大沽河入海口污染物浓度多时间尺度变化特征分析❋

岳玲莉， 高会旺， 乔 飞， 刘明君(.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 26600； 2.青岛市环境保护局，山东 青岛 26600； .中国环境科学研究院，北京0002)

大沽河入海口污染物浓度多时间尺度变化特征分析❋

岳玲莉1，2， 高会旺1❋❋， 乔 飞3， 刘明君1
(1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100； 2.青岛市环境保护局，山东 青岛 266003； 3.中国环境科学研究院，北京100012)

大沽河是胶州湾周边径流量最大的入海河流，明确其入海口污染物浓度的变化特征对胶州湾实施陆源污染控制具有重要的意义。本文利用2001—2013年的月监测数据和2013年的日监测数据，分析了大沽河入海口CODcr和NH4-N浓度的年际、月际和日变化特征及其影响因素。从年际变化看，CODcr和NH4-N的浓度呈下降趋势，自2004年始达到了水功能区标准要求；2001—2007年的污染物浓度下降主要源于点源污染治理，2008年始非点源污染上升为主要污染源，污染物浓度没有明显下降。从月际变化看，受降雨径流的冲刷、稀释以及农田肥料流失的影响，CODcr和NH4-N的浓度随降雨量增大而增大。从不同水期日均值的变化看，CODcr和NH4-N浓度也与降雨量有关，其日均浓度呈现丰水期高、平水期和枯水期低的变化特征。

大沽河；胶州湾；入海口；污染物浓度；水质；降雨量

对水体污染物浓度变化特征进行分析是水环境治理的重要基础工作，深入分析水质变化特征，有利于找出水环境污染原因，从而进行有针对性的污染治理。河流入海口作为陆源污染物进入海湾的通道，明确其多时间尺度污染物浓度的变化特征，对实施河流与海湾陆源污染控制，实现陆海统筹管理具有重要的意义。美国自1972年起实施的TMDL(Total Maximum Daily Loads)计划，主要基于对河流水质的精确分析，同时考虑季节变化等因素的影响，确定水体最大日负荷量，进而采取适当的污染控制措施改善水环境[1-2]，该计划对切萨皮克湾水环境改善具有重要的意义。河口的污染物浓度存在不同时间尺度的变化，原因可能包括陆源点源、非点源污染排放、降水、感潮影响等因素。其中，降雨冲刷带来的非点源污染被认为是造成河流污染和受纳水体水质下降的重要因素[3]。Paerl等[4]在北卡罗来纳州纽斯河河口的研究表明，降雨能够导致河口营养盐浓度的升高及初级生产能力的上升。Burkholder等[5]研究表明，降雨不仅影响初级生产力，而且对河口生态系统产生影响。

大沽河是青岛的“母亲河”，多年平均径流量占胶州湾入海河流年均总径流量的85%[6]，入海污染物质对胶州湾水环境的影响不可忽视。王为民等[7]在2012年7—8月暴雨前后对胶州湾入湾河流进行的观测表明，降雨径流和湿沉降过程带来的大沽河淡水输入量增加给胶州湾西部海域生态带来的影响比东部海域更为剧烈。因此，分析大沽河入海口污染物浓度及降雨径流的影响无疑可为更好地实施胶州湾陆源污染控制，进而改善胶州湾水环境提供科学参考。学者对于大沽河水质进行了一些研究，如徐进等[8]基于2002年水质监测值利用模型对大沽河水质进行了模拟预测；周贵忠等[9]用模糊数学法对2004年大沽河水质进行了评价；孟春霞等[10]用综合评价法评价了大沽河2000—2005年水污染状况；赵秀春[11]用灰色关联法评价了2003—2007大沽河水质。已有研究多侧重于方法研究或基于大沽河干流若干年均值或年内若干次监测数据的分析，难以准确反映出大沽河入海口多时间尺度水质变化状况。大沽河入海断面作为其陆源污染物进入胶州湾的最后一个淡水断面，污染物浓度在时间尺度上的变化较为复杂，常常给水质评价、河流与海湾的污染控制带来困难，进行多时间尺度变化特征及其影响因素分析显然十分必要，然而该类分析目前仍较为欠缺。本文重点对大沽河入海口污染物浓度的年、月和日变化特征及降雨径流的影响进行分析，从而为揭示入海口水质变化特征与水体污染原因，以及开展胶州湾陆源污染控制提供基本的数据支持和参考。

1 研究方法

1.1 研究区域

大沽河发源于烟台市辖招远阜山，自北曲折南流，干流全长179.9 km，流域总面积6 131.3 km2，由莱西市马连庄镇西巨家村进入青岛境内，流经莱西、平度、即墨、胶州、城阳等区市，于胶州市营房镇码头村南入胶州湾。流域地处暖温带亚湿润季风气候区，北部为山区和浅山丘陵区，南部为山麓平原和平原洼地，地势北高南低，地形坡度由北向南逐渐变缓。多年平均降水量675.6 mm，主要集中在7—9月，与华北地区多数小流域类似，大沽河属于雨源性季节性河流，丰水期径流量较大，平水期相对较小，枯水期下游河段时常出现干涸无水现象。大沽河斜拉桥断面位于120°7′11″E、35°59′50″N的南庄闸，是大沽河进入胶州湾的最后一个淡水监测断面，其干流和主要支流的淡水和污染物均经此入海(见图1)。本文以该断面水质监测资料为基础，开展大沽河入海口污染物浓度的多时间尺度变化特征研究。

1.2 数据来源和分析方法

污染物浓度多时间尺度变化分析 年际变化分析利用2001—2013年青岛市环保局的历史监测数据，进行年均污染物浓度变化特征与趋势分析。监测方法为人工采样监测，监测频次2001—2002年为隔月1次，2003—2013年为每月1次。年内变化分析利用斜拉桥断面2013年1月1日—12月31日每4 h 1次的自动监测资料，计算污染物浓度月均值、日不同时间污染物浓度均值，进而分析大沽河入海口污染物浓度的月变化和日特征。2013年1—3月，大沽河下游河段出现断流，数据缺失。对于异常监测数据采取3倍均方差法予以剔除。

污染物浓度指标选取 从国家水污染治理政策导向看，“十二五”和“十三五”期间，环保部均将CODcr和NH4-N作为河流主要污染控制指标。根据文献[10-11]对2000—2005年和2003—2007年大沽河水质评估结果，前者将CODcr、悬浮物和NH4-N列为主要超标因子，后者将CODcr、TP和NH4-N列为主要超标因子，说明CODcr和NH4-N仍为大沽河最主要的污染因子。因此，本文水质指标选取河流主要污染指标CODcr和NH4-N进行分析。

污染物浓度与降雨量及径流量的关系分析 采用山东省水文局2001—2013年在山角底观测站观测的径流量数据，以及2013年逐日降雨量数据。该观测站位位于大沽河的下游，自该观测站位至入海口低潮线为大沽河河口滩涂的范围。

2 结果与讨论

2.1 大沽河入海口污染物浓度变化分析

2.1.1 2001—2013年污染物浓度年际变化 如图2所示，2001—2013年大沽河入海口CODcr浓度年均值约25 mg/L，波动幅度较小，变化范围为20～40 mg/L，最大值与最小值相差约1倍。NH4-N浓度年均值约0.7 mg/L，波动幅度较大，变化范围为0.2～4.2 mg/L，最大与最小值相差约20倍。2001—2005年，CODcr和NH4-N浓度均呈明显的下降趋势，2005年后波动变化。自2004年开始，CODcr浓度降至30 mg/L以下，之后在20～30 mg/L之间波动，达到了地表水环境质量标准(GB3838—2002)Ⅳ类水质标准要求(CODcr浓度≤30 mg/L)，该标准为该断面所在的水功能区工业用水区及排污控制区的水质标准。自2004年开始，NH4-N浓度降至1 mg/L以下，之后在0.2～0.7 mg/L之间波动，达到地表水环境质量标准Ⅲ类水质标准要求(NH4-N浓度≤1 mg/L)。

2001—2004年，CODcr和NH4-N的年均浓度逐年降低，可从青岛市同期实施的点源污染控制措施得到解释。进入21世纪以来，青岛市重视水源地管理， 2003年印发了《青岛市水功能区划》，对全市地表和地下水实施分级管理，大沽河70%以上河段确定为饮用水源区；2003、2004年先后颁布了地下水和地表水水源保护区划；同时，对大沽河水源地实施源头污染控制，严控涉水企业审批，严格环境执法监管。大沽河汇水区域内的区市对工业污染源和城镇生活污染源采取工程措施实施治理，通过建设污水处理厂等市政设施减少污染排放，并优化污水处理厂尾水排放去向，以保护大沽河水源地。如图3所示，大沽河流域污水处理能力自2001年至2013年不断增长。其中，2001—2004年增长速度较快，2004年污水处理能力约为2001年的2倍。2000年底，莱西市污水处理厂二期建成并投入运行，增加污水处理能力2.7万t/d，达到国家污水综合排放标准一级排放标准，据莱西市环保部门测算，废水中主要污染物去除率达95%，2000—2008年CODcr减排量约1万t。平度市南村镇位于大沽河西岸，是区域经济发展较快的乡镇，化工、电子、纺织印染行业产生的污水为该区域主要污染来源。为减少污染排放，南村污水处理厂于2003年12月竣工并运行，日处理污水1万t，不但解决了城区污染问题，也减少了对大沽河的污染。随后城阳上马污水处理厂、即墨南泉污水处理泵站等市政设施也相继建成，集中处理城镇生活和工业污水。上述污水处理厂尾水排放去向多数进行了优化设置，排向嵯阳河、五龙河、墨水河等其它水域，减少了大沽河污染物排放量。点源污染治理措施带来了大沽河水环境质量的改善，污染物浓度显著降低。尽管自2007—2013年又陆续增加了20万t/d污水处理能力，但污染物浓度并未继续下降，原因在于随着点源污染物排放量占比逐步下降，2008年起非点源占比逐步上升，并逐步成为主要污染源[12-13]。因非点源污染源具有排放方式复杂、排放范围较广等特点，故治理难度较大，采取的措施或治理的效果不明显，相应地，入海口污染物浓度下降趋势减缓，并呈波动变化趋势。

2.1.2 2013年污染物浓度月际变化特征 如图4所示，2013年大沽河斜拉桥断面CODcr浓度月均值为18～26 mg/L，达到Ⅳ类水质标准要求；NH4-N浓度月均值为0.1～0.3 mg/L，达到地表水环境质量标准Ⅱ类水质标准要求。CODcr和NH4-N浓度月均值波动幅度不大，但最大值与最小值的差值即浓度极差均较大，有的月份甚至超过均值，极差最大的月份出现在丰水期7月，也是年内出现浓度最大值的月份。曹正梅等[14]对2012年大沽河干流水质综合污染指数的分析也表明，多数断面丰水期综合污染指数最大。

2.1.3 2013年污染物浓度的日变化特征 如图5所示，斜拉桥断面CODcr浓度2013年每4 h的均值约为(23.6±1.0) mg/L，NH4-N浓度平均值约为(0.19±0.01) mg/L，波动幅度较小。每一时间点的浓度极差均较大，CODcr浓度极差与均值基本相当，NH4-N浓度极差超过均值约3倍。若流域主要污染源为城镇生活点源，则各时间点的污染物排放应有一定的规律性，如人群生活用水高峰期往往会带来污染物浓度的上升[15]。而非点源污染物主要通过降雨径流入河，因此污染物浓度变化可能受降雨径流的冲刷和稀释双重影响，即降雨初期受冲刷影响带来污染物浓度的大幅度升高，而连续降雨后大沽河作为雨源型季节性河流水量开始增大，对污染物浓度构成稀释作用。同时，因连续降雨的持续冲刷作用，积存的污染物量开始减少，冲刷与稀释的双重影响造成年内同一时间点污染物浓极差较大，而全年不同时间点的污染物浓度的均值波动较小。

2.2 大沽河入海口污染物浓度变化与降雨径流关系

2.2.1 年均污染物浓度与年径流关系 对大沽河入海口CODcr和NH4-N的年均浓度与年径流量的关系分别进行Pearson相关性分析，发现没有明显的相关性。如图6所示，2003、2007和2008年径流量相对较大，约为7.1～9.7亿m3/a，2002、2006和2012年径流量较小，约为0.6～1.5亿m3/a，最低值与最高值相差约15倍。一方面，从非点源污染的排放看，尽管雨水冲刷能将农村生产与生活产生的非点源污染物带进河流，但降雨带来的径流污染显然有较强的时效性，年径流量和污染物浓度的年均值不能够很好地反映降雨径流对污染物浓度带来的变化；另一方面，污染物年均浓度呈现的整体下降趋势主要源于受政府多年来采取的污染治理措施影响(见图3)，尤其是2007年以前的点源污染治理措施带来的污染物浓度持续下降，而这一因素与降水径流无关。

2.2.2 年内污染物浓度变化与降雨径流的关系 如图7所示，对2013年CODcr浓度月均值与月降雨量关系的分析表明，3—5月，CODcr浓度与降雨量均呈上升趋势；5月降雨量最大，月降雨量达到133 mm，CODcr浓度处于上升阶段；6月降雨量仅为30 mm，但CODcr浓度为全年最高；7—12月CODcr浓度与降雨量均呈下降趋势，中间略有波动。虽然污染物浓度与降雨量并非完全相关，但趋势上有一定的对应关系。河口污染物浓度影响因素众多，其变化往往比较复杂，但显然降雨因素起到了一定的作用。

降雨强度是影响初始冲刷效应的主要因素，一般强度较大的降雨冲刷效应较为明显[16]。从非点源污染的排放看，历时短、强度高的降雨对径流污染的贡献可能达到50%以上[17]。本文分析认为：3—4月随降雨季节的来临，农村和农业面源污染物不断被冲刷入河，使CODcr浓度呈增高趋势；5月的降雨量较大，一定程度稀释了污染物的浓度；6月降雨量相对较小的情况下，污染物既随降雨径流冲刷入河，又难以达到对污染物的稀释效应，污染物浓度呈现最高；7—8月是青岛市的丰水期，随雨季的持续，污染物随着径流不断被冲刷入河，非点源区域残存的污染物开始减少，CODcr浓度开始下降；10月降雨量明显下降，河流水量变少，接近静流状态，加之蒸发作用，污染物浓度有所上升；11月降雨量小幅升高，污染物再次随雨水冲刷入河，浓度小幅上升；12月无降雨量，大沽河开始进入枯水季节，污染物浓度较最低。

对2013年NH4-N浓度的月均值与月降雨量关系的分析表明，NH4-N浓度与降雨量的关系与CODcr浓度与降雨量的关系并不完全相同。3—5月，NH4-N浓度与降雨量反向变化；7—11月NH4-N浓度与降雨量趋势近乎相同，降雨量上升时，NH4-N浓度上升，降雨量下降时，NH4-N浓度下降。研究表明，农业生产已成为陆地生态系统中重要的氮素排放源，也是大多数河流湖泊水体污染主因之一[18]。中国粮食作物氮肥利用率远低于世界平均水平，小麦和玉米氮肥利用率分别为28%和26%[19]，远低于世界平均水平54%和63%[20-22]，大多氮素最终流失而进入河道或湖泊。大沽河流域是青岛市的粮食主产地，主要农作物为小麦和玉米。分析认为，在降雨带来的冲刷和稀释双重作用下，入海口NH4-N浓度的变化主要受农业活动肥分流失造成的非点源污染排放影响。3—5月，雨量逐步增大，但因北方气候特点，农耕刚刚开始，农田施肥季节尚未来临，所以尽管雨量增大，但NH4-N浓度反而因稀释作用呈下降趋势；6月开始，雨季来临，农田也进入施肥季节，以氮肥为主的化肥被持续冲刷入河，造成NH4-N浓度开始升高。7—9月是青岛的丰水期，随着降雨量的增大，农村和农业种植施肥带来的非点源污染物不断被冲刷入河，使NH4-N浓度不断增高。8—10月，农作物相继进入收获期，施肥减少，且因7月的持续降雨冲刷，土壤中氮肥残余量渐少，NH4-N浓度持续降低。11—12月，枯水季来临，降雨量趋近于0，加上蒸发的作用，水体中的水量越来越少，NH4-N浓度趋于上升。综上，大沽河流域作为典型的农耕区，NH4-N浓度受农田径流带来的污染作用十分明显，丰水期同时受降雨冲刷、稀释、化肥溶淋等的叠加影响，平水期和枯水期则受水量较少与蒸发的影响。

对2013年大沽河斜拉桥断面污染物浓度日均值的进一步分析表明，CODcr和NH4-N浓度最高值均出现在7月16日，推测可能与此间的降雨量较大相关。根据2013年7月气象统计数据，当月青岛市有23天出现了降雨，其中6天降雨量达到了中雨，2天降雨量达到了大雨，其余多为阵雨。如图8所示，对7月7—31日连续降雨期间CODcr和NH4-N浓度周均值进行分析，发现7月13—18日为降雨强度较大的一周，恰好也是CODcr和NH4-N浓度处于高值期间的一周，其日均最高值均出现在此期间。进一步分析发现，由于降雨冲刷和稀释的双重作用，降雨期间污染物浓度呈现出最大值和最小值差异较大的特点，CODcr浓度的最大值约为最小值的1.8～3.5倍，NH4-N浓度的最大值约为最小值的1.5～14倍。

根据美国国家环保局的报告，降水带来两大影响因素：地表径流的水量和流速，以及降雨径流中携带的污染物浓度[23-24]。已有研究表明，降雨强度与持续时间达到一定的值之后，则会产生径流冲刷带来的污染负荷[25]。大沽河流域枯水期、平水期的雨强均较小，不足以形成径流冲刷污染，而丰水期形成的径流对河流污染产生影响。

如图9所示，根据2010年青岛市环境统计及对大沽河流域进行的污染源调查结果，大沽河流域主要污染源贡献是非点源污染，其中，CODcr和NH4-N畜禽养殖源排放占比均达到40%以上，农田径流源排放占比均达到30%以上。与非点源污染排放的不确定性相比，点源污染排放在一定时期内可以视为常数。由此推断，大沽河流域丰水期污染物浓度较大的主因在于降雨冲刷带来的非点源污染。

2.2.3 不同水期污染物浓度日变化特征 对不同水期CODcr和NH4-N浓度的均值、最大值和最小值进行对比分析表明，不同水期CODcr和NH4-N浓度的均值差别不明显，而浓度的极差均表现为：丰水期大于平水期和枯水期，其中最大值均为：丰水期>平水期>枯水期(见图10)。这一结果反映了丰水期降雨冲刷携带大量的污染物导致其浓度升高、持续降雨的稀释作用带来污染物浓度降低的双重作用，与上文中对2013年7月4个降雨周的分析相呼应。

3 结论

(1)大沽河入海口断面2001—2013年CODcr和NH4-N浓度的年均值分别为20～40 mg/L和0.2～4.2 mg/L，呈下降趋势。2001—2004年下降趋势明显，2005—2013年为波动下降趋势。自2004年始，CODcr和NH4-N浓度分别降至20～30和1 mg/L以下，达到水功能区标准要求。2001—2007年污染物年均浓度的降低源于点源污染治理效应；自2008年始，非点源污染上升为主要污染源，污染物浓度没有明显下降。

(2)对2013年内污染物浓度的月际变化分析表明，CODcr浓度月均值为18～26 mg/L，优于Ⅳ类水质标准要求；NH4-N浓度月均值为0.1～0.3 mg/L，达到Ⅱ类水质标准要求。CODcr浓度月均值的变化受降雨冲刷和稀释双重影响，初期冲刷后浓度升高，连续较强的降雨后期受水量增大的稀释作用影响，污染物浓度有所降低。NH4-N浓度不但受降雨冲刷和稀释的影响，同时受农业施肥活动季节变化带来的非点源污染的影响。

(3)2013年，CODcr和NH4-N浓度日均值的最大值均出现在7月，与该月连续降雨期间的降雨量相对应，该月CODcr和NH4-N浓度处于高值的一周对应于降雨量较大的一周，主要受降雨带来的农业非点源污染物的影响。受降雨冲刷带来的非点源污染物增多和降雨量带来的水量较大稀释作用的影响，在降雨期间污染物浓度最大值和最小值的差异较大，CODcr浓度相差1.8～3.5倍，NH4-N浓度相差1.5～14倍。

(4)对不同水期CODcr和NH4-N浓度的均值、最大值和最小值进行对比分析表明，浓度的极差均表现为丰水期大于平水期和枯水期，其中最大值均表现为丰水期>平水期>枯水期。降雨径流带来的非点源污染导致丰水期污染较其他水期严重，非点源污染排放不容忽视。

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责任编辑 庞 旻

Multi-Time Scale Variations of Pollutants in the Estury of Dagu River

YUE Ling-Li1, 2, GAO Hui-Wang1, QIAO Fei3, LIU Ming-Jun1

(1.Key Lab of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China； 2.Qingdao Municipal Environmental Protection Bureau, Qingdao 266003, China; 3.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)

To find out multi-time scale variations of pollutants in the estury of Dagu River, the annual, monthly, and daily concentration of pollutants was studied and associated with precipitation and runoff based on the annual data from 2001 to 2013 and daily data in 2013. The annual concentration of CODcr and NH4-N was 20～40 and 0.2～4.2 mg/L from 2001 to 2013, and both showed a decreasing trend, especially from 2001 to 2004. Since 2004, the concentration of CODcr and NH4-N decreaseed to 20～30 mg/L and <1 mg/L, which reached the water quality standard of the function zone. The concentration of pollutants decreased from 2001 to 2007 owing to the treatment of point source pollution. The concentration of pollutants has not decrease since 2008 due to the non-point pollution being the main source of pollution. According to the monthly and daily concentration of pollutants in 2013, the monthly concentration of CODcr and NH4-N was 18～26 and 0.1～0.3 mg/L reaching the water quality standards of Class Ⅳ and Ⅱ. The water pollution was more serious during the wet season and related to the non-point pollution from strong precipitation. The high concentration of CODcr and NH4-N corresponds to the high precipitation. The concentration of CODcr was effected by washing and dilution from precipitation and runoff. As for NH4-N, except for these two factors, its concentration was also influenced by non-point pollution from agricultural planting and fertilization. The study showed the characteristics of multi-time scale variation and its various factor, and supplies basic research materials for the treatment of water pollution in Dagu River estuary and Jiaozhou Bay.

Dagu River; Jiaozhou Bay; estuary; nutrient concentration; water quality; rainfall and runoff

国家自然科学基金-山东省政府联合资助海洋科学研究中心项目(U1406403); 国家自然科学基金项目(41306100)资助 Supported by NSFC-Shandong Joint Fund for Marine Science Research Centers (U1406403); National Natural Science Foundation of China (41306100).

2016-04-05;

2016-05-25

岳玲莉(1972-)，女，博士生，主要研究方向为环境科学。E-mail: lly9190@126.com

❋❋ 通讯作者：E-mail: hwgao@ouc.edu.cn

X131.2

A

1672-5174(2017)06-008-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20160205

岳玲莉， 高会旺， 乔飞， 等. 大沽河入海口污染物浓度多时间尺度变化特征分析[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2017, 47(6): 8-16.

YUE Ling-Li, GAO Hui-Wang, QIAO Fei, et al. Multi-time scale variations of pollutants in the estury of Dagu River[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(6): 8-16.