蘇 媛， 高小寶， 張 銳， 周家輝， 高照良

(1.中國科學(xué)院 教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心， 陜西 楊凌 712100；2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049； 3.同濟(jì)大學(xué) 海洋與地球科學(xué)學(xué)院， 上海 200092；4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 陜西 楊凌 712100； 5.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100)

澇池曾經(jīng)是北方干旱地區(qū)利用農(nóng)村低洼處聚集雨水的池塘，即是排澇池，又是雨水再利用的蓄水池[1]。在發(fā)揮固溝保塬等水土保持效能的同時(shí)，也能為所在區(qū)域提供稀缺的濕地景觀。澇池水位較淺且面積較小，是一個(gè)基本封閉的系統(tǒng),水體自凈能力低，再加上外來污染物的侵入，管理稍有不當(dāng)，隨著時(shí)間的推移必將產(chǎn)生不同程度的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象[2]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，陜西省于2016年啟動(dòng)的澇池水生態(tài)修復(fù)整治工程，雖然新修和整治了1 000多座澇池，一定程度上加深了水位，擴(kuò)增了面積，開放了系統(tǒng)，但由于種種原因，已有不少澇池仍出現(xiàn)了嚴(yán)重的水體黑臭現(xiàn)象(如楊凌示范區(qū)澇池水體黑臭率已達(dá)46%)，這些現(xiàn)象嚴(yán)重背離了新時(shí)期建設(shè)美麗鄉(xiāng)村及鄉(xiāng)村振興的初衷。

近年來，雖有部分學(xué)者針對(duì)澇池做了不少相關(guān)研究，但大都聚焦于澇池的建造設(shè)計(jì)、歷史演變特征及其流域典型灌木植被生態(tài)參數(shù)的研究[3-5]，涉及澇池建成后水體管護(hù)及水體凈化方面幾乎空白，再加上不同地區(qū)村鎮(zhèn)居民生活習(xí)慣、生活水平和用水量的不同，其水體污染源、污染物組成及濃度均存在差異[6]，若不結(jié)合澇池所在地的實(shí)際情況因地制宜分析污染物特征并客觀評(píng)價(jià)水體環(huán)境現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上采取有針對(duì)性的改善措施，新建和整改過的澇池則極易再現(xiàn)垃圾遍布、水體黑臭的現(xiàn)象，背離關(guān)中水系連通的初衷，甚至威脅整個(gè)水系生態(tài)系統(tǒng)的健康。大量調(diào)查和研究表明，水域功能是否能夠滿足相應(yīng)的水質(zhì)目標(biāo)要求，很大程度上是由氮、磷生境要素所屬水質(zhì)類別所決定，這說明氮磷污染對(duì)于地表水質(zhì)的重要影響[7-8]。因此，本研究于2019年4月20日選取了陜西省楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)(以下簡稱“楊凌區(qū)”)具有代表性的8個(gè)澇池，并對(duì)澇池水體的pH值、溶解氧、化學(xué)需氧量、氨氮、總磷、總氮等基本水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了取樣測(cè)試及評(píng)價(jià)，探究影響澇池水體水環(huán)境質(zhì)量的主要原因，以期能為澇池水體水環(huán)境保護(hù)和水質(zhì)狀況改善提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查研究區(qū)概況

本研究所選8個(gè)澇池分布于楊凌區(qū)周邊的村莊。其中4個(gè)分別位于楊凌區(qū)王上村、湯家村、除張村和蔣家寨村，另外4個(gè)分別位于楊凌區(qū)北邊的陜西省扶風(fēng)縣杏林鎮(zhèn)西坡村、良峪村、召宅村和澇池岸村。渭河、小湋河、漆水河3條河流構(gòu)成了楊凌區(qū)區(qū)南、北和東部的界河。該區(qū)地表水主要以渭河為主，而渭河干流自西向東橫貫關(guān)中平原中部，是構(gòu)成天然水系最主要的骨架，在水系連通方面承擔(dān)著重要角色。調(diào)查區(qū)農(nóng)村道路及農(nóng)戶庭院基本為水泥路面，因此降雨形成徑流比例大，地勢(shì)低洼地區(qū)容易形成內(nèi)澇，澇池分布較多，一般建造在村莊周邊低洼處，土質(zhì)抗蝕性較好，有足夠水源且距離民宅不少于10 m的地方?；陉兾魇∶利愢l(xiāng)村澇池建設(shè)規(guī)范[9]，本研究從澇池的功能、容量、面積和結(jié)構(gòu)等方面出發(fā)，選取了8個(gè)具有代表性的澇池作為研究對(duì)象，囊括了關(guān)中地區(qū)不同功能、不同面積大小及結(jié)構(gòu)的澇池，其基本特征見表1。各村莊澇池均在2017年前后進(jìn)行了建造和整治工作。8個(gè)澇池防護(hù)形式見表2。

1.2 點(diǎn)位布設(shè)及水樣采集

水體采樣方法參照《水質(zhì)采樣方案設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》HJ495-2009[10]中地表水湖泊、水庫采樣點(diǎn)布設(shè)原則，每個(gè)澇池應(yīng)布設(shè)垂線數(shù)及采樣垂線上的采樣點(diǎn)數(shù)根據(jù)不同澇池的水面寬及水深而定。由于4月份正值枯水期，澇池蓄水不多，經(jīng)前期勘察未出現(xiàn)水面寬度超出50 m和水深超過5 m的澇池，因此根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)斷面水質(zhì)均勻的澇池設(shè)置一條垂線，且垂線上采樣點(diǎn)數(shù)為上層(水面以下0.5 m處，水深不到0.5 m，在水深1/2處取樣)一點(diǎn)；存在污染帶的另設(shè)置垂線采樣，方法同上。結(jié)合采樣標(biāo)準(zhǔn)，再根據(jù)調(diào)查區(qū)澇池水體的特征(見表1)，對(duì)每個(gè)澇池篩選出2個(gè)具有代表性的采樣點(diǎn)位置，分別在污染物容易聚集的進(jìn)水口及水質(zhì)分布較均勻的中心點(diǎn)進(jìn)行采樣，每個(gè)采樣點(diǎn)位置設(shè)置3個(gè)重復(fù)，重復(fù)采樣點(diǎn)的位置是以1 m為半徑的內(nèi)接圓三角形的3個(gè)角點(diǎn)，采用規(guī)定的容器采集500 ml水樣。在2個(gè)代表性采樣位置的樣品采集完畢之后立即放入自制的泡沫冰箱放置暗處冷藏并送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)試；整個(gè)研究共設(shè)置42個(gè)采樣點(diǎn)。在評(píng)價(jià)水質(zhì)時(shí)，每次均以水體內(nèi)2個(gè)采樣點(diǎn)位的平均值代表該水體水質(zhì)。

表1 關(guān)中地區(qū)農(nóng)村典型調(diào)查點(diǎn)澇池基本特征

表2 陜西省楊凌區(qū)不同澇池防護(hù)形式

1.3 分析測(cè)試及評(píng)價(jià)方法

按照《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境》HJ2.3-2018規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法對(duì)調(diào)查區(qū)澇池水體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)[12]，以Ⅴ類地表水(一般用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及景觀用水區(qū))標(biāo)準(zhǔn)值作為水體是否超標(biāo)的判定值，并闡明水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況以及超標(biāo)項(xiàng)目和超標(biāo)倍數(shù)。這種單因子指數(shù)法避免了確定權(quán)重的主觀隨意性，較為簡單、直觀[13]。水質(zhì)污染因子的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)Si,j的計(jì)算公式為：

Si,j=Ci,j/Cs,i

(1)

式中：Ci,j為污染物(即評(píng)價(jià)因子)i在j點(diǎn)的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)代表值(mg/L);Cs,i為污染物(即評(píng)價(jià)因子)i的水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)最大限值。

利用Si,j計(jì)算指定污染物在采點(diǎn)全部污染物的貢獻(xiàn)率；

(2)

式中：Ki,j為第i種污染物在第j個(gè)采樣點(diǎn)全部污染物的貢獻(xiàn)率；Si,j為第j個(gè)采樣點(diǎn)上第i種污染物的污染指數(shù)。

采用綜合分類算術(shù)平均指數(shù)法對(duì)楊凌示范區(qū)周邊澇池水質(zhì)污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)[14]，計(jì)算公式為：

(3)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2010統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并用Origin9.1和Visio2010軟件進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 澇池水體污染物濃度的統(tǒng)計(jì)分析

7個(gè)澇池水體污染物濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示，不難看出，不同澇池水體水質(zhì)指標(biāo)具有較大差異。就COD濃度來看，召宅村澇池水體不僅濃度高而且不同采樣點(diǎn)位值變化范圍大，平均濃度高達(dá)1 067 mg/L，良峪村次之，為406 mg/L；王上村、湯家村水體平均濃度均小于40 mg/L；除王上村和湯家村澇池水體外，其他水體的COD平均濃度均為《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中的劣Ⅴ類水平。在TP方面，召宅村的平均值最高，達(dá)3.96 mg/L；其次為良峪村、除張村及蔣家寨村，水體平均濃度分別為2.34，2.10，1.91 mg/L，這4個(gè)村莊澇池水體平均濃度均對(duì)應(yīng)地表水劣Ⅴ類；王上村、湯家村、西坡村水體濃度相對(duì)較低，達(dá)到地表水的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。在TN方面，所有澇池水體的平均濃度值均大于地表水Ⅴ類的最大限值，為劣Ⅴ類，除張村TN平均濃度值最大，高達(dá)73.17 mg/L；其中仍以召宅村和良峪村不同采樣點(diǎn)位置水體濃度變化范圍較大。

總體上召宅村、良峪村和除張村不同采樣點(diǎn)的污染物濃度及其差異遠(yuǎn)高于調(diào)查區(qū)其他村莊的澇池，王上村、西坡村澇池污染物濃度及其不同采樣點(diǎn)變化范圍相對(duì)來說最小。其原因是召宅村、良峪村和除張村澇池水體主要污染源類型均為點(diǎn)源污染，污染物在進(jìn)水口聚集沉降并逐漸擴(kuò)散形成不均勻的水質(zhì)斷面。在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，召宅村澇池的水體污染主要是由于附近養(yǎng)殖廢水、生活污水及地表匯流的直接排入，良峪村及除張村澇池的污染水體主要是由于村莊生活污水的直接排入，造成各個(gè)點(diǎn)源污染類型為主的澇池污染物濃度出現(xiàn)差異的原因可能是污染源水體的濃度及流量不同所造成，因此還需進(jìn)一步對(duì)污染源水體開展水質(zhì)檢測(cè)工作，同為點(diǎn)源污染的王上村澇池由于在進(jìn)水口安置了污水處理設(shè)施，所以其水質(zhì)較其他點(diǎn)源污染型澇池甚至面源污染類型的澇池好，而西坡村水質(zhì)較好的原因可能是其蓄水量較大，水體具有自凈功能所致。

注：圖中橫虛線位置代表地表水Ⅴ類水最大限值

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，調(diào)查區(qū)周邊農(nóng)村澇池水體的TN，TP濃度已經(jīng)達(dá)到可發(fā)生水體富營養(yǎng)化臨界濃度：TN為0.2 mg/L，TP為0.02 mg/L，有的甚至已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)，這說明氮磷生源要素完全可以滿足藻類生長的需要，一旦溫度、光照、水動(dòng)力條件等合適，藻類就可以快速生長、繁殖，從而導(dǎo)致水體惡化[16]。在實(shí)際調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)TN，TP濃度較高的除張村、良峪村及召宅村澇池從感官上已經(jīng)出現(xiàn)了水體發(fā)臭、藻類橫生的“水華”現(xiàn)象。

2.2 基于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法的澇池水體水質(zhì)評(píng)價(jià)

現(xiàn)有蓄水的7個(gè)澇池水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果及其水質(zhì)污染因子的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)如表3所示。各個(gè)斷面各污染物的貢獻(xiàn)率如表4所示。

由表3可知，在所調(diào)查的有蓄水的7處澇池中，澇池水質(zhì)均為地表水劣Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，除張村、良峪村及召宅村澇池水體存在污染物嚴(yán)重超標(biāo)的現(xiàn)象，溶解氧值均小于2.0 mg/L，根據(jù)城市黑臭水體污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其水體黑臭級(jí)別已經(jīng)達(dá)到了輕度黑臭。由表4可知，澇池水體的主要污染物以氮類污染指標(biāo)為主，大部分澇池的斷面氮類污染物貢獻(xiàn)率達(dá)到50%左右，有的甚至已經(jīng)達(dá)到了95.37%。由公式(3)計(jì)算得出各個(gè)斷面的平均污染指數(shù)(見圖2)。

表3 楊凌示范區(qū)周邊澇池水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果及其水質(zhì)指標(biāo)污染指數(shù) mg/L

注：Si,j代表水質(zhì)指標(biāo)污染指數(shù)。

表4 楊凌示范區(qū)周邊澇池主要污染物貢獻(xiàn)率%

圖2 各澇池水體平均污染指數(shù)

根據(jù)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，調(diào)查區(qū)所在地澇池水體均為地表水劣Ⅴ類，水質(zhì)污染情況嚴(yán)重(見圖2)，無法達(dá)到農(nóng)業(yè)用水及一般景觀要求用水的標(biāo)準(zhǔn)，個(gè)別澇池水體污染物濃度甚至已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)，如召宅村、良峪村和除張村，嚴(yán)重影響了農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，與建設(shè)“美麗鄉(xiāng)村”觀念相悖，因此亟需對(duì)澇池開展水體修復(fù)工作。

3 討 論

在實(shí)際調(diào)查過程中我們發(fā)現(xiàn)以點(diǎn)源污染為主的召宅村、王上村、良峪村和除張村澇池以外的4個(gè)澇池均處于農(nóng)田和村莊附近，其水體主要來源為降雨徑流的匯入，生活污水集中排放痕跡不明顯，因此這些澇池也可看作是雨水貯存的一種方式；李勇等[17]研究得出雨水資源的形成一般需要經(jīng)歷降雨、徑流集蓄、貯存利用3個(gè)過程，王廣周[18]研究得出調(diào)查點(diǎn)雨水集蓄利用中水質(zhì)問題主要與收集過程和貯存過程有關(guān)，而與大氣污染關(guān)系不大，因此面源污染很可能成為這些澇池水體總氮超標(biāo)的重要原因。通過走訪調(diào)查得出附近村民在農(nóng)作物種植生產(chǎn)中習(xí)慣于多施氮肥，少施磷鉀肥。國內(nèi)外研究成果表明，對(duì)水體總的污染中，農(nóng)業(yè)面源污染占有較大的比重[19]。劉桂平等[20]研究得出化肥的利用率只有30%～40%，其余60%～70%的化肥進(jìn)入環(huán)境，經(jīng)地表徑流或地下水直接進(jìn)入湖庫。除此之外，村莊附近禽畜養(yǎng)殖主要有雞、牛、羊、豬，大多以散養(yǎng)為主，因此這些禽畜糞便在降雨發(fā)生時(shí)直接隨地表徑流進(jìn)入水體；湯家村、西坡村、蔣家寨村這3個(gè)有蓄水的澇池均無點(diǎn)污染源，推測(cè)其水體總氮超標(biāo)極有可能是由于附近村民大量使用化肥、隨意排放生活污水、農(nóng)藥以及禽畜糞便污染降雨形成匯流所致。

除澇池岸村澇池?zé)o蓄水之外，其他的7個(gè)澇池水體類別均為地表水劣Ⅴ類，但不同澇池平均污染指數(shù)具有較大差異，主要原因是污染源類型、水面面積及澇池結(jié)構(gòu)形式不同所致，其中澇池結(jié)構(gòu)形式包括進(jìn)水口措施、邊坡防護(hù)形式、防滲材料等。在農(nóng)業(yè)面源污染類型為主的澇池中，蔣家寨和湯家村澇池水體平均污染指數(shù)相對(duì)較大，西坡村澇池水體平均污染指數(shù)相對(duì)較小，可能與其水面面積較大具有一定水體自凈能力有關(guān)系[21]；澇池岸村澇池雖配置有污水處理系統(tǒng)，但澇池岸村澇池由于池底防滲處理不到位，水體發(fā)生滲漏沒有蓄水，而一旦有蓄水且水體污染物超標(biāo)將會(huì)對(duì)地下水水體質(zhì)量造成影響，威脅村鎮(zhèn)居民的飲水安全；因此在澇池修復(fù)整治過程中需要注意對(duì)池底防滲技術(shù)質(zhì)量進(jìn)行提升與把關(guān)。魏明強(qiáng)等[22]采用和研發(fā)與環(huán)境協(xié)調(diào)、對(duì)環(huán)境友好的新生態(tài)材料納米級(jí)PLA并將其應(yīng)用于生態(tài)水池的建設(shè)，改善了傳統(tǒng)混凝土水池自凈能力脆弱、容易出現(xiàn)的水臭問題等的技術(shù)缺點(diǎn)。這些技術(shù)均可以在實(shí)踐應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。在點(diǎn)源污染類型為主的澇池中，王上村澇池水體平均污染指數(shù)相對(duì)最小，其原因是澇池進(jìn)水口采用了濕地濾池等污水處理工藝，因此該項(xiàng)措施在澇池以后的整治修復(fù)工作中可以借鑒參考。

澇池水體黑臭現(xiàn)象使農(nóng)村水生態(tài)環(huán)境不斷惡化，雨水與生活污水去向制約著農(nóng)村社會(huì)發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年陜西省已建成澇池生態(tài)修復(fù)工程600座，建設(shè)省級(jí)示范澇池80座，極大改善了澇池存在的水臭、水干的問題，但部分已經(jīng)修復(fù)整治的澇池依然存在水體污染物濃度超標(biāo)、水臭、水干的問題，如本次調(diào)查過程中所選澇池出現(xiàn)了類似的問題。①由于點(diǎn)源污染與面源污染的交叉存在； ②由于調(diào)查區(qū)的部分澇池僅實(shí)施了外源治理，忽略了內(nèi)源水體的修復(fù)。這說明整治修復(fù)澇池，不僅僅要著眼于既有措施的整改，更要注重不同污染源源頭阻斷的及針對(duì)性的水體修復(fù)與管護(hù)，對(duì)此可以借鑒對(duì)于城市封閉性景觀水體內(nèi)源治理，如底泥疏浚、生態(tài)浮床和綠色化學(xué)試劑修復(fù)等，才有可能使?jié)吵厮?、水干的問題得到相對(duì)緩解。

4 結(jié) 論

本研究通野外調(diào)查、采樣及室內(nèi)分析得出研究區(qū)澇池水體水質(zhì)均為地表水劣Ⅴ類，污染程度不一，污染物主要以氮類化合物指標(biāo)為主，且所有水體TN，TP平均濃度遠(yuǎn)超水體發(fā)生富營養(yǎng)化臨界指標(biāo)，一旦溫度、光照、水動(dòng)力條件等合適，藻類就可以快速生長、繁殖，從而導(dǎo)致水體惡化；總結(jié)水體優(yōu)良澇池經(jīng)驗(yàn)得出布設(shè)污水處理設(shè)施及池底防滲對(duì)于改善澇池水環(huán)境狀態(tài)較為重要，此外輔以內(nèi)源水體的相關(guān)修復(fù)及管護(hù)工作，治理效果將會(huì)更好，因此還需進(jìn)一步通過試驗(yàn)研究。本研究僅對(duì)枯水期澇池水體進(jìn)行污染物濃度分析與評(píng)價(jià)，對(duì)于平水期、枯水期澇池水體水質(zhì)狀況還需進(jìn)一步連續(xù)監(jiān)測(cè)與分析。