潮白河燕郊段水體氮含量分布特征研究

樊 星，張 盟，陳郭東，楊晨熠，張 萌

(華北科技學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

潮白河燕郊段起始于京平潮白河橋，在運(yùn)潮減河匯入處流出燕郊行政區(qū)域，沿河流方向有京秦潮白河橋、013縣道潮白河橋(白廟橋)、通燕高速潮白河大橋和鐵路。本次采樣時間為夏季豐水期，但由于施工等因素潮白河河流部分?jǐn)嗔鳎涣硗?，水源充沛處有水草和魚類生長活動，吸引垂釣愛好者岸邊釣魚；第三，沿途發(fā)現(xiàn)污水排放口和三河市污水處理廠再生水排入；靠近北京方向河岸有多處建筑垃圾傾倒處，水面較寬處有游船和水上摩托具體數(shù)據(jù)見表1。

1.2 采樣點設(shè)置

對潮白河燕郊段水體中氮含量以及分布特征的分析研究，根據(jù)地表水水質(zhì)取樣斷面及采樣點的布設(shè)原則，設(shè)置對照斷面、消減斷面、控制斷面、取樣斷面取樣垂線的確定，經(jīng)實地勘察潮白河燕郊段河流面河寬大都在50 m以內(nèi)，所以在取樣斷面上各距岸邊三分之一水面寬處，設(shè)一條取樣垂線，共設(shè)兩條取樣垂線。在上下游、釣魚灘涂、植物生長密集處、垃圾傾倒處、污染排放口上下游、橋梁建筑等位置設(shè)置采樣點，其中八組采樣點兩岸對應(yīng)，由于西岸采樣條件限制，東岸有兩個單獨的采樣點，另外兩個排污口單獨采樣，共計包含排污口在內(nèi)12個采樣點、20個水樣。

表1 采樣點及周圍環(huán)境特征

1.3 實驗方法

為了保證實驗的準(zhǔn)確性和有效性，本研究的實驗質(zhì)量從三個方面做保證：

(1) 實驗方法。本研究所選用的總氮、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的測定方法都選用國家標(biāo)準(zhǔn)方法，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)的方法進(jìn)行實驗。

(2) 實驗儀器。本研究的實驗儀器按照國家標(biāo)準(zhǔn)的儀器準(zhǔn)備，各儀器的使用都按照標(biāo)準(zhǔn)的操作步驟操作。

(3) 實驗操作。實驗操作過程嚴(yán)格按照規(guī)范的實驗操作進(jìn)行，實驗過程設(shè)空白組和對照組，以保證實驗數(shù)據(jù)的有效性，實驗所需藥品試劑按照國標(biāo)要求現(xiàn)配現(xiàn)用，不浪費藥品、不用過期試劑，以保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表2 實驗所用方法及儀器

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)基本參數(shù)指標(biāo)

潮白河燕郊段有三河橡膠壩和三河燕郊污水處理廠兩處排污口。測定水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)有pH、溫度、TDS、濁度、溶解氧、氨氮、總氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮等，其中水質(zhì)基本參數(shù)指標(biāo)測定結(jié)果如表3。結(jié)果表明，水體pH值均在6.46～8.22之間，稍偏堿性，但符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)Ⅲ類水域標(biāo)準(zhǔn)范圍(6～9)。在取樣期間，各取樣點均未出現(xiàn)水體熱污染現(xiàn)象。潮白河燕郊段水體的溶解氧(DO)在1.98～8.07 mg/L 之間，按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)Ⅲ類水域標(biāo)準(zhǔn)(≥5 mg/L)評價，不達(dá)標(biāo)10個樣品，超標(biāo)率為50%，其中橡膠壩排污口采集的樣品為污染最大值。根據(jù)表2.1顯示，潮白河燕郊段水體濁度值較小，說明水質(zhì)較為清澈，這一點與采樣時觀察情況一致，水體水質(zhì)清澈，河岸可見底，部分水域能觀察到水中魚類。潮白河燕郊段的TDS含量在68.9～210.3 mg/L之間，滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)Ⅲ類水體水質(zhì)要求。

2.2 水體總氮含量分布特征

總氮是水中所含全部形態(tài)氮的總和，是衡量水環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。根據(jù)本研究所設(shè)置采樣點對潮白河燕郊段水體總氮含量分布情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明，總體趨勢上東、西兩岸總氮含量總體呈鋸齒狀遞增且西岸的總氮含量高于東岸。對兩岸來說，總氮含量均在第3個采樣點驟然增高，最高達(dá)到11.853 mg/L；隨后開始出現(xiàn)下降趨勢，當(dāng)?shù)竭_(dá)6號采樣斷面時，總氮的濃度達(dá)到一個較低的水平，其平均濃度為1.992 mg/L，接近Ⅲ類水體的標(biāo)準(zhǔn)限值2 mg/L；隨著水體向下游流動，總氮含量在第7個采樣斷面再次陡增至34.299 mg/L，隨著水體流動緩慢下降，到采樣斷面10時仍保持一個較高的水平16.919 mg/L。根據(jù)采樣點周邊情況調(diào)查，分析總氮含量兩次驟升的原因可能是由于在4號采樣斷面附近、3號采樣斷面上游有污水排入，隨著水體流動的擴(kuò)散效應(yīng)，導(dǎo)致水體中的總氮含量增加，并且由于水體自凈作用，總氮濃度隨著水流方向逐漸下降。對于7號采樣斷面，由采樣點環(huán)境條件得知在此斷面存在垃圾傾倒點、河流水體中有大量肉眼可見原生生物，致使水體中總氮的含量增大且大概率增高形態(tài)為有機(jī)氮。另外，9號采樣點為大運(yùn)河匯入水樣，附近農(nóng)田較多可能存在施用化肥過度的情況，導(dǎo)致氮素進(jìn)入河流總氮含量增加。從圖1可以看出8號采樣斷面存在不同于總趨勢的總氮含量下降現(xiàn)象，分析原因主要是由于8號斷面為潮白河與大運(yùn)河匯流交界處，總氮濃度對于潮白河來說略微升高，而對于大運(yùn)河來說顯著下降。

表3 水質(zhì)基本參數(shù)測定結(jié)果

2.3 水體各形態(tài)氮含量分布特征

水體中氮的賦存形態(tài)包括無機(jī)態(tài)氮和有機(jī)態(tài)氮，本研究主要分析氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮。潮白河水體中氨氮的來源可能主要來自于生活污水中含氮有機(jī)物、部分工業(yè)廢水以及使用化肥的農(nóng)田。

由表4可知，在水體中的氨氮含量隨水流方向整體呈現(xiàn)上升趨勢，其中東西兩岸均在3號采樣點氮氨含量最高，分析原因是由于3號采樣點為排污口下游，水體中的氨氮含量增加；水體中氨氮的濃度在排污口1下游增高之后，經(jīng)過水體的稀釋作用，氨氮含量逐漸下降。對比總氮與氨氮，二者變化趨勢在上游類似但下游差異很大，且濃度最高點出現(xiàn)位置不同。由于3號點采樣在東岸為排污口附近，水中排入污水且在3號點的位置還有垃圾傾倒處，同樣也會污染水體。因此，排出的污水中含有大量總氮和氨氮，之后隨著河流的流動以及支流的匯入，總氮和氨氮含量被稀釋而逐漸減少。對比總氮含量，氨氮在河流下游并沒有呈現(xiàn)劇烈升高的現(xiàn)象，說明河流下游總氮含量升高并不是由氨氮引起。

圖1 總氮含量沿河流流向變化情況

mg/L

由表5、6數(shù)據(jù)得知，水體中的亞硝酸鹽氮濃度在東西兩岸最初都呈顯出較低的水平，水中的硝酸鹽氮在2、3、4號采樣點也均低于檢出限0.1 mg/L，說明潮白河水體中亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的含量在自然條件下是很低的；在5、6、7號斷面呈現(xiàn)出隨水流方向減小的相關(guān)性，可能是由于稀釋及水體自凈作用；在8號采樣斷面開始水中亞硝酸鹽氮含量大幅度增加并略微高出Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，可能是由于鐵路和垃圾堆放處釋放到水體中的氮逐步分解引起。9號采樣斷面(大運(yùn)河水樣)水體中的亞硝酸鹽氮濃度也處于較高水平，致使潮白河水體中的亞硝酸鹽氮濃度在一段距離內(nèi)持續(xù)的處于增長現(xiàn)象。亞硝酸鹽氮是氮循環(huán)的中間產(chǎn)物，性質(zhì)不穩(wěn)定，而水體中的硝酸鹽氮是在有氧的條件下，氨氮、亞硝酸鹽氮等各種狀態(tài)存在的氮素最穩(wěn)定的氮化合物，亦是含氮有機(jī)物經(jīng)無機(jī)化作用生成的最終產(chǎn)物，因此水體中硝酸鹽氮逐漸增加并在8號點含量最高。

表5 沿河流流向變化硝酸鹽氮含量 mg/L

表6 沿河流流向變化亞硝酸鹽含量 mg/L

3 水體氮素環(huán)境質(zhì)量評估

本次研究以環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)作為評價基準(zhǔn)，通過多種評價方法對環(huán)境要素進(jìn)行解析，從而對水體環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價。

3.1 評價標(biāo)準(zhǔn)與評價方法

本次研究采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)作為評價標(biāo)準(zhǔn)，選擇總氮和硝酸鹽氮作為主要評價因子進(jìn)行評價，各地表水功能區(qū)劃下的評價標(biāo)準(zhǔn)如表7。

表7 地表水環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn) mg/L

3.2 單因子指數(shù)評價

一般水質(zhì)因子的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)為：

(1)

式中,Sij為單項水質(zhì)參數(shù)i在第j點的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)；Cij為i污染物在第j點的濃度mg/L；Csj為i污染物的水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)mg/L。

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)，潮白河燕郊段的地下水功能區(qū)分類為Ⅲ類水，因此參數(shù)Csj采用表7中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值。單因子指數(shù)計算結(jié)果中，若Sij小于1，說明該點水質(zhì)沒有超標(biāo)，反之則說明水質(zhì)有污染影響。

由表8 可知，總氮濃度只有橋下水樣采樣點R5未超標(biāo)，；其中L8和 R10位于鐵路下游、岸邊有垃圾傾倒點且原址為水上游樂場，總氮濃度超標(biāo)倍數(shù)高達(dá)28.829和34.299；R9位于運(yùn)潮減河，總氮濃度超標(biāo)倍數(shù)高達(dá)31.150；L7和R7位于潮白河、污水處理廠上游，總氮濃度超標(biāo)倍數(shù)達(dá)到19.685和15.426；R8位于潮白河、大運(yùn)河交界和污水處理廠下游，總氮濃度超標(biāo)倍數(shù)達(dá)到16.919；L4和R4位于美林灣東城A區(qū)、岸邊有垃圾傾倒處和排污口，總氮濃度超標(biāo)倍數(shù)達(dá)到9.087和11.853。從總氮濃度超標(biāo)點可知位于鐵路下游、污水處理廠和有垃圾傾倒點的L8、R10、R8總氮濃度倍數(shù)超標(biāo)嚴(yán)重。硝酸鹽氮濃度超標(biāo)點為L7和R8，此兩點為潮白河白廟橋以南段，位于潮白河、污水處理廠上游和大運(yùn)河交界，污水處理廠下游，說明下游的硝酸鹽氮濃度有輕微超標(biāo)。整條河流總氮超標(biāo)嚴(yán)重，特別是下游總氮濃度超標(biāo)更加嚴(yán)重。由本文實驗數(shù)據(jù)可知，水體中總氮的含量主要來源于有機(jī)態(tài)氮，應(yīng)加強(qiáng)對于有機(jī)氮態(tài)的調(diào)查研究與治理。

表8 各采樣點中氮素單因子指數(shù)評價結(jié)果

3.3 內(nèi)梅羅指數(shù)評價

在單因子水質(zhì)參數(shù)評價中，一般情況下某水質(zhì)參數(shù)的數(shù)值可采用多次監(jiān)測的平均值，但如果該水質(zhì)參數(shù)變化甚大，為了突出高值的影響可采用內(nèi)梅羅指數(shù)進(jìn)行評價。

內(nèi)梅羅指數(shù)的計算公式：

(2)

由圖2可知，潮白河燕郊段水體各采樣點內(nèi)梅羅指數(shù)受總氮濃度影響較大。3號采樣斷面位于排污口1下游，受污水排放的影響較大；隨著水流方向3至6號采樣斷面的內(nèi)梅羅指數(shù)逐漸下降，說明水質(zhì)在漸漸變好；7號采樣斷面位于白廟橋下游且上游存在鐵路經(jīng)過，其內(nèi)梅羅指數(shù)最高，可能是受到橋梁和橋上過往車輛的影響，導(dǎo)致較多的氮素經(jīng)大氣沉降進(jìn)入水體；9號采樣斷面為大運(yùn)河水樣斷面，由其內(nèi)梅羅指數(shù)可以看出，大運(yùn)河污染較潮白河更為嚴(yán)重；比較兩個污水排放口的內(nèi)梅羅指數(shù)并且結(jié)合實際情況分析，排污口1的排放源未知有機(jī)氮污染較為嚴(yán)重、排放口2為三河市污水處理廠排放水體氮污染較低且可以被潮白河納污能力處理。

4 結(jié)論

(1) 潮白河燕郊段水體雖然存在較強(qiáng)水體自凈效果，總氮含量總體上看呈現(xiàn)沿水流方向增大的特征，局部排污口和垃圾傾倒點對總氮的含量變化影響較大；另外，對于采樣點東西岸對比來看，西岸的總氮含量高于東岸。

圖2 各采樣點中總氮含量內(nèi)梅羅指數(shù)評價結(jié)果

(2) 水體中氨氮含量雖沿河流方向有所波動但總體上呈現(xiàn)增長趨勢且在3號斷面即橡膠壩排污口后含量最高，經(jīng)河流自凈后短暫下降但在下游出現(xiàn)回彈。

(3) 潮白河燕郊段水體中硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮在監(jiān)測段上游均呈現(xiàn)較低含量，但在中下游受橋梁、鐵路、垃圾堆放的影響，出現(xiàn)大幅增高；另外，大運(yùn)河水樣中亞硝酸鹽氮也處于較高水平。

(4) 單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法對潮白河燕郊段水體評價結(jié)果表明，在沿途影響因素中，橋梁、垃圾堆放、排污口、大運(yùn)河匯流均對潮白河水體中氮元素含量存在影響；監(jiān)測段內(nèi)部分點位總氮超標(biāo)嚴(yán)重，但氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的超標(biāo)并不顯著，說明潮白河燕郊段總氮污染可能主要來源于有機(jī)氮污染，建議對沿途有機(jī)氮的排放加強(qiáng)管控。