重庆农村黑臭水体水质及底泥氮磷污染分析

马 杰，蒋 月，张 秀，王 俭

（重庆市生态环境监测中心/农村生态与土壤监测技术研究中心，重庆 401147）

0 引言

水体黑臭是水体有机污染的一种极端现象，是对水体极端污染状态的一种描述。“黑臭”可以从外在视觉感官和内在形成机理2个方面解释，在视觉感官上，水体存在异味或颜色明显异常，引起人们不愉快、恶心或厌恶；从形成机理上，主要是在缺氧或者厌氧环境下，水体内有机污染物发生一系列物理、化学、生物作用的结果，其中氮磷等是主要致臭污染物[1-2]。通常情况下水体与底泥氮磷含量保持着一定的动态平衡，但水体易受到如生产、生活污水等外源污染影响，是造成水体氮、磷污染的重要来源[3-4]。另外，水体中底泥作为内源污染，对黑臭形成的影响也不容忽视，研究表明底泥中富含大量的有机质、氮磷营养盐和重金属等物质，是造成水体黑臭的重要“源”和“汇”[5-6]。目前，国内外学者对水体及底泥氮磷污染特征研究较多，评价方法日臻完善，但研究对象集中在国内主要的水系、干流、支流、湖泊、海湾等较为大型的水体[7-9]，而针对农村区域内的沟渠、河沟、山坪塘等水体关注较少。

重庆市地处中国内地西南部，地貌类型以山地、丘陵为主，是全国最大的直辖市和最大的统筹城乡发展试验区的重要组成部分之一，集大城市、大农村、大山区、大库区于一体，幅员面积8.24万km2，其中农村占95%。2019年，国家提出2035年前基本消除中国农村黑臭水体[10]，农村黑臭水体问题越来越受到重视，解决好农村黑臭水体问题有利于改善农村人居环境质量和生态环境质量。本研究在重庆市范围内对各区县下辖行政村主要人口聚集区周边约16万个水体开展排查，通过感官判定对存在异味较大或颜色明显异常的水体开展监测，分析水质和底泥中氮磷污染状况及相关关系，以期初步了解农村黑臭水体污染特征，为后续开展污染治理及防治提供基础支撑。

1 材料与方法

1.1 样本筛选

在重庆市范围内对各区县下辖行政村主要人口聚集区开展排查，通过现场踏勘、访谈、无人机监测等形式，掌握聚集区半径1000 m范围内，面积大于2000 m2或长度大于500m的水体，再通过现场感官判定，筛选出水体异味较大或颜色明显异常的水体。最终从16万个水体中确定84个农村黑臭水体开展监测，包括河沟、沟渠41个和山坪塘43个。

1.2 样品采集

每个河沟或沟渠设置监测点3个（起始点、终点和中间位置各1个）；每个山坪塘设置监测点2个（有进水和出水口的，在靠近进水和出水口各设置1个点位；只有进水口或者出水口的，在靠近进水或出水口设置1个点位，在其直径或对角线处另设置1个点位；无进出水口的，随机设置1个点位，在其直径或对角线处另设置1个点位）。底泥样品每个水体采集1个，采样点位与任意水质采样点重合。具体采样规范按照《地表水和污水监测技术规范》(HJT 91—2002)执行。

1.3 分析方法

水质中总氮含量测定采用过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ 636—2012)，总磷含量测定采用钼酸铵分光光度法(GB 11893—1989)。底泥中有机质含量测定采用重铬酸钾容量法[《水和废水监测分析方法》（第四版）]，全氮含量测定采用凯氏法(HJ 717—2014)，总磷含量测定采用波长色散X荧光光谱法(HJ780—2015)。数据统计分析采用SPSS 19.0完成。

2 结果与分析

2.1 监测结果

水质监测指标含量特征统计结果见表1。总磷范围在0.04～3.25 mg/L，总氮范围在0.72～45.3 mg/L，氨氮范围在0.035～32.53 mg/L。总磷、总氮、氨氮变异系数均大于100%，属于强变异，说明黑臭水体个体间同一指标水质存在较大差异。

表1 水质各监测指标含量特征表

底泥监测指标含量特征统计结果见表2。有机质范围在0.4%～14.9%，全氮范围在907～16800 mg/kg，总磷范围在336～5710 mg/kg。有机质、总磷、全氮变异系数均低于100%，属于中强变异，说明黑臭水体个体间同一指标底泥存在一定差异。

表2 底泥各监测指标含量特征表

此外，将黑臭河沟、沟渠作为线状地物归为一类，与山坪塘进行独立样本T检验。结果（表3）表明，水质中总氮与氨氮P值分别为0.002(P＜0.01)和0.003(P＜0.05)，说明河流、沟渠与塘总氮、氨氮含量存在明显差异，河沟、沟渠总氮平均含量为10.18 mg/L，高于山坪塘溶解氧平均含量4.49 mg/L；河沟、沟渠氨氮含量为5.69 mg/L，高于山坪塘氨氮平均含量1.75 mg/L，说明河沟、沟渠较塘氮污染更为严重。水质中总磷，底泥中有机质、全氮、总磷河沟、沟渠和塘之间无显著差异。

表3 河沟、沟渠和塘T检验结果

2.2 相关性分析

Pearson相关性是分析不同指标之间同源性的常用方法，相关性高的指标之间具有相似的污染源或迁移特征[11]。对水体监测指标进行相关性分析，结果（表4）表明，总磷、总氮、氨氮3个指标之间存在显著正相关关系(P＜0.01)，其中总氮和氨氮相关系数为0.914(R＞0.8)属于极强相关，总氮和总磷相关系数为0.68(0.8＞R＞0.6)，属于强相关，说明总磷、总氮、氨氮可能存在相同或相似污染源类型。

表4 水体中污染物的相关性分析

对底泥监测指标进行相关性分析，结果（表5）表明，有机质与全氮、总磷均不存在显著正相关关系，说明底泥中氮磷主要不是由底泥中有机质矿化释放而来。

表5 底泥中污染物的相关性分析

底泥是水体营养的内负荷，底泥中氮、磷的释放是水体氮、磷的重要来源，尤其在外源减少的情况下，营养丰富的底泥内负荷仍在一定时间内控制着水体的营养化水平[12]。对水质、底泥监测指标进行相关性分析，结果（表6）表明，虽然底泥中总磷与水质中总磷存在显著正相关关系，但相关系数为0.334(R＜0.4)，属于低度相关。而底泥中全氮与水质中总氮不存在显著相关性。说明总体上底泥比较稳定，对上覆水体的影响较小。

表6 水质和底泥中污染物的相关性分析

2.3 污染评价

2.3.1 水质污染评价 水质综合污染指数法是对各监测污染指标的相对污染指数进行统计，再将各单项污染指数相加并计算算术平均值，从而得到综合污染指数。污染程度分级见表7，其计算如式(1)～(2)[13]。

表7 水质综合污染指数评价标准

式中，Ci为第i项污染物的浓度实测值，C0为第i项污染物的评价标准（选取地表水Ⅴ类水质标准作为评价标准），Pi为第i项污染物的污染指数，Pn为水质综合污染指数。

采用综合污染指数法对黑臭水体水质总氮、总磷、氨氮含量水平进行评价，84个黑臭水体中73个水体水质存在不同程度的污染，占87.0%，其中评价为严重污染、重度污染、中度污染、轻度污染的水体分别为31、14、10、18个，说明73个水体水质受到不同程度的氮磷污染。从单项污染程度来看，将总氮、氨氮、总磷与《地表水环境质量评价办法（试行）》限值进行比较，84个黑臭水体中50.0%同时存在氮磷超标，因总氮评价为劣Ⅴ类(＞2.0 mg/L)的有65个，占77.4%；总磷评价为劣Ⅴ类(＞0.4 mg/L)的有40个，占47.6%；氨氮评价为劣Ⅴ类(＞2.0 mg/L)的有31个，占36.9%。

2.3.2 底泥污染评价 底泥综合污染评价参考加拿大安大略省环境和能源部（1992年）制定的环境质量评价标准，以生态毒性效应环境质量指南评价中最低安全限值为标准作为标准（总磷600 mg/kg，总氮550 mg/kg）[9]。污染程度分级见表8，其计算如式(3)～(4)。

表8 底泥综合污染指数评价标准

式中，Pi为污染物i在底泥中的污染指数，Ci为污染物i在底泥中的实际测量值，C0为该污染物i组分的评价标准，FF为综合污染指数，F为总氮和总磷污染指数的平均值，Fmax为最大单项污染指数。

采用综合污染指数法对黑臭水体底泥全氮、总磷含量水平进行评价，84个底泥综合评价仅2个为中度污染，其他全部为重度污染。从单项污染评价来看，全氮有3个评价中度污染，其他全部为重度污染，总磷有12个评价为轻度污染，15个评价为中度污染，其余57个为重度污染。说明农村黑臭水体底泥全氮、总磷污染严重。

有机质是底泥中氮、磷营养盐的重要载体，是反映有机营养化程度的主体指标，可用作衡量底泥受有机物污染程度，而有机氮则是判断底泥所受氮污染程度的重要指标[14]。为了使评价结果更全面，同时运用有机污染指数法对底泥污染现状进行进一步评价，评价分级标准见表9，其计算如式(5)～(7)。

表9 底泥有机指数评价分级标准

采用有机指数法对黑臭水体底泥进行评价，84个底泥有机物污染程度处于较清洁、尚清洁和有机污染的个数分别为8、17、59个，说明70.2%的水体底泥存在有机污染，而84个底泥有机氮指数均为污染状态。

3 结论

（1）对84个农村黑臭水体水质进行评价，其中73个水质氮磷存在不同程度的污染，占87.0%，且50.0%的水体存在氮磷同时超标，河沟、沟渠较塘水中氮污染更为严重。

（2）对84个农村黑臭水体进行评价，所有水体底泥均受总氮、总磷污染，70.2%的底泥存在有机污染，有机氮指数均为污染状态。

（3）水质中总磷、总氮、氨氮3个指标之间存在显著正相关关系，说明总磷、总氮、氨氮可能存在相同或相似污染源类型，污染源可能以生活污水排放、农业面源污染等外源污染为主。

（4）底泥中有机质、总氮、总磷之间不存在显著相关关系，说明底泥中的氮磷并不主要来源于有机质分解释放，内源污染非主要污染源。

（5）底泥中总磷与水质中总磷相关性较弱，底泥中全氮与水质中总氮不存在显著相关性。说明总体上底泥比较稳定，对上覆水体的影响较小。

总体上，重庆市农村水体状况良好，约16万水体中仅筛选出84个存在异味较大或颜色明显异常的水体，通过监测分析，从面上掌握了氮磷污染特征，并对污染源进行了初步探析。由于黑臭水体通常具有季节性、易复发等特点，存在分季节黑臭、分时间段黑臭等，还应对水体开展常态化监测，掌握水体污染变化趋势，累积长时间序列监测数据，同时应针对每个水体开展污染源调查，核定点源、面源、内源等不同类型污染源的贡献率，为后续开展农村黑臭水体污染治理及防治提供支撑。

4 讨论

本研究选取的黑臭水体均位于农村区域人口相对聚集区域1 km范围内。而中国总体上开展农村生活污水治理的村庄占比及推进情况并不乐观，农村生活污水已经成为农村水环境污染的主要原因，其来源主要有厨房、沐浴、洗涤和冲厕等，由于未经有效处理的生活污水排入水体中，是造成水体氮、磷污染的重要来源[15-17]。苏嫚丽等[18]研究表明，江苏省常熟市农村生活污水总氮、总磷的浓度年平均含量较高，分别为1205.46、23.05 mg/L。尹微琴等[19]研究表明，太湖流域昆山市农村居民人均氨氮、总氮和总磷年排放系数分别为3.6、6.2、0.4 kg/人，氮磷年排放总和远高于目前文献中常用的3.3 kg/人。陆海等[20]研究表明，洱海流域农村生活污水中氨氮、总氮、总磷超标严重，且呈现旱季较高、雨季较低的特征。李继洲等[5]研究表明，南京城区黑臭河道底泥污染以总氮、总磷的污染为主，其原因可能是雨污分流不彻底，污水管网不完善，导致污水直接排入河道，引起污染物的长期累积。

除农村生活污水外，农业面源污染也是农村水环境总氮、总磷污染的原因之一，主要包括畜禽粪便污染、化肥污染等。畜禽粪便污染主要来自动物粪便排泄物、饲料残留物等。徐谦等[21]对北京市畜禽养殖场污染调查发现，养殖场因生产方式和管理水平不同，废水排放量及浓度均存在较大差异，其中猪场的各污染物(CODCr、NH3-N、TN、TP)的排放量占北京市畜禽养殖场排放总量的97%。宋磊等[22]对珠三角畜禽养殖场周边地表水评价，结果表明周边地表水达到重污染，主要污染因子包括TP、NH3-N等。而化肥污染主要是化肥过量和不合理施用，使化肥营养物流失，造成水体污染。有研究表明，中国化肥有效利用率很低，氮肥约为30%～35%，磷肥为10%～20%，大量化肥流失，随水流进入水体，使氮、磷等营养元素富集，导致水质的恶化[23]。

本次研究发现84个黑臭水体水中氮磷污染严重，总磷、总氮、氨氮之间存在显著正相关关系，说明可能存在相同或相似污染源类型，结合水体位置及上述文献，重庆市农村黑臭水体主要受生活污水排放、农业面源污染等外源影响。此外，研究发现底泥中总磷与水质中总磷虽然存在显著相关关系，但相关性较弱，底泥中全氮与水质中总氮不存在显著相关性。与孙映宏[24]对杭州城区河道监测分析发现大部分时期底泥中的营养盐和上覆水体中的营养盐没有相关性基本一致，说明总体上底泥比较稳定，对上覆水体的影响较小。研究还发现，底泥有机质和全氮、总磷不存在显著相关性，说明底泥中的氮磷并不主要来源于有机质分解释放，内源污染非主要污染源。综上，推知重庆市农村黑臭水体以外源污染为主。