北京市核心区上游水系水质情况分析与治理建议

2022-03-14何沛洋

海河水利 2022年1期

苏蕊，苏涛，何沛洋，张洋

（北京市城市河湖管理处，北京 100089）

1 引言

1.1 南长河、双紫支渠和转河的情况概述

南长河、双紫支渠、转河是北京内城六海的上游水系，如图1所示，肩负向首都核心六海水域输水的重任，水质的优劣直接影响到六海水域的水体情况，其富营养状况也直接影响着六海的水体富营养化水平。南长河水面面积28.84 万m2，河道长5.06 km，平均水深2.15 m，库容13.2 万m³；双紫支渠水面面积2.33 万m2，河道长2.45 km，平均水深0.92 m，库容1.12 万m³；转河水面面积5.58 万m2，河道长3.7 km，平均水深2.66 m，库容20.4 万m³。

图1 北京市河湖水域分布

其中，南长河公园、紫竹院公园、北京动物园和北京北站坐落于河道间，因此南长河、双紫支渠、转河（以下简称上游水系）担负着亲水游玩、景观绿化的重要作用。此外，它又承担供水、防汛、通航的功能，因此上游水系的地理位置和功能的重要性使得其水体质量成为市民关注的焦点。

1.2 研究上游水系的目的及意义

河湖是陆地生态系统的重要组成部分，自古以来，人类择水而居，水在人类发展进程中发挥不可磨灭的作用。然而，随着经济发展和人类活动，上游水系发生不同程度的水环境问题。此外，它承载着为首都核心区输水的重任，是北京中央城区水源的重要通道，河道间坐落有北京著名旅游景区，因此它在北京的发展进程中发挥着不可估量的作用。笔者希望通过分析上游水系的水体富营养化程度，提出改善水质情况的方法，为预防首都核心区的水质恶化提供指导性建议。

1.3 上游水系目前存在的水环境问题

1.3.1 排污导致的水体污染

其主要体现在以下4 个方面：①排水集团污水管线出现堵塞或其他问题，造成突发性的排污事件，影响水体质量；②城市排水管线仍存在雨污合流情况，当雨强较大时，导致污水溢流入河道；③双紫支渠周边老旧平房区较多，排水设施不完善，市民节水护水意识淡薄，将日常生活污水随意倾倒雨水篦子中，使污水流入河道；④河道周边商户较多，环境保护意识不强，存在偷排污水的情况。

1.3.2 水生植物衰亡

上游水系在河道建设时设有水生植物种植槽，以种植芦苇等挺水型水生植物为主，通过根部吸收水体中氮、磷等营养盐，从而起到净化水质并美化河道景观作用。但是，经过超过10 a时间，部分区域水生植物已死亡，未进行补植。

1.3.3 非法捕鱼，破坏水体生物链

城市河湖水体中鱼类多为鲢鳙鱼，经研究表明鲢鳙鱼能够有效地滤食水中浮游生物和藻类，对水草的生长也有一定的控制作用，同时能够有效降低水中氮、磷等营养物质，调节水质酸碱度，对水体有一定的净化作用［1］。由于上游水系属于开放型河道，存在市民夜间投放地笼捕捉水生动物的情况，严重破坏了水体生物链。

2 上游水系生态系统分析

2.1 水体富营养化状态分析

水体富营养化是指在自然因素和人类活动的影响下，氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河流、水库等缓流水体中，引起藻类等其他浮游生物迅速繁殖，水体中溶解氧含量下降，导致水质恶化的现象。水体富营养化分析就是通过与湖泊营养状态有关的一系列指标与指标间的相互关系，对湖泊的营养状态作出定量判断，并通过它预测其水体的发展趋势［2］。

为全面了解上游水系水体富营养化的情况，在2020年4—10月，选取南长河白石桥、双紫支渠三虎桥、转河京包桥3个点位，进行周期性监测水体的水温、透明度（SD）、pH 值、溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）和叶绿素a（Chla）共9 项数值，采取综合营养状态指数法对上游水系水体富营养化状态进行评价和分析。

2.2 水温、SD和pH值分析

上游水系4 月与10 月的水温相接近（仅相差0.76 ℃），7 月水温最高，平均为21.45 ℃，5 月与9 月是季节过渡期。表面水温在20 ℃以上的月份有5个（5—9 月），但均不高于28 ℃，应当在6—8 月加强对水体的关注程度，采取预防措施，控制水体中水生生物的生长。上游水系水体的SD 值在7 月有一个明显的下降趋势，但总体情况良好，平均为122 cm。

上游水系pH 值变动在7.7~8.7，平均为8.32，水体较稳定处于偏弱碱性状态。但研究发现一些藻类在高pH值条件下可以很好生长，是藻类光合作用吸收水中二氧化碳、放出氧气所致，这一点对防止水体富营养化十分不利。

具体指标数值详见表1，变化趋势如图2—4所示。

表1 上游水系的水温、SD和pH值

图2 上游水系水温变化

图4 上游水系pH值变化

2.3 DO、CODMn、BOD5、NH3-N、TN、TP和Chla分析

2.3.1 DO

DO是水体中绝大多数生物体生存的必要条件。水体中的DO 含量与水温、有机物含量及藻类光合作用强度有很大的联系，当水体受到有机物污染，耗氧情况就会严重，DO 得不到及时补充，水体中的厌氧成分就会快速繁殖，有机物因腐败而使水体变黑、发臭造成水体污染，因此DO 成为反映水体污染程度重要指标之一［3］。上游水系2020 年4—10 月DO含量为6.5~9.2 mg/L，平均为7.94 mg/L。从DO 变化趋势来看，水中DO 随着水温升高而下降，DO 的季节变化性相对较强，但差异不大。

2.3.2 CODMn

富营养化水体中强烈的光合作用生成了大量有机物，使水体的CODMn明显增高。CODMn的变化趋势与藻类生长相呼应，在夏季高温藻类繁殖旺盛时期达到峰值。上游水系CODMn变化范围为2.9~9.8 mg/L，平均为4.63 mg/L，在8月达到最大值9.7 mg/L。当数值超过4 mg/L时，表示水体已经不同程度地受到有机物的污染，从2020年数据看，在7—9月应当引起重视。

2.3.3 BOD5

BOD5是水体中微生物分解有机物的过程消耗水中的DO 的量。BOD5是衡量水体中动物和植物多少的一个重要指标，上游水系不同月份BOD5在1.9~4.4 mg/L，差异较小，在8月达到峰值。

2.3.4 NH3-N

NH3-N 是水体中的营养素，可导致水体富营养化现象产生，是水体中的主要耗氧污染物，对鱼类及某些水生生物有毒害［4］，是反映水体污染程度指标之一。上游水系2020年NH3-N指标在0.1~0.2 mg/L，差异小，比较稳定。

2.3.5 TN

2020年上游水系TN含量在1~1.5 mg/L变动，平均为1.25 mg/L。最高值出现在7 月，为1.49 mg/L。根据中国湖泊水库营养分类指标，TN大于0.2 mg/L，属于富营养水体，上游水系TN含量远远超过0.2 mg/L。

2.3.6 TP

2020年上游水系TP含量在0.01~0.06 mg/L变动，平均为0.03 mg/L。最高值出现在7月，为0.06 mg/L。根据中国划分湖泊营养类型的指标，TP大于0.03 mg/L，属于富营养水体，上游水系TP 含量在0.03 mg/L 左右波动，属于富营养化水体。

2.3.7 Chla

Chla 是反映水体中浮游藻类生物量的综合指标。上游水系Chla 含量在0.003 5~0.016 mg/L，平均为0.008 3 mg/L。峰值出现在7 月，为0.015 8 mg/L。有关资料表明，Chla 的含量大于0.01 mg/L，为富营养化水体。6—7 月温度逐渐升高时，需加强对水体Chla的监测。

具体指标数值详见表2，变化趋势如图5—11所示。

表2 北京城区河湖的化学指标 mg/L

图5 上游水系DO变化

图6 上游水系CODMn变化

图7 上游水系BOD5变化

图8 上游水系NH3-N变化

图10 上游水系TP变化

图11 上游水系Chla变化

2.4 综合营养状态指数法

综合营养状态指数是根据参数在评价过程中所占的不同权重来进行计算，这种方法更加强调了超标项目的影响作用。通过权重的作用，其评价结果比传统方法更准确，这也更加能够反映上游水系水体的实际富营养化状况。影响水体富营养化状态的因素很多，笔者采用CODMn、TP、TN、Chla 和SD 5 个营养状态指数来评价上游水系水体富营养化状态［5］。

2.4.1 综合营养状态指数计算公式

综合营养状态指数计算公式为：

式中：TLI（∑）为综合营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI（j）为第j种参数的营养状态指数；m为富营养化评价的参数个数。

以Chla 作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式为：

式中：rij为第j种参数与基准参数Chla的相关系数；m为评价参数的个数。

中国湖泊（水库）的Chla 与其他参数之间的相关系数rij及rij2，详见表3。

表3 中国湖泊（水库）部分参数与Chla的相关关系［6］

其计算公式分别为：

式中：SD单位为m，其他指标单位均为mg/L。

2.4.2 湖泊（水库）营养状态分级

采用0~100的一系列连续数字对湖泊（水库）营养分级，营养类型划分范围详见表4。

表4 中国湖泊（水库）营养状态分级

水体营养状态分级划分为贫养型、中养型以及富养型，富养型又分为轻度富营养、中度富营养及重度富营养。贫养型是表示水体中植物性营养物质浓度较低的一种状态，其特点是水体清澈透明、DO 含量较高，水中生物生产力水平较低；富营养型是表示水体中透明度下降，DO含量较低，氮、磷等营养物质浓度较高；中营养型是介于贫营养型和富营养型之间的过渡状态。

2.4.3 水体富养状态评价结果

利用2020 年4—10 月水质监测数据，计算得出各月水体营养状态指数数值。以4 月监测数值为例，计算出各营养状态指数数值，详见表5。对上游水系目前水体营养状态进行了评价，结果详见表6。由表6 可以看出，4、7 月TLI（∑）高于50，属于轻度富营养化程度；5—6、8—10月TLI（∑）均低于50，属于中营养化程度，水体质量较好，但不能放松警惕，还是要在7 月加强监控，以免当光照增强水温升高时发生水环境问题。

表5 以4月监测数值为例计算各营养状态指数数值

表6 上游水系4—10月水体富营养状态评价

3 上游水系水体治理对策与建议

通过分析2020 年上游水系情况发现，其总体水质趋于良好，在4、7月水体处于轻度富营养状态，但仍需加强监督和管控，以免造成水质恶化。针对河道存在的问题和水质数据分析结果，对于如何改善上游水系水质提出以下建议。

（1）加强排污治理工作，督促排水集团加强产权管线的日常检查工作，避免出现因堵塞等管线原因导致的污水入河污染河道水体现象。对雨污合流管线可采取工程措施，改造排污管线，进行雨水、污水排放系统的分流改造升级，有效降低雨中污染物入河的总量。

（2）借助河长制、联合执法等措施，依法依规对违法排污、私排乱排等问题加大处罚力度，起到警示作用。

（3）目前南长河、转河已经列为全年禁渔，应加强与区农业执法大队的日常联络，加强对违法行为的处罚，有效保障河湖生态环境。

（4）加大宣传教育力度，提高人们特别是老旧小区、临河商贩和公园区域内游客的环保意识，自觉保护水生态，不乱倒生活污水和垃圾，不损坏绿化植被等。

（5）目前上游河道中均有水草生长，如轮藻、金鱼藻等沉水植物，日常维护中应控制好水草高度，保障整体效果，如清割不及时将会导致水草大面积死亡腐烂，死亡的沉水植物会进行腐败分解，将有机氮、磷重新释放回水中，最终导致水体中氮磷含量会有所增高［7］。

（6）补植多样性水生植物，形成良好的水生植物体系以及整体景观效果。转河可在原水生植物槽内补植芦苇等挺水植物，双紫支渠建议补种睡莲，南长河由于没有水生植物槽，结合水深建议在水面中央区域安装生态浮岛，以浮岛作为载体，种植挺水植物，通过水生植物根部的吸收、吸附以及根系分泌等作用，消减水体中的氨、磷和有机污染物，使水质得到改善。水生植物的选择主要考虑根系较发达、景观效果较好的种类，可选择美人蕉、旱伞草、千屈菜、水葱等品种。