陳 焰，夏 瑞，曾思棟，楊中文，王 璐，4，張 凱，賈蕊寧，5

（1.中國科學院重慶綠色智能技術研究院，重慶 400714；2.國家環(huán)境保護河口與海岸帶環(huán)境重點實驗室中國環(huán)境科學研究院，北京 100012；3.環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學研究院，北京 100012；4.北京師范大學，北京 100875；5.西北大學，陜西西安 710127）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程加快，城市排污量不斷增加，包括北京在內(nèi)的許多城市河流受到嚴重污染，黑臭問題現(xiàn)象突出［1，2］。城市黑臭水體不僅給群眾帶來了極差的感官體驗，也直接影響群眾生產(chǎn)生活和制約城市發(fā)展。中國住建部2016 年公布全國295 座地級及以上城市中，有超70%存在黑臭水體。黑臭水體的形成受工業(yè)和生活污染排放影響，降雨徑流產(chǎn)生的非點源也是其成因之一，1993年美國EPA 把城市地表徑流列為導致全美河流和湖泊污染的第3大污染源，據(jù)統(tǒng)計，美國的非點源污染量占污染問題的2∕3，60%的水體污染起源于非點源，城市非點源日益成為水質(zhì)惡化的主要原因［3，4］。新鳳河是北京市的主要水源地和生態(tài)廊道，2016年被列入北京市重點黑臭水體之一，受納大興區(qū)內(nèi)主要污水、廢水和非點源污染，水環(huán)境問題十分突出，COD、氨氮和TP常年嚴重超標。

降雨通常被認為是水文和非點源模型中驅(qū)動徑流產(chǎn)生和質(zhì)量運輸?shù)淖钪匾斎胪緩剑?］，是除人為因素干擾外導致污染物流失進入水體的主要自然因素和先決條件，降雨特征（降雨量、降雨強度和雨前晴天天數(shù)等）對污染物的流失存在顯著影響［6］，降雨強度越大，產(chǎn)流系數(shù)越大，攜帶的污染物越多，產(chǎn)生的污染程度越大［7］，從狹義上講，非點源污染往往是由降雨徑流導致的污染過程。就影響方式而言，降雨主要通過降雨量、雨強、降雨歷時等對非點源污染產(chǎn)輸產(chǎn)生影響，不同的影響方式對非點源的響應機制存在顯著差異。大量研究表明，降雨與非點源污染的產(chǎn)生量有較為顯著的非線性相關關系，表現(xiàn)形式包括指數(shù)函數(shù)［8］、冪函數(shù)［9］、對數(shù)函數(shù)［10］和二項式函數(shù)［11］等。主流觀點認為，在自然條件下，無論暴雨、中雨還是小雨，降雨初期污染物濃度呈上升趨勢，隨后逐漸平緩，后期呈現(xiàn)下降趨勢［12］。

關于城市降雨和水質(zhì)污染的響應關系研究主要體現(xiàn)在兩個方面，一是通過建立非點源污染模型，以降雨作為驅(qū)動要素模擬分析氣候變化與水環(huán)境的響應關系［13，14］，二是通過模擬降雨實驗和自然降雨事件聯(lián)合研究［15］，分析徑流與水質(zhì)響應特征。受地形等條件的影響，當前研究大多集中在農(nóng)田徑流［16］、平原區(qū)流域［17］和小區(qū)道路屋頂?shù)炔煌杆妫?8，19］，基于降雨事件開展污染排放特征研究，分析降雨事件下的污染物遷移規(guī)律，對城市河流流域的研究較少。本研究擬基于新鳳河流域出口斷面的長年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，識別新鳳河流域污染演變特征及其對降雨的響應關系，了解降雨強度影響下的污染物動態(tài)變化，探討城市河流污染對自然降雨的響應機制。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

新鳳河位于北京市大興區(qū)北部（圖1），自大興區(qū)黃村鎮(zhèn)立垡分水閘流經(jīng)5 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，沿途匯入支流包括老鳳河、南苑灌渠、新西鳳渠、涼鳳灌渠、安南支流、姜鳳支流等，全長約30 km。主河道位于流域南部，屬北運河水系涼水河支流，西起永定河灌渠，向東南方向穿越新城后，從劉村向東至燒餅莊閘，再向東北方向，于馬駒橋鎮(zhèn)西北匯入涼水河。新鳳河流域面積約166 km2，地勢西北高東南低，地面高程39.7～74.8 m，相對高差35.1 m，地形坡度0.5‰～2.0‰。多年平均降雨量為516 mm（1956-2004 年），最大降雨量為1 040 mm 左右（1959 年），最小降雨量268 mm（1965 年），6-8 月為汛期，降水量占全年的87%以上。由于新鳳河匯入涼水河下游連接北京副中心通州，新鳳河水生態(tài)環(huán)境保護對于首都生態(tài)文明建設、保障下游城市副中心水安全至關重要。

1.2 數(shù)據(jù)描述

本研究以北京市大興區(qū)水務局和中國環(huán)境監(jiān)測總站提供的污染物數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等為基礎，包括2015-2019年月尺度污染物數(shù)據(jù)和月尺度降雨數(shù)據(jù)。指標采樣點位（圖1）布設于新鳳河流域出口燒餅莊閘，也是河新鳳河的水質(zhì)考核斷面，檢測方法參照國家統(tǒng)一標準［20］，期間逐月降雨數(shù)據(jù)來自流域內(nèi)最近的黃村雨量站。根據(jù)大興區(qū)對新鳳河流域水質(zhì)考核需求，選取COD、氨氮和TP 作為代表水質(zhì)參數(shù)，分析新鳳河污染變化特征及其對流域降雨的響應關系。

圖1 新鳳河流域位置及其采樣站點Fig.1 The location of Xinfeng River and sampling

1.3 分析方法

數(shù)據(jù)采用Arcgis10.3、Excel、Origin9.1 等軟件及Python 語言進行統(tǒng)計分析和制圖。

（1）回歸分析?；谛馒P河流域出口斷面COD、氨氮、TP濃度與黃村雨量站降雨數(shù)據(jù)，利用Python 對降雨與水質(zhì)指標進行回歸并計算Spearman 相關系數(shù)，分析降雨與水質(zhì)的相關性。考慮到降雨數(shù)據(jù)存在值為0 的特殊情況，在原始降雨量的基礎上加一定的數(shù)值Re（Re>0）對數(shù)據(jù)進行修正，對修正后的降雨量Rx進行對數(shù)轉(zhuǎn)換。

根據(jù)氣象局降雨等級劃分，將降雨事件按照降雨強度分為5 個等級，其中小雨（XR）日降雨量為小于10 mm，中雨（ZR）日降雨量為10～25 mm，大雨（DR）日降雨量為25～50 mm，暴雨（BR）日降雨量為50～100 mm，大暴雨或特大暴雨（TR）日降雨量為大于100 mm。利用Origin9.1 分別對COD、NH3-N、TP 與降雨進行回歸分析。

（2）MK（Mann-Kendall）突變檢驗。MK 突變分析用于分析水質(zhì)指標突變過程及污染特征變化趨勢和原因。

式中：UFk是基于標準正態(tài)分布并基于X時間序列計算的統(tǒng)計系列，顯著水平α；當條件為|UFk|>Uα/2時，序列存在顯著趨勢變化。通常UFk的正負值代表趨勢的上升或下降，與UBk曲線交點對應的時間序列節(jié)點則為突變時段。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)指標與降雨變化

2015-2019 年新鳳河流域水質(zhì)逐年改善，由于汛期水質(zhì)在2015-2017 年優(yōu)于非汛期水質(zhì)，在2018-2019 年劣于非汛期水質(zhì)，初步認為新鳳河流域水質(zhì)在2017 年發(fā)生突變。如圖2 所示，出口斷面COD、氨氮和TP 濃度在2015-2019 年表現(xiàn)為波動下降，2015年均超出地表水劣V類標準，2019年達到地表III～IV類水，平均濃度較2015 年分別下降54.9%、94.4%和87.8%。水質(zhì)指標濃度與流域降雨的關系存在顯著的變化（表1），流域汛期均出現(xiàn)在6-8 月，從時間上對比指標濃度變化趨勢可見，2015-2017 年COD、氨氮、TP 濃度在汛期較低，非汛期月份較高，汛期與非汛期COD、氨氮、TP 濃度比值分別為0.75、0.72 和0.87。相反2018-2019 年COD、氨氮、TP 濃度在汛期較高，其他月份較低，濃度比值分別為1.05、1.17和1.22。

表1 汛期與非汛期水質(zhì)指標變化差異Tab.1 Difference of water quality between flood season and non-flood season

圖2 水質(zhì)指標與降雨變化趨勢Fig.2 Monthly variation trend of water quality and rainfall

2.2 基于降雨的水質(zhì)突變分析

為了進一步明確流域降雨與出口斷面水質(zhì)指標的相關關系變化特征以及變化原因，采用線性回歸方法建立降雨與COD、氨氮、TP 濃度的相關關系，如圖3 所示為2015-2019 年水質(zhì)指標對降雨的響應趨勢，2015-2017 年COD、氨氮、TP 濃度與降雨的響應關系表現(xiàn)為不同程度的負相關，平均相關系數(shù)分別為-0.692、-0.543 和-0.521；相反2018-2019 年COD、氨氮、TP 濃度與降雨的響應關系均表現(xiàn)為正相關，平均相關系數(shù)分別為0.579、0.536 和0.720?？梢?，指標濃度隨降雨量增大呈現(xiàn)降低的趨勢逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌尸F(xiàn)升高的趨勢，且發(fā)生變化的年份在2017-2018年之間。

圖3 2015-2019水質(zhì)指標與降雨的響應趨勢Fig.3 Response trend of water quality indexes and rainfall from 2015 to 2019

為了揭示產(chǎn)生變化的主要原因，采用MK檢驗對COD、氨氮和TP濃度進行突變分析，結(jié)果如圖4所示，在1%顯著水平范圍內(nèi)，COD、氨氮和TP 濃度在2015-2019 年均存在一個突變點，分別出現(xiàn)2018 年11 月、2018 年6 月和2017 年11 月，突變后濃度均下降，該結(jié)果與以上分析結(jié)果一致。主要因為2017-2018 年截污等水環(huán)境治理工程的實施使新鳳河流域點源得到控制［21］，工程實施前，水體主要受點源影響，降雨對指標濃度起到了一定的稀釋作用，導致濃度降低，雨量越大，稀釋效果越好，工程實施后，點源得到控制，入河非點源負荷隨著降雨量的增大而增加，濃度升高。

圖4 COD、氨氮和TP濃度MK檢驗結(jié)果Fig.4 MK test result of COD，ammonia nitrogen and TP concentration

2.3 水質(zhì)指標對降雨強度的響應

新鳳河流域水質(zhì)指標在不同降雨強度下變化較大，隨著降雨強度的增大，指標濃度呈現(xiàn)波動降低的趨勢。圖5可見，小雨強度下，COD、氨氮和TP 平均濃度分別為33.8、10.25 和1.02 mg∕L，濃度變化區(qū)間分別為14～85.5、0.4～24.3 和0.17～6.42 mg∕L。中雨強度下，COD、氨氮和TP 平均濃度分別為50.28、12.46 和1.87 mg∕L，濃度變化區(qū)間分別為12.5～80、0.93～27.4 和0.33～4.04 mg∕L。大雨強度下，COD、氨氮和TP 平均濃度分別為50.02、11.96 和1.49 mg∕L，濃度變化區(qū)間分別為19.5～83、0.42～29.6 和0.28～3.6 mg∕L。暴雨強度下，COD、氨氮和TP 平均濃度分別為37.68、9.02 和0.86 mg∕L，濃度變化區(qū)間分別為29.5～42.2、6.88～11.2 和0.25～1.36 mg∕L。特大暴雨強度下，COD、氨氮和TP平均濃度分別為33.8、10.25和1.02 mg∕L，濃度變化區(qū)間分別為29.2～37、8.11～12.2和0.12～1.72 mg∕L。

圖5 不同降雨強度下水質(zhì)濃度變化趨勢Fig.5 Trends of water quality under different rainfall intensity

COD、氨氮和TP 濃度與降雨強度存在明顯的相關關系。COD 濃度在特大暴雨中最低，中雨和大雨中較高，可見隨著降雨強度的增大，濃度先上升后下降趨于平緩。氨氮和TP濃度均在暴雨中最低，中雨強度下最高，隨著降雨強度的增大，濃度先上升后下降，在特大暴雨中有略微回升。不同降雨強度下的水質(zhì)指標濃度與降雨量存在二項式非線性關系，COD、氨氮和TP濃度在小雨事件與降雨量均呈現(xiàn)“∨”型曲線關系，濃度隨著降雨量的增大先降后升，相關性不顯著；在中雨事件與降雨量均呈現(xiàn)“∧”型曲線關系，濃度隨著降雨量的增大先升后降，相關性不顯著；在大雨事件隨著降雨量增大而降低，R2分別為0.545、0.2 和0.488；暴雨和特大暴雨事件中COD、氨氮和TP 濃度與降雨量的非線性關系顯著增強，尤其在特大暴雨條件下非線性關系分別達到0.955、0.987 和0.936，但與降雨量呈現(xiàn)不一樣的非線性關系。整體來看，三個指標濃度隨著降雨強度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，不同強度下的降雨量和指標濃度在一定程度上表現(xiàn)為非線性相關，且非線性相關關系隨降雨強度的增大而逐漸增強。

3 討論

2015-2019年，新鳳河流域水質(zhì)逐步得到改善，根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標準，從劣V 類上升到III～IV 類。降雨是水系統(tǒng)循環(huán)過程中主要組成部分［22］，在陸面水文循環(huán)過程中對河流水質(zhì)具有突出貢獻［23］，具有沖刷和稀釋的作用，累積并儲存于陸面的污染物隨著降雨徑流的沖刷就近流入河道，當徑流中的污染物濃度高于河道水體，徑流無疑增加水體負荷，相反則能充當凈水的作用，稀釋水質(zhì)濃度。當流域污染由點源主控時，降雨起到清水補給的作用，水體濃度高于降雨徑流攜帶的非點源濃度，稀釋水中污染物濃度，導致河道水質(zhì)隨著降雨量的增大而逐漸改善，當點源在最大程度上得到控制，排入河道的點源負荷急劇減小，由降雨徑流產(chǎn)生的非點源對水體的影響逐漸顯著，降雨對河道水質(zhì)的響應由沖刷作用主控，水質(zhì)濃度隨著降雨量的增大而升高。本研究發(fā)現(xiàn)，流域出口斷面水質(zhì)指標逐月濃度呈現(xiàn)明顯的變化，兩個時期的水質(zhì)濃度的差異反映了流域污染源的變化（圖6），2015-2017年汛期水質(zhì)濃度明顯低于非汛期，說明流域主要受到工業(yè)、城鎮(zhèn)生活等污染排放的影響［24］，由于水環(huán)境治理工程的實施運行，2018-2019 年汛期水質(zhì)濃度高于非汛期，說明流域主要受到農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)徑流和農(nóng)村生活等非點源的影響。

圖6 不同時期流域污染源分布特征Fig.6 Distribution characteristics of pollution sources in different periods

從新鳳河流域出口斷面水質(zhì)與降雨強度的響應關系來看，水質(zhì)指標濃度在小雨事件到中雨、大雨事件轉(zhuǎn)變的過程中逐漸升高，趨于平緩后在暴雨、特大暴雨事件中開始降低并達到飽和或輕微回升。原因在于降雨量較小時，由于產(chǎn)生徑流少甚至無徑流產(chǎn)生，對河道水質(zhì)影響不大，隨著降雨量增大，產(chǎn)流增大，攜帶入河的污染物負荷增大［25］，會造成河道污染物濃度出現(xiàn)波動上升，當降雨量達到一定程度的時候，由于地表達到土壤飽和狀態(tài)，沖刷陸面污染物的能力降低，徑流和河道水體中的污染負荷達到平衡狀態(tài)，水質(zhì)濃度降低并逐漸達到平衡，出現(xiàn)輕微回升可能的原因在于特大暴雨引起了底泥擾動，沉積物中的有機物和營養(yǎng)鹽釋放上浮，增加水體污染負荷，該結(jié)論與石德坤［26］等的研究結(jié)論一致。進一步分析不同降雨強度下水質(zhì)指標濃度與降雨量的相關關系可見，在不同的降雨強度下，水質(zhì)指標濃度隨降雨量的增大呈現(xiàn)先升后降或先降后升的二次函數(shù)關系，該結(jié)論在Xie［27］等、于興修［28］等、連慧珠［29］等、李曉虹［30］等的研究中均有所體現(xiàn)，可見降雨對河流水質(zhì)的影響在稀釋作用和沖刷作用之間轉(zhuǎn)換（圖7）。

圖7 河流污染物對降雨的響應機制（李曉虹等總結(jié)）Fig.7 Response mechanism of river pollutants to rainfall（Summaried by Li Xiaohong et al）

4 結(jié)論

（1）新鳳河流域水質(zhì)變化受降雨影響顯著。新鳳河流域出口斷面COD、氨氮和TP 三個組分濃度呈現(xiàn)逐年降低的趨勢，根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標準，斷面水質(zhì)類別從2015年的劣V 類提升2019 年的至III～IV 類，2015-2017 年汛期水質(zhì)優(yōu)于非汛期，2018-2019年劣于非汛期。

（2）降雨與水質(zhì)的響應關系反映了流域污染變化特征。流域降雨與水質(zhì)指標的相關關系從負相關轉(zhuǎn)變?yōu)檎嚓P，變化拐點出現(xiàn)在2017-2018年，拐點前后，流域污染由點源主導變?yōu)榉屈c源主導。

（3）不同降雨強度顯著影響污染輸出特征。降雨的稀釋和沖刷作用決定污染組分對降雨的響應關系，COD、氨氮和TP 濃度在中雨和大雨時較高，暴雨和特大暴雨時較低，隨著降雨強度的增大，3 個指標濃度在小雨～大雨過程中表現(xiàn)為先上升，逐漸趨于平緩，在暴雨～特大暴雨過程中開始下降。不同降雨強度下的降雨量與水質(zhì)呈現(xiàn)二次函數(shù)非線性關系，且隨著強度的增大，非線性關系越強。