基于污染指數(shù)法評價無錫市惠山區(qū)地表水體質(zhì)量

馬 黎

(無錫柯銘環(huán)?？萍加邢薰荆K 無錫 214072)

有機物、重金屬以及含氮含磷物質(zhì)是常見的水污染物，具有毒害水生動植物、降低水中溶解氧含量、引起水體富營養(yǎng)化等問題，并最終威脅到人類正常的生產(chǎn)及生活。例如，大連新港溢油事故直接導(dǎo)致50 km2的海域污染和44.8億元的經(jīng)濟(jì)損失[1]，太湖藍(lán)藻事件引起無錫市的生活用水短缺[2]，重金屬超標(biāo)引起的水俁病、骨痛病等[3]。隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人口的增加，廢水的未達(dá)標(biāo)排放、化肥農(nóng)藥的濫用等違規(guī)行為增多，水污染問題日趨嚴(yán)重。截止到2018年，我國約有50%以上的地表水受到了不同程度的污染[4]。因此，迫切需要開展水質(zhì)評估工作，監(jiān)測水體中有機物、重金屬和氮磷污染物的含量，為地表水污染的治理提供針對性的方案。

無錫市惠山區(qū)是蘇南地區(qū)的工業(yè)重地，較高的工業(yè)化程度也帶來了水污染問題，例如2013年惠山古鎮(zhèn)景觀河藍(lán)藻爆發(fā)、2017年長寧東河河水變紅等。目前已有惠山區(qū)地表水質(zhì)的相關(guān)研究報道，吳林燕[5]探討了惠山區(qū)水系的現(xiàn)狀及污染原因，但是沒有系統(tǒng)地進(jìn)行水質(zhì)評價；陳志寧[6]在研究2010年至2016年內(nèi)太湖流域典型河道的水質(zhì)時空變化規(guī)律時，發(fā)現(xiàn)北興塘河的水質(zhì)處于IV類～劣V類標(biāo)準(zhǔn)，但并不能反映惠山區(qū)整體的水質(zhì)情況。鑒于此，選擇了京杭運河、錫澄運河等惠山區(qū)內(nèi)若干條相互連通的主要河道為對象，研究了水中有機物、重金屬和含氮含磷等污染物的含量，通過計算污染指數(shù)的方法評價地表水水質(zhì)，為該區(qū)域的水污染預(yù)防及治理提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究水域

惠山區(qū)位于無錫市的西北部，水域面積約為47 km2，境內(nèi)河道縱橫密布，京杭運河、錫澄運河、錫北運河、直湖港、洋溪河是惠山區(qū)內(nèi)的主要河道(見圖1)。京杭運河(惠山區(qū)境內(nèi))長約16 km，是流域性的泄洪排澇河道和重要航運水道。錫澄運河與京杭運河相連，惠山區(qū)境內(nèi)長約11 km，航道等級為5級，是長江三角洲水運網(wǎng)的重要組成部分。錫北運河由12道較小河段拓浚串聯(lián)而成，境內(nèi)全長約為22 km，主要為工業(yè)和漁業(yè)用水，也用于通航。直湖港北起京杭運河，南通太湖，惠山區(qū)境內(nèi)長約11 km，主要功能為工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水。洋溪河?xùn)|起山北雙河尖與京杭運河的連接處，西至胡埭鎮(zhèn)與直湖港交匯點，惠山區(qū)境內(nèi)長約10 km，是集防汛和航運功能為一體的綜合性河道。

圖1 無錫市惠山區(qū)重要河道的分布

1.2 樣品采集

惠山區(qū)內(nèi)五條主要的河流設(shè)置3～4個監(jiān)測點位，主要分析河流沿岸污水處理廠排污口上下游的水質(zhì)。京杭運河：W1-U和W1-D分別是洛社污水處理廠排污口上游500 m處和下游1000 m處，W2-U和W2-D分別是錢惠污水處理有限公司排污口上游500 m處和下游1000 m處。錫澄運河：W3-U和W3-D分別是石塘灣污水處理廠排污口上游500 m處和下游1000 m處，W4-U和W4-D分別是前洲污水廠排污口上游500 m處和下游1000 m處。錫北運河：W5-U和W5-D分別是惠山水處理有限公司排污口西1000 m處和東1000 m處。直湖港：W6-U和W6-D分別是楊市污水處理廠排污口上游1000 m處和下游1000 m處，W7-U和W7-D胡埭污水處理廠排污口上游1500 m處和下游1500 m處。洋溪河：W8、W9和W10分別是聯(lián)合路與洋溪河交叉處、富安橋處和枕溪橋處。實際采樣中，用Niskin采水器獲取河流斷面的水樣，將等量的表層、底層和中間位置的水樣均勻混合后作為分析樣品，并按照GB/T 12763.2-2007規(guī)定進(jìn)行水樣品的處理、運輸及保存[7]。每處取樣點位連續(xù)監(jiān)測三天，監(jiān)測數(shù)據(jù)取平均值。

1.3 分析方法

水樣中的化學(xué)需氧量(COD)按HJ 828-2017測定，五日生化需氧量(BOD5)按HJ 505-2009測定，石油類物質(zhì)按HJ 970-2018測定，揮發(fā)酚按HJ 810-2016測定。水樣中的重金屬六價鉻、鎳、鎘、鉛、銅、鋅、砷和汞，分別按GB/T 7467-1987、水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)、HJ 776-2015、GB/T 11912-1989和HJ 694-2014等測定。水樣中的總氮(TN)和總磷(TP)按HJ 535-2009和HJ636-2012測定，懸浮物(SS)、溶解氧(DO)和pH分別按GB/T 11901-1989、HJ 506-2009和GB/T 6920-1986測定。

1.4 評價方法

采用污染指數(shù)法對水質(zhì)各項指標(biāo)的污染程度進(jìn)行初步評價，計算公式見式1～4，污染水平的劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1～3。

表1 單因子污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

單因子污染指數(shù)(pH項除外)[8]：

Pi=ci/Si

(1)

pH標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)：

(2a)

(2b)

有機污染指數(shù)[9]：

Q=PCOD+PBOD5+PTP+PTN-PDO

(3)

富營養(yǎng)化指數(shù)[10]：

TCOD=10·(0.109+2.661·lncCOD)

(4a)

TTN=10·(5.453+1.694·lncTN)

(4b)

TTP=10·(9.436+1.624·lncTP)

(4c)

Tc=∑wi·Ti

(4d)

式中，Pi是水樣中指標(biāo)i的單因子污染指數(shù)；ci是i項的實測濃度，mg/L；Si是水污染項的標(biāo)準(zhǔn)限值，mg/L；PpH是水樣的pH標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)，pHsu是pH值的標(biāo)準(zhǔn)上限，pHsd是pH值的標(biāo)準(zhǔn)下限；Q是有機污染指數(shù)；Ti是單項富營養(yǎng)化指數(shù)，Tc是綜合富營養(yǎng)化指數(shù)，權(quán)重wi取1/3。根據(jù)研究水域，直湖港執(zhí)行地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的III類標(biāo)準(zhǔn)，其它河流執(zhí)行IV類標(biāo)準(zhǔn)。

表2 有機污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

表3 富營養(yǎng)化指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 污染類型特征

由表4可知，受到有機污染的河流有錫澄運河和洋溪河，錫澄運河W4點位的COD值為51 mg/L～67 mg/L，遠(yuǎn)超過IV類水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)值；洋溪河的COD污染指數(shù)為0.5～1.33，超標(biāo)點位是W10，超標(biāo)率是33%。錫北運河受到較為嚴(yán)重的重金屬污染，其余河流的重金屬含量均低于標(biāo)準(zhǔn)限值。TN和TP含量超標(biāo)的河流有京杭運河、錫澄運河和錫北運河，說明這兩條河道可能存在富營養(yǎng)化問題，其中TN和TP含量最高的是錫北運河的W5-D點位(超標(biāo)率是179%)，屬嚴(yán)重超標(biāo)。直湖港的水質(zhì)處于III類標(biāo)準(zhǔn)，各項指標(biāo)均低于標(biāo)準(zhǔn)限值，在W8～W10點位未檢出任何有害重金屬，可能是得益于該區(qū)域化工類企業(yè)較少和適宜的水體污染治理策略。

表4 惠山區(qū)主要河流的單因子污染指數(shù)

此外，由表4中結(jié)果表明，各條河流的SS值均處于標(biāo)準(zhǔn)水平，懸浮物含量低，無明顯渾濁現(xiàn)象。各條河流的pH值見圖2，未超過GB 3838-2002 規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)閾值(6～9)，惠山區(qū)水質(zhì)整體為弱堿性，表明水體中可能富含鈣、鎂等堿金屬元素。京杭運河pH值的范圍較大，W1點位的pH值為7.08～7.14，W2點位水體的堿度偏高，可能是因為該點位附近存在堿性廢水的未達(dá)標(biāo)排放?？傮w上，水體的懸浮物含量和酸堿度處于穩(wěn)定水平，不會影響水生生物的正常生長，能夠滿足工農(nóng)業(yè)的用水標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 惠山區(qū)各河流的水體pH值

2.2 有機污染分析

由表5可知，錫澄運河和洋溪河受到了一定程度的有機污染，有機污染指數(shù)見圖3。由圖3可知，監(jiān)測點位中僅W4和W10點位受到有機污染，W4-D和W10為輕度污染，W4-U為中度污染，這說明污染區(qū)域存在較強的局部性，可能是有機廢水排放和河水較差的流動性所致。表5為受有機污染點位的各項監(jiān)測濃度，W4點位的COD指標(biāo)遠(yuǎn)超過IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的30 mg/L，主要有機污染物為石油類化合物；W10點位受到石油類和揮發(fā)酚類的共同污染，COD超標(biāo)幅度相對較低，但是該區(qū)域水體的流動性較差，DO量偏低，有機污染物也難以自凈，需要實施人工治理[11]。此外，W4-U和W4-D分別位于前洲污水處理廠排污口的上游和下游，上游的有機污染物含量偏多，可能是違規(guī)排放廢水或污水的發(fā)生地，也可能受到了上游蓄水的影響。

圖3 錫澄運河、洋溪河有機污染指數(shù)

表5 受有機污染點位的各項指標(biāo)濃度

2.3 重金屬污染分析

圖4分析了錫北運河W5點位的重金屬污染情況。由結(jié)果可知，含量超標(biāo)的重金屬元素有鉛、鎘，其中鉛濃度為0.09 mg/L～0.21 mg/L，超標(biāo)1.8倍～4.2倍，屬于中度鉛污染；鎘濃度相對較低，由于鎘對人體和水生生物的危害更加嚴(yán)重，標(biāo)準(zhǔn)限值僅為0.005 mg/L，因此W5點位的鎘濃度嚴(yán)重超標(biāo)，屬重度鎘污染。W5點位處也檢出了微量的銅、鋅、鎳，濃度為0.01 mg/L～0.05 mg/L，處于清潔水平，未檢測出其它種類重金屬。另外，由圖4還可以看出，排污口下游的重金屬濃度普遍高于上游，可能受到該水域地理因素的影響，上游河道較窄和流速較大，下游1000 m處河道開始變寬且水流變緩慢，導(dǎo)致下游河段重金屬的積累量較大。除W5點位外，錫北運河其余點位的重金屬含量均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，據(jù)實地調(diào)查，W5點位處的重金屬可能來源于上游金屬加工企業(yè)排放的含重金屬廢水所引起，但是鉛、鎘含量超標(biāo)的原因還需進(jìn)一步調(diào)查。

圖4 W5點位的重金屬污染分析

2.4 富營養(yǎng)化程度分析

由表4可知，京杭運河、錫澄運河和錫北運河存在TN和TP超標(biāo)，為此進(jìn)一步計算了上述三條河流監(jiān)測點位的綜合富營養(yǎng)化指數(shù)，結(jié)果見圖5。由結(jié)果可知，W1點位為中營養(yǎng)，其余點位的水體均存在富營養(yǎng)化問題，程度為中度至重度，且排污口上游和下游的富營養(yǎng)化程度相差不大。三條河流均未觀測到明顯的藻類增生現(xiàn)象，可能由于部分的含氮或含磷物質(zhì)未呈游離態(tài)，不能被水體中浮游生物利用。據(jù)監(jiān)測分析結(jié)果，W2、W4和W5的氨氮濃度分別為0.18 mg/L～0.30 mg/L、2.08 mg/L～2.25 mg/L、0.24 mg/L～0.79 mg/L，活性磷酸鹽濃度分別為0.42 mg/L～0.49 mg/L、0.096 mg/L～0.126 mg/L、0.17 mg/L～0.175 mg/L，因此W2和W5點位的富營養(yǎng)化為氮限制，W3點位可能受到磷限制，總體上氮磷比與Redfield值(16：1)仍存在一定的差距[12，13]。

圖5 京杭運河、錫澄運河和錫北運河的富營養(yǎng)化指數(shù)

3 結(jié)論

通過取樣分析和計算污染指數(shù)的方法評價了惠山區(qū)內(nèi)五條主要河道的水質(zhì)情況。京杭運河存在富營養(yǎng)化問題，洛社污水處理廠排污口上下游點位水質(zhì)為中營養(yǎng)，錢惠污水處理有限公司排污口上下游為重度富營養(yǎng)。錫澄運河存在中度至重度的富營養(yǎng)化問題，TN含量超標(biāo)但TP含量處于清潔水平，前洲污水廠排污口上下游存在輕度至中度的有機污染，有機污染物主要是石油類化合物。錫北運河存在重度的富營養(yǎng)化問題、中度鉛污染和重度鎘污染；洋溪河局部受到石油類和揮發(fā)酚類有機物的污染，該點位水體的DO含量偏低；直湖港的各項監(jiān)測指標(biāo)均低于III類水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)限值，水質(zhì)為清潔水平。