1998—2017年温榆河流域水质变化特征

2019-09-17梁云平徐蘇士荆红卫

中国环境监测 2019年4期

郭婧，田颖，梁云平，徐蘇士，赵靓，陶蕾，荆红卫

北京市环境保护监测中心，北京 100048

温榆河发源于北京市境内且常年有水，是京杭大运河北京段的上游河段，位于北京市的核心区域，横跨西部生态带和东部发展带，战略地位举足轻重，被誉为北京市的“母亲河”。温榆河由东沙河、北沙河、南沙河3条支流汇合而成，沿途接纳蔺沟、清河、坝河等支流，在通州北关闸汇入北运河，全长为55 km，承担着昌平区、顺义区以及其他部分城区的排水任务，同时，也是沿岸居民的一条景观河道。

近年由于城市规模的扩大和人口的剧增，污水排放量随之增加，虽然全市污水处理率逐年提高，水质状况逐步改善，但是温榆河流域水质仍然为劣Ⅴ类，属于污染水体，许多学者对其开展了大量的研究，从水文、水质、水生态等角度进行阐述，关注面从沉积物到水体以及河道的闸坝，污染指标从有机物到重金属、微生物[1-12]。然而，现有研究大多是考察了较短时间段内温榆河水环境质量，对温榆河长期水环境质量演变过程的研究尚不多见，郁达伟等[13]对温榆河进行过长序列的水环境质量时空演变特征的报道，但是该报道注重水质演变过程，并未过多分析水质变化原因。

笔者试图利用近20年的监测数据分析该流域水质变化特征以及水质变化原因，为未来制定流域改善措施提供科学依据。

1 监测数据与研究方法

研究所用污染指标监测数据来源于各河段监测点位的数据，各点位数据平均值代表河段数据。现有监测网络体系设置的地表水监测点位涵盖温榆河流域的主要干、支流，具体点位分布见图1。

图1 温榆河及其支流监测点位分布示意图Fig.1 Monitoring sites of the Wenyu River and its branches

除了手工监测点位外，在温榆河上、下段及清河下段和坝河下段各设有一个自动监测点位。流量数据由美国YSI公司的智能多频走航式多普勒剖面仪M9测得。

评价方法采用单因子评价，根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，将水质分为Ⅰ～Ⅴ类别，不满足Ⅴ类标准即为劣Ⅴ类。

2 温榆河水质变化分析

北京多年缺水，2016年地表水资源量为14.01亿m3[14]，比多年平均水量(17.72 亿m3)少20.9%。水资源减少，缺乏生态补水，河流自净能力降低，环境容量极为有限[15]。温榆河水质多年来一直为劣Ⅴ类，主要污染指标为化学需氧量、氨氮、五日生化需氧量和总磷等，除了自然因素外，人为活动对河流影响很大，研究选用主要污染指标化学需氧量和氨氮对其水质变化进行分析。

2.1 时间变化

图2展示了1998—2017年温榆河水质变化情况。

由图2可知，在20年间，温榆河水质变化可以大致分为4个阶段，水质恶化-水质改善-水质稳定-水质进一步改善。

图2 1998—2017年温榆河水质变化Fig.2 Yearly change of the water quality in the Wenyu River from 1998 to 2017

温榆河上段化学需氧量浓度从1998年开始升高，由1998年的55.4 mg/L(劣Ⅴ类)升高至2002年的110 mg/L(劣Ⅴ类)，2004—2010年，浓度开始缓慢下降，其间略有波动，2010年浓度达到50.5 mg/L(劣Ⅴ类)，2011—2015年化学需氧量浓度稳定在40～50 mg/L(依然为劣Ⅴ类)，2016—2017年再次呈现下降趋势，2017年降至35.5 mg/L(转变为Ⅴ类)；氨氮浓度变化虽然也经历了3个阶段，但与化学需氧量变化的时间段不大一致，其浓度在1998—2007年都属于升高阶段，其间虽然较为波动，但整体形势呈升高，到2007年达到23.0 mg/L(劣Ⅴ类)，2010年之后开始逐渐下降，2011—2015年属于稳定阶段，浓度基本稳定在12～14 mg/L(劣Ⅴ类)，2016—2017年再次呈现下降趋势，2017年降至7.5 mg/L(仍为劣Ⅴ类)。温榆河下段化学需氧量和氨氮的浓度变化较为一致，1998—2003年为浓度升高阶段，化学需氧量浓度峰值出现在2002年，达到149 mg/L(劣Ⅴ类)，氨氮浓度峰值出现在2003年，达到32 mg/L(劣Ⅴ类)，2003—2005年为浓度明显下降阶段，2006年以后为浓度稳定阶段，化学需氧量浓度稳定在55～70 mg/L(劣Ⅴ类)，氨氮浓度稳定在14～18 mg/L(劣Ⅴ类)，2016—2017年均呈明显下降趋势，2017年化学需氧量浓度降至38.1 mg/L(Ⅴ类)，氨氮浓度降至3.9 mg/L(仍为劣Ⅴ类)。

从变化过程还可以看出，温榆河下段水质已逐渐好于上段并且随着化学需氧量浓度的逐渐下降，温榆河污染指标凸显为以氨氮为主。

2.2 空间变化

温榆河水质的空间变化主要反映在支流的影响上。上段由北沙河、东沙河、南沙河汇合而成，之后沿途接纳蔺沟。下段接纳清河、坝河。将支流的关系概化后，得到如图3所示河系关系示意图。

图3 温榆河河系关系示意图Fig.3 The relationship of the Wenyu River and its main branches

温榆河上段及其汇入河段水质空间变化较大，2002年之前，2种污染物浓度均是东沙河最高，温榆河上段化学需氧量最低，但氨氮浓度较高，仅次于东沙河，北沙河氮氮浓度最低。2002年之后，各汇入河段化学需氧量浓度均明显下降，氨氮浓度较为波动。2004—2012年，化学需氧量总体上呈现北沙河>蔺沟>南沙河>温榆河上段>东沙河的趋势，氨氮总体上呈现南沙河>温榆河上段>北沙河>蔺沟>东沙河的趋势。2012—2015年，各河段化学需氧量浓度集中在50～60 mg/L，氨氮浓度集中在10～20 mg/L。2016—2017年2种污染物浓度顺序逐渐趋向一致，为蔺沟>北沙河>南沙河>温榆河上段>东沙河，见图4。

图4 温榆河上段及汇入河段水质变化Fig.4 Water quality changes of the upstream of the Wenyu River and its main branches

虽然污染物空间变化不完全一致，但Pearson相关分析结果表明，温榆河上段化学需氧量与南沙河化学需氧量显著相关(r=0.940，P<0.01)，表明温榆河上段化学需氧量主要受南沙河影响；温榆河上段氨氮与北沙河和南沙河的氨氮浓度均显著相关(r分别为0.707、0.676，P<0.01)，表明温榆河上段氨氮受北沙河及南沙河影响均较大。

温榆河下段水质随时间序列的空间变化波动也较大，2005年之前，2种污染物浓度的排序为清河下段>坝河下段>温榆河下段>温榆河上段。2005年之后，化学需氧量的排序为坝河下段>清河下段>温榆河下段>温榆河上段，氨氮的排序为温榆河上段>温榆河下段>坝河下段>清河下段。2017年，4条河段中，清河下段的2项污染物浓度均降到了最低，见图5。

图5 温榆河下段及汇入河段水质变化Fig.5 Water quality changes of the downstream of the Wenyu River and its main branches

Pearson相关分析结果表明，温榆河下段化学需氧量与清河下段、坝河下段、温榆河上段的化学需氧量均呈显著相关(r分别为0.866、0.882、0.867，P<0.01)，表明3条河段的化学需氧量对温榆河下段均有影响；氨氮与清河下段和坝河下段的氨氮浓度显著相关(r分别为0.853、0.762，P<0.01)，表明温榆河下段氨氮主要受清河下段及坝河下段影响。

3 分析与讨论

3.1 水质变化阶段分析

自1998年开始，温榆河水质出现恶化，上段化学需氧量在2004—2010年为好转阶段，氨氮则在2010年之后为好转阶段；下段在2003年之后进入水质好转状态。

3.1.1 温榆河上段

1998年适逢改革开放20年，工业蓬勃发展，人口迅猛增加，污染随之加重，以温榆河上段主要流经的昌平区为例，2001年人口为43.6万，2017年为206万，增加了160多万，详见图6。

图6 昌平区人口变化图[16-17]Fig.6 Population changes in Changping district

随着人口数量的增加，排污量增大，但是污水处理设施并不健全，污水得不到及时处理，此段时间内温榆河上段污染物处于高浓度状态。2001年小汤山污水处理厂建成(日处理量为4 500 t/d)，2003年昌平污水处理中心建成投入使用(日处理量为5.4×104t/d)，2008年北七家污水处理厂(日处理量为2.5×104t/d)、2009年南口镇污水处理厂(日处理量为2.0×104t/d)以及2014年未来科技城再生水处理中心(日处理量为5.0×104t/d)等污水处理厂的投入运行，使昌平区的污水处理率由2008年的不足20%提高至2016年的60%以上(图7)，并且后期建成的污水处理厂考虑了除磷脱氮要求，温榆河上段水质逐渐好转，2004年以后化学需氧量浓度明显降低，2010年以后氨氮浓度开始降低。

图7 昌平区污水处理率Fig.7 Sewage treatment rate in Changping district

3.1.2 温榆河下段

2002年前，清河的污染源主要是清河镇毛纺工业基地的工业污水。由于没有污水处理厂，所有的工业废水都未经任何处理而直接排放到清河[18]。2002年以后，清河污染大户(北京毛纺厂、北京制呢厂和清河毛纺厂)都陆续搬出清河地区，厂房占地被用于住宅区建设，并且在2002年9月清河污水处理厂一期建成通水，处理能力为40万m3/d，2004年12月二期建成通水，处理能力再增加47万m3/d[19]。清河水质在2002年之后出现好转迹象，2004年之后彻底好转。另外，为迎接2008年北京奥运会的召开，自2002年起，朝阳区开展了大规模的河道整治，对坝河及其支流北小河和亮马河五环内部分进行了截污，并将北小河污水处理厂的二级出水引入坝河，极大改善了坝河水质。随着清河和坝河的水质改善，温榆河下段污染物浓度也在2003—2004年开始出现下降趋势。

3.2 水质稳定阶段分析

温榆河上、下段水质在好转之后至2014、2015年，均处于稳定状态，水质仍为劣Ⅴ类。

3.2.1 温榆河上段

在污水处理率大幅提高之后，2011—2015年温榆河上段水质稳定在一定状态，无明显继续好转趋势。分析原因：一方面是由于缺少生态补水，而且据报道，污水处理厂出水难以达到河流水质要求[20]，另一方面由于各支流上仍有相当数量的排污口。《昌平区入河排污口调查及污染溯源报告》调查[21]显示，南沙河有工业、混合、生活、养殖、雨水等排污口共计38个，排水量为4 395 m3/d，北沙河有77个排污口，排水量为7 411 m3/d，东沙河有81个排污口，排水量为22 447 m3/d。由空间分析可知，3条河段均对温榆河上段水质有重要影响，这些直排口的存在阻碍了水质的进一步好转。

3.2.2 温榆河下段

2014年9月对温榆河主干河道的流量测定显示，温榆河上段汇入下段前的土沟桥点位处流量为5.17 m3/s，清河下段汇入温榆河前的沙子营点位处流量为5.28 m3/s，坝河汇入温榆河前的沙窝点位处流量为3.99 m3/s，河段汇入后，温榆河下段的流量为9.59 m3/s。可见，下段流量在支流清河和坝河汇入后得到了大幅提高，这也与张永勇等[12]、王亚炜等[22]所述一致。清河的主要补给水源来自于清河污水处理厂(设计规模为40万m3/d，实际规模为54万m3/d)，坝河的补给水源为酒仙桥污水处理厂(设计规模为20万m3/d，经亮马河排入坝河)和北小河污水处理厂(设计规模为10万m3/d，经北小河排入坝河)，温榆河下段表现出以城市污水处理厂排水补给为主的河流特征[23]。

排入温榆河下段的几个污水处理厂化学需氧量及氨氮浓度整体上呈下降趋势，但在2014年之前多超过《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中2项指标的Ⅴ类标准限值，详见图8。并且，由于服务区域的人口增长迅速，清河污水处理厂超负荷运行，加上温榆河上段的来水浓度较高，上段水质逐渐劣于下段，成为下段的污染来源之一，此段时间内温榆河下段的污染浓度仍稳定持续在劣Ⅴ类水平。

3.3 水质进一步好转阶段分析

2015年4月，国务院印发《水污染防治行动计划》，并与北京市签定考核目标责任书，2017年北京市政府印发《北京市进一步全面推进河长制工作方案》，将水环境保护提升至新的高度，原北京市环保局启动《北京市水环境区域补偿水质监测办法(试行)》，通过经济补偿的方式督促各区进行河道整治。同时，全市范围内的所有有水河流包干至具体河长，定期进行考核。各污水处理厂加强了升级改造工程，提高了出水标准，温榆河主干道实施河道底泥清淤并加强污水收集和再生水利用管网建设，使得2016、2017年污染物浓度再次呈明显下降趋势。

偶尔也有批评的声音。前不久一位作家的文章被人品头论足地批评了一通，也许是话说得严厉，又有点刻薄，作家恼羞成怒，立刻反唇相讥、冷嘲热讽，甚至出言不逊，全然没了往日的风度。这让我颇感意外。

图8 温榆河下段污水处理厂排水浓度Fig.8 Drainage concentration of sewage treatment plant in the downstreat of the Wenyu River

但是，在水质再次好转的情况下，温榆河的氨氮水平仍然为劣Ⅴ类，除了仍有未完成的排污口整治外，非点源影响也是不可忽视的一个重要因素，根据荆红卫等2009年的研究结果[24]，北京市水环境非点源年负荷总量为化学需氧量8.83万t、氨氮1.11万t，分别占水环境污染总负荷的46.6%和48.4%。

根据温榆河干支河道的4个自动站监测结果，选择2017年降雨较多的7月，以氨氮为例进行分析，虽然各自动站所处地区降雨时间略有不同，但是在7月4、6、14、21日(大部分地区降雨的时间)，各自动站监测数据均出现浓度峰值，由于各自动站的雨量不同，峰值高低有所不同，下清河站由于平时氨氮浓度较低，突变更为明显，进一步佐证了降雨冲刷导致非点源污染入河，造成水体污染，详见图9。