間多為關(guān)閘蓄水[14],這是導(dǎo)致豐水期水質(zhì)良好的主要原因。

研究流域各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的IWQ在不同水期之間的變化率見(jiàn)圖5?？煽闯鰪目菟诘截S水期的過(guò)程中,水質(zhì)情況改善幅度平均值為15.41%;而當(dāng)轉(zhuǎn)為平水期時(shí),水質(zhì)情況惡化幅度平均值為16.08%,說(shuō)明影響渾河水質(zhì)的因素較復(fù)雜;從平水期到枯水期,水質(zhì)情況惡化幅度最大為4.24%,水質(zhì)基本不變。從圖5中可明顯看出,在高坎大橋斷面附近水質(zhì)變化相對(duì)不明顯,說(shuō)明此處水質(zhì)情況主要受污染源影響。

圖5 各監(jiān)測(cè)斷面IWQ隨水期變化率

從河道走向看,研究區(qū)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(qū)段上游,接納污水量相對(duì)較少,3個(gè)水期IWQ為4.010～5.021。下游污染情況逐漸加重,流經(jīng)沈陽(yáng)后在高坎大橋斷面達(dá)到峰值,3個(gè)水期IWQ為5.110～5.631,隨后污染情況呈緩慢好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。

研究區(qū)域各監(jiān)測(cè)斷面之間IWQ的空間變化率見(jiàn)表2。可看出豐水期高陽(yáng)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(yáng)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(jiān)測(cè)斷面之間IWQ的空間變化率 %

從渾河沈撫段水體IWQ變化規(guī)律來(lái)看,造成渾河水質(zhì)變化的污染源較為復(fù)雜[15]。研究區(qū)域內(nèi)主要為點(diǎn)源污染,從撫順西到沈陽(yáng)東沿途有3處排污口、8條支流匯入渾河沈撫段區(qū)域[16]。各排污口及支流水質(zhì)情況見(jiàn)表3。

表3 渾河沈撫段排污口及支流水質(zhì)調(diào)查和評(píng)價(jià)結(jié)果

由表3可知,研究區(qū)段3個(gè)排污口均劣于Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn),水質(zhì)污染嚴(yán)重,排放的污水匯入干流,直接導(dǎo)致下游水質(zhì)變差。8條支流中仁鏡河及舊站河堪比排污口,COD和NH3-N嚴(yán)重超標(biāo),由于周?chē)用窕旧钤O(shè)施匱乏,生活污水和垃圾未經(jīng)處理直接排放丟棄,河道逐漸成為天然垃圾場(chǎng),導(dǎo)致水體呈黑色,基本不透明,是使下游高坎大橋斷面水質(zhì)惡化的直接原因[17-18];蓮島河及滿(mǎn)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(dǎo)致蓮島河水體渾濁、有泡沫,劣于Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn);只有東陵大橋斷面附近的白沙河符合水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)。此外,渾河沿岸還布有多個(gè)生活污水直排口,偷排漏排現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生,這些都會(huì)加劇渾河水質(zhì)的污染程度[19]。

4 結(jié) 論

為解決渾河水生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,摘掉流域重度污染帽子,本文利用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法對(duì)渾河沈撫段2015年3月—2016年2月的水質(zhì)污染指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn):

a. 研究區(qū)域在一個(gè)水文年內(nèi)pH值為6.42～8.06,屬中性水平,較適宜水生生物的生長(zhǎng);水體枯水期的電導(dǎo)率最高,其次為平水期,豐水期最低,電導(dǎo)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(biāo)為COD和NH3-N,BOD及CODMn基本上可達(dá)水功能區(qū)水質(zhì)要求——Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。渾河沈撫段水體僅豐水期的80%監(jiān)測(cè)斷面達(dá)到水環(huán)境功能區(qū)要求,枯水期及平水期各監(jiān)測(cè)斷面的綜合水質(zhì)均未達(dá)標(biāo);沿渾河沈撫段河道走向水污染程度表現(xiàn)出一定的規(guī)律性,撫順段的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)總體低于沈陽(yáng)段。

c. 造成渾河沈撫段水體污染的原因較復(fù)雜,從總體來(lái)看,渾河污染源主要來(lái)自?xún)砂豆I(yè)和生活排污口、市政管網(wǎng)污水溢流口和渾河市區(qū)段主要支流排入的污水。因此,為防止水質(zhì)進(jìn)一步惡化,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)渾河的控制管理,以控源截污為重點(diǎn),加強(qiáng)重點(diǎn)污染企業(yè)整治提升,減少污染物排放量;加快污水管網(wǎng)建設(shè),提高污水納管率,從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)治水。

[ 1 ] 王輝,孫麗娜,劉哲,等.渾河水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)特征研究[J].生態(tài)毒理學(xué)報(bào),2015,10(2):394-402.(WANG Hui,SUN Lina,LIU Zhe, et al. Study on the character of health risk in the water environment of Hun River[J].Asian Journal of Ecotoxicology,2015, 10(2):394-402.(in Chinese))

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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(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2014ZX07202-011)

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

X522

A

1004-6933(2017)02-0052-07

2016-06-07 編輯：王 芳)