浑河水体中挥发酚、石油烃的空间分布及季节性变化

张鸿龄, 孙丽娜, 马国峰, 李卉颖

(沈阳大学 污染环境的生态修复与资源化技术教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)



浑河水体中挥发酚、石油烃的空间分布及季节性变化

张鸿龄, 孙丽娜, 马国峰, 李卉颖

(沈阳大学 污染环境的生态修复与资源化技术教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

为了初步了解浑河流域有机污染状况,在浑河清原段、抚顺段和沈阳段共设置14个采样断面,分别于枯水期、平水期和丰水期三个时段进行样品采集.研究了浑河干流及主要支流水体中溶解氧、挥发酚、石油烃及大肠菌群的时空变化.研究结果显示,浑河水体中挥发酚和石油类污染物浓度都表现为枯水期>平水期>丰水期;而水体中粪大肠菌群浓度则在丰水期时最高.从上游至下游,浑河水体中挥发酚和石油烃浓度均呈现增加趋势,其中污染最严重的点位是Z5断面;而作为抚顺、沈阳地区重要的生活饮用水水源地的大伙房水库出库口断面H3,其水体中均未检测到挥发酚和石油类污染物,而且粪大肠菌群浓度也较低.

浑河; 挥发酚; 石油烃; 大肠菌群; 季节变化; 空间分布

近年来,随着工业化和城市化进程的加速发展,城市污水排放量、农药和化肥的施用量逐年增加,造成城市河流水体严重污染.由于浑河接纳了抚顺和沈阳市城区大部分生活污水和工业废水,沿途不断有海新河、李石河、白塔堡河和细河等主要支流汇入[1].工业点源、农业面源、城市生活污水的大量排放及支流汇入导致浑河流域水体污染严重[2].另外,浑河作为大辽河流域最重要的河流之一,除了具有纳污、农灌和泄洪等多项功能外,还担负着沈阳、抚顺两个重工业城市居民生活用水的重担[3-4],其水质安全问题关系着两地居民的身心健康.因此,开展浑河水体有机污染时空变化研究,了解浑河流域沿岸城市、支流的污染贡献,对于浑河水体污染状况的综合评价,进而对浑河水体有机污染物实行全面的总量控制及水环境动态分析具有重要指导意义.

1 研究方法

1.1 研究区概况

浑河发源于抚顺市清原县湾甸子镇滚马岭,流经抚顺和沈阳2个重工业城市.浑河干流全长415.4 km,流域面积12 216.4 km2.由于全流域处于大陆性季风气候区,受季风的影响,一年中表现出明显的丰水期和枯水期.其中每年的6～9月份为降雨集中期,降水量占全年降水量的70%～80%,河水上涨,进入丰水期;3～5月份以及10月份,雨量减少,进入平水期;11月至翌年2月份进入冬季,河面结冰,水量减少,进入枯水期.

1.2 调查断面选取及样品采集

沿浑河上游至下游采集河水样品,共设置14个采样点.各采样点分布情况详见图1.图1中H1～H9为浑河干流国/省控断面,依次为清原上、北杂木、出库口、戈布桥、七间房、东陵大桥、砂山、七台子和于家房;Z1～Z5为浑河支流断面,依次为古楼、阿及堡、章党大桥、东洲河和于台.一年中对浑河14个断面水样进行3次样品采集,其中枯时期水样于4月下旬采集,丰水期水样为8月下旬采集,平水期水样于11月中旬采集.

1.3 样品处理

采用事先准备好的塑料瓶,先用自来水冲洗,再用去离子水冲洗,采样前河水中再冲洗三遍,采集水面下0.5 m水样,每个监测断面采集多个样品进行混合.现场采用便携式快速测定仪测定水体温度(t),溶解氧及pH值,每个断面选取5个点位测定,取其平均值.样品采集后分为三份,分别加入H2SO4(1 mol/L)、HNO3(1 mol/L)和K2Cr2O7固定,运回实验室后置于4 ℃冰柜中储存.样品测定时先过0.45 μm滤膜,每个处理设3次重复,同时设置空白试验.

图1 浑河水系采样点位置示意图

1.4 测定与分析方法

挥发酚、石油烃采用《水和废水监测分析方法》(第四版)进行测定;总大肠菌群采用《生活饮用水标准检测法》(GB 5749—2006)进行测定.每个样品均设3次重复,采用EXCEL软件和SPSS 12.0软件进行有关数据的计算分析.

2 结果与分析

2.1 水温及溶解氧浓度在一个水文年内的变化

浑河流域地处大陆性季风气候区,受季风影响,一年中水体水量及水体温度变化明显.如图2a所示,枯水期、丰水期和平水期浑河水体温度差异显著.丰水期水体温度最高,平均温度为22.53 ℃,最高值出现在大伙房水库出库口H3断面,而上游的H1和H2采样点水温均低于20 ℃,中游段河水水温较平稳.平水期浑河水体温度较低,平均值只有2.5 ℃,除H7断面外,下游河段水温略高于上游河段.枯水期部分河段已结冰,但水体温度介于丰水期和平水期之间,大部分河段水温低于10 ℃,随着河流走向,下游河段水温明显高于上、中游河段,这主要是由于浑河上游河段位于山区,而下游河段主要位于市区,受人类活动影响较多.

图2 浑河流域一个水文年内水体温度及溶解氧的变化

溶解氧含量是衡量水体环境质量的重要指标之一,它可以直接反映生物的生长状况和水体的污染程度[5].从图2b可以发现,浑河水体中溶解氧质量浓度表现为枯水期(平均为10.34 mg/L)>平水期(平均为9.04 mg/L)>丰水期(平均为8.64 mg/L).这与杨丽娜等(2006)得出的河流水体中溶解氧浓度表现为春季高、夏季低的结论相一致.除H6断面外,丰水期和平水期浑河各个断面水体中溶解氧质量浓度差异均不显著.

从空间变化来看,浑河上游水体中溶解氧质量浓度高于下游河段.溶解氧质量浓度最高值位于H3点位,为16.61 mg/L.而位于下游的Z5断面其枯水期、丰水期和平水期时水体中溶解氧质量浓度均为最低(3.10～4.80 mg/L),接近于Schuble等(1991)认为的低氧状态(3 mg/L)[6].水体中溶解氧的含量是物理、生物和化学过程综合作用的结果,受水温、气压、盐度、浮游生物及耗氧有机物含量的影响.Z5断面位于支流河细河上,一直以来都是沈阳市污染最严重的支流河,其河道较窄,水流速度缓慢,水体含盐量较高[7],加之大量生活和工业污水的排放、城区径流各种营养元素的输入,导致该河段水体中溶解氧消耗加重,水体发黑、发臭、水质恶化.

2.2 水体中挥发酚在一个水文年内的变化

挥发酚具有致畸、致癌和致突变的生物毒性,能使蛋白质变性失活,并诱发肿瘤或引起细胞死亡[8].水体中挥发酚的污染对人体、农业和水中生物的危害不容忽视,特别是作为居民饮用水源地的水体中有机类污染物的浓度应严格控制.我国地表水规定挥发酚的最高允许质量浓度为0.1 mg/L(GB 3838—2002),生活饮用水质标准规定最高挥发酚质量浓度不得超过0.01 mg/L(GB 5749—2006).

图3反映了不同季节浑河水体中挥发酚质量浓度的变化.结果发现,枯水期时浑河上游的干流断面H1、H3, 中游的H4、H5和Z4断面均未检测到挥发酚.而最高值点位位于Z5的于台断面,水体中挥发酚质量浓度为0.031 mg/L,高于Ⅳ类水质标准,其他断面均在Ⅳ类水质标准之内;丰水期时浑河水体中挥发酚质量浓度较低,从上游H1断面至抚顺城区河段H5断面水体中均未检测到挥发酚,进入沈阳市后,水体中挥发酚质量浓度略有增高,其中H7断面水体中挥发酚质量浓度为0.004 mg/L,其余4个断面均属于Ⅰ类水质范围;平水期时H1、H2、H3、Z1、Z4、H4和H5七个监测点位水体中未检测到挥发酚,其余断面水中挥发酚质量浓度均在Ⅲ类水质范围内.总体看,浑河水中挥发酚质量浓度表现为枯水期>平水期>丰水期.由于枯水期河流水体流动性差,不利于污染的扩散及水体的自净,加之东北地区有3个月左右的冰封期,更加剧了水体有机污染态势.

图3 浑河流域水体中挥发酚质量浓度沿城变化

从河道走向来看,上游及抚顺段内水体挥发酚质量浓度要低于沈阳河段,其中作为沈阳和抚顺饮用水源地的大伙房水库监测断面及抚顺区内Z4、H4和H5断面,其枯水期、丰水期和平水期均未检测到挥发酚.由于环境中挥发酚主要来源于炼焦、煤气制造、合成树脂/纤维、医药和石油化工产业的排放物[8],沈阳作为一座老工业城市,工业、医药及化工业发达,生产过程中大量污水的排放可能是造成浑河沈阳段水体中挥发酚质量浓度较高的主要原因.

2.3 水体中石油烃在一个水文年内的变化

石油烃污染是继农药污染环境之后人类面临的又一公害.随着石油及其制品在工业、农业、城市和农村的广泛使用,其对环境污染的范围也越来越广[9].浑河流域水体中石油烃质量浓度总体上较低,特别是上游-中游河段,从H1至H4,除了支流河Z4断面枯水期质量浓度较高外(0.186 mg/L),均在地表水Ⅰ类水质标准内(GB 3838—2002).进入沈阳市区后,从H6断面开始,水体中石油烃质量浓度开始升高,特别是支流河Z5断面(细河)枯水期水体中石油烃质量浓度达到0.9 mg/L,于家房断面平水期质量浓度为0.633 mg/L,属于Ⅴ类水质,其他断面均在Ⅳ类水质范围内.

图4 浑河流域水体中石油烃质量浓度沿城变化

总体来看,浑河流域水体中石油烃污染较轻,而且表现为下游污染重于上游;枯水期质量浓度高于丰水期和平水期.这可能与排污及季节性降水有关.当丰水期进入平水期及枯水期后,河流没有了雨水补给及径流,河流水量减少,污水排放所占比例加大,水体中主要来自污水排放的污染物质量浓度也相对增高.

2.4 水体中大肠菌群在一个水文年内的变化

水体中粪大肠菌群(Fecal Coliform)常采用对数值表示.如图5所示,枯水期浑河各监测断面每升水体中大肠菌群含量范围为8×102～1.08×105CFU,平均浓度为1.89×104CFU,丰水期为5.9×102～5.5×106CFU,平均含量为4.5×105CFU,平水期为2.0×102～3.1×105CFU,平均含量为1.2×105CFU,总体上大肠菌群数量表现为枯水期<平水期<丰水期.由于丰水期气温较高,在有机物及微量元素的综合作用下,细菌大量繁殖,致使水体中粪大肠菌群值较高[10],而枯水期时水体温度低,甚至处于结冰状态,水体中细菌繁殖能力降低.其次,由于夏季天气炎热,生活用水量较大,生活污水排放量也显著高于秋冬季节.

图5 浑河流域水体中大肠菌群含量沿城变化

从空间变化来看,进入抚顺区段后浑河水体中粪大肠菌群浓度呈现逐渐增高趋势,随后进入沈阳区段后又显著降低.中游河段水体中粪大肠菌群浓度高于上游和下游河段,其中丰水期的大肠菌群最高值出现在抚顺区段的H4断面,平水期和枯水期最高值均出现在H5断面.浑河属于城中河流,其中下游流经的抚顺和沈阳城区工业发达,人口分布密集,人类活动较为频繁,随着支流河Z2、Z3和Z4的汇入,浑河干流水体中粪大肠菌群浓度显著增加,H4和H5断面超过Ⅴ类水质标准3～138倍.

3 结 论

从季节变化规律来看,浑河水体中溶解氧质量浓度枯水期最高,为10.34 mg/L,丰水期最低,为8.64 mg/L.有机污染物挥发酚和石油烃都表现为枯水期>平水期>丰水期;而水体中粪大肠菌群浓度则相反,表现为枯水期<平水期<丰水期.

从空间分布来看,浑河上游水体中溶解氧浓度高于下游河段,浓度最高值位于H3点位,为16.61 mg/L,最低值位于Z5断面;水体中挥发酚和石油烃污染物从上游至下游均呈现增加趋势;粪大肠菌群浓度则表现为中游河段高于上游和下游河段.所有断面中,支流河细河断面Z5污染最重.

大伙房水库是抚顺、沈阳地区重要的生活饮用水水源地,也是全国最大的生活饮用水水源地,其水质安全问题关系着两地人口的身心健康.位于大伙房水库出库口的H3断面水体中均未检测到挥发酚和石油烃污染物,而且其中粪大肠菌群浓度在枯水期和平水期时优于Ⅱ类水质标准,丰水期时则优于Ⅲ类水质标准.

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【责任编辑: 胡天慧】

Spatial and Seasonal Variation of Volatile Phenol and Petroleum Hydrocarbon in Surface Water of Hunhe River

ZhangHongling,SunLina,MaGuofeng,LiHuiying

(Key Laboratory of Eco-remediation of Pollution Environment and Its Reclamation Technology (Ministry of Education), Shenyang University, Shenyang 110044, China)

In order to find out the organic pollution condition of Hunhe River, 14 sampling sites in Qingyuan section, Fushun section and Shenyang section were selected, and surface water were sampled in flood-period, level-period and drought-period, respectively. Then, the concentrations of volatile phenol, petroleum hydrocarbon and the number of fecal coliforms were analyzed to demonstrate the spatial characteristics and seasonal variation of organic pollutions in Hunhe River. Results show that the concentrations of volatile phenol and petroleum hydrocarbon in surface water of Hunhe River decreased in the order: drought-period>level-period>flood-period. On the contrary, the highest number of fecal coliforms in surface water of Hunhe River appeared in flood-period. Moreover, the concentrations of volatile phenol and petroleum hydrocarbon in surface water were increased from upstream to downstream, and the highest level was found in Z5 sampling site. While in the H3 site, which located in Dahuofang reservoir, volatile phenol and petroleum hydrocarbon were not detected, and the number of fecal coliforms was low.

Hunhe River; volatile phenol; petroleum hydrocarbon; fecal coliforms; seasonal variation; spatial characteristics

2016-07-27

国家科技重大专项基金资助项目(2012ZX07202004); 辽宁省青年学者成长计划资助项目(LJQ2014134).

张鸿龄(1979-),女,河北张家口人,沈阳大学副教授,博士; 孙丽娜(1960-),女,辽宁北票人,沈阳大学教授,博士生导师.

2095-5456(2016)06-0438-05

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