松花江哈尔滨城区段汇入支流水质污染评价及影响因素分析

高青峰，郭 胜，阙志夏，宋梓菡，崔 嵩*，付 强，刘 东，李天霄

（1.哈尔滨市水务科学研究院，哈尔滨 150090；2.东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨 150030）

松花江是中国七大江河之一，水质状况影响流域内工农业生产、饮用水安全。哈尔滨市辖区5.3万km2属于松花江流域，汇入松花江城市内河水质影响松花江水体环境。哈尔滨市城区汇入松花江一级支流包括发生渠、阿什河、马家沟、何家沟、运粮河，由于主城区人口密集、环境复杂、污染源多，支流水质污染状况与松花江哈尔滨段及其下游水环境质量密切相关。学界对河流城区段污染非常关注，高学民系统研究并评价长江沿程10个城市和20条内湖内河水质污染状况[1]；周文瑞研究汾河太原城区段河流黑臭问题，应用大气扩散模型，定量揭示臭气对周边环境影响[2]；庆旭瑶研究并评价重庆市主城区次级河流水环境污染特征[3]；王洪涛等研究开封城市河流表层沉积物重金属分布、污染来源并作出风险评估[4]。对于松花江哈尔滨城区段，目前研究关注阿什河流域及何家沟污染状况，其他支流污染状况调查及水质评价不足。马文广等对阿什河流域氮磷污染研究结果表明，阿什河TN和TP进入松花江排放量分别为5 436.6 t和554.8 t，峰值分别由夏汛或春汛造成，且TN、TP浓度均超标，污染源以非点源污染为主[5-7]；马放等运用SWAT模型模拟退耕还林、等高种植、化肥减量与植被过滤带等非点源污染控制措施及其综合效果[8]；王力对何家沟污染状况及其污染源作系统调查[9]。

通常选择适当水质参数、水质标准和评价方法评价水质污染，划分水环境污染程度等级和判定污染类型，也是合理开发利用和保护水资源基础工作。目前，水质污染评价方法常用单因子评价法[10]、污染指数法[11]、模糊评价法[12]、灰色系统评价法[13]、层次分析法[14]、人工神经网络法[15-16]和水质标识指数法[17]等。单因子评价法评价结论对水质过分保护；污染指数法无法判断综合水质类别；模糊数学法、灰色系统评价法、层次分析法、人工神经网络法对综合水质为劣Ⅴ类水评价结论偏保守；水质标识指数法对Ⅰ～Ⅴ类水评价结论具有科学合理性，并且解决劣Ⅴ类水质连续性描述问题[17]。因此，本文在4条汇入支流布设采样断面105个，监测主要水质指标污染水平，以水质监测数据为基础，采用单因子水质标识指数法和综合水质标识指数法[17]综合评价研究区域河流，探究影响松花江哈尔滨城区段水质状况主要因素，以期为流域水环境管理、河流污染治理以及河长制实施提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况与监测断面布设

研究区域为松花江哈尔滨城区段入江一级支流，包括发生渠、马家沟、何家沟、运粮河4个研究对象，其中发生渠、马家沟、运粮河从入江口至源头均匀布设采样点，分别标记为FS1～FS2、MJ1～MJ50、YL1～YL24，何家沟由干流、西沟、东沟组成，采样点由干流入江口至东西两源均匀布设分别标记为干流（HJ1～HJ6）、东沟（HJ-ET1～HJET8）、西沟（HJ-WT1～HJ-WT11），河流基本概况和监测断面详见表1和图1。

1.2 样品采集

在发生渠、马家沟、何家沟、运粮河沿程均匀布设105个监测断面，分别于枯水期、丰水期水体采集样品，基于五点采样法取每个监测断面河流距水面以下0.2 m处表层水。取250 mL水样沿溶解氧瓶壁注入瓶中，避免样品曝气或产生气泡，加入固定剂（1 mL硫酸锰和2 mL碱性KI叠氮化钠溶液），避光保存，以备检测DO浓度；取250 mL样品注入玻璃瓶中，加入固定剂（硫酸），4℃下保存，检测CODcr浓度；取250 mL样品注入溶解氧瓶，0～4℃避光保存，检测BOD5浓度；取250 mL样品注入玻璃瓶中，加入固定剂（0.5 mL硫酸），检测TP浓度；取250 mL样品注入聚乙烯瓶中，加入固定剂（硫酸），-20℃贮存，检测TN浓度。

1.3 水质评价指标检测方法

DO指标采用GB 7489-1987《碘量法》测定浓度（mg·L-1）；CODcr指标采用HJ 828-2017《重铬酸盐法》测定浓度（mg·L-1）；BOD5指标采用HJ 505-2009《稀释与接种法》测定浓度（mg·L-1）；TP指标采用GB 11893-1989《钼酸铵分光光度法》测定浓度（mg·L-1）；TN指标采用HJ 636-2012《碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》测定浓度（mg·L-1）。

1.4 水质标识指数法

1.4.1 单因子水质标识指数法

单因子水质标识指数利用实测数据对照分类标准对比分析，可完整标识水质评价指标类别、水质数据、功能区目标值等重要信息，定性判断水质类别，可定量分析水质数据[17]，非溶解氧指数和溶解氧指数单因子水质标识指数定义如下：

式中，Pi/PDO为第i项/DO单因子水质标识指数；ci/cDO为第i项/DO水质指标实测质量浓度；Ki/KDO为第i项/DO水质指标所处水质类别（由实测ci/cDO参考《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）确定各项指标水质类别），可取值为1，2，…，6；sik上和sik下分别为第i项水质指标在第Ki类水质区间上限值和下限值，sDO,k上和sDO,k下分别为DO水质指标在第KDO类水质区间上限值和下限值。

表1 河流基本水文特征Table 1 River basic hydrological characteristics

当水质指标为劣Ⅴ类时，非溶解氧指数和溶解氧指数分别用公式（3）和（4）计算。

1.4.2 综合水质标识指数法

综合水质标识指数法在单因子水质标识指数法基础上，削弱超标指标影响，完整表达河流总体综合水质信息[17]，其定义为：

式中，I为综合水质指标指数；m为参加综合水质评价水质单项指标数目；P1，P2，Pm分别为第1，2，m个水质因子单因子水质指数。

2 结果与分析

2.1 污染状况分析

2.1.1 总体分析

在所设105个监测断面中，由于水文特征和气候等原因，枯水期部分监测断面出现断流情况，未采集到有效样品。因此，本研究通过188组有效样品分析其主要水质指标时空分布特征分析，作水质评价。

图1 松花江哈尔滨城区段水质监测断面分布Fig.1 Location of water quality monitoring section of Harbin urban of Songhua River

河流枯水期、丰水期水质指标浓度平均值如表2所示。依据GB 3838-2002《地表水环境质量标准》，DO浓度平均值范围是3.01～7.48 mg·L-1，属Ⅱ类～Ⅳ类水质，其中马家沟DO浓度最大，自净能力最强，枯水期、丰水期DO浓度最低的分别为何家沟和发生渠，表明自净能力相对较弱；CODcr浓度平均值范围52.42～135.12 mg·L-1，是Ⅴ类水质3.49～9.01倍，BOD5浓度平均值范围13.40～54.80 mg·L-1，是Ⅴ类水质1.34～5.48倍，表明有机污染严重，其中马家沟丰水期污染最为突出，何家沟全年污染均较严重；TP浓度平均值范围0.13～0.97 mg·L-1，最低浓度达到Ⅲ类水质，最高浓度超出Ⅴ类水质2.4倍，枯水期运粮河、何家沟浓度较高，丰水期马家沟浓度最高；TN浓度平均值范围1.39～22.85 mg·L-1，最低浓度达到Ⅳ类水质，最高浓度超出Ⅴ类水质11.42倍，枯水期发生渠浓度最高，丰水期何家沟浓度最高。

由此可见，松花江哈尔滨城区段河流污染较为严重，全年污染状况为马家沟＞何家沟＞发生渠＞运粮河，季节性污染程度为枯水期＞丰水期。马家沟、何家沟有机污染严重超标，发生渠、运粮河氮、磷超标，污染情况均存在明显时空分布差异性特征。

2.1.2 时间变化分析

枯水期和丰水期发生渠、马家沟、何家沟和运粮河水质指标变化情况如图2～5所示，其中空白表示无有效数据。从图2～5可知，枯水期和丰水期各项水质指标总体变化趋势相似。

由DO监测浓度可知，发生渠为枯水期＞丰水期，但枯水期FS5断面浓度为最低值，表明发生渠在该断面水体自净能力骤减；马家沟在MJ34～MJ50和MJ1～MJ5段浓度呈现高低值交替，浓度枯水期＞丰水期，枯水期MJ45断面出现浓度最低值；何家沟则表现为丰水期＞枯水期，枯水期HJ-WT11断面浓度达最低值；运粮河DO浓度则呈不同变化特征，YL15～YL24、YL1～YL4段浓度呈现枯水期＞丰水期，YL5～YL14段浓度呈现丰水期＞枯水期，枯水期YL5断面浓度达最低值。

表2 松花江哈尔滨城区段水质指标浓度平均值Table 2 Mean concentration of water quality index in Harbin urban of Songhua River (mg·L-1)

图2 发生渠水质指标监测浓度季节性对比Fig.2 Comparison of monitoring concentrations of water quality index of Fasheng Channel in different seasons

图3 马家沟水质指标监测浓度季节性对比Fig.3 Comparison of monitoring concentrations of water quality index of Majia River in different seasons

水质指标CODcr和BOD5同为有机污染衡量指标，在枯水期和丰水期沿程变化相似。发生渠、马家沟、何家沟CODcr和BOD5浓度整体呈丰水期＞枯水期，仅个别断面枯水期浓度骤增而高于丰水期（FS5、MJ31、MJ42、HJ-WT5～HJ-WT11）。另外，丰水期马家沟MJ42断面CODcr浓度达1 390 mg·L-1，是Ⅴ类水约92倍，属有机污染物重度污染，因该监测断面建材企业分布密集，丰水期工业废水对马家沟造成污染；运粮河随季节变化呈高低值交替现象，具体表现为枯水期＞丰水期，枯水期YL5断面浓度达最大值，丰水期YL6断面浓度达最大值。

TP浓度在枯水期和丰水期变化趋势相似，个别断面监测浓度骤增，可作为重点防治断面。发生渠TP监测浓度为枯水期＞丰水期，FS5断面浓度骤增，达1.29 mg·L-1，超出地表水质Ⅴ类标准约3倍，其余断面TP浓度皆优于Ⅴ类水；马家沟、何家沟TP监测浓度呈现丰水期＞枯水期，丰水期MJ8、MJ32、MJ36、MJ42～MJ43、HJ6、HJ-WT1、HJ-WT2、HJ-WT9和HJ-WT10断面监测浓度和枯水期HJ-WT9、HJ-WT10断面监测浓度，是Ⅴ类水浓度3～11倍，表明这些断面污染较严重；运粮河TP监测浓度枯水期＞丰水期，枯水期YL11、YL13、YL21断面监测浓度，丰水期YL6、YL24断面监测浓度均超过Ⅴ类水。

4条汇入支流TN浓度在枯水期和丰水期沿程变化相似，TN监测浓度呈现枯水期＞丰水期，少数断面浓度骤增，可视为重点治理断面。发生渠枯水期TN监测浓度远大于丰水期，是丰水期浓度近20倍，是Ⅴ类水10倍，因发生渠枯水期有大量含氮污染物进入河流，造成严重氮污染；马家沟、何家沟在枯水期和丰水期氮污染相对严重，是Ⅴ类水0.5～14.1倍，HJ-WT11断面监测浓度达122 mg·L-1，为TN监测浓度最大值。

图4 何家沟水质指标监测浓度季节性对比Fig.4 Comparison of monitoring concentrations of water quality index of Hejia River in different seasons

2.1.3 空间变化分析

变差系数（Coefficient of variance）是反映水质指标离散程度统计量，Cv值越大，水质指标离散程度越大，差异性越明显；Cv＞1.0为强变异，说明水质指标空间差异性大。松花江哈尔滨城区段4条汇入河流枯水期和丰水期各水质指标标准差及变差系数见表3。参照变差系数，发现同一时期水质指标在河流各个断面分布不均，空间差异性明显。马家沟是变差系数最大河流，CODcr、BOD5、TP变差系数均在马家沟丰水期最高，DO、TN变差系数最高值在何家沟枯水期，运粮河相对其他河流变异系数最小，与河流水文特征、流域面积以及流域内污染源分布情况有较大相关性。结合图2～5，对各监测断面水质指标分析，发生渠枯水期水质指标变差系数为TP＞CODcr＞BOD5＞DO＞TN，主要原因是在FS5监测断面TP、CODcr、BOD5浓度相对其他监测断面骤增，DO浓度骤减，表明该断面有机污染、磷污染加剧，且水体自净能力降低，TN变异系数虽小，但河流整体氮污染异常严重，由于监测断面南岸工业区废水、北岸大面积农田对河流造成污染；丰水期水质指标变差系数为 TN＞TP＞BOD5＞CODcr＞DO，主要原因是FS1监测断面TN、TP、BOD5、CODcr监测浓度骤增高于其他断面，DO浓度低于其他断面，表明该断面氮、磷污染加剧，水体自净能力降低，由于监测断面两岸大面积农田存在氮、磷残留物，在丰水期随农田径流对河流造成污染。

图5 运粮河水质指标监测浓度季节性对比Fig.5 Comparison of monitoring concentrations of water quality index of Yunliang River in different seasons

马家沟枯水期、丰水期水质指标变差系数为BOD5＞CODcr＞TP＞TN＞DO，主要原因是枯水期BOD5和CODcr浓度在MJ29～MJ32监测段和MJ45监测断面骤增，丰水期BOD5和CODcr浓度在MJ41～MJ44监测段浓度骤增，表明以上断面有机污染严重，其中MJ29～MJ32监测段左岸为农田，右岸人口密集居民区是造成该段有机污染增加原因，MJ41～MJ45监测段两岸建材企业工业废水是造成该段有机污染主要因素；TP浓度在MJ1～MJ10、MJ30～50监测段浓度波动明显且超标，MJ1～MJ10监测段污染源主要是生活污染，且河道弯曲，河水自净能力差，MJ30～50监测段为农业和工业复合污染造成；TN监测浓度超标，监测断面全部污染，枯水期MJ21～MJ50监测段浓度变化明显，重度污染，丰水期 MJ1～MJ10、MJ22～MJ44 监测段浓度变化明显，污染源主要来自生活区和农业面源氮污染，污染十分严重；DO浓度均较大，水体自净能力较强。

何家沟枯水期水质指标变差系数为TN＞BOD5＞TP＞CODcr＞DO，主要原因是何家沟西沟污染严重，各项指标浓度变化范围大，何家沟变异系数增大，氮污染尤其严重；丰水期水质指标变差系数为TP＞BOD5＞TN＞CODcr＞DO，主要原因是何家沟干流、西沟污染严重，各项指标浓度变化范围大，何家沟变异系数增大，有机污染、氮污染更严重。何家沟污染严重是沿程存在大量集中式排污口汇入污水所致。

运粮河枯水期水质指标变差系数为BOD5＞TN＞TP＞CODcr＞DO，丰水期水质指标变差系数为TP＞BOD5＞TN＞CODcr＞DO，CODcr、BOD5、TP、TN 水质指标普遍于YL5～YL14监测段沿程高低值交替出现，变化幅度较大，导致变异系数增大，DO水质指标于该段浓度降低，表明水体自净能力降低，污染原因是中游农业面源污染和下游八一水库水产养殖。YL5～YL14监测段为运粮河水质治理重点河段。

表3 松花江哈尔滨城区段水质指标标准差与变差系数Table 3 Std Dev and coefficient of variation of water quality index in Harbin urban of Songhua River

2.2 水质综合评价

评价发生渠、马家沟、何家沟、运粮河主要水质指标（DO、CODcr、BOD5、TP和TN）枯水期、丰水期各监测断面单因子污染指数和综合污染指数，评价结果见图6。总体来说，研究区域河流污染较严重，约76.0%监测断面水质类别达Ⅴ类及以上，约47.9%监测短断面水质类别达劣Ⅴ类及以上，各监测断面水质指标综合污染指数最小值为2.4，水质类别最优为Ⅱ类，综合污染指数最大值为27.7，水质类别为劣Ⅴ类且黑臭。

分析松花江哈尔滨城区城区段综合污染指数时空变化特征，研究区域表现为枯水期水质状况劣于丰水期，发生渠枯水期水质皆为劣Ⅴ类水体，FS5监测断面水质最差，丰水期FS1监测断面水质最差；马家沟枯水期MJ22～MJ50监测段水质为劣Ⅴ类水体，丰水期MJ1～MJ9、MJ32～MJ50监测段水质为劣Ⅴ类水体；何家沟枯水期干流（HJ1～HJ2）、西沟（HJ-WT1～HJ-WT10）大部分处于劣Ⅴ类水体，东沟基本呈断流状态，丰水期干流（HJ1～HJ2）、西沟（HJ-WT1～HJ-WT11）基本处于劣Ⅴ类水体，东沟（HJ-ET1～HJ-ET8）处于Ⅳ类水体；运粮河枯水期和丰水期在YL5～YL14监测段污染相对严重，枯水期水质为劣Ⅴ类水体，丰水期水质为Ⅴ类水质。松花江哈尔滨城区段水质污染评价结果呈现枯水期与丰水期差异性特征，与大气降水有关，丰水期降雨量大，河水流动性大，污净比相对较小，水质污染状况改善；空间差异性是河流流经区域存在工业点源、农业面源和生活污水排放使大量污染物汇入所致。

2.3 水体污染影响因素分析

影响松花江哈尔滨城区段水质因素较多，城市河流径流量影响河流自净能力；农业区、工业区、居民区废水直接或间接排入河流，对水质造成污染。水体污染影响因素主要可分为自然条件、污染源、环保政策3个方面。

2.3.1 自然条件

松花江哈尔滨城区段4条河流中何家沟属季节性河流[9]，枯、丰水期水量变化较大，丰水期由于降水等气象原因，河水径流量大，水体交换速度相对加快，对污染物有稀释作用，有助于污染物排出河流，河流自净能力较其他时期略强；枯水期由于河流水位相对下降，污染物在河流中迁移速度降低，浓度增高，造成水质下降。发生渠、马家沟、运粮河在枯水期和丰水期河流自净能力差异性不明显，与径流量变化有关。

河流过湖区、水库后，水体流动相对减慢，自净能力降低，发生渠过天璇湖，马家沟过工农水库，何家沟过工农水库，运粮河过兴隆、友谊、八一、立功4座水库后，比较监测断面DO浓度，普遍出现自净能力降低现象，丰水期由于湖区、水库蓄水量增大，降幅更为明显；河流过湖区、水库后，TP、TN浓度普遍出现骤增现象，主要因大多数水库发展水产养殖业，普遍存在不同程度富营养化，导致河流过湖区、水库后氮、磷污染加剧。

2.3.2 污染源

按照污染源发生类型，水环境污染可分为点源污染和非点源污染[18]。点源污染是指工业废水和城市污水集中排放而对水体造成污染，具有排污特征明显、污染强度大等特点；非点源污染是指伴随降雨过程产生的地表径流污染，主要包括水土流失、农业化学品过量施用、城市径流、蓄禽养殖和农业农村废弃物等，具有随机性、广泛性、滞后性、模糊性、潜伏性和隐蔽性[19-21]。

2.3.2.1 点源污染

工业废水和集中式排污口直排是造成城市河流点源污染主要原因，哈尔滨市共有城南、“动力之乡”、城东、城西、城中、松北、呼兰、阿城八大工业区，涵盖汽车、飞机制造、医药、新材料、电站设备整机制造、电站设备配套、石化、木材加工、家具制造等产业，部分工业废水未经处理或处理未达标后排入河流，造成水质下降。据统计哈尔滨市城区已登记排污口共118个，其中市政排污口占66%，工业企业排污口占34%，排污口主要布设在何家沟，共62个，占总数53.2%[9]，从监测浓度和评价结果看，何家沟氮污染、有机污染严重，工业点源和集中式排污口所排废水不达标，是何家沟污染主要原因。发生渠上游（FS5）、马家沟上游（MJ42）为工业废水和集中式排污造成点源污染。

2.3.2.2 非点源污染

发生渠下游（FS1～FS2）、马家沟中上游（MJ35～MJ50）、何家沟西沟上游（HJ-WT8～HJ-WT11）运粮河流经大片农田，根据评价结果显示，TP、TN单因子污染指数增大，成为该段河流主要污染物，属于水土流失、农业氮磷化肥过量施用农业非点源污染。丰水期随降雨量和农药化肥使用量增加，农业径流对河流造成污染更加明显。目前，氮肥运筹优化技术、施加生物质炭控制N、P流失，人工湿地、生态沟渠、生态田埂等工程措施是控制氮肥、磷肥用量，减少水土流失有效措施。

2.3.3 环保政策

国务院颁布《水污染防治行动计划》明确提出“到2020年，地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内，到2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除”控制性目标。城市黑臭水体整治已成为地方各级政府改善城市人居环境工作重要内容。马家沟经过多年治理，目前已取得显著效果，中下游部分水质优于Ⅴ类水，达到Ⅲ类水体，事实证明，实施合理治污政策，设计科学治污方案，可改善甚至消除黑臭水体。

图6 松花江哈尔滨城区段水质指标单因子污染指数和综合污染指数Fig.6 Single pollution index and integrated pollution index of water index of Harbin urban of Songhua River

3 结论

沟＞何家沟＞发生渠＞运粮河，4条河流氮污染十分严重，马家沟、何家沟有机污染相对严重，发生渠、运粮河磷污染严重。

②水质污染特征存在明显时空分布差异，时间上，枯水期污染程度大于丰水期；空间上，河流沿程污染情况存在明显差异，发生渠、马家沟、何家沟污染情况均为中上游＞下游，运粮河污染情况中游＞上游和下游。

③水质评价结果表明，4条河流水质等级较高，约76.0%监测断面水质类别为Ⅴ类及以上，约47.9%监测短断面水质类别为劣Ⅴ类及以上，综合污染指数为枯水期＞丰水期，发生渠、马家沟、何家沟综合污染指数为上游＞下游，运粮河综合污染指数体现为中游＞上游和下游。

④综合分析结果，发生渠FS5、马家沟MJ35～MJ50、何家沟干流和西沟、运粮河YL5～YL15段为重点整治河段。

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