苏州市古城区河道水质时空变化分析与评价

2019-03-08，，，

水利科技与经济 2019年2期

，，，

(北京青草绿洲环保科技有限公司，河南濮阳 457000)

近年来，随着苏州经济的快速发展、人们生产生活方式的改变以及外部水环境不利影响的加剧，苏州古城区河道水质不断变差，城区部分河道恶臭严重[1]，对城市形象造成十分不利的影响。水体中过量的营养元素是引起水质污染和恶化的主要因素，2012年苏州市完成了城区110条河道的清淤工作[2]，2013年初实施了 “自流活水”方案。在此背景下，分析水质的时空变化及其影响因素，总结城区河道水质治理的工作成效，探讨城区河道水质存在的问题，以期为今后城区河道水质的进一步提升提供科学的依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区为苏州古城区，面积约为10 km2，城区内地势低平，河网纵横交错，水系独特，主河道呈“三横四纵”格局，河道周边人居稠密，服务业发达，建筑密集，可渗透地面面积较少。城区河道水流缓慢，水质较差，污染源既有城市生活污染和三产污染的点源污染，也有降雨径流污染非点源污染[3-4]。

1.2 数据来源与监测断面分布

数据来源于2013年苏州市城区河道水质监测周报表，涵盖古城区17个监测断面，军民桥、张广桥、桃坞桥、单家桥、华阳桥、徐鲤鱼桥、西城桥、渡子桥、醋坊桥、积庆桥、兴市桥、官太尉桥、饮马桥、沧浪亭桥、银杏桥、桂花新村、南园泵房(编号S1-S17)。由于苏州古城区河道水质主要为综合有机污染，所反映的主要污染物指标为NH3-N、TP、CODMn[5]，因此选择DO、TP、NH3-N、CODMn作为水质评价指标。以当月每周监测数据的均值作为此监测断面当月的水质监测值，共11个月数据样本(1月部分监测断面数据缺失)。研究区域及监测断面分布图见图1。

图1 研究区域及监测断面分布图Fig.1 Location map of study area and distribution of monitoring sites

1.3 研究方法

2 结果与分析

2.1 各水质指标统计性描述

对2013年苏州古城区17个监测断面4项水质指标的统计描述见表1。

表1 河道水质指标统计描述及环境标准Tab.1 the river water quality indicators descriptive statistics and environmental standards

苏州古城区水质标准确定为 IV 类水标准。由表1可知，DO、TP、NH3-N、CODMn均值分别为3.46、0.29、1.78和4.31 mg/L。参考《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅳ类水质标准，DO为Ⅳ类水质，无超标；CODMn为Ⅲ类水质，水质较好；NH3-N为Ⅴ类水质；TP接近Ⅴ类水质上限值，超标明显。其中，NH3-N、TP和DO的变异系数明显比较高，表明NH3-N、TP和DO的时间或空间变异明显。

2.2 水质指标的时空变化

2.2.1 水质指标的时间变化

古城区河道水质中DO、TP和NH3-N的月均值浓度随时间变化显著(图2)。DO的变化范围为2.2～5.62 mg/L，浓度从2月份开始下降，4月份微微上浮后继续下降至6月份的最低值2.2 mg/L，6月份以后开始逐渐上升，到12月均值达到最高值5.62 mg/L，水温对溶解氧的影响较大，导致浓度随季节变化明显。NH3-N则与溶解氧的变化趋势大致相同，浓度从2月份开始小幅度上升至3月份的最高值3.94 mg/L后下降到9月份的最低值0.92 mg/L,10、11月份并未明显上升，到12月份后开始升高。TP的变化范围为0.17～0.49 mg/L，1-5月份浓度总体偏高(Ⅴ类或劣Ⅴ类)，但浓度整体在下降，6月份相对5月份出现大幅下降，进入7月份后浓度上升，之后不断降低至11月份的0.17 mg/L，12月份浓度升高但未超过Ⅳ类水标准上限。CODMn浓度变化范围为3.25～5.03 mg/L，月均值全年都维持在较低的水平，CODMn的变化表现为2-5月份基本维持不变(4.40～4.95 mg/L)，6月份小幅下降后7月份再次上升，然后持续下降至9月份的最低值3.25 mg/L,9月份以后月均值虽有上升但并未上升至春季的水平。

2.2.2 水质指标的空间变化

各水质指标空间分布见图3。

图2 各水质指标时间变化Fig.2 Temporal characteristics of each water quality index

图3 各水质指标空间分布Fig.3 The spatial variance of each water quality index

由图3可知，从年均值上看，水质指标中污染较严重是TP和NH3-N,各指标均有近一半的监测断面年均值不达标，且各监测断面TP和NH3-N浓度变化较大，空间变异明显。而各监测断面DO浓度除S1和S7为Ⅴ类外，其余均为Ⅳ类。CODMn浓度变化范围较小,CODMn年均值全部为Ⅲ类，污染并不严重。从空间分布上看，TP和NH3-N空间分布表现基本一致。即小河道水质要劣于主河道(S1、S2水质要明显劣于S3、S4、S5、S6)，城南水质要明显比城北水质差(S10-S17的水质明显要比S2-S9的水质差)，横向河道的水质比纵向河道水质差(S13比S12水质差)。而DO浓度的空间分布与TP、NH3-N、CODMn浓度的空间分布成相反的趋势。

2.3 苏州古城区河道水质综合评价

各月份和各监测断面综合水质标识指数变化见图4。根据综合水质标识指数的判别标准，2013年苏州古城区年平均综合水质标识指数为4.91，接近Ⅴ类水标准，全年来看城区河道水质不容乐观。但从时间变化上看，综合水质标识指数整体下降趋势明显,且每月达到Ⅳ类水质的监测断面数量占比在逐渐上升(图5)，表明水质在逐渐好转。空间分布上，除了S4是Ⅲ类水质外，其余监测断面水质都为Ⅳ类或Ⅴ类，且Ⅴ类水质监测断面数量有7个，占比达41.1%，位置主要分布在城北和城南滞留的小河道，表明小河道水质整治措施有待进一步加强。

图4 研究区河道水质综合评价Fig.4 Comprehensive evaluation of river water quality in the study area

图5 研究区监测断面达标占比时间变化Fig.5 Variation of the proportion of compliance monitoring sections in the study area

2.4 水质指标时空变化原因

苏州古城区河道综合交错，人居稠密，古城区河道受人类活动影响显著，导致河道水质空间分布差异明显。同时，由于城区内地势地平，落差较小，长期以来河道水体的流动靠泵站调节。但由于调水的尺度太小，活水效果并不理想，导致城区河道水体长期处于静止或缓流的状况，具有易污染、水体自净能力差的特点[10]。2013年5月底，自流活水工程试运行，在外城河上建两座溢流堰，抬高护城河水位，形成北高南低的水势落差，同时打通阳澄湖和元和塘，将西塘河、外塘河和阳澄湖的优质水源通过齐门和平门河道引入古城区，水流由北向南流动，上游来水最后经过盘门内城河、十全河、官太尉河汇入南园水系后流入外城河，实现全城活水。从图4可知，古城区5月份以后综合水质标识指数下降明显，5月份后水质级别全为Ⅳ类，工程整治措施效果明显。

空间分布上，由于监测断面S3-S5位于城区水源入口，来水水质比较好，水体流速和流量比较大，溶解氧含量高，对污染物的稀释、迁移、转化较快，则水质较好(S4为Ⅲ类，S3、S5为Ⅴ类)。而S1位置偏北，位于居民区的小河道且水质基本滞流，溶解氧含量低，水体自净能力差且受生活污水影响较大，造成污染物的聚集，水质较差(Ⅴ类)。

由图6可知，各监测断面的综合水质标识指数沿水流方向基本呈现依次递增的趋势，水质污染随流向具有明显的累加作用。城西水流方向上，S4、S3、S2、S7水质状况随水流方向恶化严重(NH3-N和TP浓度均超过Ⅴ类水标准)，主要是由于S2至S7河道沿岸餐馆酒店众多，服务业发达，受“三产”废水影响较大。而在S8处水质好转，主要是由于从城东过来的水流对污染物的稀释作用。相比城西，城东沿河流方向水质污染累加效果更为明显。上游来水最后经过盘门内城河、十全河、官太尉河汇入南园水系，水势落差已经比较小，水流比较缓慢，水体中携带了沿途聚集的大量污染物同时又紧邻居民区，污水收集率低，致使城区南侧的监测断面除S14外，全部为Ⅴ类水质，水质较差。

图6 河道综合水质标识指数沿水流方向变化Fig.6 River comprehensive water quality labeling index change along the flow direction

2.5 降水对城区河道水质的影响

天然降水是城区河道水源之一，可以起到净化河道水质的作用。但降水引起的地表径流又会将城区大面积污染物冲刷进入河道，形成城区面源污染，造成河道水质恶化[11]。近年来，随着苏州市对古城区保护力度的加强，城区内工矿企业已全部搬出，河道水质基本不受工业废水的污染。但随着城市化水平的提高和人居的日益稠密，城区不透水地面的面积也在不断扩大，加之城区污水管网收集率不高，产生的部分油脂、生活垃圾、动植物有机废弃物以及其它生活污染源在降雨径流的冲刷下就会进入河道，造成河道水质污染。相关研究表明，古城区降雨径流污染比较严重，对河道水质影响较大。降雨径流污染河道水质的主要途径是地表冲刷。苏州2013年降水量为1 064.3 mm,比常年偏少7%，属于偏枯年份；苏州2014年降水量为1 271.3 mm,较常年偏多11%，属于丰水年份且降水主要集中6-9月份。为简单地估计降水对河道水质的影响，将2013和2014年雨季各指标均值作对比(图7)可知，2014年溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮的浓度明显比2013年要高，说明大量的降雨引起的地表径流污染对古城区河道水质起到了恶化的作用。