關中地區(qū)農(nóng)村典型澇池水體污染物特征及其水質現(xiàn)狀調查與分析

蘇 媛， 高小寶， 張 銳， 周家輝， 高照良

(1.中國科學院 教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心， 陜西 楊凌 712100；2.中國科學院大學， 北京 100049； 3.同濟大學 海洋與地球科學學院， 上海 200092；4.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院， 陜西 楊凌 712100； 5.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100)

澇池曾經(jīng)是北方干旱地區(qū)利用農(nóng)村低洼處聚集雨水的池塘，即是排澇池，又是雨水再利用的蓄水池[1]。在發(fā)揮固溝保塬等水土保持效能的同時，也能為所在區(qū)域提供稀缺的濕地景觀。澇池水位較淺且面積較小，是一個基本封閉的系統(tǒng),水體自凈能力低，再加上外來污染物的侵入，管理稍有不當，隨著時間的推移必將產(chǎn)生不同程度的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象[2]。調查發(fā)現(xiàn)，陜西省于2016年啟動的澇池水生態(tài)修復整治工程，雖然新修和整治了1 000多座澇池，一定程度上加深了水位，擴增了面積，開放了系統(tǒng)，但由于種種原因，已有不少澇池仍出現(xiàn)了嚴重的水體黑臭現(xiàn)象(如楊凌示范區(qū)澇池水體黑臭率已達46%)，這些現(xiàn)象嚴重背離了新時期建設美麗鄉(xiāng)村及鄉(xiāng)村振興的初衷。

近年來，雖有部分學者針對澇池做了不少相關研究，但大都聚焦于澇池的建造設計、歷史演變特征及其流域典型灌木植被生態(tài)參數(shù)的研究[3-5]，涉及澇池建成后水體管護及水體凈化方面幾乎空白，再加上不同地區(qū)村鎮(zhèn)居民生活習慣、生活水平和用水量的不同，其水體污染源、污染物組成及濃度均存在差異[6]，若不結合澇池所在地的實際情況因地制宜分析污染物特征并客觀評價水體環(huán)境現(xiàn)狀，并在此基礎上采取有針對性的改善措施，新建和整改過的澇池則極易再現(xiàn)垃圾遍布、水體黑臭的現(xiàn)象，背離關中水系連通的初衷，甚至威脅整個水系生態(tài)系統(tǒng)的健康。大量調查和研究表明，水域功能是否能夠滿足相應的水質目標要求，很大程度上是由氮、磷生境要素所屬水質類別所決定，這說明氮磷污染對于地表水質的重要影響[7-8]。因此，本研究于2019年4月20日選取了陜西省楊凌農(nóng)業(yè)高新技術產(chǎn)業(yè)示范區(qū)(以下簡稱“楊凌區(qū)”)具有代表性的8個澇池，并對澇池水體的pH值、溶解氧、化學需氧量、氨氮、總磷、總氮等基本水質指標進行了取樣測試及評價，探究影響澇池水體水環(huán)境質量的主要原因，以期能為澇池水體水環(huán)境保護和水質狀況改善提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調查研究區(qū)概況

本研究所選8個澇池分布于楊凌區(qū)周邊的村莊。其中4個分別位于楊凌區(qū)王上村、湯家村、除張村和蔣家寨村，另外4個分別位于楊凌區(qū)北邊的陜西省扶風縣杏林鎮(zhèn)西坡村、良峪村、召宅村和澇池岸村。渭河、小湋河、漆水河3條河流構成了楊凌區(qū)區(qū)南、北和東部的界河。該區(qū)地表水主要以渭河為主，而渭河干流自西向東橫貫關中平原中部，是構成天然水系最主要的骨架，在水系連通方面承擔著重要角色。調查區(qū)農(nóng)村道路及農(nóng)戶庭院基本為水泥路面，因此降雨形成徑流比例大，地勢低洼地區(qū)容易形成內(nèi)澇，澇池分布較多，一般建造在村莊周邊低洼處，土質抗蝕性較好，有足夠水源且距離民宅不少于10 m的地方?；陉兾魇∶利愢l(xiāng)村澇池建設規(guī)范[9]，本研究從澇池的功能、容量、面積和結構等方面出發(fā)，選取了8個具有代表性的澇池作為研究對象，囊括了關中地區(qū)不同功能、不同面積大小及結構的澇池，其基本特征見表1。各村莊澇池均在2017年前后進行了建造和整治工作。8個澇池防護形式見表2。

1.2 點位布設及水樣采集

水體采樣方法參照《水質采樣方案設計技術規(guī)定》HJ495-2009[10]中地表水湖泊、水庫采樣點布設原則，每個澇池應布設垂線數(shù)及采樣垂線上的采樣點數(shù)根據(jù)不同澇池的水面寬及水深而定。由于4月份正值枯水期，澇池蓄水不多，經(jīng)前期勘察未出現(xiàn)水面寬度超出50 m和水深超過5 m的澇池，因此根據(jù)標準對斷面水質均勻的澇池設置一條垂線，且垂線上采樣點數(shù)為上層(水面以下0.5 m處，水深不到0.5 m，在水深1/2處取樣)一點；存在污染帶的另設置垂線采樣，方法同上。結合采樣標準，再根據(jù)調查區(qū)澇池水體的特征(見表1)，對每個澇池篩選出2個具有代表性的采樣點位置，分別在污染物容易聚集的進水口及水質分布較均勻的中心點進行采樣，每個采樣點位置設置3個重復，重復采樣點的位置是以1 m為半徑的內(nèi)接圓三角形的3個角點，采用規(guī)定的容器采集500 ml水樣。在2個代表性采樣位置的樣品采集完畢之后立即放入自制的泡沫冰箱放置暗處冷藏并送往實驗室進行相關指標的測試；整個研究共設置42個采樣點。在評價水質時，每次均以水體內(nèi)2個采樣點位的平均值代表該水體水質。

表1 關中地區(qū)農(nóng)村典型調查點澇池基本特征

表2 陜西省楊凌區(qū)不同澇池防護形式

1.3 分析測試及評價方法

按照《環(huán)境影響評價技術導則 地表水環(huán)境》HJ2.3-2018規(guī)定的水質標準指數(shù)法對調查區(qū)澇池水體質量進行評價[12]，以Ⅴ類地表水(一般用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及景觀用水區(qū))標準值作為水體是否超標的判定值，并闡明水質達標情況以及超標項目和超標倍數(shù)。這種單因子指數(shù)法避免了確定權重的主觀隨意性，較為簡單、直觀[13]。水質污染因子的標準指數(shù)Si,j的計算公式為：

Si,j=Ci,j/Cs,i

(1)

式中：Ci,j為污染物(即評價因子)i在j點的實測統(tǒng)計代表值(mg/L);Cs,i為污染物(即評價因子)i的水質評價標準最大限值。

利用Si,j計算指定污染物在采點全部污染物的貢獻率；

(2)

式中：Ki,j為第i種污染物在第j個采樣點全部污染物的貢獻率；Si,j為第j個采樣點上第i種污染物的污染指數(shù)。

采用綜合分類算術平均指數(shù)法對楊凌示范區(qū)周邊澇池水質污染程度進行評價[14]，計算公式為：

(3)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2010統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)處理，并用Origin9.1和Visio2010軟件進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 澇池水體污染物濃度的統(tǒng)計分析

7個澇池水體污染物濃度統(tǒng)計結果如圖1所示，不難看出，不同澇池水體水質指標具有較大差異。就COD濃度來看，召宅村澇池水體不僅濃度高而且不同采樣點位值變化范圍大，平均濃度高達1 067 mg/L，良峪村次之，為406 mg/L；王上村、湯家村水體平均濃度均小于40 mg/L；除王上村和湯家村澇池水體外，其他水體的COD平均濃度均為《國家地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)中的劣Ⅴ類水平。在TP方面，召宅村的平均值最高，達3.96 mg/L；其次為良峪村、除張村及蔣家寨村，水體平均濃度分別為2.34，2.10，1.91 mg/L，這4個村莊澇池水體平均濃度均對應地表水劣Ⅴ類；王上村、湯家村、西坡村水體濃度相對較低，達到地表水的Ⅲ類標準。在TN方面，所有澇池水體的平均濃度值均大于地表水Ⅴ類的最大限值，為劣Ⅴ類，除張村TN平均濃度值最大，高達73.17 mg/L；其中仍以召宅村和良峪村不同采樣點位置水體濃度變化范圍較大。

總體上召宅村、良峪村和除張村不同采樣點的污染物濃度及其差異遠高于調查區(qū)其他村莊的澇池，王上村、西坡村澇池污染物濃度及其不同采樣點變化范圍相對來說最小。其原因是召宅村、良峪村和除張村澇池水體主要污染源類型均為點源污染，污染物在進水口聚集沉降并逐漸擴散形成不均勻的水質斷面。在調查過程中發(fā)現(xiàn)，召宅村澇池的水體污染主要是由于附近養(yǎng)殖廢水、生活污水及地表匯流的直接排入，良峪村及除張村澇池的污染水體主要是由于村莊生活污水的直接排入，造成各個點源污染類型為主的澇池污染物濃度出現(xiàn)差異的原因可能是污染源水體的濃度及流量不同所造成，因此還需進一步對污染源水體開展水質檢測工作，同為點源污染的王上村澇池由于在進水口安置了污水處理設施，所以其水質較其他點源污染型澇池甚至面源污染類型的澇池好，而西坡村水質較好的原因可能是其蓄水量較大，水體具有自凈功能所致。

注：圖中橫虛線位置代表地表水Ⅴ類水最大限值

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，調查區(qū)周邊農(nóng)村澇池水體的TN，TP濃度已經(jīng)達到可發(fā)生水體富營養(yǎng)化臨界濃度：TN為0.2 mg/L，TP為0.02 mg/L，有的甚至已經(jīng)嚴重超標，這說明氮磷生源要素完全可以滿足藻類生長的需要，一旦溫度、光照、水動力條件等合適，藻類就可以快速生長、繁殖，從而導致水體惡化[16]。在實際調查過程中發(fā)現(xiàn)TN，TP濃度較高的除張村、良峪村及召宅村澇池從感官上已經(jīng)出現(xiàn)了水體發(fā)臭、藻類橫生的“水華”現(xiàn)象。

2.2 基于水質標準指數(shù)法的澇池水體水質評價

現(xiàn)有蓄水的7個澇池水質監(jiān)測結果及其水質污染因子的標準指數(shù)如表3所示。各個斷面各污染物的貢獻率如表4所示。

由表3可知，在所調查的有蓄水的7處澇池中，澇池水質均為地表水劣Ⅴ類標準，除張村、良峪村及召宅村澇池水體存在污染物嚴重超標的現(xiàn)象，溶解氧值均小于2.0 mg/L，根據(jù)城市黑臭水體污染程度分級標準，其水體黑臭級別已經(jīng)達到了輕度黑臭。由表4可知，澇池水體的主要污染物以氮類污染指標為主，大部分澇池的斷面氮類污染物貢獻率達到50%左右，有的甚至已經(jīng)達到了95.37%。由公式(3)計算得出各個斷面的平均污染指數(shù)(見圖2)。

表3 楊凌示范區(qū)周邊澇池水質監(jiān)測結果及其水質指標污染指數(shù) mg/L

注：Si,j代表水質指標污染指數(shù)。

表4 楊凌示范區(qū)周邊澇池主要污染物貢獻率%

圖2 各澇池水體平均污染指數(shù)

根據(jù)水質標準指數(shù)法的評價結果可以看出，調查區(qū)所在地澇池水體均為地表水劣Ⅴ類，水質污染情況嚴重(見圖2)，無法達到農(nóng)業(yè)用水及一般景觀要求用水的標準，個別澇池水體污染物濃度甚至已經(jīng)嚴重超標，如召宅村、良峪村和除張村，嚴重影響了農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，與建設“美麗鄉(xiāng)村”觀念相悖，因此亟需對澇池開展水體修復工作。

3 討 論

在實際調查過程中我們發(fā)現(xiàn)以點源污染為主的召宅村、王上村、良峪村和除張村澇池以外的4個澇池均處于農(nóng)田和村莊附近，其水體主要來源為降雨徑流的匯入，生活污水集中排放痕跡不明顯，因此這些澇池也可看作是雨水貯存的一種方式；李勇等[17]研究得出雨水資源的形成一般需要經(jīng)歷降雨、徑流集蓄、貯存利用3個過程，王廣周[18]研究得出調查點雨水集蓄利用中水質問題主要與收集過程和貯存過程有關，而與大氣污染關系不大，因此面源污染很可能成為這些澇池水體總氮超標的重要原因。通過走訪調查得出附近村民在農(nóng)作物種植生產(chǎn)中習慣于多施氮肥，少施磷鉀肥。國內(nèi)外研究成果表明，對水體總的污染中，農(nóng)業(yè)面源污染占有較大的比重[19]。劉桂平等[20]研究得出化肥的利用率只有30%～40%，其余60%～70%的化肥進入環(huán)境，經(jīng)地表徑流或地下水直接進入湖庫。除此之外，村莊附近禽畜養(yǎng)殖主要有雞、牛、羊、豬，大多以散養(yǎng)為主，因此這些禽畜糞便在降雨發(fā)生時直接隨地表徑流進入水體；湯家村、西坡村、蔣家寨村這3個有蓄水的澇池均無點污染源，推測其水體總氮超標極有可能是由于附近村民大量使用化肥、隨意排放生活污水、農(nóng)藥以及禽畜糞便污染降雨形成匯流所致。

除澇池岸村澇池無蓄水之外，其他的7個澇池水體類別均為地表水劣Ⅴ類，但不同澇池平均污染指數(shù)具有較大差異，主要原因是污染源類型、水面面積及澇池結構形式不同所致，其中澇池結構形式包括進水口措施、邊坡防護形式、防滲材料等。在農(nóng)業(yè)面源污染類型為主的澇池中，蔣家寨和湯家村澇池水體平均污染指數(shù)相對較大，西坡村澇池水體平均污染指數(shù)相對較小，可能與其水面面積較大具有一定水體自凈能力有關系[21]；澇池岸村澇池雖配置有污水處理系統(tǒng)，但澇池岸村澇池由于池底防滲處理不到位，水體發(fā)生滲漏沒有蓄水，而一旦有蓄水且水體污染物超標將會對地下水水體質量造成影響，威脅村鎮(zhèn)居民的飲水安全；因此在澇池修復整治過程中需要注意對池底防滲技術質量進行提升與把關。魏明強等[22]采用和研發(fā)與環(huán)境協(xié)調、對環(huán)境友好的新生態(tài)材料納米級PLA并將其應用于生態(tài)水池的建設，改善了傳統(tǒng)混凝土水池自凈能力脆弱、容易出現(xiàn)的水臭問題等的技術缺點。這些技術均可以在實踐應用中實現(xiàn)。在點源污染類型為主的澇池中，王上村澇池水體平均污染指數(shù)相對最小，其原因是澇池進水口采用了濕地濾池等污水處理工藝，因此該項措施在澇池以后的整治修復工作中可以借鑒參考。

澇池水體黑臭現(xiàn)象使農(nóng)村水生態(tài)環(huán)境不斷惡化，雨水與生活污水去向制約著農(nóng)村社會發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，2016年陜西省已建成澇池生態(tài)修復工程600座，建設省級示范澇池80座，極大改善了澇池存在的水臭、水干的問題，但部分已經(jīng)修復整治的澇池依然存在水體污染物濃度超標、水臭、水干的問題，如本次調查過程中所選澇池出現(xiàn)了類似的問題。①由于點源污染與面源污染的交叉存在； ②由于調查區(qū)的部分澇池僅實施了外源治理，忽略了內(nèi)源水體的修復。這說明整治修復澇池，不僅僅要著眼于既有措施的整改，更要注重不同污染源源頭阻斷的及針對性的水體修復與管護，對此可以借鑒對于城市封閉性景觀水體內(nèi)源治理，如底泥疏浚、生態(tài)浮床和綠色化學試劑修復等，才有可能使?jié)吵厮?、水干的問題得到相對緩解。

4 結 論

本研究通野外調查、采樣及室內(nèi)分析得出研究區(qū)澇池水體水質均為地表水劣Ⅴ類，污染程度不一，污染物主要以氮類化合物指標為主，且所有水體TN，TP平均濃度遠超水體發(fā)生富營養(yǎng)化臨界指標，一旦溫度、光照、水動力條件等合適，藻類就可以快速生長、繁殖，從而導致水體惡化；總結水體優(yōu)良澇池經(jīng)驗得出布設污水處理設施及池底防滲對于改善澇池水環(huán)境狀態(tài)較為重要，此外輔以內(nèi)源水體的相關修復及管護工作，治理效果將會更好，因此還需進一步通過試驗研究。本研究僅對枯水期澇池水體進行污染物濃度分析與評價，對于平水期、枯水期澇池水體水質狀況還需進一步連續(xù)監(jiān)測與分析。