獨流減河水體及沉積物質(zhì)量評價*

唐永杰，夏婧業(yè)，陳雅娟，代 政，蔡樹伯，劉春光?

(1 天津市大清河管理處， 天津 300270； 2 南開大學(xué) 環(huán)境污染過程與基準(zhǔn)教育部重點實驗室，天津市城市生態(tài)環(huán)境修復(fù)與污染防治重點實驗室， 天津 300350)

獨流減河是天津市一條重要的行洪河道和南部防洪的重要防線，全長67 km，流經(jīng)靜海區(qū)、西青區(qū)和濱海新區(qū)南部[1]。它也是亞洲東部候鳥南北遷徙重要一站——北大港濕地的主要補(bǔ)給水源[2]。獨流減河建成于1953年，是新中國成立后擴(kuò)建的大型水利工程之一，它的建成使得大清河、子牙河下泄洪水可直流入海，對大清河中上游地區(qū)抗災(zāi)減災(zāi)、工農(nóng)業(yè)發(fā)展起到積極作用，為天津城市防洪做出了重要貢獻(xiàn)[3]。近年來，獨流減河上游地區(qū)西青、靜海等地經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，大量工業(yè)廢水、生活污水等未經(jīng)處理直接排入河中，使河道受到嚴(yán)重污染，對兩岸生境和居民身體健康造成嚴(yán)重威脅[4]。

目前對于獨流減河水質(zhì)的調(diào)查與評價研究較少[5-8]。楊虹[6]監(jiān)測獨流減河多種不同類別的污染物含量，指出獨流減河水環(huán)境污染是有機(jī)污染、氮磷污染和重金屬污染共存的復(fù)合型污染, 并指明獨流減河所有污染物中鎘(Cd)超標(biāo)最嚴(yán)重。但是，該研究僅設(shè)置10個采樣點，很難全面反映獨流減河的污染狀況。王瑋[4]選取獨流減河4個斷面進(jìn)行監(jiān)測，指出影響水質(zhì)的關(guān)鍵污染物為總氮(TN)和化學(xué)需氧量(CODCr)。但該研究水質(zhì)監(jiān)測的指標(biāo)僅選取化學(xué)需氧量(CODCr)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)和總磷(TP)，缺乏對重金屬等指標(biāo)的評價。與水質(zhì)監(jiān)測相比，對于獨流減河沉積物的研究則更少[8-9]。而且上述研究均僅單獨針對獨流減河水質(zhì)或沉積物環(huán)境狀況進(jìn)行調(diào)查和評價，并沒有將兩方面結(jié)合起來進(jìn)行分析。

與其他研究相比，本研究結(jié)合獨流減河擁有多個進(jìn)水口門的特點，在上中下游沿岸各泵站排水口、支流匯入口等地分別設(shè)置 27 個地表水采樣點位和15 個表層沉積物采樣點位，對各點位的有機(jī)污染指標(biāo)、營養(yǎng)指標(biāo)和重金屬進(jìn)行監(jiān)測，并對水質(zhì)和沉積物數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的統(tǒng)計分析；采用單因子評價法，綜合指數(shù)評價法和修正的卡爾森營養(yǎng)指數(shù)法對獨流減河水體和沉積物質(zhì)量狀況進(jìn)行評價，并針對河道的治理提出自己的建議。通過對各項指標(biāo)的測定和評價，希望找出污染獨流減河及其主要支流的關(guān)鍵因子，為改善河道水質(zhì)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

獨流減河水體及沉積物調(diào)查區(qū)域包括獨流減河主河段及其支流、溝渠和坑塘(圖1)，在獨流減河沿岸各泵站排水口、支流匯入口等地共設(shè)置42個采樣點位。其中地表水采樣點位有27個，依次記為A1～A27，使用有機(jī)玻璃采水器采集表層水，裝于聚乙烯塑料瓶中，運回實驗室-20 ℃冷藏備測；表層沉積物采樣點位有15個，記為B1～B15，每個采樣點使用柱狀采泥器取表層沉積物(0～20 cm)，現(xiàn)場剔除雜質(zhì)后，裝入塑料密實袋，運回實驗室風(fēng)干備測。調(diào)查區(qū)域和采樣點位見圖1，表層水樣采樣點布設(shè)見表1，表層沉積物采樣點見表2。

表1 水樣采樣點布設(shè)Table 1 Sampling sites of water

表2 沉積物采樣點布設(shè)Table 2 Sampling sites of sediments

圖1 調(diào)查區(qū)域和采樣點位Fig.1 Survey area and sampling sites of water and sediments

為了解獨流減河水質(zhì)透明度、有機(jī)污染和營養(yǎng)狀況，水質(zhì)測定指標(biāo)選取透明度(SD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學(xué)需氧量(CODCr)、5日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、葉綠素a(Chl-a)。測定方法[10]如下：SD采用塞氏盤法、CODMn采用高錳酸鉀氧化法、CODCr采用重鉻酸鉀法、BOD5采用稀釋與接種法、NH3-N采用納氏試劑比色法、TN采用紫外分光光度法、TP采用鉬銻抗比色法、Chl-a采用分光光度法。

為了解獨流減河沉積物有機(jī)污染、重金屬污染和營養(yǎng)狀況，沉積物測定指標(biāo)選取全磷、全氮、有機(jī)質(zhì)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、鎘(Cd)。測定方法[11-12]如下：全磷采用硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法；全氮采用硫酸-高氯酸消煮-半微量開氏蒸餾法；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；Cu、Zn、Pb、Ni、Cr、Cd采用微波消解-電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法。

1.2 評價方法

1.2.1 水質(zhì)評價

水質(zhì)評價采用單因子評價法和綜合指數(shù)評價法，選取CODMn、CODCr、BOD5、TN、NH3-N、TP共6項水質(zhì)指標(biāo)參與水質(zhì)評價。

單因子評價法以水質(zhì)最差的單項指標(biāo)所屬類別來確定水體綜合水質(zhì)類別[13]。綜合污染指數(shù)法[14]在各斷面水質(zhì)綜合評價時采用，可以將斷面的污染程度排序(表3)，其計算公式如下:

(1)

(2)

式中：Pj為j斷面水污染綜合指數(shù)；Pij為j斷面i項指標(biāo)的污染指數(shù)；Cij為j斷面i項指標(biāo)的年平均值；Ci0為i項指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)值(文中取V類標(biāo)準(zhǔn)限值)；n為參與評價指標(biāo)項數(shù)。

表3 綜合污染指數(shù)法地表水水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Water pollution grades based on the composite-index assessment method

在進(jìn)行水質(zhì)評價時，可以通過計算污染分擔(dān)率對主要污染指標(biāo)進(jìn)行分析，具體計算方法[15]如下

Ki=Pi/P×100%，

(3)

式中：Ki為某水體第i項所占分擔(dān)率；Pi為單項污染指數(shù)，是實測值與標(biāo)準(zhǔn)值的比值；P為各單項污染指數(shù)之和。

1.2.2 水體營養(yǎng)狀態(tài)評價

水質(zhì)富營養(yǎng)化現(xiàn)狀評價采用修正的卡爾森營養(yǎng)指數(shù)法?？柹笖?shù)法是以葉綠素a濃度為基準(zhǔn)，按照各參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)的相關(guān)程度計算各參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，將各營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)加權(quán)計算綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，然后通過表4判斷評價目標(biāo)的營養(yǎng)狀態(tài)[16]。

計算公式如下：

(4)

(5)

式中：TLI為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；TLI(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；m為參數(shù)個數(shù)；Wj為第j種參數(shù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；rij為第j個參數(shù)與葉綠素a的相關(guān)系數(shù)，Chl-a、TP、TN、SD和CODMn的rij值分別為1、0.84、0.82、-0.83和0.83。

各參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式如下：

TLI(Chl-a)=10 (2.5+1.086 lnChl-a)

TLI(TP)=10 (9.436+1.624 lnTP)

TLI(TN)=10 (5.453+1.694 lnTN)

TLI(SD)=10 (5.118-1.94 lnSD)

TLI(CODMn)=10 (0.109+2.66 lnCOD)

(6)

表4為水體營養(yǎng)狀態(tài)分級標(biāo)準(zhǔn)。

表4 水體富營養(yǎng)化分級標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Water eutrophication grading standards

1.2.3 沉積物評價

采用單因子指數(shù)法，將評價指標(biāo)的實測值與其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較[17]，以沉積物質(zhì)量最差的單項指標(biāo)所屬類別確定沉積物綜合質(zhì)量類別，計算公式如下

(7)

式中：Pi表示指標(biāo)i的單因子指數(shù)；Ci表示指標(biāo)i的實測值；ki表示指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)值。

有機(jī)質(zhì)、全磷、全氮、重金屬的標(biāo)準(zhǔn)值參考加拿大安大略省環(huán)境和能源部發(fā)布的沉積物評價指南[18]，各沉積物評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值見表5。

表5 沉積物評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值Table 5 Standard values of sediment evaluation indexes

將單因子指數(shù)Pi值分成5個等級，具體的分級標(biāo)準(zhǔn)見表6。

表6 單因子指數(shù)的分級標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Sediment pollution grades based on the single-factor index method

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)評價結(jié)果

由表7中單因子指數(shù)評價結(jié)果可知，獨流減河水質(zhì)較差，所有采樣點水質(zhì)均為劣V類(GB 3838—2002)，這與葉飛等[5]的研究結(jié)果一致。在27個采樣點中，水質(zhì)污染指標(biāo)CODCr、TN、NH3-N、TP、BOD5、CODMn的超標(biāo)率分別為100%、96%、48%、37%、26%、26%，超標(biāo)倍數(shù)最高的是十米河水樣(A17)的TP，超標(biāo)10.89倍。

由表7中綜合指標(biāo)評價結(jié)果可知，除馬廠減河采樣點(A14)外，其余各采樣點水體均處于重污染或嚴(yán)重污染狀態(tài)，其中十米河(A17)、西大洼排干(A6)、陳臺子出水口(A7)、華明化工廠排污口(A27)污染最嚴(yán)重。從污染分擔(dān)率[15]來看，獨流減河主要污染指標(biāo)為CODCr、TN、NH3-N等。楊虹[6]調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，在獨流減河上游，NO3-N、TN和TP的濃度最高，分析主要是由于附近二級河道中農(nóng)村生活污水的排入；而在獨流減河中游地區(qū)，則是CODCr和NH3-N濃度最高，分析主要是由于附近規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖廢水的排入。

表7 水質(zhì)評價結(jié)果Table 7 Results of assessment of water quality

2.2 水體營養(yǎng)狀態(tài)

由圖2可知，獨流減河的 27 個采樣點均處于富營養(yǎng)化狀態(tài)(TLI值為50.74～97.45)，其中 67% 的采樣點處于重度富營養(yǎng)化，有18.5% 的采樣點TLI值超過80。營養(yǎng)指數(shù)最高的采樣點包括西大洼排干(A6)、陳臺子排水河(A8)、十米河南閘出水口(A16)、十米河(A17)、華明化工廠排污口(A27)，上述采樣點除A8外均處于工業(yè)區(qū)或工廠附近(A6附近為西大洼工業(yè)區(qū)、A16和A17附近為中塘鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)及石化工業(yè)區(qū)、A27為華明化工廠排污口)，可見工廠排放的工業(yè)廢水對西大洼、十米河等支流河道造成嚴(yán)重的污染；而陳臺子泵站主要負(fù)責(zé)天津市外環(huán)線內(nèi)城市排水、李七鎮(zhèn)莊與精武鎮(zhèn)部分區(qū)域除澇排水以及咸陽路污水處理廠出水排放任務(wù)[2]，可見A8主要受到城市污水的污染。

獨流減河水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重的原因，一方面與沿河工廠偷排和生活污水處理率不高有關(guān)，導(dǎo)致過量的氮、磷等進(jìn)入河道[19]；另一方面可能與沉積物中氮、磷的釋放有關(guān)，Reddy等[20]對瑞典一個湖泊的研究發(fā)現(xiàn)，夏季湖泊99%的養(yǎng)分來自沉積物，尤其當(dāng)水體養(yǎng)分的外源得到有效控制后，沉積物中養(yǎng)分的季節(jié)性再懸浮仍能使湖泊的富營養(yǎng)化持續(xù)數(shù)十年。雖然近幾年沿河生活污水和工業(yè)廢水已基本并入城市污水管網(wǎng)，禁止污水直排入河，但在過去的十幾年中，大量工業(yè)廢水和生活污水不加處理直接排入河中，已經(jīng)對沉積物造成嚴(yán)重的污染，因此，河道嚴(yán)重的富營養(yǎng)化很可能來源于沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)的二次釋放。

圖2 各采樣點水體營養(yǎng)狀況評價結(jié)果Fig.2 Results of assessment of trophic status of water

2.3 沉積物質(zhì)量評價結(jié)果

由表8可知，獨流減河15個采樣點表層沉積物評價等級均為V，屬于重污染，氮、磷、重金屬均超標(biāo)嚴(yán)重。獨流減河有機(jī)質(zhì)評價指數(shù)在0.65～1.82之間，變幅不大，平均值為1.13，53%的采樣點有機(jī)質(zhì)評價指數(shù)大于1，超過加拿大安大略省環(huán)境和能源部發(fā)布的沉積物評價指南[18]中的標(biāo)準(zhǔn)(下文簡稱為評價標(biāo)準(zhǔn))；全磷評價指數(shù)在1.99～5.08之間，平均值為2.79，各采樣點全部超過評價標(biāo)準(zhǔn)，除B7外均處于重污染狀態(tài)，其中B10全磷污染最為嚴(yán)重；全氮評價指數(shù)在0.95～3.44之間，平均值為2.02，除B13外均超過評價標(biāo)準(zhǔn)，47% 采樣點處于重污染狀態(tài)，其中B1污染最嚴(yán)重。獨流減河表層沉積物有機(jī)質(zhì)、氮和磷含量普遍超標(biāo)。究其原因，沉積物可能受到染料類及有機(jī)合成類物質(zhì)的污染。據(jù)了解，歷史上獨流減河兩岸化工區(qū)內(nèi)有許多染料化工廠，例如張家窩化工區(qū)、趙連莊化工區(qū)等，其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的染料廢渣、廢水大多直接排進(jìn)周邊水體中。雖然近年來大部分染料工廠被關(guān)停，但多年排放的染化污染物已嚴(yán)重污染河道底泥，造成了現(xiàn)在的污染。

表8 沉積物單因子指數(shù)法評價結(jié)果Table 8 Assessment results of sediment quality based on single-factor assessment

獨流減河表層沉積物重金屬Cr質(zhì)量比為57～215.81 mg/kg，評價指數(shù)在2.19～8.3之間，平均值為4.63，全部處于重污染狀態(tài)；重金屬Cu質(zhì)量比為2.19～143.88 mg/kg，評價指數(shù)在0.14～8.99之間，平均值為3.37，各采樣點之間差異較大，B1、B6、B8和B9采樣點Cu污染最為嚴(yán)重；重金屬Pb質(zhì)量比為4.58～261.69 mg/kg，評價指數(shù)在0.15～8.44之間，平均值為1.45，B1和B2采樣點屬于重污染；重金屬Cd質(zhì)量比為0～2.24 mg/kg，評價指數(shù)在0～3.73之間，平均值為1.05，各采樣點之間差異較大，B2、B8、B9、B10的Cd污染較嚴(yán)重；重金屬Ni質(zhì)量比為22.25～65.63 mg/kg，評價指數(shù)在1.39～4.1之間，平均值為2.63，80%采樣點屬于重污染；重金屬Zn質(zhì)量比為111.4～322.54 mg/kg，評價指數(shù)在1～2.69之間，B8、B9為重污染。綜上，獨流減河沉積物重金屬Cr、Cu和Ni超標(biāo)最普遍，污染較重，重金屬Pb、Cd和Zn在個別點位污染較重。沉積物中重金屬的來源包括天然源(火山活動和巖石風(fēng)化侵蝕)，大氣沉降和人類活動[21-23]。其中人類活動的影響最大，獨流減河沿岸有許多金屬加工、鋼鐵制造等企業(yè)，該類企業(yè)在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生含有重金屬的廢酸，多年來許多工廠將廢水直排入河，重金屬進(jìn)入水體并最終蓄積在沉積物中[24-25]。孟鑫等[8]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，獨流減河表層沉積物重金屬含量從超標(biāo)率來看，污染最嚴(yán)重的是Cd和Cu，所有樣點全部超標(biāo)；而Pb、As、Mo、Sn的超標(biāo)率都在80%以上。該調(diào)查結(jié)果與本文稍有不同，可能是因為取樣點位和時間不同所致，但仍可說明獨流減河表層沉積物重金屬污染嚴(yán)重，政府及有關(guān)部門應(yīng)采取相關(guān)措施治理重金屬污染。

3 河道治理建議

3.1 污染源控制

獨流減河的治理要從污染源開始進(jìn)行控制，與此同時，將生態(tài)修復(fù)技術(shù)與之相結(jié)合，從根本上進(jìn)行治理，恢復(fù)水體生態(tài)。

3.1.1 外源污染

1)區(qū)域內(nèi)工業(yè)廢水達(dá)標(biāo)排放

對獨流減河沿岸工廠的排污進(jìn)行嚴(yán)格管控，尤其是對兩岸各大工業(yè)區(qū)，例如西琉城工業(yè)區(qū)、大邱莊工業(yè)區(qū)、中塘鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)及石化工業(yè)區(qū)等，進(jìn)行截污改造，使其生產(chǎn)廢水匯入污水處理廠管網(wǎng)。

2)生活污水集中處理

西營門街東場引河沿岸部分居民區(qū)生活污水未納入污水處理廠管網(wǎng)，生活污水直排入東場引河，進(jìn)而通過南運河進(jìn)入西大洼排水河，最終進(jìn)入獨流減河。因此，應(yīng)抓緊實現(xiàn)全部生活污水集中處理，同時考慮對部分污水處理廠進(jìn)行擴(kuò)建。

3)建設(shè)污染緩沖帶

建議在獨流減河沿岸建設(shè)污染緩沖帶，緩沖帶是指河道與陸地的交接區(qū)域，在這一區(qū)域種植植被可起到阻擋污染物進(jìn)入河流的最后一道屏障的作用，使溶解的和顆粒狀的營養(yǎng)物被生物群落消耗或轉(zhuǎn)化。

3.1.2 內(nèi)源污染

目前，控制獨流減河內(nèi)源污染的主要途徑是進(jìn)行底泥修復(fù)工作。建議對琉城西站至陳臺子河段的底泥采取投加藥劑、微生物菌劑等手段進(jìn)行原位修復(fù)；對污染嚴(yán)重的區(qū)域，如寬河泵站附近受染料污染的岸灘等，開展清淤工作。

3.2 河道生態(tài)修復(fù)

3.2.1 水生態(tài)修復(fù)

生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)是使受損河流恢復(fù)其功能健康的根本途徑。獨流減河水質(zhì)整體較差且處于重度富營養(yǎng)化狀態(tài)，建議采用生態(tài)調(diào)水+人工曝氣+復(fù)合生物修復(fù)技術(shù)組合修復(fù)。

3.2.2 岸灘生態(tài)修復(fù)

岸灘是連接水生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)的紐帶。獨流減河的岸灘生態(tài)修復(fù)主要包括兩方面，一是對清淤后的灘涂采取微生物+植物聯(lián)合生態(tài)修復(fù)技術(shù)(截留溝堤岸及寬河泵站區(qū)域左堤岸)，實現(xiàn)灘涂的生態(tài)功能；其次對未清淤的岸灘進(jìn)行生態(tài)建設(shè)，恢復(fù)其水陸生態(tài)交錯區(qū)的結(jié)構(gòu)與功能，增加植被數(shù)量和物種豐富度，建設(shè)污染緩沖帶，提高河流自我凈化能力。

3.2.3 重點區(qū)域淺層地下水修復(fù)

根據(jù)前期調(diào)研資料和現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，寬河泵站等重點區(qū)域獨流減河左岸灘地挖坑潛水污染嚴(yán)重，十多種指標(biāo)超過《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 14848—93中IV類標(biāo)準(zhǔn)，并且檢測出高濃度的苯胺類、萘、2-萘胺與2-萘酚等常用于制做染料與有機(jī)合成的有機(jī)污染物，該污染可能來自于堤岸中夾雜的染料渣塊的淋洗和滲濾。因此，在對受污染灘地進(jìn)行清淤之后，需對該地區(qū)淺層地下水進(jìn)行修復(fù)。

4 結(jié)論

1)獨流減河水體污染較嚴(yán)重，各采樣點水質(zhì)均超過地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，主要污染物為TN、COD、NH3-N等；污染最嚴(yán)重的河段為十米河、陳臺子排水河以及西大洼排干等支流水體；各采樣點水體均處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，其中67%的采樣點為重度富營養(yǎng)化。

2)單因子評價結(jié)果顯示，獨流減河各采樣點的表層沉積物評價等級均為V類，屬于重污染水平，其中氮、磷、Cr、Cu和Ni普遍超標(biāo)，污染嚴(yán)重；個別點位Pb、Zn、Cd達(dá)到重污染水平。

3)針對獨流減河的污染特征，建議針對重點河段和排放口，采取控制外源輸入、沉積物清除和修復(fù)、地下水修復(fù)、河道生態(tài)恢復(fù)相結(jié)合的綜合治理措施，維護(hù)河道水環(huán)境健康安全。