北京怀沙河水质污染与防治对策

王秀珍，于明含，王庆，魏自刚

(1.中国林学会，100091，北京;2.北京林业大学水土保持学院，100083，北京;3.北京市怀柔区水务局，101400，北京)

怀柔区位于北京东北部，总面积2 128.7 km2，在《北京城市总体规划(2004—2020)》中确定为生态涵养发展区。其中97.1%的面积为首都一、二、三级饮用水源保护区，水质优良，地表水质量达到国家饮用水二级标准［1］。区内有四级以上河流17 条，大中小型水库16 座，人均水资源量相当于北京市人均水平的3 倍以上［2］。长期以来，怀柔区承担着向首都供水的重要任务。

北京怀柔区怀沙河分布有国家二级重点保护野生动物大鲵(Megalobatra-chus davidianus)以及北京地区稀有的中华九刺鱼(Pungituis sinensis)等多种珍稀鱼类，为北京市地表饮用水源保护敏感区及珍稀野生动植物栖息地生态敏感区［3］;同时，区内农业、旅游业也相对发达，土地开发利用程度大［4］，人类活动对水质的影响十分强烈:所以，对怀沙河水污染防治工作的有效开展显得尤为重要。

基于区内的污染情况和北京市水务局提出的建设生态清洁小流域的水源保护思路，对区内典型流域怀沙河流域进行调查分析，不仅能评价流域内水质情况，而且能查清各类污染源种类、分布及其排放量，进而提出防治措施建议，为北京市水质污染防治提供参考。

1 研究区概况

怀沙河发源于怀柔区渤海镇西部三岔村西一带，向东贯穿整个渤海镇，并流经桥梓镇、怀柔镇，末端汇入怀柔水库。河道全长28.7 km，流域面积175.2 km2，多年平均径流量3 921.86 万m3，近20年平均径流量为3 111.62 万m3。发源于田仙峪村北的怀沙河支流渤泉河水量较为充沛，是下游地区的主要水源。根据2000 年的土壤侵蚀普查结果，怀沙河流域内水土流失面积37.13 km2，占流域总面积的21.2%，其中轻度侵蚀面积27.67 km2，中度侵蚀面积9.46 km2。

怀沙河流域东西狭长，绝大部分位于长城以南，为山前暖区，多年平均气温11.9℃。冬季受西伯利亚冷空气控制，盛行西北风，冬季寒冷干燥;夏季受海洋性气团影响，多偏南风，温暖湿润［4］。多年平均降水量为680 mm，降雨量年际变化大，年内分布也不均衡，6—9 月的降雨量约占全年降雨量的90%。

流域内基岩种类有白云岩、花岗岩、闪长岩、片麻岩、石灰岩等。土壤种类有棕壤、淋溶褐土、褐土性土，无碳酸盐褐土。区域主要生长的植被有辽东栎(Quercus wutaishanica)、华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)、山杨(Populus davidiana)、板栗(Castanea mollissima)、侧柏(Platycladus orientalis)、核桃(Juglans regia Linn)、小叶鼠李(Rhamnus parvifolia Bunge)、苹果(Malus pumila)、梨(Pyrus bretschneideri Rehd)、油 松(Pinus tabuliformis)、白 桦(Betula platyphylla Suk)、山杏(Prunus armeniaca)、荆条(Verbenaceae)、蚂蚱腿(Myripnois dioica Bunge)和各种草本等，林草覆盖率相对较高，超过70%。

怀沙河流域内共有28 个行政村，根据2007 年统计年鉴，共有居民8 139 户，2 万182 人，实有耕地面积409.57 hm2。

怀沙河流域属于怀柔水库上游一、二、三级保护区，国民经济发展以农业为主，种植业、林业、养殖业(牧业、渔业)各占1/3 左右。近年来，观光休闲农业发展迅速，接待游客人次及产值均有大幅提高，并有望发展成为主导产业［5］。

2 调查方法

2.1 采样点设置

监测点的布设，不仅要达到明确流域内各河段的水质状况，以便对整个流域的水污染情况做出客观评价，而且要具有代表性和可操作性。根据怀沙河的实际情况，共选取了15 个水质监测点，监测点分布情况见表1。

2.2 监测指标

监测项目为总磷、总氮、溶解氧、五日生化需氧量、高锰酸盐指数、悬浮物质量浓度等6 项指标。监测进行3 次取样重复，取平均值计算。

2.3 采样时间与评价标准

2010 年5 月，对怀沙河监测点进行了3 期的水质监测，对3 次监测数据取平均值进行分析。地表水质量标准主要依据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》及SL 63—1994《地表水资源质量标准》，检测水样有一项指标超标即判定为不合格水样。超过1/2 监测点的指标不足Ⅴ类水质，则判断整个流域为劣Ⅴ类。具体分类标准及限制见表2。

2.4 数据处理

将数据录入Excel 2003 进行整理，结果用SPSS19.0 统计软件进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 怀沙河水质分析

将15 个采样点各指标的质量浓度数据与相应的标准值做比较，结果见图1。结合表2 可以看出:水体总磷质量浓度大多处于Ⅱ类水质到Ⅳ类水质之间，而7 ～12 号监测点的水体总磷质量浓度十分巨大，有几个监测点甚至超出了Ⅴ类水质的限值，这与这些监测点处于渔场、度假村、公路以及闸体附近有很大关系;总氮质量浓度则几乎全部严重超出Ⅴ类水质的限值。这2 个指标表明了怀沙河中排入了大量含氮、磷肥料的废水，畜产品加工等造成的工业废水和大量城市生活废水，使得水中富含氮、磷等植物营养物质，表现出水体富营养化的特征，导致水体质量下降，甚至引发水华现象［6］。高锰酸盐质量浓度基本处在Ⅱ类水质的范围内，表明达到了北京市Ⅱ类供水要求。溶解氧、五日生化需氧量、悬浮物这3个指标质量浓度都基本达到了Ⅰ类水质的要求。

表1 怀沙河水质监测点布设Tab.1 Water quality monitoring sites

表2 地表水环境质量标准部分项目标准限值Tab.2 Part project of surface water environment quality standardmg/L

图1 各类指标质量浓度与标准浓度对比图Fig.1 All kinds of mass concentration compared with the standard

根据污染物质量浓度曲线，总磷质量浓度以9～12 监测点(田仙峪至渤海所河段)最为突出，总氮以7 ～9 号监测点(渤泉河口附近至渤海渔场河段)质量浓度最高，高锰酸盐质量浓度亦是在9 ～12 监测点较高，这主要是因为鱼池、畜禽养殖场分布不均衡所致。通过调研污染源可知，鱼池主要分布在上游的田仙峪村以上的源头区域，养殖场主要分布在辛营、渤海所、景峪至渤泉河口附近的中上游区域。

3.2 怀沙河典型断面水质分析

3.2.1 河流源头 在所有监测点中，15 号监测点位于河流源头的位置，从其水质检验结果可以判断，源头水除总氮指标外，其他指标全部符合Ⅰ类标准。总氮指标只达到Ⅳ类标准，可能是由于植物的枯枝落叶和土壤腐殖质造成的。同时由于卧佛山属于旅游景点区，交通、饭店等旅游设施有一定的污水排放量，很有可能造成山下水源头总氮增多。

河流源头水质清澈，环境清洁。主要植被包括水生、湿生及耐湿植物，主要水生植物有浮萍(Wolffia arrhiza)、茅叶荩草(Arthraxon typicus)、酸模(Rumex acetosa)、狼把草(Herba Bidentis Frondos)等，藻类植物较少。附近建有多处鱼池，由于养鱼行为投放饲料、添加剂、防病虫害药剂等，可能对下游水生态环境造成不良影响。

3.2.2 中游河段 8 ～10 号监测点均位于河流中游，且均集中于渤泉河河口附近，便于进行比较分析，故选择这3 处作为中游河段的典型断面。其中，8 号监测点位于渤泉河口下游的干流上，9 号监测点位于渤泉河口上游的干流上，10 号监测点位于交汇口附近。

从图1 可以看出，在这3 处断面中，9 号水质最好，10 号最差，主要污染物仍然是总氮和总磷。其中，总氮指标严重超过Ⅴ类标准，总磷指标9 号为Ⅲ类、10 号为Ⅳ-Ⅴ类，8 号达到Ⅲ类标准。

从总氮和总磷的质量浓度变化情况分析，8、9号监测点的水质优于10 号监测点。干流的水质明显优于渤泉河，是因为渤泉河沿岸的渔业、养殖业、餐饮业等数量和规模远远高于怀沙河干流，且怀沙河干流中由于有另一从三岔村起源的支流的注入而使总磷和总氮指数得以降低，但仍处于较高类水质的范围。另外，由于在这3 处监测点附近有较多的截流工程，容易导致水藻植物的疯长，并使氮磷等元素聚集，造成了该段水质氮磷质量浓度处于高峰值，问题仍比较严重。

中游河段水生植物以藻类为主，高等植物较少，主要物种有黑藻(Hydrilia verticillata)、马兰眼子菜(Potamogeton fontigenus)、水绵(Spirogyra communis)、浮萍、香蒲(Typha orientalis)、石菖蒲(Acorus tatarinowii Scho)、金鱼藻(Ceratophyllum)、球穗莎草(Pycreus globosus)等。该河段养殖场较为集中，水体营养物质含量高，浮萍和沉水植物大量生长，表现有富营养化趋势的特点;另一方面，由于各类截流工程的阻滞，水位较深，流速缓慢，缺乏高等植物，绿藻类植物水绵大量生长并占优势，水生态环境极差。

3.2.3 下游河段 从渤海渔场(7 号监测点)以下，各污染物质量浓度逐渐降低。下游河段总氮、总磷质量浓度比较接近，但3 号监测点以下总磷质量浓度大幅度下降。1 号监测点距怀柔水库最近，其水质情况对水库的影响也最直接，因此，选择1 号监测点作为下游河段的典型代表。

从污染物质量浓度来看，总磷质量浓度满足Ⅱ类水环境标准，总氮质量浓度处于Ⅴ类标准，但均比中游地区大大降低。下游河段水质明显改善，是由于一方面下游河段为怀沙河湿地的主要分布区域，湿地生态系统对河流水质具有较强的净化能力，另一方面下游河段养殖业、渔业、餐饮业等产业规模及污废水排放量远远小于中上游地区。

下游河段水较清澈，植物种类较多，群落类型多样，结构较为复杂，生物多样性较高。野生植物种类占有较大成分，耐干扰性种类占有一定比例，表明生态环境受到一定程度的干扰;但是，植被密度和水体中浮叶植物覆盖程度较高，表现出物质利用循环过程较差。因浮叶植物影响水体景观，所以沿河村庄和企业经常进行打捞。

3.3 河流水质污染的影响因素

1)拦水建筑物。怀沙河干流现有19 座拦水坝，23 座连拱闸，12 座漫水桥，4 座大桥。渤泉河上也有10 余座拦水建筑物。

拦水建筑物对河道水文过程的干扰主要体现在改变了壅水河段的水动力条件，即降低了壅水河道的水流流速，增加了壅水河段的水力停留时间，促进了藻类和漂浮植物的繁殖，进一步增加了水华现象发生的风险［7］。在各监测断面中，水环境质量退化最严重的区域，也就是壅水最为严重的区域。例如，10 号监测点渤泉沟河口附近河段，既有大量的养殖污水注入，又有较大的拦水建筑物，造成水流缓慢，污染物富集，浮游植物大量繁殖，水质恶化，浊度上升并伴有腥臭味，过多的截流工程减弱了河流的流动性，给水生生物的繁殖提供了便利的条件。如果对这部分生物处理不当则可加剧水质污染。

但是，拦水建筑物也有一定的好处，除了提高水资源的利用效率外，还能促进河水下渗补给地下水，促进悬浮物的沉淀及通过曝气促进水体复氧。溢流堰对提高水体的溶解氧贡献显著，在部分季节对氮有一定净化作用，但除磷的效果甚微［8］。

2)湿地。怀沙河地处前山区，河道坡度较大，水流较急，风景秀美，景观宜人，河流湿地分布较广，植物种类繁多。由于沿河村镇较多，流域整体上受人为活动影响较大，居民生产生活及餐饮、旅游业发展造成的污染排放使水体受到一定的污染。该流域中下游及部分支流常年流水，具有较大的水量，保持了较为稳定的水生态环境。近年来，河道人为工程逐渐增多，河道植被、生态环境的影响逐渐加深。

3)河道自净能力。河道水体自净是指在物理、化学和生物作用下，受污染的水体逐渐自然净化，水质复原的过程［9］。调研中，河流下段的优良水质就与河道的自净能力密不可分，这是河流能够保持一定水质稳定的重要因素。由于降水减少，河道流量减小，部分居民和经营性单位占用河道，导致河床和湿地遭受破坏，部分河道自净能力减弱。

4)水华。2002 年密云水库首次暴发大面积蓝藻水华［10］，之后密云水库局部水域在夏秋季节连年发生轻度水华，引起了社会广泛的关注。怀柔水库虽未监测到大面积水华的发生，但局部区域也存在水华发生的危险。调查发现，渤海所—六渡河、洞台附近河段，特别是截流堰、连拱闸雍水水域，水质腥臭，浮游藻类大量繁殖，均存在水华发生的可能性，局部区域还残留着水华的痕迹。根据3 次水质监测结果，90%以上的监测点总氮、总磷质量浓度超过了0.05、0.80 mg/L 的警戒值。河流发生富营养化的水流流速条件是水流流速小于0.2 m/s，而沿河各类截流堰、连拱闸等壅水区域，流速基本满足这个动力学条件［11］，加上总氮、总磷质量浓度超标严重，在适当的条件下均可能刺激蓝藻、硅藻、绿藻大量繁殖，进一步引发水华，对水质产生严重不良影响。

5)洪水、泥石流等灾害。洪水、泥石流等灾害会对河床水库造成巨大冲击，同时携带大量泥沙，在拦水建筑物附近淤积，改变河水的一些理化性质，而其中携带的悬浮物对水质会产生一定的影响。

4 防治对策

4.1 流域整体规划

1)统一规划拦水建筑物。各类拦水建筑物均具有明显的阻水作用，为水华的发生提供了必要的条件。为减缓流域内水华现象的持续发生，应结合河道内各企业必要的用水需求，按照阻水效果最小化的原则，统一布设筑堰的位置(每个取水单元不能超过1 个)，并拆除那些阻水效果明显(堰上库容较大)且无特殊用途的堰，从而改善河道的水动力条件，保障河道的流畅性，抑制水华发生。

2)发展生态产业。除加强治理外，还应当以合适的政策引导，推广科学技术，大力发展生态产业，如生态农业、生态养殖业、生态水产业、生态旅游业等，严格控制可能产生污染的产业。在水产养殖方面，还需要考虑水生态系统的保护，提高饲料的利用率，大力发展自然养殖，控制杀虫剂、杀菌剂的使用。现阶段生态农业已经较为成熟，并在逐步推广;但生态友好型水产、畜禽养殖业还未见发展，故需建设相应的示范区，或对原有养殖场进行技术改造。

4.2 污水处理设施建设

1)生活污水治理。生活污水处理设施目前采用的工艺技术主要是生物接触氧化生物膜法、曝气生物滤池生物膜法、生物转盘生物膜法、活性污泥法、膜生物反应器等污水处理工艺技术，根据生活污水处理的需要，生活污水的处理工艺应该具备脱氮除磷和杀菌消毒的功能［12］。

根据当前污水处理厂、站的建设情况，流域内仍有15 个村需要建设污水处理站和配套管网。个别村如六渡河，污水处理设备设计规模较小，已不能满足污水处理的需要，需更换或增加设备;慕田峪村管网完成后一直没有安装设备。根据污水排放量及现有管网覆盖情况估计，未处理生活污水量约1 200 m3/d，考虑到生活污水排放的不均匀性，仍需增加污水处理能力2 000 m3/d 以上的污水处理设施。根据怀柔区近年来的污水治理工程建设情况，小型污水处理站设备规模一般为20 ～90 m3/d。

2)餐饮污水治理。现阶段怀柔区内餐饮污水治理方法和工艺基本与生活污水相同，不过餐饮企业多是分散、独立运行的，每家有1 ～2 座污水处理站。

随着技术的发展，现在出现了新的餐饮污水处理装置和技术，在应用中十分有效，如四级斜板无动力油水分离器，另如餐饮含油污水综合处理技术是专门用来处理餐饮业含油污水的环保技术，具有运行稳定、处理效果好、出水水质可以达到生活杂用水标准［13］。利用以上装置和技术，再形成合理的污水治理网络，对餐饮业废水的治理可以收到较好的效果。

3)鱼池废水治理。鱼池排放的废水，一般溶解氧大大降低，悬浮物、总磷、总氮、高锰酸盐质量浓度等均大大升高，污水治理的目标是去除悬浮物、脱磷、脱氮，并促进水体复氧。

怀柔区近年来推广应用物理过滤技术工艺，将鱼池废水中所含的悬浮物、鱼类粪便和鱼饲料、残渣滤除到沉淀池，晒干后的沉淀物可作为花草肥料，滤后清水进入蓄水池可循环利用，鱼池废水经该设备过滤后，水质清洁，可满足鱼池水的再利用，生态效益显著。

4)畜禽养殖污水治理。畜禽养殖污水中含有大量粪便、羽毛等固体废物，无论以何种工艺或综合措施进行处理，都要采取一定的预处理措施［14］，通常可采用过滤、离心、沉淀等固液分离技术进行预处理。通过预处理，可使废水的污染物负荷大大降低，同时可防止大的固体或杂物进入后续处理环节，造成设备的堵塞或破坏等。后续处理常用的有自然处理法、好氧处理法、厌氧处理法、综合处理法等［15］。

怀沙河流域内各养殖场污水均未进行系统治理，一般采用干清粪工艺，而冲洗产生的污水直排河道。为了控制污染物排放，加强畜禽养殖污水的治理，需在各集中养殖场建设污水处理站，并根据实际情况选用好氧、厌氧、MBR(膜生物反应器)、SBR(序列间歇式活性污泥法)等工艺。

4.3 湿地建设与保护

通过封禁保护、建设人工湿地等措施可进一步提高河流的自净能力。对于河流沿线现有的湿地，要加强保护，合理利用，并成立生态管护队伍。

对植物生长不良或者退化的河段，要建设人工湿地。优先选用当地适生的植物种类，特别是大型挺水植物、湿生植物，同时也要考虑一定的利用价值，如芦苇(Phragmitescommunis)、荷花(Nelumbo nucif)、石菖蒲、狭叶香蒲(Typha angustifolia)、千屈菜(Lythrum salicaria)等，也可应用浮萍、丘角菱(Trapa japonica Flerow)等浮水植物。人为引进大型高等植物后，通过竞争作用，可抑制浮游植物的生长。在拦水建筑物壅水区域，设置浮床或网框，种植各类水生植物。

为了减少植物腐殖质对水体的污染，在秋冬季节，应集中打捞或收割各类植物，并可用这些植物作薪柴、绿肥或者制作手工编织品。在各类植物生长旺季不要进行打捞，但植物出现死亡、腐烂等情况除外。

在整个流域适量放养草食性的鱼类、田螺、虾、蟹等动物，并设置合理的禁渔期，以控制各种浮游植物的生长，形成较为完善的生态系统。

5 结论与建议

1)怀沙河水质已呈现重度富营养化。主要污染物为总氮和总磷，整个流域水环境为劣Ⅴ类，水资源质量属重富营型，远不能达到规划的水域功能Ⅱ类标准。从地理位置上看，整个怀沙河流域上、中游河段污染较重，由于河流的自净作用，在下游河段各类污染物浓度逐渐降低。

2)怀沙河流域平均每年向怀柔水库输入总氮5 万5 386.84 kg、总磷1 348.37 kg，对怀柔水库的水质有很大影响。

3)流域内较为集中的湿地有5 处，面积22.55 hm2，植被覆盖度、生物多样性均较高，对河流水质的净化起到了重要的作用;但是，水生生态系统不完善，初级生产力过剩，整条流域藻类植物生长十分旺盛，在特定时期局部可能会发生水华，需要人为干预、控制。怀沙河沿岸分布着较多居民点、餐饮业和养殖渔场，对河道、河床的占用破坏情况也常有发生。在整体上，也没有对河道进行合理规划，较多的挡水建筑物也影响到了河流水质。

4)对治理措施要进行完善和改进，严格管理制度。继续加大水环境保护及治理措施，加大清洁小流域建设力度。对潜在的污染因素加大重视，及早发现，及早治理。在加大水环境保护法规的宣传、提高群众整体意识的同时，要加大执法力度，提高违法成本，对违法水案件进行严查;加强平时水质监测和管护工作，在保持水环境清洁的基础上，做好对突发污染情况的预案，明确责任制度。

5)制订优惠政策，加大生态建设投入。为了进一步治理怀沙河的污染，需要大量的资金投入，仅凭怀柔区的财力是无法完成这项浩大的工程的;因此，建议市财政加大对该区生态建设的资金投入力度。

6)加大科研、科学技术推广和生态产业示范区建设力度。污水的治理需要自主研发新技术，同时学习并应用生物处理的强化技术、微污染有机物的去除技术、精密过滤技术、膜技术等先进技术。