閩江學院內河污染風險評價及水質動態變化研究

吳祥宗，賈文超，宋思懿，余永光，黃 露

(1.閩江學院 材料與化學工程學院，福建 福州 350108；2.生態環境部華南環境科學研究所，廣東 廣州 510655)

閩江學院本部校區坐落于福州大學城西北側，西側緊鄰國家森林公園旗山。校園東側有寬100 m左右的溪源江，為順應地勢，校內河道與溪源江打通，與校內原有池塘、河道連成一體，并在東南角處接入規劃河道使其變為活水，形成從西北流向東南的校園景觀水系，從而達到改善校園自然環境的目的，并起到保護校園生態環境、涵養水源、凈化空氣、調節氣候、保護生物多樣性、美化校園整體景觀等多重作用[1]。閩江學院水域既有人工挖掘的人工湖和河道，又有自然水體，形成了本區域獨特的內河湖景觀。開挖以來，隨著源頭溪源江流域內社會經濟發展的加快，人口不斷增加，生活和生產排水量加大，上游水域污染日益嚴重[2]。景觀水體水域面積小、易受周圍環境影響、水體流動性較差、水質自凈能力弱，更易導致水體富營養化，嚴重時會發灰發臭，致使水系喪失原有的設計價值，并對校園生態環境造成十分惡劣的影響，這也是大部門國內高校內河湖景觀水體面臨的亟須解決的一個問題[3]。由于水體污染的復雜性、不同水體生態的差異，污染因子也有所區別，對目標水體進行分析與評價顯得尤為重要。目前，針對湖泊(水庫)富營養化評價研究較多[4-5]，但針對國內高校內河湖景觀水體的水質動態變化研究相對較少[6]。

如何治理流域污染是在打贏“三大攻堅戰”背景下的熱點問題[7]。目前，針對水體污染的處理有化學法、物理法以及生物修復法?；瘜W法主要有絮凝和沉淀，物理法主要有曝氣、循環過濾、底泥疏浚、引水沖污，生物修復法包括生態浮床、水生動植物修復、接種微生物等技術。相對于物理、化學方法，植物生態修復法投資小，操作簡單，凈化結果較好，但控制不好容易造成局部水體的二次污染[8]。目前，單一的化學法、物理法和生物法無法從根本上解決水體污染或富營養化問題，甚至會影響周邊生態環境的平衡。將三者相結合是預防和治理景觀水體富營養化的新趨勢[9]。據調查，治理措施實施后，短期水質迅速轉好，但由于破壞了原生態環境系統，水體富營養化容易反彈[10]。因此對水體水質進行動態跟蹤監測，在污染加劇時段采取針對性措施具有極其重要的意義[11]。

1 研究內容

1.1 研究區域概況

福州大學城，地處亞熱帶季風氣候區，具有亞熱帶氣候特征，冬季時間短，夏季時間較長，全年氣候溫和，年平均氣溫19.8 ℃，年平均地溫 22.1 ℃。校園內河全長約0.95 km，最寬處約為48 m，最深處為1.6 m。校區景觀水體的水源部分為雨水補給和人工補給，溪源江源頭為離校園8.1 km的溪源水庫，年平均流量在3.02～9.0 m3/s，每年的11月至次年的2月為枯水期，3月、4月為平水期，5月～10月為豐水期。

1.2 采樣點與采樣時間

2020年4月～2021年3月每月上旬、中旬、下旬在景觀水入口、河心、出口3個斷面采集水樣，根據《地表水和污水監測技術規范》河流采樣點的布設原則，分別設置斷面A(E119°10′21″，N26°4′20″)、B(E119°10′28″，N26°4′8″)、C(E119°10′41″，N26°3′57″)3個采樣點，如圖1所示。

圖1 斷面位置分布圖

1.3 監測指標與測定方法

監測對象為一般景觀水，但又養有魚，可按照《國家地面水環境質量標準》(GB3838—2002)IV類水質的要求進行評價，選擇監測主要指標有：溶解氧(DO)、總磷(TP)、總氮(TN)、化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、懸浮物(SS)、濁度(NTU)、溫度(T)、pH等9個指標，其中水溫、pH 值、溶解氧在現場測定，其他指標根據《國家地表水環境質量監測網監測任務作業指導書》要求采用有機玻璃采樣器采集水樣帶回實驗室檢測，分析方法按照國家相關標準方法和《水和廢水監測分析方法(第四版)》(增補版)進行，如表1所示。

表1 監測因子及分析方法

1.4 治理措施與水質變化對比

在治理前，在內河斷面A、斷面B、斷面C采集水樣，經測定多項水質指標超標，屬于Ⅴ類水質。采用物理、化學和生物3種方法相結合治理。河道水域兩端做一定的物理隔離，使河道兩岸保持原有的自然生態通暢，再以高孔硅藻為主體的微生態濾床對河道底床進行改良，種植四季常青苦草、伊樂藻等沉水植物以及美人蕉、再力花、睡蓮等挺水植物。為加快水質改善，還安裝了沉底增氧曝氣設施，通過每隔5 m左右的曝氣孔，每天上、下午各3 h進行曝氣增氧。在入口A前端和河心B采集水樣，進行監測，對比治理前后水質情況。在2020年4月～2021年3月每月上、中、下旬在3個斷面按照《地表水和污水監測技術規范》(HJ/T91-2002)采集水樣，取平均值進行分析，可代表整條內河水質情況。

1.5 數據分析及評價方法

數據采用origin軟件進行分析及作圖，按地表水IV類水質的要求進行評價，評價方法采用單因子污染指數法和綜合因子污染指數法。

單因子污染指數法是將污染因子的實測濃度值與水質標準限值進行逐項對比，計算簡單，能直觀顯示超標水質指標，是目前監測系統最為普遍的一種判別水質類別的方法，計算公式為：

Pi=Ci/Si

式中：Pi為環境中污染物i的污染指數；Ci為污染物i的實測值；Si為污染物i的標準值。當Pi≤1時，表明水體污染物濃度未超標；當Pi>1時，表明污染物濃度已超標，水體受到污染。

綜合污染指數法既能突出污染指數最大因子對總體水質的作用，又能反映水體的污染性質和程度，是目前水質評價中比較常用的方法，其計算也是在單因子污染指數的基礎上計算得到的，計算公式為：

式中：n為參與評價的污染物項數。

2 結果與討論

2.1 水質評價

2.1.1 治理前后水質變化

科學合理的水質評價方法是全面、客觀評價的前提。選取斷面A、斷面B為研究對象，治理前后水質指標對比如圖2所示。由圖2可知，經過治理后主要水質指標改善較大，去污率在60.32%～78.63%之間；治理后Pi值小于1，說明水質達標,治理效果明顯。

(a)污染物濃度變化 (b)Pi值變化

2.1.2 內河水質變化趨勢

(1)pH、水溫、懸浮物和濁度變化趨勢

水質動態是以水體構建的重要生態系統變化趨勢的重要參考，水質本身也承載豐富的環境信息。合理的水質評估有助于水質管理和水污染防治。河水pH、水溫、懸浮物和濁度變化趨勢如圖3所示。由圖3可知：pH在7.02～7.62之間，呈弱堿性，適宜藻類及微生物等生長；各月份氣溫變化較大，最低為12.13 ℃，最高為26.80 ℃;按照《地面水資源質量標準》(SL63—94)水質分級，懸浮物基本在IV級，但12月份為V級。

(a)pH變化 (b)溫度變化

(2)單因子污染指數變化趨勢

運用單因子污染指數法評價2020年4月至2021年3月水質指標，可得內河水質時空變化趨勢如圖4所示。結果顯示，變化趨勢都呈“幾”字特征。在豐水期，DO、TP、TN、COD、NH3-N基本符合景觀水質IV類，甚至大部分指標符合水質III類，3個斷面Pi值在9月份達到最低，但隨著枯水期來臨，Pi值逐漸增大，主要超標因子為TP、TN、COD，水體呈現出發黃，表面有少許藻類漂浮等現象。分析可能原因是在枯水期，上游溪源江水體徑流量減小，進入校園內河水量較少，而內河沉積泥仍在不斷釋放氮磷污染物，河水稀釋沖刷作用減弱，導致水質污染因子濃度增大。每年11月份水葫蘆增長迅速，不斷往水體中釋放CO2，影響水生生物的生長，造成死亡腐爛，進而造成氮磷的堆積。水體中脫氮需要經過硝化、反硝化過程，在微生物含量不足情況下較難完成氮物質的轉化，所以TN含量普遍較高。

(a)斷面A

(3)綜合因子污染指數變化趨勢

單因子污染指數法計算簡單，數據直觀明了，但不能反映不同類別水體整體的水質狀況。結合2020年4月至2021年3月單因子污染指數Pi數據分析可得綜合因子污染指數P，如圖5所示。綜合指數水質分級標準如表2所示。

表2 綜合指數水質分級

由圖5可知：斷面A、斷面B、斷面C的平均P值分別為0.91、0.65、0.76，校園內河水質基本合格，總體水質較好；水質指標大小排序為斷面A>斷面C>斷面B，其中河心斷面B數值最小，所受污染最小，可能是因為河心B處沉積泥處理的較干凈，受上游污泥和下游污泥沉積影響較小，水生植物生長情況良好，而斷面A和C恰處于溪源江上游進口和下游出口處，在雨汛期容易造成污泥堆積，釋放氮磷等營養物質。內河平均P值為0.77，水質狀況為合格。

圖5 綜合因子污染指數變化趨勢

2.2 污染成因分析

氮、磷含量較高是導致內河水質污染的主要因素，同時也是水體污染的限制性因子。污染來源主要來源于點源污染、面源污染和內源污染。

2.2.1 點源污染

大學城位于農村集鎮，主要的污染源包括工業污染源、農業污染源、居民生活污染源等。隨著大學城投入使用，人口不斷增多，師生和周邊居民產生的生活污水量大幅增加，成為上游的主要污染源，且大學城區域污水管網建設進度相對滯后，未能全部收集大學城區域日常產生的污水，任由部分污水未經處理直接排到溪源江等地表水體，從而對上游溪源江水質造成污染。

2.2.2 面源污染

面污染源主要來源于水土流失和農業生產施用的化肥和農藥，面源污染具有很強的復雜性、隨機性和不穩定性，受外界的氣候、水文條件的影響很大，周邊鄉鎮垃圾、農畜糞便、生活排水隨雨季降水沖刷進入上游溪源江，也是導致校園內河被污染的一個重要因素。

2.2.3 內源污染

自從2004年校園內湖與東北側溪源江打通以來，已有十幾年，河床存在一定的淤積，不斷釋放到水中，導致水體氮磷濃度增大。

3 維持優良水質的措施與建議

3.1 做好上游宣傳工作，營造水生態保護氛圍

充分利用各類媒體深入宣傳實施“一流大學城水系景觀建設實施方案”的重大意義，倡導文明的生活習慣，不得使用生活污水灌溉,不得施用持久性或劇毒農藥、放養禽獸、放牧,禁止可能污染水體的旅游活動等，積極提供公眾參與水系流域保護公益活動，堅持全民參與，推動節水潔水人人有責，形成“政府統領、企業施治、市場驅動、公眾參與”的水污染防治新機制。

3.2 做好庫區水源涵養，防止水土流失

溪源江源頭為溪源水庫，建議在溪源水庫兩岸100 m內荒山種植闊葉林,營造護岸林和水源涵養林，防止泥土不斷混入水體。禁止亂砍濫伐周邊林木,禁止在水庫150 m范圍內從事采石、取土、開墾等破壞植被的活動,禁止在庫岸傾倒垃圾等可能造成水體污染和河道淤積的廢棄物。

3.3 設置河道專員，改善并保持優良水質

大學城根據轄區內河道數量、大小和任務輕重等實際情況招募校內外河道專員，負責所轄河道的日常巡查、河道保潔、不定時采樣送檢等工作，對河流保護管理效果進行監督和評價。要及時打撈清除水體中漂浮物,特別是清庫遺留下來的樹木枝椏、雜草、秸稈等;學生在校期間,可通過科學調度,如加大灌注自來水來改善水質;同時, 疏浚河道，定期將淤泥沉淀處理，減小內源污染。

3.4 做強污水處理力度，加強污水管道排查整治

污水處理是消減污染物、改善水質最直接有效的手段，應加大城鎮污水管網建設，同時加強污水處理廠的投入，積極采用新理念、新工藝、新設備，逐步實現城市郊區污水的集中有效處理。目前，“福建省十四五規劃”提出建設“一流大學城”的目標，將建3個供水項目，以及3個污水處理項目和8個水環境保障項目，涉及源頭納污、病害修復與污染源排查整治、景觀水體聯通實施、高校水體生態修復等工程，為實現水清、河暢、岸綠、景美保駕護航。

3.5 建立內河應急保障體系，加大水環境巡查力度

加強對流域水質的監測，建立完善水體污染預警、水質安全應急和常規監測“三位一體”的內河應急保障體系。針對枯水期和藻類爆發期這兩個時間節點，應加強巡查和監測，保證數據具有連續性，建立動態更新信息數據庫，摸清污染物變化規律便于掌握水質變化趨勢。

4 結 語

水質污染評價與治理是一項系統而復雜的工作，也是一項長期工作。通過本文研究得到如下結論：

1)治理后，校園內河水質由V類轉為Ⅳ類，去污率在60.32 %～78.63 %之間，單因子污染指數均小于1，說明水質達標，治理效果明顯。

2)以內河3個斷面為研究對象，采用單因子污染指數法評價內河水質，11～12月份3個斷面屬于V類水質，污染程度為斷面A>斷面C>斷面B，其他月份水質達到Ⅳ類以上。采用綜合因子污染指數法評價，斷面A、斷面B、斷面C的平均P值分別為0.91、0.65、0.76，水質基本合格，內河平均P值為0.77，水質狀況為合格，說明生態治理取得一定成效。

3)校園內河污染主要是氮磷等內源污染，面源污染次之。