胡 玉1，帥 鈺1，杜 永2，任 良 鎖，吳 承 明1，丁 愛 中

(1.漢江師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 十堰 442000； 2.十堰市環(huán)境監(jiān)測站，湖北 十堰 442000； 3.北京師范大學(xué) 水利科學(xué)研究院，北京 100875)

南水北調(diào)中線工程由漢江中上游的丹江口水庫引水，重點(diǎn)解決北京、天津、河北、河南等沿線20多座大中城市5 300萬人口的缺水問題，水質(zhì)安全至為重要[1]。神定河是國務(wù)院2010年批復(fù)實施的《丹江口庫區(qū)及上游水污染防治和水土保持“十二五”規(guī)劃》中的6個重點(diǎn)控制單元之一，自2009年開始，一直屬于劣Ⅴ類水體[2]，成為丹江口庫區(qū)水污染防治工作和住建部所列入黑臭水體整治的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

近年來，針對丹江口庫區(qū)水污染研究主要集中于采用趨勢分析[3]、單因子評價[4-5]方法和聚類[6]、主成分分析[7-8]等多元統(tǒng)計方法分析庫區(qū)水質(zhì)時空變化規(guī)律及影響因素，對于典型重污染入庫河流水污染通量研究鮮有報道。研究河流主要污染物通量的空間分布不僅可為水質(zhì)模型計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時也可為污染控制對策提供重要決策依據(jù)[9-12]。周少林等人[13-14]提出分行政區(qū)建立監(jiān)測計量模型，通過核算各行政區(qū)內(nèi)入河污染物總量建立排污清單，針對性開展污染防治工作。本文通過分析代表性重污染入庫河流[15]—神定河水系及支流(口)斷面水質(zhì)水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展其污染特征因子時空變化規(guī)律和污染物通量的空間分布特征研究，對于追溯污染物主要來源，實現(xiàn)庫區(qū)黑臭河流精準(zhǔn)治污具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

神定河處于丹江口庫區(qū)漢江中上游(東經(jīng)110°39′34″～110°53′29″，北緯32°31′04″～32°46′10″之間)，由百二河、張灣河兩條支流自西南向東北匯流而成。其中百二河沿途經(jīng)過城市中心商住區(qū)，張灣河自南向北分別由茶樹溝、鏡潭溝、紅衛(wèi)河、巖洞溝4條支流匯流而成，東風(fēng)公司部分制造廠和商住區(qū)分散于此。神定河沿途流經(jīng)鄖陽區(qū)最終匯入丹江口庫區(qū)，居民住宅沿岸分布，兩座主要的水處理工程—神定河污水處理廠(日處理污水負(fù)荷約20萬t)和人工快滲處理廠(日處理污水負(fù)荷約2萬t)坐落于此。神定河全長58.1 km，其中流經(jīng)城區(qū)河道長16.5 km，流域面積227 km2，約占全市國土面積0.96%，流域內(nèi)多年平均降雨量為882 mm。

1.2 水質(zhì)監(jiān)測

根據(jù)2015～2017年降水平均分布情況，將全年分為豐水期(4～10月)、平水期(2,3,11月)和枯水期(1,12月)3個時段。選取化學(xué)需氧量(CODCr)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)三項水質(zhì)指標(biāo)，于每年的3，8月和12月(分別代表平、豐、枯水期)[16]，對神定河的上、中、下游18個監(jiān)測斷面(SD1～SD18)和6個支口(ZK1～ZK6)同步采樣監(jiān)測(監(jiān)測點(diǎn)位見圖1)。分析方法采用《GB3838-2002》中指定的分析方法進(jìn)行?，F(xiàn)場采樣時，采用FlowTracker2(美國YSI)同步測定斷面流量。

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling sites

1.3 分析方法

1.3.1 綜合污染指數(shù)分析

綜合污染指數(shù)法是通過考慮多個污染因子與標(biāo)準(zhǔn)濃度的比值，再經(jīng)過加和平均得到綜合污染指數(shù)(P)，以此來對水體的污染狀況進(jìn)行綜合評價的一種方法。具體算法為：

(1)

式中，Ci為污染物i的年均實測濃度值，Si為污染物的標(biāo)準(zhǔn)濃度值(文中以地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838—2002中Ⅲ類水質(zhì)為參照標(biāo)準(zhǔn))，n為參加評價的污染因子個數(shù)，P值越大，表明水質(zhì)污染越嚴(yán)重。

1.3.2 污染物通量估算方法

污染物瞬時通量是指水體中的污染物在單位時間內(nèi)通過某一斷面的質(zhì)量，各斷面瞬時流量與該河段污染物瞬時濃度相乘得到該類污染物的瞬時通量CiQi。年通量的計算采用時段通量估算方法，用瞬時通量CiQi分3個水期折算相加得到年通量值Wi[17]，再取3 a的平均值得到此類污染物的年均通量W：

(2)

式中，Ci為污染物i的實測濃度值，Qi為瞬時流量。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)時間分布特征

2015～2017年期間，神定河流域(SD1～SD18)監(jiān)測結(jié)果顯示(見表1)：不同時期3種污染物的濃度變化較大，CODCr,NH3-N和TP濃度均值變化范圍依次為22.58～35.60，1.78～4.62 mg/L和0.43～0.51 mg/L，屬于劣Ⅴ類水質(zhì)，距離神定河水環(huán)境功能區(qū)規(guī)劃Ⅲ類水質(zhì)要求仍有較大差距。各監(jiān)測點(diǎn)CODCr濃度總體呈現(xiàn)平水期較高，枯水期和豐水期較低的特征，其中平水期變化范圍為9.66～87.60 mg/L，平均值為35.60 mg/L；豐水期變化范圍為9.00～55.60 mg/L，平均值為23.85 mg/L；枯水期變化范圍為11.20～49.06 mg/L，平均值為22.58 mg/L。NH3-N濃度總體呈現(xiàn)枯水期>平水期>豐水期，其中平水期變化范圍為0.10～6.89 mg/L，平均值為2.35 mg/L；豐水期變化范圍為0.12～11.56 mg/L，平均值為1.78 mg/L；枯水期變化范圍為0.45～13.08 mg/L，平均值為4.62 mg/L。TP濃度總體呈現(xiàn)平水期、枯水期較高，豐水期較低，其中平水期變化范圍為0.14～0.94 mg/L，平均值為0.50 mg/L；豐水期變化范圍為0.06～1.31 mg/L，平均值為0.43 mg/L；枯水期變化范圍為0.15～0.98 mg/L，平均值為0.51 mg/L。與三峽庫區(qū)香溪河流域的研究結(jié)果不同[18]，豐水期神定河流域水質(zhì)并未顯著下降，點(diǎn)源污染特征明顯[4]。

2.2 水質(zhì)空間分布特征

2.2.1 干流水質(zhì)空間分布特征

表2所示，神定河干流6處監(jiān)測斷面(SD13～SD18)污染程度排序為SD14>SD18>SD13>SD16>SD17>SD15。結(jié)合圖1，由于夏家店支溝ZK1的匯入，神定河干流水質(zhì)綜合污染指數(shù)從1.5升高至2.05，通過對ZK1水質(zhì)斷面采樣分析，其CODCr，NH3-N和TP濃度分別達(dá)到45.00，8.88，0.95 mg/L，導(dǎo)致干流SD14處水質(zhì)惡化嚴(yán)重?，F(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，神定河下游SD14～SD15段約2.5 km河道為天然河道，水生動植物豐富，人類活動影響較小，SD15號監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)表明水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，綜合污染指數(shù)排序從第8位降至18位，側(cè)面反映天然河道擁有較強(qiáng)的自凈能力[19]。SD15～SD16段綜合污染指數(shù)從0.85又驟然升至1.4，水質(zhì)惡化趨勢明顯，通過對神定河污水廠尾水(ZK3)檢測年報和ZK4支口監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，污水廠尾水排放達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而溢流污水水質(zhì)堪憂，CODCr，NH3-N和TP濃度分別高達(dá)190.08，20.25和4.19 mg/L。SD16～SD17段人工快滲處理廠每日可處理2萬t神定河污水廠尾水，排水可達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但對河道水質(zhì)稀釋改善作用不明顯，綜合污染指數(shù)僅從1.4下降至1.12。下游茶店鎮(zhèn)污水廠尾水ZK6匯入后，神定河匯入丹江口水庫前，水質(zhì)又下降至劣Ⅴ類(SD18)，CODCr、NH3-N和TP濃度分別達(dá)到20.49，2.90，0.37 mg/L。

表1 不同時期監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計值Tab.1 Values of water quality parameters during different periods mg/L

此外，通過比對上游兩條支流——張灣河和百二河(SD8和SD2)來水水質(zhì)發(fā)現(xiàn)，兩條支流水質(zhì)均為劣Ⅴ類，CODCr和TP濃度較為接近，但百二河NH3-N濃度是張灣河的3倍，污染更重。為全面了解神定河流域水質(zhì)空間分布特征，對兩條支流開展了水質(zhì)空間分布特征研究。

2.2.2 支流水質(zhì)空間分布特征

百二河SD1和SD2號點(diǎn)位相距不足3 km(圖1)，但表2監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，SD2號的NH3-N和TP濃度分別是SD1號的2.7倍和2.3倍，兩個點(diǎn)位的綜合污染排序相距較大，分別為第2位和第13位，主要是由于百二河河道全部硬化，沿途發(fā)現(xiàn)多處生活污水排口，導(dǎo)致百二河匯入神定河干流前，水質(zhì)從Ⅴ類下降至劣Ⅴ類。

張灣河4條支流(SD3、SD9、SD11和SD12)污染程度排序為SD9>SD12>SD11>SD3。經(jīng)現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，SD9號點(diǎn)位上游2 km處存在大量生活污水經(jīng)化糞池直接溢出，從而導(dǎo)致其NH3-N和TP濃度較高，在張灣河支流中污染最重，說明高營養(yǎng)鹽負(fù)荷主要由人為活動引起。張灣河干流從上游到下游監(jiān)測點(diǎn)位依次為SD4，SD5，SD6，SD7和SD8，污染程度排序為SD6>SD4>SD5>SD7>SD8?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，張灣河沿途經(jīng)過城區(qū)人口最為密集的居住區(qū)和商業(yè)區(qū)，由于管網(wǎng)破損嚴(yán)重，污水跑冒滴漏時有發(fā)生，導(dǎo)致張灣河干流水質(zhì)空間變化規(guī)律特征不明顯。

表2 綜合污染排序Tab.2 Comprehensive pollution index and the rankof the water quality

2.3 年徑流和主要污染物通量估算

通過對神定河流域18個監(jiān)測斷面(SD1～SD18)和主要支口(ZK1～ZK6)同步開展水質(zhì)水量監(jiān)測，核算各個支流(口)主要污染因子的年均通量及對污染貢獻(xiàn)，進(jìn)一步分析神定河流域水質(zhì)污染成因。

2.3.1 年均徑流量

神定河干流年均徑流量見圖2，其中灰色部分(ZK1～ZK6)為各個支口匯入量?？梢钥闯觯穸ê铀?015～2017期間，年均徑流量約為1.28×108m3，其中張灣河和百二河年均徑流分別為1.54×107m3和1.06×107m3，總匯入量僅占神定河年徑流量的20.26%；而各支口匯入總量占神定河年均徑流量的79.74%，特別是神定河污水廠尾水年排放總量為8.18×107m3，占神定河年徑流量的63.75%，為神定河的主要來水。神定河下游污水溢流和人工快滲尾水年均排放總量分別為7.79×106m3和7.43×106m3，分別占神定河年均徑流量的6.07%和5.79%。此外，神定河下游小水電站年均發(fā)電用水量為7.43×107m3，約占神定河年均徑流量的62.55%。

圖2 神定河年均徑流量(單位：106m3)Fig.2 Annual average flow amount of Shending River

圖3 神定河主要污染物負(fù)荷(單位：t/a)Fig.3 Load of main pollutants of Shending River

2.3.2 主要污染物通量估算

如圖3和表3所示，溢流井ZK4排口年均溢流量在神定河水系8個支流(口)中雖貢獻(xiàn)排名第4位，但其CODCr,NH3-N和TP年均濃度分別達(dá)到190.08,20.25,4.19 mg/L(表2)，從而導(dǎo)致其NH3-N和TP對神定河負(fù)荷貢獻(xiàn)最大，占比分別達(dá)到44.51%和54.20%；CODCr貢獻(xiàn)達(dá)到33.27%，占比第2。神定河污水廠尾水ZK3排口年均排放量最大，但其主要污染物CODCr,NH3-N和TP的年均貢獻(xiàn)率分別為37.45%,23.30%和19.01%，對神定河污染貢獻(xiàn)僅次于污水溢流。其次，神定河上游兩條支流張灣河(SD8)和百二河(SD2)來水CODCr,NH3-N和TP總貢獻(xiàn)率分別達(dá)到19.74%,22.18%,18.57%，污染貢獻(xiàn)不容忽視。

表3 各支流(口)年徑流量及污染負(fù)荷占比Tab.3 Ratios of annual flow amount and pollutantload of branches %

綜上所述，神定河流域水質(zhì)時空變化特征分析和污染物通量研究具有較好的一致性，SD13～SD14段由于ZK1的匯入，水質(zhì)惡化，干流污染負(fù)荷略有增加。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，ZK4支口污水年均溢流量不大，但由于其特征污染物濃度較高，CODCr，NH3-N和TP年均通量分別達(dá)到1.48×103,157.75,32.64 t/a，再加上污水廠大量尾水排放疊加影響，CODCr,NH3-N和TP年均通量分別達(dá)到1.67× 103,82.59,11.45 t/a，導(dǎo)致干流SD15～SD16段水質(zhì)急劇惡化，特征污染物負(fù)荷顯著增加。SD16～SD17河段約有62%的水量被用于水力發(fā)電，未充分利用該河段的天然自凈能力，再加上下游人工快滲處理廠每日僅處理2萬t神定河污水廠尾水，處理規(guī)模太小，對河道水質(zhì)稀釋改善作用不明顯，導(dǎo)致CODCr,NH3-N和TP濃度僅從24.80,1.65,0.26 mg/L分別下降至18.82,1.18,0.25 mg/L(表2)。下游茶店鎮(zhèn)污水廠尾水水質(zhì)劣于Ⅴ類，CODCr,NH3-N和TP年均入河通量分別為64,5.58,1.21 t/a，加上周邊村民居住分散，部分生活污水直排，導(dǎo)致神定河匯入丹江口庫區(qū)前仍為劣Ⅴ類。值得注意的是，上游兩條支流——百二河和張灣河匯入神定河干流前均為劣Ⅴ類水質(zhì)，年入河通量僅次于神定河污水廠溢流和尾水排放，通過支流水質(zhì)時空變化規(guī)律分析和現(xiàn)場踏勘推測，主要是由于上游兩條支流截污不完善，污水跑冒滴漏時有發(fā)生，再加上河道全部為襯砌結(jié)構(gòu)，加快污染物向下游遷移，從而增加神定河干流污染負(fù)荷。

因此，神定河流域水質(zhì)不達(dá)標(biāo)主要源于神定河污水廠溢流，大量尾水排放和兩條支流攜帶的污染物匯入所致。加快污水廠擴(kuò)能改造和尾水深度處理應(yīng)作為神定河污染治理的首要措施，同時，沿途的雨污混流、管網(wǎng)破損、下游小水電截流導(dǎo)致部分河段失去自凈能力等問題不容忽視。

3 結(jié) 論

神定河流域水質(zhì)時間分布特征表明，主要污染物濃度平水期、枯水期較高，豐水期較低，點(diǎn)源污染特征明顯。空間分布特征表明，由于沿途支口(溝)污水匯入和不同河段水體自凈作用大小的不同，神定河干流水質(zhì)呈現(xiàn)不同河段污染程度不同的特點(diǎn)。沿途管網(wǎng)破損、支溝污水直排導(dǎo)致兩條支流匯入干流前均為劣Ⅴ類水質(zhì)。百二河NH3-N濃度是張灣河的3倍，污染更重。張灣河4條支流中，鏡潭溝污染最重。

水質(zhì)時空變化特征分析和污染物通量研究具有較好的一致性。結(jié)果表明，神定河污水廠污水溢流、大量尾水排放和兩條支流攜帶的污染物匯入是導(dǎo)致神定河水質(zhì)超標(biāo)的主要原因，建議下一步加強(qiáng)沿途的管網(wǎng)修復(fù)和截污納管，將污水廠擴(kuò)能改造和尾水深度處理作為神定河污染治理的首要措施，同時通過河流生態(tài)修復(fù)，充分發(fā)揮水體自凈能力，控制神定河對丹江口水庫的污染。