北方典型城市地區(qū)水質(zhì)評價及污染源分析

徐袈檬， 潘興瑤， 蘇 遙， 鞠 琴， 張宇航， 張 猛

(1.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院 北京市非常規(guī)水資源開發(fā)利用與節(jié)水工程技術(shù)研究中心， 北京 100048；2.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院， 江蘇 南京 210098 ； 3.北京市北運(yùn)河管理處， 北京 101100)

1 研究背景

近年來，城市化、工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，水體污染形勢愈加嚴(yán)峻，地表水及地下水水質(zhì)污染情況也發(fā)生了較大改變[1-5]，對現(xiàn)狀水質(zhì)的有效評價將為水環(huán)境污染的問題診斷、科學(xué)治理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)及理論上的借鑒[6-8]。

2012年左銳等[9]采用因子分析法，利用因子得分進(jìn)行多元線性回歸，實現(xiàn)對金積水源地可能的地下水污染源的識別；2016年谷天雪等[10]運(yùn)用Piper圖分析地下水化學(xué)特征，采用單因子指數(shù)法評價污染現(xiàn)狀，并采用因子分析法及克呂格空間插值等方法解析污染源空間分布特征; 2017年徐慶勇等[11]采用地下水水質(zhì)綜合質(zhì)量評價方法，評價了北京市北運(yùn)河流域平原地區(qū)地下水水質(zhì)，分析了其空間分布特征、成因及主要影響指標(biāo)；2018年高玉琴等[12]利用提出的正態(tài)云-模糊可變評價耦合模型評價秦淮河流域2016年水環(huán)境，并將評價結(jié)果與采用單因子指數(shù)評價法、模糊綜合評價法和云模型評價法進(jìn)行對比，得到耦合模型的評價精度更高的結(jié)論；2018年王彥麗等[13]針對遼河水質(zhì)存在污染嚴(yán)重的問題，采用模糊綜合評價和隸屬度加權(quán)平均處理的方法對其干流2008-2017年10年間的水質(zhì)狀況進(jìn)行了研究。綜觀近5年來水質(zhì)評價方面的國內(nèi)研究進(jìn)展，可以發(fā)現(xiàn)國內(nèi)學(xué)者對現(xiàn)狀水質(zhì)評價方面的研究，主要集中于對地下水及污染源識別解析方面的研究，研究重點(diǎn)在于研究方法的耦合創(chuàng)新或多種研究方法的對比分析，而對結(jié)合同一地區(qū)的地表水與地下水綜合評價、分析二者之間的污染因子轉(zhuǎn)化遷移關(guān)系及針對性的治理對策方面研究較少。因此本研究不對評價方法進(jìn)行深入探討，選取常用的單指標(biāo)評價法、綜合污染指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法作為地表水及地下水水質(zhì)評價的主要研究方法[14]，研究重點(diǎn)在于對地表水與地下水水質(zhì)的綜合評價，結(jié)合二者評價結(jié)果，針對性地將海綿城市的理念應(yīng)用到城市流域水環(huán)境的治理，從而得到適用于北方城市流域的有效水環(huán)境治理策略。

本研究選取我國北方典型城市區(qū)域——北京市豐臺區(qū)為研究區(qū)，基于2016年研究區(qū)域7條主要河流的8個地表水代表監(jiān)測點(diǎn)及17個地下水監(jiān)測井的水質(zhì)指標(biāo)逐月監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過計算地表水和地下水超標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)的超標(biāo)率及超標(biāo)倍數(shù)，識別了研究區(qū)的地表水和地下水的主要污染因子，從微觀和宏觀的角度分析了地表水與地下水水質(zhì)污染因子化學(xué)成分的相關(guān)關(guān)系及超標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)含量的空間分布；采用綜合污染指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法對研究區(qū)的地表水及地下水的整體水質(zhì)進(jìn)行了評價，識別了研究區(qū)水體污染的主要污染源。通過以上對水質(zhì)污染的成因分析，從點(diǎn)源污染控制及面源污染治理兩個方面提出針對性的水質(zhì)治理對策。

2 研究區(qū)概況

本研究選取北京市豐臺區(qū)作為北方城市地區(qū)的典型代表城市，豐臺區(qū)位于北京城區(qū)西南部，面積305.9 km2，其中山區(qū)面積60.0 km2，平原區(qū)面積245.9 km2，平原區(qū)占總面積的80.4%。研究區(qū)內(nèi)共有43條河道，總長度約203.5 km，分屬于大清河、永定河、北運(yùn)河水系。2016年研究區(qū)年平均降雨量為623.4 mm，汛期(6-9月)月平均降雨量為137.0 mm，非汛期月平均降雨為15.9 mm，多年平均水面蒸發(fā)量為888.4 mm，地表水資源量為3797.8×104m3。

依據(jù)城市功能特性，以中部永定河為界將研究區(qū)劃分為東、西地區(qū)兩個典型代表區(qū)域，東部區(qū)域主要為已建區(qū)，面積179.9 km2，西部地區(qū)多為郊區(qū)、農(nóng)村及生態(tài)山地區(qū)，面積126.0 km2，較大的城市功能區(qū)跨度使其具有典型的北方城市地區(qū)的代表特征。本研究選取研究區(qū)內(nèi)7條河道8個河流水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)狀地表水水質(zhì)評價，選取17眼地下水水質(zhì)長期監(jiān)測井的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行地下水水質(zhì)評價。研究區(qū)地理位置、地形、主要河道分布及地表水、地下水水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)位置見圖1。

3 地表水現(xiàn)狀水質(zhì)評價

依據(jù)水資源綜合規(guī)劃技術(shù)細(xì)則的要求，本研究評價了地表水現(xiàn)狀水質(zhì)評價必評及選評項目共15項：溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH3—N)、揮發(fā)酚(AR-OH)、總砷(As)、五日生化需氧量(BOD5)、氟化物(F-)、總氰化物(CN-)、總汞(Hg)、總銅(Cu)、總鉛(Pb)、總鋅(Zn)、總鎘(Cd)、六價鉻(Cr6+)以及石油類(OIL)。

3.1 河流整體水質(zhì)類別及超標(biāo)情況

河流整體水質(zhì)類別評價選取汛期(6-9月)、非汛期和年度平均3個評價代表值，依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)進(jìn)行評價。依據(jù)地表水水域環(huán)境功能和保護(hù)目標(biāo)，評價結(jié)果以河流水功能區(qū)(一般景觀水域)確定的地表水標(biāo)準(zhǔn)值類別V類為標(biāo)準(zhǔn)，計算超標(biāo)倍數(shù)。評價結(jié)果表明：蓮花河、新開渠、涼水河上段(大紅門閘上)為Ⅳ類水質(zhì)，涼水河上段(i測點(diǎn))水質(zhì)為V類水質(zhì)，而馬草河、新豐草河、小龍河及九子河均為劣V類水質(zhì)，主要超標(biāo)項目為NH3—N、COD、CODMn、BOD5及TP 5項，其中氨氮超標(biāo)倍數(shù)最大，最大倍數(shù)達(dá)到了20.8倍(見表1)。

表1 研究區(qū)現(xiàn)狀地表水水質(zhì)類別評價

由于河流水質(zhì)受徑流變化的影響較大[15]，因此地表水汛期和非汛期的水質(zhì)情況具有一定的差異性。涼水河上段(i測點(diǎn))汛期水質(zhì)為Ⅳ類，非汛期為劣V類，此結(jié)果表明汛期降水的增多使得河流中污染因子濃度得以稀釋，整體水質(zhì)狀況相對于非汛期有所改善。但除i測點(diǎn)以外的其他7個測點(diǎn)，汛期和非汛期的水質(zhì)類別并無明顯變化，這可能是由于研究區(qū)目前已經(jīng)具有較高的城市化水平，下墊面的硬化程度較高，汛期河道污染物主要來自降雨徑流沖刷的城市面源污染[8]。

3.2 河流地表水水質(zhì)綜合評價

采用綜合污染指數(shù)法計算研究區(qū)各河流地表水綜合污染指數(shù)(見表2)，評價結(jié)果表明研究區(qū)各代表斷面總體水環(huán)境狀況較差，蓮花河、新開渠河流水質(zhì)較好，涼水河、馬草河分別有輕度污染或中度污染，而新豐草河、小龍河及九子河污染極為嚴(yán)重，其中九子河污染指數(shù)達(dá)到了8.18，需重點(diǎn)加強(qiáng)其流域范圍內(nèi)的污染治理。

4 地下水現(xiàn)狀水質(zhì)評價

基于單指標(biāo)評價法及模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行地下水水質(zhì)評價，評價指標(biāo)選取與地下水污染特征密切相關(guān)的色度、嗅味、渾濁度、PH值、總硬度、溶解性固體、硫酸鹽、氯化物、鐵、錳、銅、鋅、酚類、陰離子合成洗滌劑、高錳酸鉀指數(shù)、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮、氟化物、氰化物、汞、砷、鎘、六價鉻、鉛、細(xì)菌總數(shù)、總大腸桿菌群共27項進(jìn)行了水質(zhì)評價。

表2 研究區(qū)河流地表水水質(zhì)綜合評價結(jié)果

4.1 地下水水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)情況

根據(jù)2016年研究區(qū)17眼監(jiān)測井監(jiān)測結(jié)果年平均值，以《地下水質(zhì)量分類指標(biāo)》(GB/T1484-2017)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)值為基準(zhǔn)進(jìn)行評價，地下水水質(zhì)超標(biāo)指標(biāo)有6項，即總硬度(以CaCO3計)、細(xì)菌總數(shù)、硝酸鹽氮、總大腸桿菌群、溶解性固體及硫酸鹽。結(jié)果表明：超標(biāo)最嚴(yán)重的水質(zhì)指標(biāo)為總硬度，17眼井中有14眼井超標(biāo)，超標(biāo)率為82.35%；細(xì)菌總數(shù)和總大腸桿菌群污染等級在Ⅲ級以上的均為12處，超標(biāo)率為70.59%；硝酸鹽氮的超標(biāo)情況與總硬度空間分布大概一致，溶解性固體及硫酸鹽也有不同程度的超標(biāo)，此外，其他水質(zhì)指標(biāo)均未出現(xiàn)超過Ⅲ類水的情況，但整體水質(zhì)評價仍為V類水。

4.2 地下水整體水質(zhì)類別評價

采用模糊數(shù)學(xué)評價法進(jìn)行地下水水質(zhì)類別評價(見表3)，模糊數(shù)學(xué)評價法考慮到了每個污染因子的污染權(quán)重與隸屬情況，所得到的水質(zhì)評價結(jié)果能夠較為綜合地反映其水質(zhì)情況，其中測點(diǎn)F、O、H、I、M、J、P的模糊數(shù)學(xué)水質(zhì)整體評價結(jié)果均已超標(biāo)，研究區(qū)整體的水質(zhì)評價結(jié)果仍為V類水，可見污染十分嚴(yán)重，需采取有力措施改善區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)。

表3 研究區(qū)現(xiàn)狀地下水整體水質(zhì)類別評價結(jié)果

4.3 地下水超標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)含量空間分布

根據(jù)《地下水質(zhì)量分類指標(biāo)》(GB/T1484-2017)，將超標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)分為5個等級指標(biāo)，繪制研究區(qū)現(xiàn)狀地下水超標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)含量分布圖(見圖2)，以直觀反映地下水污染空間分布情況。

由圖2可得，總硬度、硝酸鹽氮及溶解性總固體的超標(biāo)地下水主要分布在研究區(qū)東南部的P測點(diǎn)、O測點(diǎn)及北部的I測點(diǎn)，東、西地區(qū)3項水質(zhì)指標(biāo)具有明顯的差異性，東部地區(qū)地下水污染情況明顯高于西部地區(qū)；對于細(xì)菌總數(shù)和總大腸桿菌群，超標(biāo)地下水主要分布在西部地區(qū)，農(nóng)業(yè)面源污染對其地下水污染具有較大的影響；對于硫酸鹽，研究區(qū)大部分區(qū)域已達(dá)標(biāo)，但I(xiàn)測點(diǎn)周圍地下水狀況為Ⅴ類水，其周圍分布有污水排放口，可推測污染來源主要為工業(yè)廢水點(diǎn)源污染。

4.4 地表水與地下水水質(zhì)污染關(guān)系分析

地下水的補(bǔ)給主要源于大氣降水、地表水體，因此地表水水質(zhì)污染會嚴(yán)重影響地下水水質(zhì)[16]。地表水中除了蓮花河、新開渠等河流水質(zhì)稍好以外，其他河流水質(zhì)污染均非常嚴(yán)重，未經(jīng)處理的工業(yè)廢水和生活污水直排入河，地表水對地下水的補(bǔ)給會間接地污染地下水，由評價結(jié)果可知，地表水質(zhì)較差的河流對應(yīng)的地下水水質(zhì)也極差，因此可知研究區(qū)地表水與地下水的污染因子化學(xué)成分具有一定的相關(guān)關(guān)系。

5 水質(zhì)污染成因分析及對策

5.1 水質(zhì)污染成因分析

從超標(biāo)污染因子化學(xué)成分角度分析，研究區(qū)地表水超標(biāo)污染因子主要為NH3—N、COD、CODMn、BOD5及TP 5項，經(jīng)調(diào)查，研究區(qū)工業(yè)和生活廢水的主要成份為CODcr、NH3—N、TP和TN，可見地表水超標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)污染來源主要為未經(jīng)處理的工業(yè)及生活廢水點(diǎn)源污染。此外，據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可得，2016年研究區(qū)化肥施用量為294.2 t，其中氮肥為112.2 t，氮肥、磷肥等化肥的過量使用可通過地表徑流和土壤侵蝕匯入水體中[17-19]，導(dǎo)致NH3—N、TP等化學(xué)元素的嚴(yán)重超標(biāo)，受納水體有機(jī)物、微生物增多，從而導(dǎo)致COD、CODMn、BOD5超標(biāo)嚴(yán)重。地下水超標(biāo)污染因子主要為總硬度、細(xì)菌總數(shù)、硝酸鹽氮、總大腸桿菌群、溶解性固體及硫酸鹽6項，對于超標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)總硬度、溶解性固體及硫酸鹽，超標(biāo)原因與研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境有關(guān)，在水巖化學(xué)作用下使其含量偏大[20-22]；而細(xì)菌總數(shù)、硝酸鹽氮及總大腸桿菌群超標(biāo)的原因可能是相應(yīng)的地表水體受到點(diǎn)源或面源污染，含磷含氮有機(jī)污水對淺層地下水水質(zhì)影響程度較高，地表水在補(bǔ)給地下水的同時會將污染因子遷移到地下水中；其次，農(nóng)村及城市降雨徑流面源污染也會在降雨入滲補(bǔ)給的同時攜帶污染物進(jìn)入地下水體中[23-25]。

從超標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)空間分布角度分析，地表水超標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)主要集中在馬草河、小龍河、新豐草河、九子河。圖3為研究區(qū)主要污水排放口位置分布圖，由圖3可知，除新豐草河外，其他3處河流排污口分布均較為集中，說明未經(jīng)處理的工業(yè)及生活污水點(diǎn)源污染對水質(zhì)影響較為嚴(yán)重，而新豐草河所在位置城市化程度較高，因此可推測污染源主要為城市降雨徑流對下墊面污染物的沖刷。地下水受影響較為嚴(yán)重的河流主要有馬草河、九子河、牤牛河、佃起河、新豐草河、小清河、造玉溝；其中馬草河、九子河、新豐草河地表水污染也較為嚴(yán)重，地下水污染主要來自地表水補(bǔ)給的污染物遷移。此外，由圖3可知，其他4處河流分布有密集的排污口，點(diǎn)源污染為地下水主要污染源。

圖1 研究區(qū)地理位置、地形圖及水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)位置圖

圖2 研究區(qū)現(xiàn)狀地下水超標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)含量分布圖

根據(jù)調(diào)查可知，研究區(qū)東部建成區(qū)全部河道均采取了截污措施，但雨污合流問題仍十分突出，在超標(biāo)降雨情景下，合流制溢流污水直排入河，對受納水體水質(zhì)造成了嚴(yán)重污染。農(nóng)村地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，市政污水管網(wǎng)不健全，大部分污水直接入河，河道內(nèi)水質(zhì)均為劣V類。啞叭河、九子河、牤牛河、佃起河流域目前基本無污水系統(tǒng)，雨水及部分生活、工業(yè)污水全部直排入河，河道水質(zhì)嚴(yán)重惡化。

5.2 對策

城市地區(qū)應(yīng)新建或擴(kuò)建污水處理廠，通過對污水處理廠的升級改造確保污水處理水質(zhì)的達(dá)標(biāo)，提升整體污水處理能力；對于農(nóng)村地區(qū)，需配合河道截污，新建污水處理站，也可就近納入城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)。完善城市污水收集管網(wǎng)，增加污水收集能力，對雨污合流口開展截流式合流制改造，在經(jīng)濟(jì)和空間條件允許情況下，可進(jìn)行雨污分流改造。建設(shè)再生水管網(wǎng)，加大再生水利用量，增加河道環(huán)境用水，擴(kuò)大園林綠化、道路澆灑等市政雜用利用量。對地表污染點(diǎn)源及地下水污染物擴(kuò)散較嚴(yán)重區(qū)域采取防范措施。建議今后海綿城市建設(shè)過程中，將LID措施的生態(tài)功能與淺層點(diǎn)源污染控制相結(jié)合[26-28]。

圖3 研究區(qū)主要污水排放口位置分布圖

全面治理面源污染的建議如下：(1)城市降雨徑流面源污染。解決城市降雨徑流面源污染最有效的措施是進(jìn)行低影響開發(fā)改造處理。在進(jìn)行LID改造之前，需計算河流的污染物容量，對于超出受納水體污染污容量的降雨徑流，則需進(jìn)行徑流污染的源頭LID改造[29]。在降雨徑流進(jìn)入市政排水管網(wǎng)前對其進(jìn)行污染物的削減和處理，常用的海綿措施包括綠色屋頂、雨水罐和生物滯留池等。此外，在市政排水管網(wǎng)中雨水或雨污合流污水排入受納水體之前，可進(jìn)行末端處理的工程性措施改造，如滯留池、雨水濕地、濱水植被緩沖區(qū)以及雨污合流制排水系統(tǒng)中的就地調(diào)蓄池及截污設(shè)施等。除工程性措施以外，非工程性措施的有效實施也有利于改善城市面源污染，如保持街道清潔、加強(qiáng)城市固體廢物管理、城市綠化中控制肥料和殺蟲劑的使用以及完善相應(yīng)的法律法規(guī)等。(2)農(nóng)村面源污染。減少農(nóng)業(yè)化肥的使用，保護(hù)好農(nóng)村地區(qū)現(xiàn)有的森林、綠地、濕地等能夠?qū)ξ廴疚镞M(jìn)行稀釋、降解的自然區(qū)域。

6 結(jié)論與討論

(1)研究基于北京市豐臺區(qū)2016年水質(zhì)指標(biāo)逐月監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析北方典型城市地區(qū)的地表水及地下水水質(zhì)污染現(xiàn)狀情況及污染成因。通過評價分析各監(jiān)測河流地表水整體水質(zhì)類別及超標(biāo)情況可得，研究區(qū)8個河流監(jiān)測點(diǎn)有一半監(jiān)測河流整體水質(zhì)為劣V類水質(zhì)，主要超標(biāo)項目為NH3—N、COD、CODMn、BOD5及TP 5項，其中NH3—N超標(biāo)倍數(shù)最大，達(dá)到20.8倍；研究區(qū)地下水單指標(biāo)評價結(jié)果表明超標(biāo)最嚴(yán)重的污染因子為總硬度，超標(biāo)率為82.35%，地下水整體水質(zhì)類別為V類水。針對評價結(jié)果，提出了應(yīng)用“海綿城市”理念的適用于北方城市地區(qū)水環(huán)境治理的新思路。

(2)本研究的重點(diǎn)在于通過對研究區(qū)整體水質(zhì)進(jìn)行評價后，針對評價結(jié)果將“海綿城市”理念應(yīng)用到城市流域的水環(huán)境治理上，因此只采用常規(guī)方法進(jìn)行評價，未進(jìn)行深入探討。而綜合指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法均采用超標(biāo)賦權(quán)法計算權(quán)重，模糊性、隨機(jī)性及最大隸屬度不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶攸c(diǎn)往往導(dǎo)致評價結(jié)果與實際有所偏差，建議今后采用多方法耦合或改進(jìn)的研究方法，綜合各評價方法的優(yōu)點(diǎn)，以得到更精確的評價結(jié)果。