杭师大仓前校区河道水质动态变化与水环境容量分析

原一荃，王　繁,2，王娇娇，王亚琪，王慧中

(1. 杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 310036；2. 杭州师范大学生态系统保护与恢复杭州市重点实验室，浙江 杭州310036)

杭师大仓前校区河道水质动态变化与水环境容量分析

原一荃1，王繁1,2，王娇娇1，王亚琪1，王慧中1

(1. 杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 310036；2. 杭州师范大学生态系统保护与恢复杭州市重点实验室，浙江 杭州310036)

摘要：通过对杭师大仓前校区(一期)河道水体近一年的连续采样监测，获取了仓前校区校园水环境的动态变化信息，并测算了护校河及景观水域的水环境容量.结果表明：校区河道水质基本处于Ⅳ到Ⅴ类水体，不同水质指标变化规律各异；余杭塘河配水和降雨径流对校区水体COD与BOD5污染贡献率较大，存在点源和面源污染风险；利用一维模型计算90%水文保证率下护校河与景观水域COD的环境容量分别为368.48、397.22 t/a，氨氮的环境容量为41.71、42.82 t/a，75%水文保证率下护校河与景观水域COD的环境容量分别为594.41、640.77 t/a，氨氮的环境容量为67.28、69.07 t/a，均存在一定的环境容量.

关键词：仓前校区；水质；水环境容量；污染源

近年来中国城市水污染日益严重，其中非点源污染因其分布范围广、潜伏周期长及不确定性、随机性、滞后性等特点成为水质恶化的主要原因之一[1-2].城市降雨径流是一种典型非点源污染源，在不同污染源(如农业、工业、城市污水等)对河流污染的贡献比例中，城市雨水径流占了9%.美国环境保护署(USEPA)已把城市地表径流列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源[3].国外对水质污染的研究始于20世纪70年代初，研究区域主要集中于城市，研究内容主要有水质分析、初始冲刷效应[4]、降雨径流所携带污染物及其排放规律的建模与估算[5]、不同水体类型的水质模型测算得出不同污染物所在水域的水环境容量[6]、径流对水污染的影响和贡献以及减轻降雨径流污染的管理措施和水环境的优化[7-8].中国于20世纪90年代开始关注和研究城市水环境非点源污染及水质变化，已在北京[9]、上海[10]、澳门[11]、武汉[12]等城市开展了降雨径流污染、雨水资源保护与利用及生态修复等问题的研究[13-15].并在借鉴国际成功经验的基础上，基于中国实际区域现状，探讨将水环境容量与水体污染物总量控制理论结合，以实现水质的达标[16-17].本文在探明仓前校区河道水体水质动态变化规律的基础上，测算水体的水环境容量，并分析其主要污染源，为进一步提升校区水环境质量、预防水质恶化、实现校区湿地景观效果提供数据资料.

1材料与方法

1.1采样点设置

在对校区河道水系现场勘查的基础上，确定以余杭塘河配水闸内外两侧、学生生活区护校河道以及教学区景观湖水体为主要水质采样监测位置，共设置6个水质采样点(图1)，保障不同采样点的水质具有代表性.降雨径流采样点设于生活区道路雨水口.

注：采样点1为余杭塘河，采样点2、3、4为南护校河段，采样点5、6为支河及景观水域.图1　仓前校区河道水质采样点分布图Fig. 1　Locations of sampling points in Yuhangtang River and in campus

1.2样品采集与分析

表1　水质分析方法

水样采集主要依据地表水样的采集与保存方法进行，2013年10月到2014年6月每月采样一次；雨水水样采集依据《大气降水样品采集与保存GB1358.2—92》进行，降雨径流样品于降雨30 min后采集.水质监测指标包括pH、DO、浊度、总氮、总磷、氨氮、COD、BOD5、叶绿素a.分析方法见表1.

1.3水环境容量的计算方法

水环境容量是一定水体规定环境目标下所能容纳的污染物的量.在校区水系污染特征、污染负荷分析和控制单元划分基础上，采用设计流量90%和75%水文保证率流量，基于一维水质模型测算校区水系COD、氨氮的水环境容量.水质模拟方程为

(1)

式中，C为污染物环境标准质量浓度(mg/L)；Dx为纵向弥散系数(m2/s)；ux为河流平均流速(m/s)；K为污染物的综合降解系数(1/d).

在稳态条件下，一维水质模型水体纳污能力计算公式如下：

(2)

经过单位换算，式(2)转变为：

(3)

式中，W为水体纳污能力(t/a)；Q为进口断面的入流流量(m3/s)；q为废水流量(m3/s)；C为目标水质质量浓度(mg/L)，以校区水系近期目标Ⅴ类水计算；C0为上游来水污染物质量浓度(mg/L)；K为污染物综合降解系数(1/d)；x为河段长度(m)；ux为平均流速(m/s).本文地表水环境容量的计算参数见表2.

表2　水环境容量计算参数

注：上游来水即余杭塘河经小灵源闸站预处理后的出水，其CCOD≤20 mg/L，C氨氮≤1.0 mg/L.

2结果与分析

2.1校区水系水质动态变化规律分析

2013年10月至2014年6月对初降雨水、降雨径流、校区水系及余杭塘河水分晴雨天(共计12次)进行常规监测，记录其水质特征，并分析水质动态变化规律.

2.1.1pH及浊度的动态变化

校区水系不同采样位点的pH值基本处于6～9范围之内，且余杭塘河和校区护校河及景观水域>降雨径流>初降雨水(表3)，其中余杭塘河、校区水系不同采样点之间的pH值变化无规律性差异.

浊度表征水体中悬浮物对光线透过的阻碍程度，其大小与水中悬浮物质的质量浓度有关.由表3可知，余杭塘河(采样点1)和降雨径流的浊度远大于校区水系和初降雨水，余杭塘河配水和降雨径流若不经过处理直接进入校区河道，将降低河道透明度.

表3　校区各采样点的水质平均值

2.1.2溶解氧的动态变化

不同月份的监测结果表明，校区河道各采样点水体溶解氧(DO)质量浓度处于5.27～11.32 mg/L之间，并且有随温度升高而降低的趋势，存在较大波动性(图2).主要原因是水体中有机物质分解会消耗水中氧气，温度越高，耗氧速率越大，易引起DO减少.从表3可以看出，降雨径流和余杭塘河水体溶解氧质量浓度明显小于校区河道水体，从DO角度看校区河道水质普遍优于降雨径流和余杭塘河水质.

图2　校园河道水体溶解氧动态变化Fig. 2　DO dynamic changes in water

图3　水体中COD动态变化Fig. 3　COD dynamic changes in water

2.1.3COD的动态变化

监测结果表明：校区水系各采样位点不同时间的COD值无显著性差异，呈现出不规则的波动(图3).究其原因有二：一是水体蒸发引起的浓缩效应导致COD值增大，这部分贡献率很小；二是降雨径流地面冲刷引起COD值增大与充沛的雨量(尤其在4-9月份)引起的水体COD稀释作用之间的动态平衡.由表3可知，配水的余杭塘河COD值约为23.32～45.48 mg/L，经小灵源闸站预处理后，采样位点2、3、4、5、6的COD值有不同程度降低，其中采样位点6为相对封闭的景观河道且未种植任何水生植物，其COD值较水域面积大且植有挺水、沉水生物的护校河段(采样点2、3、4)和种有植物的中央景观池(采样点5)高，说明生物和水容积对水体生物性污染的修复有一定的促进作用.同时，降雨径流的COD值远高于其它采样位点值，说明降雨径流对地面的冲刷效应明显.调查显示校园路面径流中污染物成分主要为COD、悬浮物(SS)、总氮、总磷，其中初期(降雨开始的前20 min)路面径流中所含的COD和SS相对较高(分别为80～160，150～350 mg/L)，随时间推移，路面径流中COD和SS值逐渐降低并趋于稳定，总氮和总磷一般在1.0～4.8和0.11～0.14 mg/L.根据校区雨水排放规划，校区内雨水是进入校内景观水系的，这对水质造成一定影响，与实际监测结果相同.但是实地观察发现，小于5 mm降雨量的降雨不能形成地面径流，主要为地面所吸收，故路面污染物也不会进入校区水体.因此，结合校园雨水管网的铺设及丰富的水系网络，设置集中式雨水收集池并通过人工湿地处理雨水，可有效净化校区水体及余杭塘河，同时也可优化校区的绿地景观.

2.1.4BOD5的动态变化

与COD不同，水体BOD5质量浓度随着时间的推移有一定程度升高，水质存在污染加剧的风险(图4).且随采样时温度的升高，样品中BOD5上升趋势明显.根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，余杭塘河及校区水系中BOD5质量浓度基本处于IV类水体标准.校区景观水域中，BOD5越高，水体中分解作用越强，消耗氧气越多，致使水体中DO降低，直到进入水解酸化阶段，特别是温度较高的春夏季，如不及时处理，河道有变黑发臭的可能.另外采样时间并不在雨季，降雨量相对较小，雨前干期较长，最大雨强较弱，在相同的污染物累积量条件下降雨径流中BOD5明显高于初降雨水及河道水体.降雨径流中BOD5与COD均明显大于地面水系，表明存在非点源污染的风险.

2.1.5NH3-N的动态变化

从图5可见，各采样点水体氨氮值自2014年3月起随温度升高有明显上升趋势.其中2013-10-24的NH3-N突高后骤降，说明存在暂时性的NH3-N污染源.余杭塘河的氨氮值明显高于其他采样点及降雨径流、初降雨水(表3)，污染风险加剧.氨氮污染物主要来自生活污水及农业面源污染.余杭塘河邻近居民生活区，居民日常活动及生活垃圾随意丢弃加剧了水体氨氮的累积.且随周边梦想小镇的发展，车流量增大，汽车尾气中含氮废气的沉降形成水体氨氮新的污染源，水体富营养化风险加大.由于学校路面清扫及时且河堤两岸种植景观植物有效地阻碍了土壤中的氨氮进入水体，挺水植物的适当应用提高了水系的自净化能力，因此校区水系氨氮值明显下降.

图4　水体中BOD5动态变化Fig. 4　BOD5 dynamic changes in water

图5　水体中NH3-N动态变化Fig. 5　NH3-N dynamic changes in water

2.1.6TN的动态变化

由图6可看出，自2014年4月起TN值逐渐升高且波动性较大，可能由于夏季雷雨多发，大气中含氮污染物明显增加，使得降水的总氮有所上升.如表3所示，降雨径流的TN值为8.53～13.24 mg/L，比余杭塘河和校区水系高；其氨氮值(0.585～0.973 mg/L)较余杭塘河低，但显著高于校区水系.

2.1.7TP的动态变化

自2013年12月起水系中TP值持续升高后基本稳定(图7)，处于Ⅴ类水边缘.余杭塘河主要为生活型污染源，含磷洗衣粉、化肥农药的排放造成磷浓度过高.由表3可知，余杭塘河的TP污染较为严重，TP值属于劣Ⅴ类水，最大值甚至是Ⅴ类水的近3倍；校区水系中相对封闭的景观水体总磷也较其他采样点高.

图6　水体中TN动态变化Fig. 6　TN dynamic changes in water

图7　TP质量浓度动态变化Fig. 7　TP dynamic changes in water

图8　叶绿素a质量浓度动态变化　　Fig. 8　Chlorophyll a dynamic changes in water

2.1.8叶绿素a的动态变化

叶绿素是藻类重要的组成成分之一，且所有的藻类均含有叶绿素a，其质量浓度的高低与该水体中藻类的种类、数量等密切相关，也与水环境质量有关.由图8可知，水体中叶绿素a有随温度升高而上升的趋势.叶绿素a质量浓度的季节变化与水温的季节性变化密切相关.冬季由于水温较低，不适宜于藻类的生长繁殖，故在1、2月份叶绿素a质量浓度为全年最低.春季温度逐渐升高，藻类的生长繁殖渐趋旺盛，4、5月份水温达到某些藻类的最适生长温度，故叶绿素a质量浓度出现一个峰值.在夏秋季，水温持续较高，非常适宜于藻类生长繁殖，致使藻类大量繁衍.

表4　校区水系水质现状

2.2校区河道水环境容量测算

根据对校区水系为期半年多的监测可知，校区水系的COD质量浓度较高(>20 mg/L)，氨氮值较低，因此以小灵源闸站预处理出水(C0)计算出的水环境容量较实际有偏差，故采用常规监测的数据(表4)以计算校区水系现有水环境容量(表5).

表5　校区水系现有水环境容量

校区水系水环境容量测算过程中不确定因素众多，动态变化显著且关联性较强，与水量的丰枯变化性相关，得出数据存在不确定性.由于校区河道两岸存在很大部分的绿化用地，也进行了不同程度的绿化加固，从表5可知，在75%和90%的水文保证率下，校区水系的COD和氨氮均存在一定的环境容量.参考测算所得水环境容量，可以宏观掌控水域的纳污能力与自净能力.

2.3校区降雨径流污染源解析

表6　各因子之间的Pearson相关系数矩阵

注：*，P<0.05;**,P<0.01.

为了突出对校区水体污染有指示作用的因素，对pH、DO、浊度、COD、BOD5、氨氮、TN、TP、叶绿素a等9个指标进行多元分析.由表6可知，浊度、TP、COD、氨氮、TN之间均表现极显著相关(P<0.01)；DO与COD、TN和TP达极显著负相关(P<0.01)；BOD5与氨氮、TN、TP和叶绿素a达极显著正相关(P<0.01)；叶绿素a与BOD5、TP呈极显著相关(P<0.01)，与TN显著相关(P<0.05).

校区地表径流中的污染物主要来自于降雨对地表的冲刷，所以地表沉积物是校区地表径流中污染物的主要来源.校区地表沉积物包含许多污染物质，如固态废物碎屑(垃圾)、化学药品(草坪施用的化肥农药)、空气沉降物和车辆排放物等，它的组成决定着校区地表径流污染的性质.应用SPSS 16.0 对2014-04-18，05-10，06-15这3次降雨的地表径流8个指标共24组数据进行主成分分析，其结果见表7.

图9　地表径流主成分荷载值分析Fig. 9　Load values of principal component analysis

表7地表径流的主成分分析结果

Tab. 7Principal component analysis results of runoff

指标成 分PC1PC2 PC3pH0.738-0.573 0.296浊度0.818-0.0490.548DO0.887-0.1390.439COD-0.787-0.4500.423BOD50.270.7800.624氨氮0.846-0.002-0.522TN0.9490.051-0.311TP0.1680.975-0.025方差贡献率/%53.30526.41718.979累计贡献率/%53.30579.72298.702

主成分PC1、PC2和PC3能解释全部变量的98.702% (表7)，说明它们基本包含了以上8 个指标的信息.PC1的贡献率为53.305%，与之密切相关的是pH、浊度、溶解氧、氨氮、TN、COD，BOD5和TP与PC1相关性较小.PC1反映出路面径流水质受到氮和有机污染物的污染，其污染源主要为大气干湿沉降和校区机动车交通损耗.与PC2密切的是pH、BOD5和TP，主要反映了路面径流水质受到磷的污染，其污染源为校区分散放置的垃圾筒.与PC3密切的是浊度与BOD5，反映了路面径流水质受到总悬浮颗粒物和有机污染，其污染源为靠近校区的主干道载土沙工程车的扬尘.路面径流主成分荷载值分析见图9.

根据余杭创新基地统一规划，校区周边区域以发展高等教育及科研产业、金融商业为主，生活污水及生产废水均纳入城市污水管网后经污水处理厂集中处理.合理安排排污口位置及排放量，避免因局部污染而浪费水域整体环境容量；及时清扫地面垃圾，避免其随降雨径流汇入河水造成非点源污染，将对校区水系水质提升有一定效果.

根据对校区周边水系的分析可知，余杭塘河是仓前区域主要的排涝通道，也是校区的配水河道.由于校区水系水位抬高，校园水系与外界水系形成相对独立的区域，因此校区通过小灵源闸站调用余杭塘河适当径流以保证水系生态需水量的要求.据监测结果分析，余杭塘河配水存在引入污染的风险，需要从源头进行水质控制，在不能引入优质水源稀释净化的条件下，在水域周边设置各种形式的截污措施，控制配水河道对校区水环境的点源及面源污染.

另外，校区降雨径流也是主要污染源，可以通过建立人工湿地收集处理雨水，利用水生植物的净化功能对污水进行处理，达到除氮、磷的作用.对于校内景观水域，在保证水体中溶解氧质量浓度的基础上，种植对营养盐有明显吸收作用的挺水植物；定期对水域床底长期积累的底质进行清理，防止浅水水域中因风力扰动造成吸附在底泥砂砾中的污染物形成二次污染.

3结论

经过对校区水系及余杭塘河连续12次采样监测研究，分析其动态变化规律，发现基本属于IV～V类水体，余杭塘河水质相比校区水体存在更大的污染风险，且存在非点源污染.利用一维水质模型测算水环境容量，发现在丰水期与枯水期COD与氨氮均存在一定环境容量.经过主成分分析解析水域中COD与氨氮的污染源主要是大气干湿沉降及校区机动车损耗，BOD5的主要污染源是工程车的扬尘.据此，建议加强路面卫生管理并适当种植景观植物，综合提高水体纳污能力与自净能力，促进水环境改善.

参考文献:

[1] 张千千，李向全，王效科，等.城市路面降雨径流污染特征及源解析的研究进展[J].生态环境学报，2014，23(2):352-358.

[2] 曹高明，杜强，宫辉力，等.非点源污染研究综述[J].中国水利水电科学研究院学报，2011，9(1):35-40.

[3] TAEBI A, DROSTE R L. Pollution loads in urban runoff and sanitary wastewater[J]. Science of the Total Environment,2004,327(1):175-184.

[4] SANSALONE J J, BUCHBERGER S G. Partitioning and first flush of metals in urban roadway storm water[J]. Journal of Environmental Engineering,1997,123(2):134-143.

[5] DELETIC A B, MAKSIMOVIC C T. Evaluation of water quality factors in storm runoff from paved areas[J]. Journal of Environmental Engineering,1998,124(9):869-879.

[6] GROMAIRE-MERTZ M C, GARNAUD S, GONZALEZ A, et al. Characterisation of urban runoff pollution in Paris[J]. Water Science and Technology,1999,39(2):1-8.

[7] TAYLOR G D, FLETCHER T D, WONG T H F, et al. Nitrogen composition in urban runoff-implications for stormwater management[J]. Water Research,2005,39(10):1982-1989.

[8] ABSALON D, MATYSIK M. Changes in water quality and runoff in the Upper Oder River Basin[J]. Geomorphology,2007,92(3):106-118.

[9] 车武，汪慧珍，任超，等.北京城区屋面雨水污染及利用研究[J].中国给水排水，2001,17(6):57-61.

[10] 常静，刘敏，许世远，等.上海城市降雨径流污染时空分布与初始冲刷效应[J].地理研究，2006,25(6):994-1002.

[11] 黄金良，杜鹏飞，欧志丹，等.澳门城市小流域地表径流污染特征分析[J].环境科学，2006,27(9):1753-1759.

[12] 李立青，尹澄清，何庆慈，等.武汉市城区降雨径流污染负荷对受纳水体的贡献[J].中国环境科学，2007，27(3):312-316.

[13] 张庆年.我国城市化可持续发展战略及对策[J].武汉理工大学学报(社会科学版)，2001，14(3):232-235.

[14] 付意成，徐文新，付敏.我国水环境容量现状研究[J].中国水利，2010(1):26-31.

[15] 张晶.城市雨水利用与城市水环境改善的研究[D].大连:大连理工大学,2004.

[16] 王彦红.水体纳污能力计算中各参数的分析与确定[J].山西水利科技,2007，2(2):55-57.

[17] 张文志.采用一维水质模型计算河流纳污能力中设计条件和参数的影响分析[J].人民珠江，2008(1):19-20.

Water Quality Dynamic Changes and Water Environmental Capacity Analysis in Cangqian Campus of Hangzhou Normal University

YUAN Yiquan1, WANG Fan1,2， WANG Jiaojiao1， WANG Yaqi1， WANG Huizhong1

(1. College of Life and Environmental Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China； 2. Key Laboratory of Hangzhou City for Ecosystem Protection and Restoration, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

Abstract:A total of 12 samples were taken from the river/rain water and the rainfall runoff in the new campus of Cangqian with a view to improve the water environment by monitoring the dynamic changes in water quality and measure the water environmental capacity during October 2013 to June 2014. The results show that the quality of Yuhangtang River and campus river ranged from IV class to V class whereas the rainfall runoff contribute much to COD and BOD5 indicating the presence of point source and non-point source pollution. One-dimensional model was introduced to calculate the water environmental capacity. While the result of COD of nursing River and landscape waters under 90% confidence instream flow was 368.48,397.22 t/a and NH3-N was 41.71, 42.82 t/a.Similarly under the 75% confidence instream flow of COD was 594.41,640.77 t/a and NH3-N was 67.28,69.07 t/a.

Key words:Cangqian campus; water quality; water environmental capacity; pollution source

收稿日期：2015-08-06

基金项目：国家科技支撑计划项目(2012BAC13B02).

通信作者：王繁(1976—)，男，副研究员，主要从事湿地生态系统保护与恢复等研究.E-mail：wangfan@hznu.edu.cn

doi:10.3969/j.issn.1674-232X.2016.03.006

中图分类号:X522

文献标志码:A

文章编号:1674-232X(2016)03-0252-08