蘇州市古城區(qū)河道水質(zhì)時(shí)空變化分析與評(píng)價(jià)

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(北京青草綠洲環(huán)?？萍加邢薰荆幽?濮陽 457000)

近年來，隨著蘇州經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人們生產(chǎn)生活方式的改變以及外部水環(huán)境不利影響的加劇，蘇州古城區(qū)河道水質(zhì)不斷變差，城區(qū)部分河道惡臭嚴(yán)重[1]，對(duì)城市形象造成十分不利的影響。水體中過量的營養(yǎng)元素是引起水質(zhì)污染和惡化的主要因素，2012年蘇州市完成了城區(qū)110條河道的清淤工作[2]，2013年初實(shí)施了 “自流活水”方案。在此背景下，分析水質(zhì)的時(shí)空變化及其影響因素，總結(jié)城區(qū)河道水質(zhì)治理的工作成效，探討城區(qū)河道水質(zhì)存在的問題，以期為今后城區(qū)河道水質(zhì)的進(jìn)一步提升提供科學(xué)的依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為蘇州古城區(qū)，面積約為10 km2，城區(qū)內(nèi)地勢低平，河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，水系獨(dú)特，主河道呈“三橫四縱”格局，河道周邊人居稠密，服務(wù)業(yè)發(fā)達(dá)，建筑密集，可滲透地面面積較少。城區(qū)河道水流緩慢，水質(zhì)較差，污染源既有城市生活污染和三產(chǎn)污染的點(diǎn)源污染，也有降雨徑流污染非點(diǎn)源污染[3-4]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與監(jiān)測斷面分布

數(shù)據(jù)來源于2013年蘇州市城區(qū)河道水質(zhì)監(jiān)測周報(bào)表，涵蓋古城區(qū)17個(gè)監(jiān)測斷面，軍民橋、張廣橋、桃塢橋、單家橋、華陽橋、徐鯉魚橋、西城橋、渡子橋、醋坊橋、積慶橋、興市橋、官太尉橋、飲馬橋、滄浪亭橋、銀杏橋、桂花新村、南園泵房(編號(hào)S1-S17)。由于蘇州古城區(qū)河道水質(zhì)主要為綜合有機(jī)污染，所反映的主要污染物指標(biāo)為NH3-N、TP、CODMn[5]，因此選擇DO、TP、NH3-N、CODMn作為水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)。以當(dāng)月每周監(jiān)測數(shù)據(jù)的均值作為此監(jiān)測斷面當(dāng)月的水質(zhì)監(jiān)測值，共11個(gè)月數(shù)據(jù)樣本(1月部分監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)缺失)。研究區(qū)域及監(jiān)測斷面分布圖見圖1。

圖1 研究區(qū)域及監(jiān)測斷面分布圖Fig.1 Location map of study area and distribution of monitoring sites

1.3 研究方法

2 結(jié)果與分析

2.1 各水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)性描述

對(duì)2013年蘇州古城區(qū)17個(gè)監(jiān)測斷面4項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)描述見表1。

表1 河道水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)描述及環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 the river water quality indicators descriptive statistics and environmental standards

蘇州古城區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)確定為 IV 類水標(biāo)準(zhǔn)。由表1可知，DO、TP、NH3-N、CODMn均值分別為3.46、0.29、1.78和4.31 mg/L。參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，DO為Ⅳ類水質(zhì)，無超標(biāo)；CODMn為Ⅲ類水質(zhì)，水質(zhì)較好；NH3-N為Ⅴ類水質(zhì)；TP接近Ⅴ類水質(zhì)上限值，超標(biāo)明顯。其中，NH3-N、TP和DO的變異系數(shù)明顯比較高，表明NH3-N、TP和DO的時(shí)間或空間變異明顯。

2.2 水質(zhì)指標(biāo)的時(shí)空變化

2.2.1 水質(zhì)指標(biāo)的時(shí)間變化

古城區(qū)河道水質(zhì)中DO、TP和NH3-N的月均值濃度隨時(shí)間變化顯著(圖2)。DO的變化范圍為2.2～5.62 mg/L，濃度從2月份開始下降，4月份微微上浮后繼續(xù)下降至6月份的最低值2.2 mg/L，6月份以后開始逐漸上升，到12月均值達(dá)到最高值5.62 mg/L，水溫對(duì)溶解氧的影響較大，導(dǎo)致濃度隨季節(jié)變化明顯。NH3-N則與溶解氧的變化趨勢大致相同，濃度從2月份開始小幅度上升至3月份的最高值3.94 mg/L后下降到9月份的最低值0.92 mg/L,10、11月份并未明顯上升，到12月份后開始升高。TP的變化范圍為0.17～0.49 mg/L，1-5月份濃度總體偏高(Ⅴ類或劣Ⅴ類)，但濃度整體在下降，6月份相對(duì)5月份出現(xiàn)大幅下降，進(jìn)入7月份后濃度上升，之后不斷降低至11月份的0.17 mg/L，12月份濃度升高但未超過Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)上限。CODMn濃度變化范圍為3.25～5.03 mg/L，月均值全年都維持在較低的水平，CODMn的變化表現(xiàn)為2-5月份基本維持不變(4.40～4.95 mg/L)，6月份小幅下降后7月份再次上升，然后持續(xù)下降至9月份的最低值3.25 mg/L,9月份以后月均值雖有上升但并未上升至春季的水平。

2.2.2 水質(zhì)指標(biāo)的空間變化

各水質(zhì)指標(biāo)空間分布見圖3。

圖2 各水質(zhì)指標(biāo)時(shí)間變化Fig.2 Temporal characteristics of each water quality index

圖3 各水質(zhì)指標(biāo)空間分布Fig.3 The spatial variance of each water quality index

由圖3可知，從年均值上看，水質(zhì)指標(biāo)中污染較嚴(yán)重是TP和NH3-N,各指標(biāo)均有近一半的監(jiān)測斷面年均值不達(dá)標(biāo)，且各監(jiān)測斷面TP和NH3-N濃度變化較大，空間變異明顯。而各監(jiān)測斷面DO濃度除S1和S7為Ⅴ類外，其余均為Ⅳ類。CODMn濃度變化范圍較小,CODMn年均值全部為Ⅲ類，污染并不嚴(yán)重。從空間分布上看，TP和NH3-N空間分布表現(xiàn)基本一致。即小河道水質(zhì)要劣于主河道(S1、S2水質(zhì)要明顯劣于S3、S4、S5、S6)，城南水質(zhì)要明顯比城北水質(zhì)差(S10-S17的水質(zhì)明顯要比S2-S9的水質(zhì)差)，橫向河道的水質(zhì)比縱向河道水質(zhì)差(S13比S12水質(zhì)差)。而DO濃度的空間分布與TP、NH3-N、CODMn濃度的空間分布成相反的趨勢。

2.3 蘇州古城區(qū)河道水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

各月份和各監(jiān)測斷面綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)變化見圖4。根據(jù)綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的判別標(biāo)準(zhǔn)，2013年蘇州古城區(qū)年平均綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)為4.91，接近Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，全年來看城區(qū)河道水質(zhì)不容樂觀。但從時(shí)間變化上看，綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)整體下降趨勢明顯,且每月達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)的監(jiān)測斷面數(shù)量占比在逐漸上升(圖5)，表明水質(zhì)在逐漸好轉(zhuǎn)?？臻g分布上，除了S4是Ⅲ類水質(zhì)外，其余監(jiān)測斷面水質(zhì)都為Ⅳ類或Ⅴ類，且Ⅴ類水質(zhì)監(jiān)測斷面數(shù)量有7個(gè)，占比達(dá)41.1%，位置主要分布在城北和城南滯留的小河道，表明小河道水質(zhì)整治措施有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖4 研究區(qū)河道水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)Fig.4 Comprehensive evaluation of river water quality in the study area

圖5 研究區(qū)監(jiān)測斷面達(dá)標(biāo)占比時(shí)間變化Fig.5 Variation of the proportion of compliance monitoring sections in the study area

2.4 水質(zhì)指標(biāo)時(shí)空變化原因

蘇州古城區(qū)河道綜合交錯(cuò)，人居稠密，古城區(qū)河道受人類活動(dòng)影響顯著，導(dǎo)致河道水質(zhì)空間分布差異明顯。同時(shí)，由于城區(qū)內(nèi)地勢地平，落差較小，長期以來河道水體的流動(dòng)靠泵站調(diào)節(jié)。但由于調(diào)水的尺度太小，活水效果并不理想，導(dǎo)致城區(qū)河道水體長期處于靜止或緩流的狀況，具有易污染、水體自凈能力差的特點(diǎn)[10]。2013年5月底，自流活水工程試運(yùn)行，在外城河上建兩座溢流堰，抬高護(hù)城河水位，形成北高南低的水勢落差，同時(shí)打通陽澄湖和元和塘，將西塘河、外塘河和陽澄湖的優(yōu)質(zhì)水源通過齊門和平門河道引入古城區(qū)，水流由北向南流動(dòng)，上游來水最后經(jīng)過盤門內(nèi)城河、十全河、官太尉河匯入南園水系后流入外城河，實(shí)現(xiàn)全城活水。從圖4可知，古城區(qū)5月份以后綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)下降明顯，5月份后水質(zhì)級(jí)別全為Ⅳ類，工程整治措施效果明顯。

空間分布上，由于監(jiān)測斷面S3-S5位于城區(qū)水源入口，來水水質(zhì)比較好，水體流速和流量比較大，溶解氧含量高，對(duì)污染物的稀釋、遷移、轉(zhuǎn)化較快，則水質(zhì)較好(S4為Ⅲ類，S3、S5為Ⅴ類)。而S1位置偏北，位于居民區(qū)的小河道且水質(zhì)基本滯流，溶解氧含量低，水體自凈能力差且受生活污水影響較大，造成污染物的聚集，水質(zhì)較差(Ⅴ類)。

由圖6可知，各監(jiān)測斷面的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)沿水流方向基本呈現(xiàn)依次遞增的趨勢，水質(zhì)污染隨流向具有明顯的累加作用。城西水流方向上，S4、S3、S2、S7水質(zhì)狀況隨水流方向惡化嚴(yán)重(NH3-N和TP濃度均超過Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn))，主要是由于S2至S7河道沿岸餐館酒店眾多，服務(wù)業(yè)發(fā)達(dá)，受“三產(chǎn)”廢水影響較大。而在S8處水質(zhì)好轉(zhuǎn)，主要是由于從城東過來的水流對(duì)污染物的稀釋作用。相比城西，城東沿河流方向水質(zhì)污染累加效果更為明顯。上游來水最后經(jīng)過盤門內(nèi)城河、十全河、官太尉河匯入南園水系，水勢落差已經(jīng)比較小，水流比較緩慢，水體中攜帶了沿途聚集的大量污染物同時(shí)又緊鄰居民區(qū)，污水收集率低，致使城區(qū)南側(cè)的監(jiān)測斷面除S14外，全部為Ⅴ類水質(zhì)，水質(zhì)較差。

圖6 河道綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)沿水流方向變化Fig.6 River comprehensive water quality labeling index change along the flow direction

2.5 降水對(duì)城區(qū)河道水質(zhì)的影響

天然降水是城區(qū)河道水源之一，可以起到凈化河道水質(zhì)的作用。但降水引起的地表徑流又會(huì)將城區(qū)大面積污染物沖刷進(jìn)入河道，形成城區(qū)面源污染，造成河道水質(zhì)惡化[11]。近年來，隨著蘇州市對(duì)古城區(qū)保護(hù)力度的加強(qiáng)，城區(qū)內(nèi)工礦企業(yè)已全部搬出，河道水質(zhì)基本不受工業(yè)廢水的污染。但隨著城市化水平的提高和人居的日益稠密，城區(qū)不透水地面的面積也在不斷擴(kuò)大，加之城區(qū)污水管網(wǎng)收集率不高，產(chǎn)生的部分油脂、生活垃圾、動(dòng)植物有機(jī)廢棄物以及其它生活污染源在降雨徑流的沖刷下就會(huì)進(jìn)入河道，造成河道水質(zhì)污染。相關(guān)研究表明，古城區(qū)降雨徑流污染比較嚴(yán)重，對(duì)河道水質(zhì)影響較大。降雨徑流污染河道水質(zhì)的主要途徑是地表沖刷。蘇州2013年降水量為1 064.3 mm,比常年偏少7%，屬于偏枯年份；蘇州2014年降水量為1 271.3 mm,較常年偏多11%，屬于豐水年份且降水主要集中6-9月份。為簡單地估計(jì)降水對(duì)河道水質(zhì)的影響，將2013和2014年雨季各指標(biāo)均值作對(duì)比(圖7)可知，2014年溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮的濃度明顯比2013年要高，說明大量的降雨引起的地表徑流污染對(duì)古城區(qū)河道水質(zhì)起到了惡化的作用。

圖7 2013和2014年雨季各指標(biāo)均值對(duì)比Fig.7 Comparison of the mean of each index during the rainy season in 2013 and 2014

3 結(jié) 論

通過對(duì)蘇州古城區(qū)2013年河道水質(zhì)的時(shí)空變化分析與評(píng)價(jià)可知：

1) 蘇州古城區(qū)河道水質(zhì)指標(biāo)有明顯的時(shí)空分布特征。時(shí)間分布上，水質(zhì)指標(biāo)的濃度和水質(zhì)提升工程有密切關(guān)系?？臻g分布上，水質(zhì)指標(biāo)的濃度和河網(wǎng)水流流向有密切關(guān)系，污染程度隨著水流方向具有明顯的累加作用。

2) 2013年5月實(shí)施的自流活水工程形成的北高南低的水勢落差，抬高了主要河道的水位，自流活水工程對(duì)主河道水質(zhì)改善比較明顯。但卻并未覆蓋整個(gè)城區(qū)河網(wǎng)。部分小河道分配不到水量可能會(huì)產(chǎn)生水流頂托，致使污染物聚集，水質(zhì)較差，整治措施需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

3) 大量降雨對(duì)城區(qū)河道水質(zhì)污染起到了惡化作用，降雨充沛的年份，河道水質(zhì)較差。