基于污染指数法评价无锡市惠山区地表水体质量

马 黎

(无锡柯铭环保科技有限公司，江苏 无锡 214072)

有机物、重金属以及含氮含磷物质是常见的水污染物，具有毒害水生动植物、降低水中溶解氧含量、引起水体富营养化等问题，并最终威胁到人类正常的生产及生活。例如，大连新港溢油事故直接导致50 km2的海域污染和44.8亿元的经济损失[1]，太湖蓝藻事件引起无锡市的生活用水短缺[2]，重金属超标引起的水俣病、骨痛病等[3]。随着工农业的发展和人口的增加，废水的未达标排放、化肥农药的滥用等违规行为增多，水污染问题日趋严重。截止到2018年，我国约有50%以上的地表水受到了不同程度的污染[4]。因此，迫切需要开展水质评估工作，监测水体中有机物、重金属和氮磷污染物的含量，为地表水污染的治理提供针对性的方案。

无锡市惠山区是苏南地区的工业重地，较高的工业化程度也带来了水污染问题，例如2013年惠山古镇景观河蓝藻爆发、2017年长宁东河河水变红等。目前已有惠山区地表水质的相关研究报道，吴林燕[5]探讨了惠山区水系的现状及污染原因，但是没有系统地进行水质评价；陈志宁[6]在研究2010年至2016年内太湖流域典型河道的水质时空变化规律时，发现北兴塘河的水质处于IV类～劣V类标准，但并不能反映惠山区整体的水质情况。鉴于此，选择了京杭运河、锡澄运河等惠山区内若干条相互连通的主要河道为对象，研究了水中有机物、重金属和含氮含磷等污染物的含量，通过计算污染指数的方法评价地表水水质，为该区域的水污染预防及治理提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究水域

惠山区位于无锡市的西北部，水域面积约为47 km2，境内河道纵横密布，京杭运河、锡澄运河、锡北运河、直湖港、洋溪河是惠山区内的主要河道(见图1)。京杭运河(惠山区境内)长约16 km，是流域性的泄洪排涝河道和重要航运水道。锡澄运河与京杭运河相连，惠山区境内长约11 km，航道等级为5级，是长江三角洲水运网的重要组成部分。锡北运河由12道较小河段拓浚串联而成，境内全长约为22 km，主要为工业和渔业用水，也用于通航。直湖港北起京杭运河，南通太湖，惠山区境内长约11 km，主要功能为工业、农业用水。洋溪河东起山北双河尖与京杭运河的连接处，西至胡埭镇与直湖港交汇点，惠山区境内长约10 km，是集防汛和航运功能为一体的综合性河道。

图1 无锡市惠山区重要河道的分布

1.2 样品采集

惠山区内五条主要的河流设置3～4个监测点位，主要分析河流沿岸污水处理厂排污口上下游的水质。京杭运河：W1-U和W1-D分别是洛社污水处理厂排污口上游500 m处和下游1000 m处，W2-U和W2-D分别是钱惠污水处理有限公司排污口上游500 m处和下游1000 m处。锡澄运河：W3-U和W3-D分别是石塘湾污水处理厂排污口上游500 m处和下游1000 m处，W4-U和W4-D分别是前洲污水厂排污口上游500 m处和下游1000 m处。锡北运河：W5-U和W5-D分别是惠山水处理有限公司排污口西1000 m处和东1000 m处。直湖港：W6-U和W6-D分别是杨市污水处理厂排污口上游1000 m处和下游1000 m处，W7-U和W7-D胡埭污水处理厂排污口上游1500 m处和下游1500 m处。洋溪河：W8、W9和W10分别是联合路与洋溪河交叉处、富安桥处和枕溪桥处。实际采样中，用Niskin采水器获取河流断面的水样，将等量的表层、底层和中间位置的水样均匀混合后作为分析样品，并按照GB/T 12763.2-2007规定进行水样品的处理、运输及保存[7]。每处取样点位连续监测三天，监测数据取平均值。

1.3 分析方法

水样中的化学需氧量(COD)按HJ 828-2017测定，五日生化需氧量(BOD5)按HJ 505-2009测定，石油类物质按HJ 970-2018测定，挥发酚按HJ 810-2016测定。水样中的重金属六价铬、镍、镉、铅、铜、锌、砷和汞，分别按GB/T 7467-1987、水和废水监测分析方法(第四版)、HJ 776-2015、GB/T 11912-1989和HJ 694-2014等测定。水样中的总氮(TN)和总磷(TP)按HJ 535-2009和HJ636-2012测定，悬浮物(SS)、溶解氧(DO)和pH分别按GB/T 11901-1989、HJ 506-2009和GB/T 6920-1986测定。

1.4 评价方法

采用污染指数法对水质各项指标的污染程度进行初步评价，计算公式见式1～4，污染水平的划分标准见表1～3。

表1 单因子污染指数分级标准

单因子污染指数(pH项除外)[8]：

Pi=ci/Si

(1)

pH标准指数：

(2a)

(2b)

有机污染指数[9]：

Q=PCOD+PBOD5+PTP+PTN-PDO

(3)

富营养化指数[10]：

TCOD=10·(0.109+2.661·lncCOD)

(4a)

TTN=10·(5.453+1.694·lncTN)

(4b)

TTP=10·(9.436+1.624·lncTP)

(4c)

Tc=∑wi·Ti

(4d)

式中，Pi是水样中指标i的单因子污染指数；ci是i项的实测浓度，mg/L；Si是水污染项的标准限值，mg/L；PpH是水样的pH标准指数，pHsu是pH值的标准上限，pHsd是pH值的标准下限；Q是有机污染指数；Ti是单项富营养化指数，Tc是综合富营养化指数，权重wi取1/3。根据研究水域，直湖港执行地表水环境质量标准中的III类标准，其它河流执行IV类标准。

表2 有机污染指数分级标准

表3 富营养化指数分级标准

2 结果与讨论

2.1 污染类型特征

由表4可知，受到有机污染的河流有锡澄运河和洋溪河，锡澄运河W4点位的COD值为51 mg/L～67 mg/L，远超过IV类水质的标准值；洋溪河的COD污染指数为0.5～1.33，超标点位是W10，超标率是33%。锡北运河受到较为严重的重金属污染，其余河流的重金属含量均低于标准限值。TN和TP含量超标的河流有京杭运河、锡澄运河和锡北运河，说明这两条河道可能存在富营养化问题，其中TN和TP含量最高的是锡北运河的W5-D点位(超标率是179%)，属严重超标。直湖港的水质处于III类标准，各项指标均低于标准限值，在W8～W10点位未检出任何有害重金属，可能是得益于该区域化工类企业较少和适宜的水体污染治理策略。

表4 惠山区主要河流的单因子污染指数

此外，由表4中结果表明，各条河流的SS值均处于标准水平，悬浮物含量低，无明显浑浊现象。各条河流的pH值见图2，未超过GB 3838-2002 规定的标准阈值(6～9)，惠山区水质整体为弱碱性，表明水体中可能富含钙、镁等碱金属元素。京杭运河pH值的范围较大，W1点位的pH值为7.08～7.14，W2点位水体的碱度偏高，可能是因为该点位附近存在碱性废水的未达标排放。总体上，水体的悬浮物含量和酸碱度处于稳定水平，不会影响水生生物的正常生长，能够满足工农业的用水标准。

图2 惠山区各河流的水体pH值

2.2 有机污染分析

由表5可知，锡澄运河和洋溪河受到了一定程度的有机污染，有机污染指数见图3。由图3可知，监测点位中仅W4和W10点位受到有机污染，W4-D和W10为轻度污染，W4-U为中度污染，这说明污染区域存在较强的局部性，可能是有机废水排放和河水较差的流动性所致。表5为受有机污染点位的各项监测浓度，W4点位的COD指标远超过IV类水质标准所规定的30 mg/L，主要有机污染物为石油类化合物；W10点位受到石油类和挥发酚类的共同污染，COD超标幅度相对较低，但是该区域水体的流动性较差，DO量偏低，有机污染物也难以自净，需要实施人工治理[11]。此外，W4-U和W4-D分别位于前洲污水处理厂排污口的上游和下游，上游的有机污染物含量偏多，可能是违规排放废水或污水的发生地，也可能受到了上游蓄水的影响。

图3 锡澄运河、洋溪河有机污染指数

表5 受有机污染点位的各项指标浓度

2.3 重金属污染分析

图4分析了锡北运河W5点位的重金属污染情况。由结果可知，含量超标的重金属元素有铅、镉，其中铅浓度为0.09 mg/L～0.21 mg/L，超标1.8倍～4.2倍，属于中度铅污染；镉浓度相对较低，由于镉对人体和水生生物的危害更加严重，标准限值仅为0.005 mg/L，因此W5点位的镉浓度严重超标，属重度镉污染。W5点位处也检出了微量的铜、锌、镍，浓度为0.01 mg/L～0.05 mg/L，处于清洁水平，未检测出其它种类重金属。另外，由图4还可以看出，排污口下游的重金属浓度普遍高于上游，可能受到该水域地理因素的影响，上游河道较窄和流速较大，下游1000 m处河道开始变宽且水流变缓慢，导致下游河段重金属的积累量较大。除W5点位外，锡北运河其余点位的重金属含量均未发现超标现象，据实地调查，W5点位处的重金属可能来源于上游金属加工企业排放的含重金属废水所引起，但是铅、镉含量超标的原因还需进一步调查。

图4 W5点位的重金属污染分析

2.4 富营养化程度分析

由表4可知，京杭运河、锡澄运河和锡北运河存在TN和TP超标，为此进一步计算了上述三条河流监测点位的综合富营养化指数，结果见图5。由结果可知，W1点位为中营养，其余点位的水体均存在富营养化问题，程度为中度至重度，且排污口上游和下游的富营养化程度相差不大。三条河流均未观测到明显的藻类增生现象，可能由于部分的含氮或含磷物质未呈游离态，不能被水体中浮游生物利用。据监测分析结果，W2、W4和W5的氨氮浓度分别为0.18 mg/L～0.30 mg/L、2.08 mg/L～2.25 mg/L、0.24 mg/L～0.79 mg/L，活性磷酸盐浓度分别为0.42 mg/L～0.49 mg/L、0.096 mg/L～0.126 mg/L、0.17 mg/L～0.175 mg/L，因此W2和W5点位的富营养化为氮限制，W3点位可能受到磷限制，总体上氮磷比与Redfield值(16：1)仍存在一定的差距[12，13]。

图5 京杭运河、锡澄运河和锡北运河的富营养化指数

3 结论

通过取样分析和计算污染指数的方法评价了惠山区内五条主要河道的水质情况。京杭运河存在富营养化问题，洛社污水处理厂排污口上下游点位水质为中营养，钱惠污水处理有限公司排污口上下游为重度富营养。锡澄运河存在中度至重度的富营养化问题，TN含量超标但TP含量处于清洁水平，前洲污水厂排污口上下游存在轻度至中度的有机污染，有机污染物主要是石油类化合物。锡北运河存在重度的富营养化问题、中度铅污染和重度镉污染；洋溪河局部受到石油类和挥发酚类有机物的污染，该点位水体的DO含量偏低；直湖港的各项监测指标均低于III类水质的标准限值，水质为清洁水平。