饮马河支流伊通河农村段水质时空特征及评价研究

2017-12-19王肇钧

东北师大学报（自然科学版） 2017年4期

关键词：断面水体污水

江静，王咏，张刚，阳涛，王肇钧

(东北师范大学环境学院，吉林长春 130117)

饮马河支流伊通河农村段水质时空特征及评价研究

江静，王咏，张刚，阳涛，王肇钧

(东北师范大学环境学院，吉林长春 130117)

饮马河；伊通河；农村段水体；农业面源；氮磷

0 引言

伊通河是饮马河的支流，也是松花江的二级支流，属于典型的北方季节性河流.从源头到新立城水库(长春市主城区水源地)大坝为上游；从新立城水库大坝到新开河口为中游，该段贯穿长春市主城区(城区段)；从新开河口到靠山屯为下游(农村段)，下游两岸遍布村屯，农业种植及畜禽养殖广泛存在，该段主要承接中游大型城市来水和下游本段内各种农业生产生活退水.伊通河农村段河岸掏蚀严重，河岸两侧堤坝内外几乎均被垦殖，遍布农作物，经原地考察发现，河流水环境质量除受中上游城区段来水直接影响外，农业面源是本段水体重要的污染源.

1 研究方法

1.1 区域概况及采样点设置

饮马河是我国东北松花江流域中上游一级支流，伊通河是饮马河重要支流，本研究涉及的小河段每年12至翌年3月处于冰封期，本研究采样时段为非冰期的2015年4—11月.

因河流上游新立城水库的调蓄作用，2015年伊通河下游水量平稳，丰、平、枯三期河流水位存在一定变化，但没有显著差异，故进行水质分析时使用各指标监测时段内的均值进行讨论.研究河段各监测断面水环境功能情况见表2.

图1 伊通河小流域及下游河段断面分布

表1 监测断面特征及地理信息

表2 研究河段各监测断面水环境功能

1.2 水质评价方法与标准

1.2.1 水质评价方法

采用单因子评价法、内梅罗污染指数法、综合污染指数法以及综合水质标识指数法对伊通河农村段水质进行评价.

(1) 单因子评价法是用最差的单项指标所属的类别来确定水体综合的水质.计算公式为

(1)

式中：Pi为某一评价指标相对污染值；Ci为某一评价指标最高浓度值；C0j为某一评价指标最高允许标准值.

(2) 内梅罗污染指数法将监测结果与地表水环境质量标准进行对比，最终计算出综合指数，对应相应的分级标准评价水质状况.计算公式为

(2)

式中：P内为内梅罗污染指数(综合反映各污染物对区域土壤的不同作用)；Peve为所有单项污染指数的平均值；Pmax为土壤环境中各单项污染指数中的最大值.

(3) 综合污染指数法代表水体污染程度的综合指数，最终通过水质分级标准划定水质等级.计算公式为

(3)

式中：P为综合污染指数；Pi为某一评价指标相对污染值.

(4) 综合水质标识指数法是一种能完整表达河流总体综合水质的评价方法.它既可以依据国家标准评价不同级别水质，又可以在同一级别的水质中进行定性和定量评价.[14]计算公式为

Iwq=X1X2X3X4.

(4)

式中：Iwq为综合水质标识指数；X1是河流总体的综合水质类别；X2是综合水质在X1类水质变化区间内所处的位置，从而实现在同类水体中进行水质比较；X3是参与综合水质评价的水质指标劣于水环境功能区目标的单项指标的个数；X4是综合水质类别同水体功能区类别的比较结果，为一位或两位有效数字.

1.2.2 水质评价标准

依据中华人民共和国国家标准《地面水环境质量标准》(GB3838-2002)，该河段属于地表水Ⅴ类功能区，Ⅴ类水体监测标准见表3.

表3 国标GB3838-2002中Ⅴ类水体监测标准

2 结果与分析

2.1 水质指标特征分析

2.1.1 研究河段各断面水质指标时空变化特征

各断面全年COD质量浓度均高于标准值40 mg/L，全年的变化趋势基本一致，4—6月COD浓度逐渐增加，6月浓度最高，7—9月基本维持稳定状态，10月和11月相对较低.S1，S2，S3，S4和S5这5个断面COD浓度变化相对稳定； S6在5月、10月和11月处于断流状态，S6和S7各月COD浓度明显高于其他断面，S7在4月COD质量浓度最高达到287.10 mg/L；S8，S9和S10断面COD浓度变化相对稳定.

图2 各断面COD浓度变化

图3 各断面浓度变化

图4 各断面TN浓度变化

图5 各断面TP浓度变化

各断面全年TP浓度达标率为27.50%，各断面全年的变化趋势基本就一致，4—5月浓度升高，5月浓度最高，6月到9月逐渐较少，8月和9月各断面浓度基本达标，10月和11月再次逐渐升高，在11月出现小高峰.S6在5月、10月和11月处于断流状态；S7断面在4—7月、11月的浓度明显高于其他断面，该断面在6月TP质量浓度高达6.90 mg/L.

2.1.2 研究河段水环境质量评价

分别应用单因子评价法、内梅罗污染指数法、综合污染指数法以及综合水质标识指数法对伊通河农村段2015年各个监测断面水质进行评价，结果见表4.

表4 伊通河农村段水体评价结果

单因子评价法的评价结果显示，10个监测断面水质都属于劣Ⅴ类，即各断面的最差的水质指标都超过了Ⅴ类功能区水环境质量标准；内梅罗污染指数法的评价结果显示，只有中央沟渠入伊通河前的水质是较差，其他监测断面的水质都是极差，即各断面水质状态都不符合Ⅴ类功能区水环境质量标准；综合污染指数法的评价结果显示，所有监测断面都是严重污染；综合水质标识指数法的评价结果显示，所有监测断面都属于劣Ⅴ黑臭水质.

2.2 伊通河农村段及支流污染物总量变化

新开河是伊通河流量最大的支流，其污染来源与伊通河干流一致，主要承接长春市区的污水和各种农业生产生活退水，因此在计算污染物总量时以新开河入伊通河后的伊通河(S3)断面为起点，根据S3，S4，S7和S8断面各月的浓度与流量计算污染物全年总量，结果见表5.

计算公式为：

污染总量=质量浓度×流量×10-6×365×24×3 600. (5)

表6 伊通河农村段主要支流占总量的百分比 %

2.3 污染原因分析与讨论

首先，中上游来水水质差、来源多样、污染物复杂是导致下游水质明显变差的直接原因.伊通河下游河段河槽主要水量由伊通河中上游和支流新开河来水组成，且新开河入伊通河后的断面是伊通河中上游与下游的分界断面.实地考察发现，由于中游城区段污水处理厂管网尚未实现对城区污废水受纳的全覆盖，城区排放的污废水只有65%～70%能够得到有效处理，伊通河流域范围内仍存在一定量的未经任何处理的生活污水直排入河现象，因而在枯、平水期间，河道水主要由污水处理厂排放的中水及不可控的直排污废水组成，从而导致河道水体普遍性的严重超标.我国城镇污水处理厂执行一级排放标准，COD排放标准是50.0 mg/L，因此，即使污水处理厂达标排放，COD的质量浓度也同样大于地表水环境Ⅴ类水体的标准值40 mg/L，处理过的污水排入水体后，也会存在水体达不到标准的风险；新立城水库大坝至新开河口段支流虽较多，但基本上都是径流狭浅、水量严重不足，属于半封闭式截流蓄水，枯水期支流汇水均以生活污水为主；全年径流量小也导致河水水质状况较差.

第三，河段内众多支流作为排污渠道，长期承纳农业污染现象普遍.中央沟渠位于长春市北部农安县西南侧，是历史上日伪时期人工开凿的灌排水渠，区域内种植的成片水稻田依靠该水利灌溉设施得以存留，该沟渠的主要功能就是农业灌溉和排水，故河道来水主要为水稻田退水，受纳了沿岸的面源污染以及少数居民的生活污水.而河段内另一支流二道河子位于农安县城南缘，是县城区和郊区分界，河道来水主要接纳县城医院排水(某康宁医院)，未经处理的分散型养殖废水(多家猪、鹅等畜、禽养殖基地)，北部县城区城市面源、南部乡村农村面源、零散农户生活污水等，污染复杂，水质极差.

第四，研究河段两侧普遍存在污灌现象，进一步增加了河水污染过程.实地调查表明，伊通河两侧玉米(多为饲料或工业原料用)种植区广泛分布，种植用水普遍靠天然降水，若遇旱灾，则明显减产，这与区域内水稻田种植明显不同.在玉米急需补水的夏初时节，为使玉米快速生长，沿河两岸农户普遍从伊通河中泵水灌溉，河水漫灌后，多余水渗漏二次入河，携带更多的旱田中大量施用的氮、磷、钾肥及农药残留入河，进一步增加了河水污染程度.农业中的食源性病原体主要来源于污灌水、污泥或动物粪肥.根据农田灌溉水质标准，COD质量浓度：水作≤200 mg/L，旱作≤300 mg/L，蔬菜≤150 mg/L；TP质量浓度：水作≤5.0 mg/L，旱作≤10 mg/L，蔬菜≤10 mg/L.研究河段的COD和TP的质量浓度在二道河子上下游两个断面均超过农田灌溉水质标准，而且5月、6月份超高浓度的含氮污水的流入会影响植物的正常生长.污灌不仅影响作物的生长而且对土壤微生物也有很大的影响.适当的污灌可以节省肥料，降低成本，同时增加土壤肥力，但长期采用污灌会加剧土壤中的还原作用，导致一些厌氧细菌，如反硝化、反硫化等细菌显著增加，而好氧细菌则相对受到抑制.[19-20]

3 提升研究河流农村段小流域水环境质量的若干提议

结合伊通河下游农村段水质及两岸农业生产生活现状和上游城区段来水特征，提出若干改善农村段水环境质量的措施，具体如下：

(1) 上游新立城水库对伊通河适当补水.新立城水库大坝至新开河口段区间支流虽较多，但基本上都是半封闭式截流蓄水，旱季支流汇水均以生活污水为主.在对伊通河农村段支流的监测中发现，二道河子上游和中央沟渠在枯水期和平水期基本上都处于干涸状态，新开河和伊通河主干在枯水期和平水期水量较小.因此，适当的上游补水能稀释伊通河农村段污染物的浓度.

(2) 增加城市污水管网的覆盖率，提高污水处理厂效率.加大长春市区污水管网的覆盖率，可以有效减少伊通河长春市区的污染物含量，控制进入伊通河农村段的污染物总量.提高污水处理厂处理效率的主要方法有：①调节厌氧池的pH在6.5～7.5之间，温度控制在25℃～35℃之间，最适合活性污泥的生长；②控制好氧池溶解氧的含量能有效提高微生物的分解效率，而且能缩短污水处理的时间；③混合池中絮凝剂的选择、改进及气浮设备的改进能有效提高混合池的处理效率；④定期捞渣能防止悬浮颗粒物进入斜板沉淀池，可有效提高污水处理的效率；[21-22]⑤加大污水处理厂人员的监管力度，保障污水处理厂的正常运行.

(3) 加强农村河流的管理，提高农民的素质.政府要重视基础制度和体系建设，如建立合理的农村面源污染治理契约体系；[23]加大对农业基础设施的投入，如加强农村污水管网等基础设施投入力度，在农村合理设置垃圾堆放点，并定期进行河道疏浚；通过规划引导城镇污水的排放，改污水直排为处理后达标排放或综合利用；结合当地的特点制定针对农业面源污染的解决方案，做好农民的宣传教育、技术培训工作，充分发挥农民在水环境治理综合整治中的决定性作用，以农民自愿与政府的奖励相结合，充分调动广大农民的积极性；乡政府有责任加强对农民环保意识的培养，应当定期下乡宣传.

(4) 推广科学生产技术，发展低耗高效农业，减少面源污染.在农业生产技术上积极推广先进的灌溉技术，可以减少化肥、农药的流失，如渠道输水技术、喷灌、管道输水、滴灌等；联合当地的高校帮助农民检测土地中营养元素的含量，制定合理的施肥目标，更加高效地利用土地资源，减少水体氮、磷超标情况；针对二道河子的分散型养殖污染应该指导农民树立循环利用及综合利用的理念，将禽畜粪便和秸秆用来生成沼气，达到变废为宝的目的.

(5) 在整个流域范围建立人工湿地，降低污染物排放量.在污水处理厂排水口或其他区域的河岸边建立人工湿地，提高河流的自净能力.伊通河农村段的治理应当注意促进伊通河自然生态功能的发挥，尽量发挥伊通河自身生态系统的自组织和自调控能力，以人工干预即建立人工湿地的方式促进伊通河的生态修复.[24-25]

(6) 恢复河岸带的生态功能，提高伊通河农村段及支流岸边植被覆盖率.河岸带是过滤和截留水分、营养物质以及沉积物的重要场所，增加河岸边的植被覆盖率能有效减少水土流失，植被覆盖率越高地表径流越小，同时下渗增多、地下径流增大，从而达到防止水土流失的效果.为恢复河岸的植被带需退耕，而退耕的难度相当大，因此，当地政府需采取积极的措施，例如，定期下基层做好农民的宣传教育工作，说明退耕的作用和必要性，还可以政府奖励的方式鼓励农民退耕.

4 结论

(2) 应用单因子评价法、内梅罗污染指数法、综合污染指数法以及综合水质标识指数法对伊通河农村段各个监测断面水质进行了评价，结果表明河段水环境质量均不达标，所有断面均属劣Ⅴ黑臭水质.

(3) 监测数据表明，伊通河农村段污染物主要来源是上游城区段来水及农村段的农业面源污染，包括畜禽养殖排水、农村生活污水等.

根据研究结果提出如下治理建议：增加长春市区污水管网的覆盖率，提高污水处理厂效率；下游农村段在农村推广先进的灌溉技术、加强农村河流的管理；全流域范围内建立人工湿地，恢复伊通河河岸带的生态功能，以增加伊通河农村段及支流岸边植被覆盖率提高水体的自净能力.

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TemporalandspatialcharacteristicsandevaluationofwaterqualityinYitongRiverruralsectionofYinmaRivertributary

JIANG Jing，WANG Yong，ZHANG Gang，YANG Tao，WANG Zhao-jun

( School of Environment，Northeast Normal University，Changchun 130117，China)