秦皇岛主要河流水质时空变化特征

张向宇 ,裴晓婕 ,陈新永 ,朱 静

(1.河北云谱检测技术有限公司,河北 石家庄 050070;2.河北环境工程学院,河北 秦皇岛 066102)

地表水环境质量关系着整个水生态的健康,地表水质现状研究是全球重点关注的环境科学问题之一[1-3]。随着环渤海区域经济速发展,入海河流水质问题突出,海洋的生态环境压力不断增大。入海河流的污染物输送是海洋污染物的重要来源,是影响水质改善和富营养化的重要因素[4]。秦皇岛市的7 条主要河流是沿岸工业、农业、生活等污染物承载体,对秦皇岛近岸海域水环境有十分重要的影响。

2023 年3 月,秦皇岛市召开入海河流综合治理攻坚动员会议。会议指出,要综合施策、重点突破,深入推进入海河流综合治理,彻底破解制约总氮削减和管控的瓶颈问题,确保主要入海河流水质稳定达标。要推动末端治理向源头管控转变,深入开展“清河”行动和河湖“四乱”清理整治,加大河道日常保洁力度,让每一米河道都有人管理。要推动应急处置向超前干预转变,完善地表水水质监测预警机制,加强入河入海排污口监管,严厉打击偷排偷放等环境违法行为。

加强秦皇岛河流的水环境治理,保障水环境容量安全,是秦皇岛市可持续发展的前提和基础。明确影响秦皇岛市河流水质的主要污染物,分析河流水质污染现状和变化趋势,对海域污治理和生态环境保护具有重要的指导意义。本研究对秦皇岛市7 条主要河流2021—2022 年水质污染状况年、月及季节变化特征进行分析,并对比不同监测断面间水质差异,以期为评价秦皇岛市流域水质状况、识别流域污染主要原因提供参考,并为进一步制定该市水资源保护和管理措施提供科学依据[5]。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

秦皇岛市位于河北省东北部,东北接辽宁省绥中县,西北临承德市,西靠唐山市的滦县、迁安,南临渤海,地处环渤海地区中段。辖海港、北戴河、山海关、抚宁4 个区和昌黎、卢龙、青龙满族自治县3 个县及秦皇岛经济技术开发区、北戴河新区,陆域面积7 802 km2[6-8]。秦皇岛市分属滦河水系及冀东沿海水系。滦河水系主要为滦河,青龙河是滦河的较大支流,冀东沿海水系主要入海河流有滦河(青龙河)、七里海、饮马河、东沙河、人造河、洋河、戴河、新河、汤河、新开河、排洪河、沙河、石河等13 条河流,其中国控监测断面7 个,省控监测断面18 个。秦皇岛市属大陆性季风气候,一年四季分明。因毗邻海洋,受海洋影响较大,气候比较温和,春季少雨干燥,夏季温热无酷暑,秋季凉爽多晴天,冬季漫长无严寒。多年平均气温为11.9 ℃,最高气温为40.2 ℃,最低气温为-21.0 ℃。年平均降水为555.5 mm,降水季节分布不均,多集中在夏季,6 月—8 月降水量可达全年降水总量的70%～80%。2022 年,秦皇岛市地区生产总值1 909.52 亿元,按不变价格计算,比上年增长3.5%。分产业看,第一产业增加值252.17亿元,增长3.8%;第二产业增加值681.45 亿元,增长5.3%;第三产业增加值975.90 亿元,增长2.2%[9]。

1.2 数据来源与研究方法

本研究基于秦皇岛市主要河流2021—2022年水环境质量逐月采样监测数据,数据来源于手动监测结果,水环境功能区划基于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)。各监测断面具体信息见表1,选择溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)及总氮(TN)等5 项监测指标进行数据分析。通过对2021—2022 年该流域水质数据月变化、季度变化及及监测断面间对比研究,分析水质不同时间的变化规律,并对不同监测断面的污染物年平均值进行对比,分析水质空间变化规律。

表1 秦皇岛地表径流监测断面具体信息

2 结论与分析

2.1 水质总体情况

本研究选取秦皇岛市的7 条主要河流有洋河、石河、汤河、戴河、饮马河、新开河和青龙河作为监测对象,该流域均为季节性河流,除田庄子断面外,其余6 个监测断面均位于河口处。青龙河流域的桃林口水库、洋河流域的洋河水库和石河流域的石河水库,均为秦皇岛市城市用水的主要水源地。

表2 为2021—2022 年秦皇岛市国控断面主要指标监测结果汇总,由表2 可知,除总氮指标外秦皇岛市7 个国控断面监测断面基本满足Ⅲ类水体要求,新开河口2021 年高锰酸钾指数和2022年饮马河口的总磷值比较接近标准值,各监测断面2021—2022 年总氮年均值明显高于Ⅲ类水体标准值,2022 年部分断面均值均超出两倍以上,说明总氮为各流域的主要污染物。

表2 2021—2022 年秦皇岛市国控断面主要指标监测结果汇总 mg/L

2.2 秦皇岛主要河流水体理化性质分析

对秦皇岛市7 个国控断面水体的理化性质进行对比研究,相关数据如图1 所示。从图中可知,秦皇岛市主要河流水温主要集中于12.48～19.57 ℃之间,新开河口水温年均值较高可达19.57 ℃,相对其他监测断面水温较高。水温对水的许多物理性质和化学性质均有影响。

图1 2022 年秦皇岛市主要流域监测断面水体特性

溶解氧是衡量水体生态系统健康状况的重要指标之一,其含量的高低对水生生物、水环境、水体化学特性等方面都有着明显的影响。溶解氧含量越高,有机物分解就越快,水体自净能力就越强。7 个国控断面水体的溶解氧处于7.13～12.93 mg/L 范围内,均符合II 类水质要求。温度越低,水体中溶解氧含量越高。在冬季,水温低,水体中溶解氧含量通常比夏季高。夏季温度升高,水体中溶解氧含量可能降低,因为水体中的生物活动增加,导致氧气消耗增加。新开河口溶解氧含量较低,与其水温较高有直接关系。由此可知,温度越高,平均溶解氧含量越低。

除新开河口监测断面外,秦皇岛市河流国控断面年均pH 值均在8 左右,为弱碱性,新开河口断面pH 年均值为6.43,呈偏酸性。新开河口断面pH 值呈偏酸性的主要原因是:新开河上游生态来水极少,主要是秦皇岛发电有限公司和秦皇岛秦热发电有限公司的循环冷却水(海水),由于电厂脱硫废水呈酸性,且水温较高,加之海水倒灌,其排放废水溶解氧浓度和pH 值较低,造成河水水质不稳定。

2.3 秦皇岛主要河流水质月变化特征分析

图2(a～e)为2022 年秦皇岛市主要河流7 个国控断面污染物随月份变化的水质监测数据,由图2 可知,氨氮、总磷、总氮、高锰酸盐指数、溶解氧的含量整体随月份变化趋势不大,各监测断面的指标基本满足地表水功能区划中Ⅲ类水质标准。氨氮含量在2 月、10 月份出现峰值,整体在6月—8 月份含量偏高,主要原因是水中的氨氮可以在氧气充足的情况下被氧化为亚硝酸盐和硝酸盐,在6 月—8 月份,水中温度偏高,溶解氧含量不足不能够发生这个转化,这个转化无法进行造成氨氮含量过高。从总磷含量看,除饮马河口在8 月—10 月份相对较高外,其他河口总磷含量随月份变化相差不大,分析可知,可能与集水区人类日常活动有关。从总氮含量看,总氮在5 月—7月份对河口影响最小,初步考虑到的主要原因是水体中富营养化物质的蓄积引起的。铵盐、尿素等氮源在水中要通过生物转化才能被植物利用。如果水中富营养化物质较多,会对水生植物的生长产生控制作用,使水体总氮含量偏低。从高锰酸盐指数看,田庄子的水质随月份变化趋势最小,水质状况最好,饮马河口随月份变化趋势最为明显,并且在4 月、9 月份出现了峰值,主要原因是饮马河口附近工厂污水排放量高。其他断面变化趋势基本一致,说明排放污染物的来源可能是类似的。对于DO 的浓度,DO 浓度整体的变化趋势是随月份的变化先升高再降低再升高。在自然状况下,空气中的含氧量变动不大,故影响DO 的主要因素是温度,在冬季温度降低,夏季温度升高,水温愈低,水中溶解氧的含量愈高。DO 的含量变化符合自然状态下的变化规律。综上所述,大部分水质因子浓度有明显的月份变化特征,不同月份对水质的影响呈现不同的效果。

图2 2022 年秦皇岛市主要流域监测断面污染物浓度月变化

2.4 秦皇岛主要河流水质季节变化特征分析

水质季节变化选取季度均值作为研究对象,从图3(a～e)中可以看出,污染物浓度均随季节呈现明显的变化趋势,且变化趋势各不相同。具体来看,高锰酸盐指数在第二、三季度值高于第一、四季度,氨氮值在第三季度出现峰值,在第四季度出现低值。可能原因是第三季度农业活动频繁,施用大量有机化肥、农药导致浓度较高。第四季度温度较低,微生物活性降低,对含氮有机物降解速率较慢。总磷的浓度第三季度＞第四季度＞第二季度＞第一季度。总氮第一、四季度高于第二、三季度值与高锰酸盐指数呈相反的趋势,溶解氧DO 在第一、四季度的值明显高于第二、三季度与氧在水中的溶解度随温度变化的趋势一致,说明其含量主要取决于大气中氧的溶解。通过以上分析可知,季度变化导致污染物的浓度不同的主要原因是温度、降水量、农业活动。

图3 2022 年秦皇岛主要流域监测断污染物浓度季度变化

2.5 秦皇岛主要河流水质时空变化

根据2021—2022 年的水质检测数据,选取7个重点监测断面进行水质空间变化分析,依次为石河口断面、新开河口断面、汤河口断面、戴河口断面、洋河口断面、饮马河口断面、田庄子断面。

图4(a～d)为2021—2022 年秦皇岛市主要河流监测断面(a)高锰酸盐指数、(b)氨氮、(c)总磷、(d)总氮年均值,由图4 可知,各污染物在不同监测点存在明显的空间分布差异,相对于其他监测断面,田庄子呈现明显较好的的水质状况。对比2021 年及2022 年数据发现,各个断面间的相对变化趋势变化不大。从高锰酸盐指数看,除田庄子污染指数较低外,其余断面数据相差不大,呈现较均匀的空间分布特征,这可能是水中有机污染物的主要来源相似,均为城镇污水处理厂排污所引起的,其中饮马河口相对污水排放量较大,与其高锰酸盐指数呈现数值相符。从氨氮指数看,新开河口和饮马河口数值较高,呈现明显的空间分布差异,这与水体的溶解氧含量呈明显的负向相关,对比总氮污染指数可以发现,新开河口氨氮较高,但总氮值不高,说明其氨氮展示的高数值与其理化性质有直接关系,而饮马河口的总氮与氨氮值均较高,说明其污染主要来自城镇污水厂的排放。从总磷指数看,各个断面呈现出较为明显的空间分布差异,其中饮马河口的总磷指标相对其他对面较高,除田庄子外,其他监测断面的总磷含量相差不大,进一步说明,总磷数值主要取决于该断面生态排水的水质情况。总体来看,田庄子断面水质状态较好,与其所处位置及相关职能部门的监管密切相关。饮马河口、新开河口水质相对较差,污染物主要以高锰酸盐指数、氨氮为主,主要与其周边排放水质特点相关。

图4 2021—2022 年秦皇岛主要河流监测断面污染物浓度年均值

3 结论

通过研究水质的时空变化特征发现:

(1)各监测指标随季节、月份的变化显著,理化性质呈现较为明显的月变化及季节变化趋势,春季、秋季污染相对较高,夏季、冬季污染相对较低。

(2)由于地理位置和周边环境的优势,田庄子水质最好。石河口、洋河口、戴河口的污染物状况相对较好,而饮马河口、新开河口、污染状况相对较恶劣。污染物主要以高锰酸盐指数、氨氮为主,主要由于其排水特点及水体理化性质相关。

(3)综上所述,秦皇岛主要河流国控断面,水质整体较好,符合Ⅲ类水体要求,主要污染物为总氮,水质呈现明显的时间和空间变化规律。