丹江口库区神定河水质污染成因分析

胡 玉1，帅 钰1，杜 永2，任 良 锁，吴 承 明1，丁 爱 中

(1.汉江师范学院 化学与环境工程学院，湖北 十堰 442000； 2.十堰市环境监测站，湖北 十堰 442000； 3.北京师范大学 水利科学研究院，北京 100875)

南水北调中线工程由汉江中上游的丹江口水库引水，重点解决北京、天津、河北、河南等沿线20多座大中城市5 300万人口的缺水问题，水质安全至为重要[1]。神定河是国务院2010年批复实施的《丹江口库区及上游水污染防治和水土保持“十二五”规划》中的6个重点控制单元之一，自2009年开始，一直属于劣Ⅴ类水体[2]，成为丹江口库区水污染防治工作和住建部所列入黑臭水体整治的重点和难点。

近年来，针对丹江口库区水污染研究主要集中于采用趋势分析[3]、单因子评价[4-5]方法和聚类[6]、主成分分析[7-8]等多元统计方法分析库区水质时空变化规律及影响因素，对于典型重污染入库河流水污染通量研究鲜有报道。研究河流主要污染物通量的空间分布不仅可为水质模型计算提供基础数据，同时也可为污染控制对策提供重要决策依据[9-12]。周少林等人[13-14]提出分行政区建立监测计量模型，通过核算各行政区内入河污染物总量建立排污清单，针对性开展污染防治工作。本文通过分析代表性重污染入库河流[15]—神定河水系及支流(口)断面水质水文监测数据，开展其污染特征因子时空变化规律和污染物通量的空间分布特征研究，对于追溯污染物主要来源，实现库区黑臭河流精准治污具有十分重要的现实意义。

1 研究方法

1.1 研究区概况

神定河处于丹江口库区汉江中上游(东经110°39′34″～110°53′29″，北纬32°31′04″～32°46′10″之间)，由百二河、张湾河两条支流自西南向东北汇流而成。其中百二河沿途经过城市中心商住区，张湾河自南向北分别由茶树沟、镜潭沟、红卫河、岩洞沟4条支流汇流而成，东风公司部分制造厂和商住区分散于此。神定河沿途流经郧阳区最终汇入丹江口库区，居民住宅沿岸分布，两座主要的水处理工程—神定河污水处理厂(日处理污水负荷约20万t)和人工快渗处理厂(日处理污水负荷约2万t)坐落于此。神定河全长58.1 km，其中流经城区河道长16.5 km，流域面积227 km2，约占全市国土面积0.96%，流域内多年平均降雨量为882 mm。

1.2 水质监测

根据2015～2017年降水平均分布情况，将全年分为丰水期(4～10月)、平水期(2,3,11月)和枯水期(1,12月)3个时段。选取化学需氧量(CODCr)、氨氮(NH3-N)和总磷(TP)三项水质指标，于每年的3，8月和12月(分别代表平、丰、枯水期)[16]，对神定河的上、中、下游18个监测断面(SD1～SD18)和6个支口(ZK1～ZK6)同步采样监测(监测点位见图1)。分析方法采用《GB3838-2002》中指定的分析方法进行。现场采样时，采用FlowTracker2(美国YSI)同步测定断面流量。

图1 采样点分布Fig.1 Distribution of sampling sites

1.3 分析方法

1.3.1 综合污染指数分析

综合污染指数法是通过考虑多个污染因子与标准浓度的比值，再经过加和平均得到综合污染指数(P)，以此来对水体的污染状况进行综合评价的一种方法。具体算法为：

(1)

式中，Ci为污染物i的年均实测浓度值，Si为污染物的标准浓度值(文中以地表水环境质量标准GB3838—2002中Ⅲ类水质为参照标准)，n为参加评价的污染因子个数，P值越大，表明水质污染越严重。

1.3.2 污染物通量估算方法

污染物瞬时通量是指水体中的污染物在单位时间内通过某一断面的质量，各断面瞬时流量与该河段污染物瞬时浓度相乘得到该类污染物的瞬时通量CiQi。年通量的计算采用时段通量估算方法，用瞬时通量CiQi分3个水期折算相加得到年通量值Wi[17]，再取3 a的平均值得到此类污染物的年均通量W：

(2)

式中，Ci为污染物i的实测浓度值，Qi为瞬时流量。

2 结果与讨论

2.1 水质时间分布特征

2015～2017年期间，神定河流域(SD1～SD18)监测结果显示(见表1)：不同时期3种污染物的浓度变化较大，CODCr,NH3-N和TP浓度均值变化范围依次为22.58～35.60，1.78～4.62 mg/L和0.43～0.51 mg/L，属于劣Ⅴ类水质，距离神定河水环境功能区规划Ⅲ类水质要求仍有较大差距。各监测点CODCr浓度总体呈现平水期较高，枯水期和丰水期较低的特征，其中平水期变化范围为9.66～87.60 mg/L，平均值为35.60 mg/L；丰水期变化范围为9.00～55.60 mg/L，平均值为23.85 mg/L；枯水期变化范围为11.20～49.06 mg/L，平均值为22.58 mg/L。NH3-N浓度总体呈现枯水期>平水期>丰水期，其中平水期变化范围为0.10～6.89 mg/L，平均值为2.35 mg/L；丰水期变化范围为0.12～11.56 mg/L，平均值为1.78 mg/L；枯水期变化范围为0.45～13.08 mg/L，平均值为4.62 mg/L。TP浓度总体呈现平水期、枯水期较高，丰水期较低，其中平水期变化范围为0.14～0.94 mg/L，平均值为0.50 mg/L；丰水期变化范围为0.06～1.31 mg/L，平均值为0.43 mg/L；枯水期变化范围为0.15～0.98 mg/L，平均值为0.51 mg/L。与三峡库区香溪河流域的研究结果不同[18]，丰水期神定河流域水质并未显著下降，点源污染特征明显[4]。

2.2 水质空间分布特征

2.2.1 干流水质空间分布特征

表2所示，神定河干流6处监测断面(SD13～SD18)污染程度排序为SD14>SD18>SD13>SD16>SD17>SD15。结合图1，由于夏家店支沟ZK1的汇入，神定河干流水质综合污染指数从1.5升高至2.05，通过对ZK1水质断面采样分析，其CODCr，NH3-N和TP浓度分别达到45.00，8.88，0.95 mg/L，导致干流SD14处水质恶化严重。现场踏勘发现，神定河下游SD14～SD15段约2.5 km河道为天然河道，水生动植物丰富，人类活动影响较小，SD15号监测断面数据表明水质达到Ⅳ类标准，综合污染指数排序从第8位降至18位，侧面反映天然河道拥有较强的自净能力[19]。SD15～SD16段综合污染指数从0.85又骤然升至1.4，水质恶化趋势明显，通过对神定河污水厂尾水(ZK3)检测年报和ZK4支口监测数据分析，污水厂尾水排放达到Ⅳ类水质标准，而溢流污水水质堪忧，CODCr，NH3-N和TP浓度分别高达190.08，20.25和4.19 mg/L。SD16～SD17段人工快渗处理厂每日可处理2万t神定河污水厂尾水，排水可达到Ⅳ类水质标准，但对河道水质稀释改善作用不明显，综合污染指数仅从1.4下降至1.12。下游茶店镇污水厂尾水ZK6汇入后，神定河汇入丹江口水库前，水质又下降至劣Ⅴ类(SD18)，CODCr、NH3-N和TP浓度分别达到20.49，2.90，0.37 mg/L。

表1 不同时期监测点水质指标统计值Tab.1 Values of water quality parameters during different periods mg/L

此外，通过比对上游两条支流——张湾河和百二河(SD8和SD2)来水水质发现，两条支流水质均为劣Ⅴ类，CODCr和TP浓度较为接近，但百二河NH3-N浓度是张湾河的3倍，污染更重。为全面了解神定河流域水质空间分布特征，对两条支流开展了水质空间分布特征研究。

2.2.2 支流水质空间分布特征

百二河SD1和SD2号点位相距不足3 km(图1)，但表2监测数据显示，SD2号的NH3-N和TP浓度分别是SD1号的2.7倍和2.3倍，两个点位的综合污染排序相距较大，分别为第2位和第13位，主要是由于百二河河道全部硬化，沿途发现多处生活污水排口，导致百二河汇入神定河干流前，水质从Ⅴ类下降至劣Ⅴ类。

张湾河4条支流(SD3、SD9、SD11和SD12)污染程度排序为SD9>SD12>SD11>SD3。经现场踏勘发现，SD9号点位上游2 km处存在大量生活污水经化粪池直接溢出，从而导致其NH3-N和TP浓度较高，在张湾河支流中污染最重，说明高营养盐负荷主要由人为活动引起。张湾河干流从上游到下游监测点位依次为SD4，SD5，SD6，SD7和SD8，污染程度排序为SD6>SD4>SD5>SD7>SD8。现场调查发现，张湾河沿途经过城区人口最为密集的居住区和商业区，由于管网破损严重，污水跑冒滴漏时有发生，导致张湾河干流水质空间变化规律特征不明显。

表2 综合污染排序Tab.2 Comprehensive pollution index and the rankof the water quality

2.3 年径流和主要污染物通量估算

通过对神定河流域18个监测断面(SD1～SD18)和主要支口(ZK1～ZK6)同步开展水质水量监测，核算各个支流(口)主要污染因子的年均通量及对污染贡献，进一步分析神定河流域水质污染成因。

2.3.1 年均径流量

神定河干流年均径流量见图2，其中灰色部分(ZK1～ZK6)为各个支口汇入量。可以看出，神定河水系2015～2017期间，年均径流量约为1.28×108m3，其中张湾河和百二河年均径流分别为1.54×107m3和1.06×107m3，总汇入量仅占神定河年径流量的20.26%；而各支口汇入总量占神定河年均径流量的79.74%，特别是神定河污水厂尾水年排放总量为8.18×107m3，占神定河年径流量的63.75%，为神定河的主要来水。神定河下游污水溢流和人工快渗尾水年均排放总量分别为7.79×106m3和7.43×106m3，分别占神定河年均径流量的6.07%和5.79%。此外，神定河下游小水电站年均发电用水量为7.43×107m3，约占神定河年均径流量的62.55%。

图2 神定河年均径流量(单位：106m3)Fig.2 Annual average flow amount of Shending River

图3 神定河主要污染物负荷(单位：t/a)Fig.3 Load of main pollutants of Shending River

2.3.2 主要污染物通量估算

如图3和表3所示，溢流井ZK4排口年均溢流量在神定河水系8个支流(口)中虽贡献排名第4位，但其CODCr,NH3-N和TP年均浓度分别达到190.08,20.25,4.19 mg/L(表2)，从而导致其NH3-N和TP对神定河负荷贡献最大，占比分别达到44.51%和54.20%；CODCr贡献达到33.27%，占比第2。神定河污水厂尾水ZK3排口年均排放量最大，但其主要污染物CODCr,NH3-N和TP的年均贡献率分别为37.45%,23.30%和19.01%，对神定河污染贡献仅次于污水溢流。其次，神定河上游两条支流张湾河(SD8)和百二河(SD2)来水CODCr,NH3-N和TP总贡献率分别达到19.74%,22.18%,18.57%，污染贡献不容忽视。

表3 各支流(口)年径流量及污染负荷占比Tab.3 Ratios of annual flow amount and pollutantload of branches %

综上所述，神定河流域水质时空变化特征分析和污染物通量研究具有较好的一致性，SD13～SD14段由于ZK1的汇入，水质恶化，干流污染负荷略有增加。监测数据表明，ZK4支口污水年均溢流量不大，但由于其特征污染物浓度较高，CODCr，NH3-N和TP年均通量分别达到1.48×103,157.75,32.64 t/a，再加上污水厂大量尾水排放叠加影响，CODCr,NH3-N和TP年均通量分别达到1.67× 103,82.59,11.45 t/a，导致干流SD15～SD16段水质急剧恶化，特征污染物负荷显著增加。SD16～SD17河段约有62%的水量被用于水力发电，未充分利用该河段的天然自净能力，再加上下游人工快渗处理厂每日仅处理2万t神定河污水厂尾水，处理规模太小，对河道水质稀释改善作用不明显，导致CODCr,NH3-N和TP浓度仅从24.80,1.65,0.26 mg/L分别下降至18.82,1.18,0.25 mg/L(表2)。下游茶店镇污水厂尾水水质劣于Ⅴ类，CODCr,NH3-N和TP年均入河通量分别为64,5.58,1.21 t/a，加上周边村民居住分散，部分生活污水直排，导致神定河汇入丹江口库区前仍为劣Ⅴ类。值得注意的是，上游两条支流——百二河和张湾河汇入神定河干流前均为劣Ⅴ类水质，年入河通量仅次于神定河污水厂溢流和尾水排放，通过支流水质时空变化规律分析和现场踏勘推测，主要是由于上游两条支流截污不完善，污水跑冒滴漏时有发生，再加上河道全部为衬砌结构，加快污染物向下游迁移，从而增加神定河干流污染负荷。

因此，神定河流域水质不达标主要源于神定河污水厂溢流，大量尾水排放和两条支流携带的污染物汇入所致。加快污水厂扩能改造和尾水深度处理应作为神定河污染治理的首要措施，同时，沿途的雨污混流、管网破损、下游小水电截流导致部分河段失去自净能力等问题不容忽视。

3 结 论

神定河流域水质时间分布特征表明，主要污染物浓度平水期、枯水期较高，丰水期较低，点源污染特征明显。空间分布特征表明，由于沿途支口(沟)污水汇入和不同河段水体自净作用大小的不同，神定河干流水质呈现不同河段污染程度不同的特点。沿途管网破损、支沟污水直排导致两条支流汇入干流前均为劣Ⅴ类水质。百二河NH3-N浓度是张湾河的3倍，污染更重。张湾河4条支流中，镜潭沟污染最重。

水质时空变化特征分析和污染物通量研究具有较好的一致性。结果表明，神定河污水厂污水溢流、大量尾水排放和两条支流携带的污染物汇入是导致神定河水质超标的主要原因，建议下一步加强沿途的管网修复和截污纳管，将污水厂扩能改造和尾水深度处理作为神定河污染治理的首要措施，同时通过河流生态修复，充分发挥水体自净能力，控制神定河对丹江口水库的污染。