唐永杰，夏婧業(yè)，陳雅娟，代 政，蔡樹伯，劉春光?

(1 天津市大清河管理處， 天津 300270； 2 南開大學 環(huán)境污染過程與基準教育部重點實驗室，天津市城市生態(tài)環(huán)境修復與污染防治重點實驗室， 天津 300350)

獨流減河是天津市一條重要的行洪河道和南部防洪的重要防線，全長67 km，流經(jīng)靜海區(qū)、西青區(qū)和濱海新區(qū)南部[1]。它也是亞洲東部候鳥南北遷徙重要一站——北大港濕地的主要補給水源[2]。獨流減河建成于1953年，是新中國成立后擴建的大型水利工程之一，它的建成使得大清河、子牙河下泄洪水可直流入海，對大清河中上游地區(qū)抗災減災、工農業(yè)發(fā)展起到積極作用，為天津城市防洪做出了重要貢獻[3]。近年來，獨流減河上游地區(qū)西青、靜海等地經(jīng)濟發(fā)展迅速，大量工業(yè)廢水、生活污水等未經(jīng)處理直接排入河中，使河道受到嚴重污染，對兩岸生境和居民身體健康造成嚴重威脅[4]。

目前對于獨流減河水質的調查與評價研究較少[5-8]。楊虹[6]監(jiān)測獨流減河多種不同類別的污染物含量，指出獨流減河水環(huán)境污染是有機污染、氮磷污染和重金屬污染共存的復合型污染, 并指明獨流減河所有污染物中鎘(Cd)超標最嚴重。但是，該研究僅設置10個采樣點，很難全面反映獨流減河的污染狀況。王瑋[4]選取獨流減河4個斷面進行監(jiān)測，指出影響水質的關鍵污染物為總氮(TN)和化學需氧量(CODCr)。但該研究水質監(jiān)測的指標僅選取化學需氧量(CODCr)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)和總磷(TP)，缺乏對重金屬等指標的評價。與水質監(jiān)測相比，對于獨流減河沉積物的研究則更少[8-9]。而且上述研究均僅單獨針對獨流減河水質或沉積物環(huán)境狀況進行調查和評價，并沒有將兩方面結合起來進行分析。

與其他研究相比，本研究結合獨流減河擁有多個進水口門的特點，在上中下游沿岸各泵站排水口、支流匯入口等地分別設置 27 個地表水采樣點位和15 個表層沉積物采樣點位，對各點位的有機污染指標、營養(yǎng)指標和重金屬進行監(jiān)測，并對水質和沉積物數(shù)據(jù)進行科學的統(tǒng)計分析；采用單因子評價法，綜合指數(shù)評價法和修正的卡爾森營養(yǎng)指數(shù)法對獨流減河水體和沉積物質量狀況進行評價，并針對河道的治理提出自己的建議。通過對各項指標的測定和評價，希望找出污染獨流減河及其主要支流的關鍵因子，為改善河道水質提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

獨流減河水體及沉積物調查區(qū)域包括獨流減河主河段及其支流、溝渠和坑塘(圖1)，在獨流減河沿岸各泵站排水口、支流匯入口等地共設置42個采樣點位。其中地表水采樣點位有27個，依次記為A1～A27，使用有機玻璃采水器采集表層水，裝于聚乙烯塑料瓶中，運回實驗室-20 ℃冷藏備測；表層沉積物采樣點位有15個，記為B1～B15，每個采樣點使用柱狀采泥器取表層沉積物(0～20 cm)，現(xiàn)場剔除雜質后，裝入塑料密實袋，運回實驗室風干備測。調查區(qū)域和采樣點位見圖1，表層水樣采樣點布設見表1，表層沉積物采樣點見表2。

表1 水樣采樣點布設Table 1 Sampling sites of water

表2 沉積物采樣點布設Table 2 Sampling sites of sediments

圖1 調查區(qū)域和采樣點位Fig.1 Survey area and sampling sites of water and sediments

為了解獨流減河水質透明度、有機污染和營養(yǎng)狀況，水質測定指標選取透明度(SD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學需氧量(CODCr)、5日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、葉綠素a(Chl-a)。測定方法[10]如下：SD采用塞氏盤法、CODMn采用高錳酸鉀氧化法、CODCr采用重鉻酸鉀法、BOD5采用稀釋與接種法、NH3-N采用納氏試劑比色法、TN采用紫外分光光度法、TP采用鉬銻抗比色法、Chl-a采用分光光度法。

為了解獨流減河沉積物有機污染、重金屬污染和營養(yǎng)狀況，沉積物測定指標選取全磷、全氮、有機質、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、鎘(Cd)。測定方法[11-12]如下：全磷采用硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法；全氮采用硫酸-高氯酸消煮-半微量開氏蒸餾法；有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；Cu、Zn、Pb、Ni、Cr、Cd采用微波消解-電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法。

1.2 評價方法

1.2.1 水質評價

水質評價采用單因子評價法和綜合指數(shù)評價法，選取CODMn、CODCr、BOD5、TN、NH3-N、TP共6項水質指標參與水質評價。

單因子評價法以水質最差的單項指標所屬類別來確定水體綜合水質類別[13]。綜合污染指數(shù)法[14]在各斷面水質綜合評價時采用，可以將斷面的污染程度排序(表3)，其計算公式如下:

(1)

(2)

式中：Pj為j斷面水污染綜合指數(shù)；Pij為j斷面i項指標的污染指數(shù)；Cij為j斷面i項指標的年平均值；Ci0為i項指標評價標準值(文中取V類標準限值)；n為參與評價指標項數(shù)。

表3 綜合污染指數(shù)法地表水水質分級標準Table 3 Water pollution grades based on the composite-index assessment method

在進行水質評價時，可以通過計算污染分擔率對主要污染指標進行分析，具體計算方法[15]如下

Ki=Pi/P×100%，

(3)

式中：Ki為某水體第i項所占分擔率；Pi為單項污染指數(shù)，是實測值與標準值的比值；P為各單項污染指數(shù)之和。

1.2.2 水體營養(yǎng)狀態(tài)評價

水質富營養(yǎng)化現(xiàn)狀評價采用修正的卡爾森營養(yǎng)指數(shù)法?？柹笖?shù)法是以葉綠素a濃度為基準，按照各參數(shù)與基準參數(shù)的相關程度計算各參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，將各營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)加權計算綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，然后通過表4判斷評價目標的營養(yǎng)狀態(tài)[16]。

計算公式如下：

(4)

(5)

式中：TLI為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；TLI(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；m為參數(shù)個數(shù)；Wj為第j種參數(shù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關權重；rij為第j個參數(shù)與葉綠素a的相關系數(shù)，Chl-a、TP、TN、SD和CODMn的rij值分別為1、0.84、0.82、-0.83和0.83。

各參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式如下：

TLI(Chl-a)=10 (2.5+1.086 lnChl-a)

TLI(TP)=10 (9.436+1.624 lnTP)

TLI(TN)=10 (5.453+1.694 lnTN)

TLI(SD)=10 (5.118-1.94 lnSD)

TLI(CODMn)=10 (0.109+2.66 lnCOD)

(6)

表4為水體營養(yǎng)狀態(tài)分級標準。

表4 水體富營養(yǎng)化分級標準Table 4 Water eutrophication grading standards

1.2.3 沉積物評價

采用單因子指數(shù)法，將評價指標的實測值與其對應的標準值進行比較[17]，以沉積物質量最差的單項指標所屬類別確定沉積物綜合質量類別，計算公式如下

(7)

式中：Pi表示指標i的單因子指數(shù)；Ci表示指標i的實測值；ki表示指標i的標準值。

有機質、全磷、全氮、重金屬的標準值參考加拿大安大略省環(huán)境和能源部發(fā)布的沉積物評價指南[18]，各沉積物評價指標的標準值見表5。

表5 沉積物評價指標的標準值Table 5 Standard values of sediment evaluation indexes

將單因子指數(shù)Pi值分成5個等級，具體的分級標準見表6。

表6 單因子指數(shù)的分級標準Table 6 Sediment pollution grades based on the single-factor index method

2 結果與討論

2.1 水質評價結果

由表7中單因子指數(shù)評價結果可知，獨流減河水質較差，所有采樣點水質均為劣V類(GB 3838—2002)，這與葉飛等[5]的研究結果一致。在27個采樣點中，水質污染指標CODCr、TN、NH3-N、TP、BOD5、CODMn的超標率分別為100%、96%、48%、37%、26%、26%，超標倍數(shù)最高的是十米河水樣(A17)的TP，超標10.89倍。

由表7中綜合指標評價結果可知，除馬廠減河采樣點(A14)外，其余各采樣點水體均處于重污染或嚴重污染狀態(tài)，其中十米河(A17)、西大洼排干(A6)、陳臺子出水口(A7)、華明化工廠排污口(A27)污染最嚴重。從污染分擔率[15]來看，獨流減河主要污染指標為CODCr、TN、NH3-N等。楊虹[6]調查也發(fā)現(xiàn)，在獨流減河上游，NO3-N、TN和TP的濃度最高，分析主要是由于附近二級河道中農村生活污水的排入；而在獨流減河中游地區(qū)，則是CODCr和NH3-N濃度最高，分析主要是由于附近規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖廢水的排入。

表7 水質評價結果Table 7 Results of assessment of water quality

2.2 水體營養(yǎng)狀態(tài)

由圖2可知，獨流減河的 27 個采樣點均處于富營養(yǎng)化狀態(tài)(TLI值為50.74～97.45)，其中 67% 的采樣點處于重度富營養(yǎng)化，有18.5% 的采樣點TLI值超過80。營養(yǎng)指數(shù)最高的采樣點包括西大洼排干(A6)、陳臺子排水河(A8)、十米河南閘出水口(A16)、十米河(A17)、華明化工廠排污口(A27)，上述采樣點除A8外均處于工業(yè)區(qū)或工廠附近(A6附近為西大洼工業(yè)區(qū)、A16和A17附近為中塘鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)及石化工業(yè)區(qū)、A27為華明化工廠排污口)，可見工廠排放的工業(yè)廢水對西大洼、十米河等支流河道造成嚴重的污染；而陳臺子泵站主要負責天津市外環(huán)線內城市排水、李七鎮(zhèn)莊與精武鎮(zhèn)部分區(qū)域除澇排水以及咸陽路污水處理廠出水排放任務[2]，可見A8主要受到城市污水的污染。

獨流減河水體富營養(yǎng)化嚴重的原因，一方面與沿河工廠偷排和生活污水處理率不高有關，導致過量的氮、磷等進入河道[19]；另一方面可能與沉積物中氮、磷的釋放有關，Reddy等[20]對瑞典一個湖泊的研究發(fā)現(xiàn)，夏季湖泊99%的養(yǎng)分來自沉積物，尤其當水體養(yǎng)分的外源得到有效控制后，沉積物中養(yǎng)分的季節(jié)性再懸浮仍能使湖泊的富營養(yǎng)化持續(xù)數(shù)十年。雖然近幾年沿河生活污水和工業(yè)廢水已基本并入城市污水管網(wǎng)，禁止污水直排入河，但在過去的十幾年中，大量工業(yè)廢水和生活污水不加處理直接排入河中，已經(jīng)對沉積物造成嚴重的污染，因此，河道嚴重的富營養(yǎng)化很可能來源于沉積物中營養(yǎng)物質的二次釋放。

圖2 各采樣點水體營養(yǎng)狀況評價結果Fig.2 Results of assessment of trophic status of water

2.3 沉積物質量評價結果

由表8可知，獨流減河15個采樣點表層沉積物評價等級均為V，屬于重污染，氮、磷、重金屬均超標嚴重。獨流減河有機質評價指數(shù)在0.65～1.82之間，變幅不大，平均值為1.13，53%的采樣點有機質評價指數(shù)大于1，超過加拿大安大略省環(huán)境和能源部發(fā)布的沉積物評價指南[18]中的標準(下文簡稱為評價標準)；全磷評價指數(shù)在1.99～5.08之間，平均值為2.79，各采樣點全部超過評價標準，除B7外均處于重污染狀態(tài)，其中B10全磷污染最為嚴重；全氮評價指數(shù)在0.95～3.44之間，平均值為2.02，除B13外均超過評價標準，47% 采樣點處于重污染狀態(tài)，其中B1污染最嚴重。獨流減河表層沉積物有機質、氮和磷含量普遍超標。究其原因，沉積物可能受到染料類及有機合成類物質的污染。據(jù)了解，歷史上獨流減河兩岸化工區(qū)內有許多染料化工廠，例如張家窩化工區(qū)、趙連莊化工區(qū)等，其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的染料廢渣、廢水大多直接排進周邊水體中。雖然近年來大部分染料工廠被關停，但多年排放的染化污染物已嚴重污染河道底泥，造成了現(xiàn)在的污染。

表8 沉積物單因子指數(shù)法評價結果Table 8 Assessment results of sediment quality based on single-factor assessment

獨流減河表層沉積物重金屬Cr質量比為57～215.81 mg/kg，評價指數(shù)在2.19～8.3之間，平均值為4.63，全部處于重污染狀態(tài)；重金屬Cu質量比為2.19～143.88 mg/kg，評價指數(shù)在0.14～8.99之間，平均值為3.37，各采樣點之間差異較大，B1、B6、B8和B9采樣點Cu污染最為嚴重；重金屬Pb質量比為4.58～261.69 mg/kg，評價指數(shù)在0.15～8.44之間，平均值為1.45，B1和B2采樣點屬于重污染；重金屬Cd質量比為0～2.24 mg/kg，評價指數(shù)在0～3.73之間，平均值為1.05，各采樣點之間差異較大，B2、B8、B9、B10的Cd污染較嚴重；重金屬Ni質量比為22.25～65.63 mg/kg，評價指數(shù)在1.39～4.1之間，平均值為2.63，80%采樣點屬于重污染；重金屬Zn質量比為111.4～322.54 mg/kg，評價指數(shù)在1～2.69之間，B8、B9為重污染。綜上，獨流減河沉積物重金屬Cr、Cu和Ni超標最普遍，污染較重，重金屬Pb、Cd和Zn在個別點位污染較重。沉積物中重金屬的來源包括天然源(火山活動和巖石風化侵蝕)，大氣沉降和人類活動[21-23]。其中人類活動的影響最大，獨流減河沿岸有許多金屬加工、鋼鐵制造等企業(yè)，該類企業(yè)在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生含有重金屬的廢酸，多年來許多工廠將廢水直排入河，重金屬進入水體并最終蓄積在沉積物中[24-25]。孟鑫等[8]調查發(fā)現(xiàn)，獨流減河表層沉積物重金屬含量從超標率來看，污染最嚴重的是Cd和Cu，所有樣點全部超標；而Pb、As、Mo、Sn的超標率都在80%以上。該調查結果與本文稍有不同，可能是因為取樣點位和時間不同所致，但仍可說明獨流減河表層沉積物重金屬污染嚴重，政府及有關部門應采取相關措施治理重金屬污染。

3 河道治理建議

3.1 污染源控制

獨流減河的治理要從污染源開始進行控制，與此同時，將生態(tài)修復技術與之相結合，從根本上進行治理，恢復水體生態(tài)。

3.1.1 外源污染

1)區(qū)域內工業(yè)廢水達標排放

對獨流減河沿岸工廠的排污進行嚴格管控，尤其是對兩岸各大工業(yè)區(qū)，例如西琉城工業(yè)區(qū)、大邱莊工業(yè)區(qū)、中塘鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)及石化工業(yè)區(qū)等，進行截污改造，使其生產(chǎn)廢水匯入污水處理廠管網(wǎng)。

2)生活污水集中處理

西營門街東場引河沿岸部分居民區(qū)生活污水未納入污水處理廠管網(wǎng)，生活污水直排入東場引河，進而通過南運河進入西大洼排水河，最終進入獨流減河。因此，應抓緊實現(xiàn)全部生活污水集中處理，同時考慮對部分污水處理廠進行擴建。

3)建設污染緩沖帶

建議在獨流減河沿岸建設污染緩沖帶，緩沖帶是指河道與陸地的交接區(qū)域，在這一區(qū)域種植植被可起到阻擋污染物進入河流的最后一道屏障的作用，使溶解的和顆粒狀的營養(yǎng)物被生物群落消耗或轉化。

3.1.2 內源污染

目前，控制獨流減河內源污染的主要途徑是進行底泥修復工作。建議對琉城西站至陳臺子河段的底泥采取投加藥劑、微生物菌劑等手段進行原位修復；對污染嚴重的區(qū)域，如寬河泵站附近受染料污染的岸灘等，開展清淤工作。

3.2 河道生態(tài)修復

3.2.1 水生態(tài)修復

生態(tài)系統(tǒng)修復是使受損河流恢復其功能健康的根本途徑。獨流減河水質整體較差且處于重度富營養(yǎng)化狀態(tài)，建議采用生態(tài)調水+人工曝氣+復合生物修復技術組合修復。

3.2.2 岸灘生態(tài)修復

岸灘是連接水生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)的紐帶。獨流減河的岸灘生態(tài)修復主要包括兩方面，一是對清淤后的灘涂采取微生物+植物聯(lián)合生態(tài)修復技術(截留溝堤岸及寬河泵站區(qū)域左堤岸)，實現(xiàn)灘涂的生態(tài)功能；其次對未清淤的岸灘進行生態(tài)建設，恢復其水陸生態(tài)交錯區(qū)的結構與功能，增加植被數(shù)量和物種豐富度，建設污染緩沖帶，提高河流自我凈化能力。

3.2.3 重點區(qū)域淺層地下水修復

根據(jù)前期調研資料和現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，寬河泵站等重點區(qū)域獨流減河左岸灘地挖坑潛水污染嚴重，十多種指標超過《地下水質量標準》GB/T 14848—93中IV類標準，并且檢測出高濃度的苯胺類、萘、2-萘胺與2-萘酚等常用于制做染料與有機合成的有機污染物，該污染可能來自于堤岸中夾雜的染料渣塊的淋洗和滲濾。因此，在對受污染灘地進行清淤之后，需對該地區(qū)淺層地下水進行修復。

4 結論

1)獨流減河水體污染較嚴重，各采樣點水質均超過地表水V類水質標準，主要污染物為TN、COD、NH3-N等；污染最嚴重的河段為十米河、陳臺子排水河以及西大洼排干等支流水體；各采樣點水體均處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，其中67%的采樣點為重度富營養(yǎng)化。

2)單因子評價結果顯示，獨流減河各采樣點的表層沉積物評價等級均為V類，屬于重污染水平，其中氮、磷、Cr、Cu和Ni普遍超標，污染嚴重；個別點位Pb、Zn、Cd達到重污染水平。

3)針對獨流減河的污染特征，建議針對重點河段和排放口，采取控制外源輸入、沉積物清除和修復、地下水修復、河道生態(tài)恢復相結合的綜合治理措施，維護河道水環(huán)境健康安全。