闽江学院内河污染风险评价及水质动态变化研究

吴祥宗，贾文超，宋思懿，余永光，黄 露

(1.闽江学院 材料与化学工程学院，福建 福州 350108；2.生态环境部华南环境科学研究所，广东 广州 510655)

闽江学院本部校区坐落于福州大学城西北侧，西侧紧邻国家森林公园旗山。校园东侧有宽100 m左右的溪源江，为顺应地势，校内河道与溪源江打通，与校内原有池塘、河道连成一体，并在东南角处接入规划河道使其变为活水，形成从西北流向东南的校园景观水系，从而达到改善校园自然环境的目的，并起到保护校园生态环境、涵养水源、净化空气、调节气候、保护生物多样性、美化校园整体景观等多重作用[1]。闽江学院水域既有人工挖掘的人工湖和河道，又有自然水体，形成了本区域独特的内河湖景观。开挖以来，随着源头溪源江流域内社会经济发展的加快，人口不断增加，生活和生产排水量加大，上游水域污染日益严重[2]。景观水体水域面积小、易受周围环境影响、水体流动性较差、水质自净能力弱，更易导致水体富营养化，严重时会发灰发臭，致使水系丧失原有的设计价值，并对校园生态环境造成十分恶劣的影响，这也是大部门国内高校内河湖景观水体面临的亟须解决的一个问题[3]。由于水体污染的复杂性、不同水体生态的差异，污染因子也有所区别，对目标水体进行分析与评价显得尤为重要。目前，针对湖泊(水库)富营养化评价研究较多[4-5]，但针对国内高校内河湖景观水体的水质动态变化研究相对较少[6]。

如何治理流域污染是在打赢“三大攻坚战”背景下的热点问题[7]。目前，针对水体污染的处理有化学法、物理法以及生物修复法。化学法主要有絮凝和沉淀，物理法主要有曝气、循环过滤、底泥疏浚、引水冲污，生物修复法包括生态浮床、水生动植物修复、接种微生物等技术。相对于物理、化学方法，植物生态修复法投资小，操作简单，净化结果较好，但控制不好容易造成局部水体的二次污染[8]。目前，单一的化学法、物理法和生物法无法从根本上解决水体污染或富营养化问题，甚至会影响周边生态环境的平衡。将三者相结合是预防和治理景观水体富营养化的新趋势[9]。据调查，治理措施实施后，短期水质迅速转好，但由于破坏了原生态环境系统，水体富营养化容易反弹[10]。因此对水体水质进行动态跟踪监测，在污染加剧时段采取针对性措施具有极其重要的意义[11]。

1 研究内容

1.1 研究区域概况

福州大学城，地处亚热带季风气候区，具有亚热带气候特征，冬季时间短，夏季时间较长，全年气候温和，年平均气温19.8 ℃，年平均地温 22.1 ℃。校园内河全长约0.95 km，最宽处约为48 m，最深处为1.6 m。校区景观水体的水源部分为雨水补给和人工补给，溪源江源头为离校园8.1 km的溪源水库，年平均流量在3.02～9.0 m3/s，每年的11月至次年的2月为枯水期，3月、4月为平水期，5月～10月为丰水期。

1.2 采样点与采样时间

2020年4月～2021年3月每月上旬、中旬、下旬在景观水入口、河心、出口3个断面采集水样，根据《地表水和污水监测技术规范》河流采样点的布设原则，分别设置断面A(E119°10′21″，N26°4′20″)、B(E119°10′28″，N26°4′8″)、C(E119°10′41″，N26°3′57″)3个采样点，如图1所示。

图1 断面位置分布图

1.3 监测指标与测定方法

监测对象为一般景观水，但又养有鱼，可按照《国家地面水环境质量标准》(GB3838—2002)IV类水质的要求进行评价，选择监测主要指标有：溶解氧(DO)、总磷(TP)、总氮(TN)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、悬浮物(SS)、浊度(NTU)、温度(T)、pH等9个指标，其中水温、pH 值、溶解氧在现场测定，其他指标根据《国家地表水环境质量监测网监测任务作业指导书》要求采用有机玻璃采样器采集水样带回实验室检测，分析方法按照国家相关标准方法和《水和废水监测分析方法(第四版)》(增补版)进行，如表1所示。

表1 监测因子及分析方法

1.4 治理措施与水质变化对比

在治理前，在内河断面A、断面B、断面C采集水样，经测定多项水质指标超标，属于Ⅴ类水质。采用物理、化学和生物3种方法相结合治理。河道水域两端做一定的物理隔离，使河道两岸保持原有的自然生态通畅，再以高孔硅藻为主体的微生态滤床对河道底床进行改良，种植四季常青苦草、伊乐藻等沉水植物以及美人蕉、再力花、睡莲等挺水植物。为加快水质改善，还安装了沉底增氧曝气设施，通过每隔5 m左右的曝气孔，每天上、下午各3 h进行曝气增氧。在入口A前端和河心B采集水样，进行监测，对比治理前后水质情况。在2020年4月～2021年3月每月上、中、下旬在3个断面按照《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T91-2002)采集水样，取平均值进行分析，可代表整条内河水质情况。

1.5 数据分析及评价方法

数据采用origin软件进行分析及作图，按地表水IV类水质的要求进行评价，评价方法采用单因子污染指数法和综合因子污染指数法。

单因子污染指数法是将污染因子的实测浓度值与水质标准限值进行逐项对比，计算简单，能直观显示超标水质指标，是目前监测系统最为普遍的一种判别水质类别的方法，计算公式为：

Pi=Ci/Si

式中：Pi为环境中污染物i的污染指数；Ci为污染物i的实测值；Si为污染物i的标准值。当Pi≤1时，表明水体污染物浓度未超标；当Pi>1时，表明污染物浓度已超标，水体受到污染。

综合污染指数法既能突出污染指数最大因子对总体水质的作用，又能反映水体的污染性质和程度，是目前水质评价中比较常用的方法，其计算也是在单因子污染指数的基础上计算得到的，计算公式为：

式中：n为参与评价的污染物项数。

2 结果与讨论

2.1 水质评价

2.1.1 治理前后水质变化

科学合理的水质评价方法是全面、客观评价的前提。选取断面A、断面B为研究对象，治理前后水质指标对比如图2所示。由图2可知，经过治理后主要水质指标改善较大，去污率在60.32%～78.63%之间；治理后Pi值小于1，说明水质达标,治理效果明显。

(a)污染物浓度变化 (b)Pi值变化

2.1.2 内河水质变化趋势

(1)pH、水温、悬浮物和浊度变化趋势

水质动态是以水体构建的重要生态系统变化趋势的重要参考，水质本身也承载丰富的环境信息。合理的水质评估有助于水质管理和水污染防治。河水pH、水温、悬浮物和浊度变化趋势如图3所示。由图3可知：pH在7.02～7.62之间，呈弱碱性，适宜藻类及微生物等生长；各月份气温变化较大，最低为12.13 ℃，最高为26.80 ℃;按照《地面水资源质量标准》(SL63—94)水质分级，悬浮物基本在IV级，但12月份为V级。

(a)pH变化 (b)温度变化

(2)单因子污染指数变化趋势

运用单因子污染指数法评价2020年4月至2021年3月水质指标，可得内河水质时空变化趋势如图4所示。结果显示，变化趋势都呈“几”字特征。在丰水期，DO、TP、TN、COD、NH3-N基本符合景观水质IV类，甚至大部分指标符合水质III类，3个断面Pi值在9月份达到最低，但随着枯水期来临，Pi值逐渐增大，主要超标因子为TP、TN、COD，水体呈现出发黄，表面有少许藻类漂浮等现象。分析可能原因是在枯水期，上游溪源江水体径流量减小，进入校园内河水量较少，而内河沉积泥仍在不断释放氮磷污染物，河水稀释冲刷作用减弱，导致水质污染因子浓度增大。每年11月份水葫芦增长迅速，不断往水体中释放CO2，影响水生生物的生长，造成死亡腐烂，进而造成氮磷的堆积。水体中脱氮需要经过硝化、反硝化过程，在微生物含量不足情况下较难完成氮物质的转化，所以TN含量普遍较高。

(a)断面A

(3)综合因子污染指数变化趋势

单因子污染指数法计算简单，数据直观明了，但不能反映不同类别水体整体的水质状况。结合2020年4月至2021年3月单因子污染指数Pi数据分析可得综合因子污染指数P，如图5所示。综合指数水质分级标准如表2所示。

表2 综合指数水质分级

由图5可知：断面A、断面B、断面C的平均P值分别为0.91、0.65、0.76，校园内河水质基本合格，总体水质较好；水质指标大小排序为断面A>断面C>断面B，其中河心断面B数值最小，所受污染最小，可能是因为河心B处沉积泥处理的较干净，受上游污泥和下游污泥沉积影响较小，水生植物生长情况良好，而断面A和C恰处于溪源江上游进口和下游出口处，在雨汛期容易造成污泥堆积，释放氮磷等营养物质。内河平均P值为0.77，水质状况为合格。

图5 综合因子污染指数变化趋势

2.2 污染成因分析

氮、磷含量较高是导致内河水质污染的主要因素，同时也是水体污染的限制性因子。污染来源主要来源于点源污染、面源污染和内源污染。

2.2.1 点源污染

大学城位于农村集镇，主要的污染源包括工业污染源、农业污染源、居民生活污染源等。随着大学城投入使用，人口不断增多，师生和周边居民产生的生活污水量大幅增加，成为上游的主要污染源，且大学城区域污水管网建设进度相对滞后，未能全部收集大学城区域日常产生的污水，任由部分污水未经处理直接排到溪源江等地表水体，从而对上游溪源江水质造成污染。

2.2.2 面源污染

面污染源主要来源于水土流失和农业生产施用的化肥和农药，面源污染具有很强的复杂性、随机性和不稳定性，受外界的气候、水文条件的影响很大，周边乡镇垃圾、农畜粪便、生活排水随雨季降水冲刷进入上游溪源江，也是导致校园内河被污染的一个重要因素。

2.2.3 内源污染

自从2004年校园内湖与东北侧溪源江打通以来，已有十几年，河床存在一定的淤积，不断释放到水中，导致水体氮磷浓度增大。

3 维持优良水质的措施与建议

3.1 做好上游宣传工作，营造水生态保护氛围

充分利用各类媒体深入宣传实施“一流大学城水系景观建设实施方案”的重大意义，倡导文明的生活习惯，不得使用生活污水灌溉,不得施用持久性或剧毒农药、放养禽兽、放牧,禁止可能污染水体的旅游活动等，积极提供公众参与水系流域保护公益活动，坚持全民参与，推动节水洁水人人有责，形成“政府统领、企业施治、市场驱动、公众参与”的水污染防治新机制。

3.2 做好库区水源涵养，防止水土流失

溪源江源头为溪源水库，建议在溪源水库两岸100 m内荒山种植阔叶林,营造护岸林和水源涵养林，防止泥土不断混入水体。禁止乱砍滥伐周边林木,禁止在水库150 m范围内从事采石、取土、开垦等破坏植被的活动,禁止在库岸倾倒垃圾等可能造成水体污染和河道淤积的废弃物。

3.3 设置河道专员，改善并保持优良水质

大学城根据辖区内河道数量、大小和任务轻重等实际情况招募校内外河道专员，负责所辖河道的日常巡查、河道保洁、不定时采样送检等工作，对河流保护管理效果进行监督和评价。要及时打捞清除水体中漂浮物,特别是清库遗留下来的树木枝桠、杂草、秸秆等;学生在校期间,可通过科学调度,如加大灌注自来水来改善水质;同时, 疏浚河道，定期将淤泥沉淀处理，减小内源污染。

3.4 做强污水处理力度，加强污水管道排查整治

污水处理是消减污染物、改善水质最直接有效的手段，应加大城镇污水管网建设，同时加强污水处理厂的投入，积极采用新理念、新工艺、新设备，逐步实现城市郊区污水的集中有效处理。目前，“福建省十四五规划”提出建设“一流大学城”的目标，将建3个供水项目，以及3个污水处理项目和8个水环境保障项目，涉及源头纳污、病害修复与污染源排查整治、景观水体联通实施、高校水体生态修复等工程，为实现水清、河畅、岸绿、景美保驾护航。

3.5 建立内河应急保障体系，加大水环境巡查力度

加强对流域水质的监测，建立完善水体污染预警、水质安全应急和常规监测“三位一体”的内河应急保障体系。针对枯水期和藻类爆发期这两个时间节点，应加强巡查和监测，保证数据具有连续性，建立动态更新信息数据库，摸清污染物变化规律便于掌握水质变化趋势。

4 结 语

水质污染评价与治理是一项系统而复杂的工作，也是一项长期工作。通过本文研究得到如下结论：

1)治理后，校园内河水质由V类转为Ⅳ类，去污率在60.32 %～78.63 %之间，单因子污染指数均小于1，说明水质达标，治理效果明显。

2)以内河3个断面为研究对象，采用单因子污染指数法评价内河水质，11～12月份3个断面属于V类水质，污染程度为断面A>断面C>断面B，其他月份水质达到Ⅳ类以上。采用综合因子污染指数法评价，断面A、断面B、断面C的平均P值分别为0.91、0.65、0.76，水质基本合格，内河平均P值为0.77，水质状况为合格，说明生态治理取得一定成效。

3)校园内河污染主要是氮磷等内源污染，面源污染次之。