辽河流域湿地水质污染特征及净化效果实证评估

2020-11-25范志平王琼孙学凯韩青陈寒白洁

环境工程技术学报 2020年6期

范志平，王琼*，孙学凯，韩青，陈寒，白洁

1.辽宁石油化工大学环境与安全工程学院 2.中国科学院沈阳应用生态研究所 3.辽宁大学环境学院

流域湿地作为流域生态系统中河岸陆地和河道水体间的过渡地带，在流域能量交换和地表物质迁移转化方面十分活跃。不同类型的流域湿地生态系统能够利用其物理、化学和生物作用的综合效应，高效去除河流中的污染物[1-7]。因此，大型流域湿地工程的建设可以有效阻控污染、净化水质，在流域水环境保护中起到重要作用[8-10]。辽河上游的西辽河和东辽河于福德店交汇后，纵贯辽北康法丘陵区，流经辽宁中部城市群(铁岭、沈阳、鞍山、盘锦等市)，通过下辽河平原区至盘锦入海口，形成具有独特空间特征的辽河干流段流域湿地[11]。近年来，针对长期以来伴随经济开发以及工业化、城市化快速发展带来的生态环境破坏问题，国家和地方不断加大辽河生态环境治理力度，流域生态系统服务功能逐渐恢复，生态环境质量逐步提高，生态环境治理成果取得突破性进展。

流域生态环境退化已成为影响经济社会发展的重要因素，为了进一步消除这一障碍因素，实现辽河流域可持续发展，2010年辽宁省划定了辽河保护区(面积为1 869.2 km2)，设立了以保持流域完整性和生态系统健康为宗旨的流域综合管理机构[12-13]，陆续开展了支流河口湿地群、坑塘湿地群、牛轭湖湿地群、橡胶坝回水段河流湿地群以及辽河河口湿地等大型流域湿地工程建设，优化湿地生态系统结构，增强湿地生态调节功能，阻控支流汇入污染物，削减干流污染负荷[14-15]，为辽河流域生态完整性恢复、干流水环境质量提升与水生态系统健康维护奠定了基础。

由于流域水污染的结构性、复杂性、区域性特点，辽河干流上游段、中游段和下游段湿地的生态调节与污染削减功能有所差异，呈现典型空间变化特征[16-19]。为了深入揭示辽河流域湿地水质净化功能与效果，选取辽河干流上、中、下游3个大型流域湿地工程，以东西辽河交汇口湿地、七星橡胶坝—支流河口湿地(简称七星湿地)、下游湿地为研究对象，进行野外现场布点监测与样品采集，量化分析并实证评估汇入支流、湿地内部、湿地出水口等不同断面的污染物分布特征，计算水质内梅罗污染指数和湿地对污染物的去除效果，比较上、中、下游河段湿地水质净化功能的差异，以期为辽河流域湿地运行维护与管理提供实证信息，同时为辽河保护区湿地工程建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域及样点布设

研究区域选取辽河流域上游段东西辽河交汇口湿地、中游段七星湿地、下游段辽河下游湿地3个大型流域湿地工程区，按照湿地支流入口、湿地内部、湿地出口等不同空间位置进行水质、水量野外现场布点监测与样品采集(表1)。

表1 研究区域现场监测与采样点布设

1.2 样品采集与处理

于2019年3—12月进行了水质现场调查和样品采集。现场采用多参数水质分析仪(美国哈希HQ40d)监测pH、溶解氧(DO)浓度等指标，同时用1 000 mL采样瓶(预先用10%硝酸浸泡并用超纯水清洗)对表层水水样进行采集，样品用低温保温箱保存运回实验室，24 h内测定5日生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(CODCr)和氨氮(NH3-N)浓度，分析方法参照《水和废水监测分析方法》[20]。

1.3 内梅罗污染指数计算

内梅罗污染指数是一种包含单因子指数的算术平均值(F)和最大值(Fmax)，并强调最大值污染因子对环境质量的影响程度[21]。计算公式如下：

(1)

(2)

Fmax=max{ciSij}

(3)

式中：Pn为内梅罗污染指数；ci为第i种污染因子的实测浓度；Sij为第i种污染因子在第j种标准下的标准值。污染物指标选取BOD5、NH3-N、CODCr，评价标准为GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类水质限值。根据内梅罗污染指数将水质划分为6个等级(表2)。

表2 内梅罗污染指数与水质分类

1.4 污染物去除率计算

根据各支流与出口处流量及水体中污染物浓度，计算污染物在湿地内的削减率，即湿地的净化效果。公式如下：

(4)

式中：Mp为污染物去除率，%；Ck为第k条汇入河流污染物浓度，mgL；Qk为第k条汇入支流进水流量，m3；Cout为出水污染物浓度，mgL；Qout为出水流量，m3。

1.5 数据处理方法

使用Excel 2003和Origin 8.5软件对试验数据进行处理及绘图，利用SPSS 24.0统计学软件，对数据进行方差分析(ANOVA)，统计检验的显著性水平为P=0.05。

2 结果与讨论

2.1 不同河段湿地水质动态变化特征

2.1.1pH

辽河流域不同河段湿地表层水pH现场监测数据如图1所示。由图1可见，东西辽河交汇口湿地的汇入支流、湿地内部以及湿地出口表层水pH分别为7.9、8.4和8.3，七星湿地的各汇入支流、湿地内部和湿地出口表层水pH分别为8.6、8.4和8.6，下游湿地的汇入支流、湿地内部和湿地出口表层水pH分别为8.1、8.1和8.0。

图1 辽河流域不同河段湿地表层水pH动态变化Fig.1 Dynamics of pH in surface water of wetlands in different sections of Liaohe River Basin

2.1.2DO浓度

湿地表层水DO浓度现场监测结果如图2所示。由图2可见，上游段的东西辽河交汇口湿地汇入支流、湿地内部以及湿地出口处表层水DO浓度均值分别为8.5、10.3和9.5 mgL，七星湿地汇入支流、湿地内部以及湿地出口处表层水DO浓度均值分别为10.7、8.9和11.3 mgL，下游湿地汇入支流、湿地内部和湿地出口的DO浓度均值分别为7.4、8.1和6.9 mgL。

图2 辽河流域不同河段湿地表层水DO浓度动态变化Fig.2 Dynamics of DO in surface water of wetlands in different sections of Liaohe River Basin

2.1.3BOD5

辽河流域不同河段湿地水体BOD5的季节动态变化如图3所示。由图3可见，上游段的东西辽河交汇口BOD5季节性差异较大，6—8月BOD5较高，整个研究期湿地汇入支流、湿地内部以及湿地出口表层水BOD5均值分别为5.9、5.6和5.5 mgL；中游河段七星湿地5月、8月和11月汇入支流的BOD5较高，湿地内部和湿地出口BOD5显著低于汇入支流，整个研究期汇入支流、湿地内部、湿地出口的BOD5分别为7.1、5.7和4.8 mgL；下游湿地3—6月汇入支流BOD5较高，其余月份BOD5变化较平稳，汇入支流、湿地内部和湿地出口的BOD5分别为6.5、5.1和5.3 mgL。中游河段七星湿地的汇入支流BOD5相对较高，湿地净化削减作用明显。

图3 辽河流域不同河段湿地表层水BOD5动态变化Fig.3 Dynamics of BOD5 in surface water of wetlands in different sections of Liaohe River Basin

2.1.4CODCr

辽河流域不同河段湿地表层水中CODCr季节动态变化如图4所示。由图4可见，东西辽河交汇口湿地汇入河流的CODCr季节动态变化差异较大，6—和8月CODCr较大，其余月份较小，湿地内部CODCr在4月、9月和10月较小，湿地出口4—7月CODCr较小，汇入支流、湿地内部以及湿地出口CODCr均值分别为19.7、24.7和27.0 mgL；中游段的七星湿地表现为6—9月汇入支流的CODCr较高，而湿地内部和湿地出口的CODCr较低，汇入支流、湿地内部、湿地出口CODCr分别为23.5、20.1和21.3 mgL；下游湿地CODCr季节动态变化不明显，汇入支流、湿地内部和湿地出口的CODCr分别为23.5、21.6和22.1 mgL。

2.1.5NH3-N浓度

辽河流域不同河段湿地表层水中NH3-N浓度动态变化如图5所示。由图5可见，东西辽河交汇口湿地NH3-N季节性差异较大，3月、4月、5月和7月NH3-N浓度较高，汇入支流、湿地内部以及湿地出口处水体中NH3-N浓度平均值分别为0.4、0.5和0.8 mgL；七星湿地除4月外NH3-N浓度均较低，汇入支流、湿地内部、湿地出口的NH3-N浓度平均值分别为1.5、0.7和0.4 mgL；下游湿地NH3-N浓度表现为3—7月较高，并且螃蟹沟NH3-N浓度显著高于其他汇入河流(12月除外)，汇入支流、湿地内部和湿地出口的NH3-N浓度平均值分别为1.74、0.9和1.0 mgL。中游河段和下游河段湿地内部和湿地出口NH3-N浓度显著低于汇入支流，可见，湿地对NH3-N的削减功能较好。

图4 辽河流域不同河段湿地表层水CODCr动态变化Fig.4 Dynamics of CODCr in surface water of wetlands in different sections of Liaohe River Basin

图5 辽河流域不同河段湿地表层水NH3-N浓度动态变化Fig.5 Dynamics of ammonia-nitrogen concentrations insurface water of wetlands in different sections of Liaohe River Basin

2.2 不同河段湿地污染物去除率与水质净化效果

图6 各支流入河流量及不同湿地出水断面流量Fig.6 Flow of tributaries and different wetland outlet sections

图7 湿地污染物去除效果Fig.7 Removal efficiency of pollutants in wetlands

根据辽河流域上、中、下游河段各入河支流及监测断面流量数据(图6)，计算东西辽河交汇口湿地、七星湿地、下游湿地的污染物去除率，结果如图7所示。由图7可见，对BOD5、NH3-N和CODCr去除率东西辽河交汇口湿地分别为38.69%、52.36%和24.67%，七星湿地分别为72.73%、89.80%和87.25%，下游湿地分别为77.74%、89.01%和88.41%。辽河流域湿地对污染物有明显的净化效果，但污染物去除率有所差异，湿地有效削减了支流水体中的污染物，能显著改善干流水质。另外，支流河口来水对干流水质影响较大，因此加强河口湿地规划及工程建设，是保证干流水质稳定的有效方法。

2.3 不同河段湿地内梅罗污染指数

采用内梅罗污染指数法对东西辽河交汇口湿地、七星湿地、下游湿地的水质进行综合评价，表征湿地运行过程中水质变化特征(表3)。由表3可见，内梅罗指数季节性变化明显，6—9月水体的污染指数相对较低，这主要与湿地植被生物量大、微生物活动较强、湿地生态水量增多有关[22-26]，表现为流域湿地水体自净能力增强，水质状况明显改善，减少了支流污染物向辽河干流的排放，不同河段湿地水质内梅罗污染指数均值分别为0.77、0.81和0.76；八家子河、中游段的左小河和下游段的螃蟹沟来水内梅罗污染指数分别为1.08、0.99和1.16，达到了较清洁和轻度污染；湿地内部水质污染指数较小，说明湿地内流动水体污染物的削减作用明显；在湿地出口处内梅罗污染指数呈降低趋势，表明湿地对于上游来水中的污染物具有明显的阻控效果，湿地植被与底质微生物在水体污染物的迁移转化中起到关键作用。