贾鲁河郑州段水环境承载能力评估及污染溯源研究

任伟 杨李富 苏振尧 刘卫星 李敏 吴梦瑶

摘 要：本文对贾鲁河郑州段水质情况展开研究，共设置调查断面7个，起点位于中原区化工路桥，终点位于中牟县李店村，研究共持续约30 d，期间每7 d采样分析一次。结果表明，贾鲁河郑州段的水环境承载力指数为92.86%，评价结果为未超载;贾鲁河郑州段水质呈现出从上游至下游逐步恶化的趋势，与起点处相比，电导率、总磷、高锰酸盐指数和总氮的浓度最高分别上升了1.61倍、1.17倍、0.83倍和3.30倍;利用综合水质指数法对监测结果进行分析，污染程度加重了66.58%。经过对污染物进行溯源分析发现，pH和溶解氧的污染主要来自水处理药剂的不合理使用，电导率、总磷、总氮的污染主要来自污水处理厂排放的中水，氨氮的污染主要来自未经处理的生活污水。

关键词：贾鲁河;承载力;污染溯源;可视化

中图分类号：X52     文献标识码：A     文章编号：1003-5168（2021）36-0132-05

Water Environment Carrying Capacity Evaluation of Jialu River（Zhengzhou Section）and Research on Pollution Source Traceability

REN Wei1    YANG Lifu2    SU Zhenyao1    LIU Weixing1    LI Min1    WU Mengyao1

（1.Henan Institute of Science and Technology Development Strategy，Zhengzhou Henan 450000;

2.China Building Materials Test & Certification Group Beijing Tianyu Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan 450100）

Abstract：This paper mainly studies the water quality of the Zhengzhou section of the Jialu River.A total of 7 survey sections are set up.The starting point is located at Huagong road in Zhongyuan District，and the ending point is located at Lidian Village，Zhongmou County.The results show that the water environmental carrying capacity index of the Zhengzhou section of the Jialu River is 92.86%，and the evaluation result is not overloaded;the water quality of the Zhengzhou section of the Jialu River shows a trend of gradual deterioration from upstream to downstream.Compared with the starting point，the conductivity，total phosphorus，and high the highest concentration of manganate index and total nitrogen increased by 1.61 times，1.17 times，0.83 times，and 3.30 times respectively;the comprehensive water quality index method was used to analyze the survey results，and the pollution degree increased by 66.58%，and the pH value and dissolved oxygen pollution Mainly comes from the unreasonable use of chemicals.The pollution of conductivity，total phosphorus and total nitrogen mainly comes from the reclaimed water discharged from the sewage treatment plant，and the pollution of ammonia nitrogen mainly comes from untreated domestic sewage.

Keywords：Jialu River;carrying capacity;pollution traceability;visualization

1 研究區概况

贾鲁河是河南省境内除黄河以外最长、流域面积最广的河流。河道起点为新密市尖山管委会神仙洞村，终点为中牟县韩寺镇胡辛庄村，郑州段干流全长120.83 km，流域面积2 750 km2。贾鲁河包含支流12条，分别为贾峪河、九娘娘庙河、索河、须水河、索须河、魏河、徐北沟、石沟、七里河、小清河、堤里小清河和丈八沟[1]。据不完全统计，贾鲁河郑州段共有大小污水处理厂11座，流域面积仅占淮河流域面积的1/46，但贾鲁河的污染负荷却占淮河流域总负荷的1/9，是淮河流域污染最严重的支流之一[2]。

陈停对贾鲁河底泥中氮磷的释放规律进行了研究，研究表明：溶解氧、温度和pH影响氮磷的释放。氨氮是底泥释放氮元素的主要形式，正磷酸盐是底泥释放磷的主要形式[3];周晓静对贾鲁河河水中氨氮的去除以及沉积物中重金属污染进行了研究，结果发现氨氮的去除率受pH影响较大，部分河段受重金属元素Mn、Co、Cu和Cd的污染较为严重，Cr和Ni则对所有河段均未造成污染[4];孙捷的研究结果表明，贾鲁河水体呈现明显的污染特征，且有一定的环境雌激素毒性效应和遗传毒性[5];刘修英等人则发现贾鲁河郑州段上游水质为Ⅱ类或Ⅲ类，中游湖泊为Ⅳ类，下游为Ⅳ类～劣Ⅴ类;污染溯源结果发现，氨氮、总磷、总氮污染物与污水处理厂有关，CODCr和高锰酸盐指数与未处理的生活污水有关[6]。

2 研究方法

2.1 点位布设

依据《水环境监测技术规范》（SL 395—2013）及各支流汇入关系，在贾鲁河郑州段共设置采样断面7个，其中起点位于中原区化工路西流湖附近（JC1），终点位于生态环境部中牟陈桥断面处（JC7）;其余各断面分别为：欢河桥断面（JC2）、京广高铁西北方向约300 m处的景观桥断面（JC3）、连霍高速东南约200 m的桥断面（JC4）、七里河入贾鲁河下游约3 000 m的桥断面（JC5）、石沟入贾鲁河下游约400 m的桥断面（JC6）。点位分布图如图1所示。

2.2 水样采集与分析方法

水样采集时间为2021年5月26日、6月3日、6月8日和6月21日，其中6月3日采样前3 d，郑州市经历了一场范围较大的降雨，6月21日采样前7 d，郑州市亦经历了一场范围较大的降雨。

本研究选取pH、高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮、溶解氧和电导率作为评价指标。其中，pH、溶解氧和电导率采用电极法现场测定，氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定，总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，总磷采用钼酸铵分光光度法测定，高锰酸盐指数采用酸性法测定。

2.3 综合水质与时间变化评价方法

水质评价和水质空间变化采用综合水质指数法，该法以《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）[7]和单因子指数为基础，计算综合水质指数和水质时间变化程度。水环境承载力以生态环境部发布的《水环境承载力评价方法（试行）》中相关规定进行评价[8]。

2.3.1 综合水质指数计算方法。

①单项水质指数。用各单项指标的实际监测浓度除以该指标对应的GB 3838—2002中Ⅳ类水质标准限值[7]（电导率和总氮取本次研究所有断面的平均值作为评价依据）计算单项指标的水质指数P（i），具体参照《城市地表水环境质量排名技术规定（试行）》（环办监测〔2017〕51号）[9]中相关规定。

②综合水质指数。根据各单项指标的P（i），取其和即为综合水质指数（[SWQI）]，计算如式（1）所示。

[SWQI=i=1nP（i）]       （1）

式中，SWQI为综合水质指数;P（i）为第i个水质指标的水质指数;n为水质指标个数。

2.3.2 水质时间变化评价方法。水质随时间变化程度根据时间变化率T判断，计算公式如式（2）所示。

[T=SWQIj+1-SWQIjSWQIj×100%]   （2）

式中，SWQIj+1为第j+1次调查时某断面的综合水质指数;SWQIj为第j次调查时某断面的综合水质指数;T为时间变化率。

T为负值时表明水质好转，为正值时表面水质变差。∣T∣≤10，水质基本无变化;10<∣T∣≤20，水质轻微变化;∣T∣>20，水质显著变化[6]。

3 结果分析

3.1 水环境承载力评价情况

根据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中分类标准，2021年度贾鲁河考核标准为地表水Ⅳ类。以本次监测数据为依据，计算得到的Rc值为92.86%，评价结果为未超载。在监测过程中，JC2断面与JC7断面于6月3日采样中均超标一次，JC2断面超标因子为氨氮和总磷，JC7断面超标因子为总磷;JC5断面在5月26日和6月3日采样中各超标一次，超标因子分别为pH和总磷。

3.2 污染分布和变化情况

以本次监测获得的28组pH、溶解氧、电导率、总磷、高锰酸盐指数、氨氮和总氮的监测数据为基础（如表1所示），依据前文所述的计算公式（1），分别计算单项水质指数和综合水质指数。最后，以4次监测结果的平均值作为计算基础，得出平均污染指数，具体如图2所示。所有断面和频次的平均污染指数为4.739。水质随时间变化程度按公式（2）计算，结果如表2所示。

由图2可知，贾鲁河郑州段的污染程度呈现上升、下降、稍上升的趋势。本次调查期间，平均污染程度最大点出现在JC4断面，与起点的JC1断面相比，污染程度加重了66.58%。污染程度单次最大点出现在5月26号的JC5断面，与JC1断面相比，污染程度加重了93.31%。

由表2可知，6月水质較5月相比，均有不同程度好转，其中明显好转的断面有6月8日的JC1断面和JC2断面;持续好转的断面有JC3断面、JC6断面和JC7断面。水质稳定性方面，JC1断面与JC2断面稳定性较差，JC3断面与JC4断面稳定性较好。

3.3 污染原因

通过对贾鲁河郑州段进行采样分析，发现污染的主要原因有以下几方面。

3.3.1 水源水质不稳定。JC1断面的水质波动性较大，主要原因在于外部生态补水水质稳定性欠佳。

3.3.2 外部环境的影响。污水入河、大气降水、农业生产以及岸边人类活动等都可能引起局部水质变化，JC2断面附近河道易受外部环境影响，水质稳定性差。JC5断面则受上游汇入的金水河、十七里河、潮河、花马沟等支流的影响。

3.3.3 流入河流中水的影响。贾鲁河共收纳了郑州市11座污水处理厂排放的再生水，占郑州市污水总量的85%以上。与天然水水质相比，再生水水质整体较差。因此，从JC2断面开始，贾鲁河水质呈现逐步变差的趋势。

3.4 污染溯源分析

3.4.1 pH与溶解氧溯源。本次调查期间，pH与溶解氧异常点均出现在JC5断面处。原因在于上游汇入的七里河、潮河等支流上存在不合理使用水处理药剂的情况，导致JC5断面处的pH与溶解氧异常上升。

3.4.2 电导率与总磷溯源。通过对电导率和总磷的变化趋势以及沿河分布情况进行分析，可以发现，电导率和总磷的污染主要来自污水处理厂。与起点相比，在再生水排放入河后，电导率监测数值显著上升，且有随着覆盖的污水处理厂数量增多，监测数值逐步增大的趋势。此外，JC7断面的电导率监测数值与马头岗污水处理厂排放中水相近也是有利的证据。

郑州市多数污水处理厂使用氧化沟工艺，这种工艺对水中总磷处理效果较差。在以往监测中发现，贾鲁河二级支流潮河等河流总磷超标情况明显。因此，总磷污染主要来自于污水处理厂。此外，降雨将地面含磷物质冲刷入河也是导致总磷超标的原因之一，6月3日多数断面总磷监测数据明显大于其他时间，也证实了此说法。

3.4.3 总氮与高锰酸盐指数溯源。总氮与高锰酸盐指数的变化规律与电导率高度一致。因此，笔者认为这两种污染物也主要来自于污水处理厂。生活污水中的氨氮等含氮污染物经过污水处理厂处理后，会转变为氮气或硝态氮，从而出现总氮升高、氨氮下降的現象。河流中的水生植物还可以进一步对含氮化合物进行利用，从而完成河流的自净。这就出现了总氮浓度先上升后下降的现象。

3.4.4 氨氮溯源与其他几种污染物相比，氨氮的沿河变化呈现出的趋势更为复杂。总体来说，JC5断面的氨氮污染较重。氨氮是未经处理的生活污水的特征污染物，污水直接入河可导致河水中氨氮污染程度显著上升。因此，可认为氨氮主要来自于直接入河的未经处理的生活污水。JC5断面上游附近汇入的七里河水系中的金水河、潮河、熊儿河、花马沟等长期受污水直排入河的影响，水质时常为劣Ⅴ类。此外，降雨导致的雨污混排在一定程度上加重了氨氮的污染。

4 结论与建议

4.1 结论

本次调查采样共持续约30 d，期间每7 d采样1次，最终完成了7个断面样品的采集，共采集样品28组。样品经第三方实验室分析，通过对数据运用统计学等方法进行综合分析，得出以下结论。

①贾鲁河郑州段水环境承载力评价为未超载。以本次调查的监测数据为依据，计算得到的承载力指数为92.86%，评价结果为未超载。

②贾鲁河郑州段水质从上游至下游逐步恶化。运用综合水质指数法进行评价，贾鲁河水质从上游至下游逐步恶化，以JC1～JC4断面河段恶化速度最快。与起点处相比，电导率、总磷、高锰酸盐指数和总氮的浓度最高分别上升了1.61倍、1.17倍、0.83倍和3.30倍，污染程度加重了66.58%。

③贾鲁河郑州段6月水质较5月有所好转。进入6月后，除个别断面水质出现偶发恶化情况外，多数断面水质持续好转。这是因为雨季到来，大气降水量增大，雨水对入河的中水进行了稀释，导致污染程度减轻。

④电导率、总磷等污染来源于污水处理厂尾水。通过对污染物浓度分布情况、变化规律以及对污染程度的贡献率大小等综合分析后发现，电导率、总磷、高锰酸盐指数和总氮的主要污染来源为污水处理厂的尾水。

⑤氨氮污染主要来源于未经处理的生活污水。从氨氮的沿河分布情况与变化规律分析，氨氮污染主要来源于未经处理的生活污水。此问题在七里河支流较为突出，可能与金水河、十七里河、潮河、花马沟等二级支流沿岸排污有关。此外，高新区的JC2断面附近排污情况也较为突出。

⑥部分治理措施有负面作用。七里河入贾鲁河附近水质溶解氧监测数据异常上升，pH超过国家标准限值。推测可能与不合理使用处理药剂有关。

4.2 建议

针对本次调查发现的问题，提出以下建议。

4.2.1 加大截污治污力度，杜绝污水入河。本次调查过程中，虽未在贾鲁河干流发现明显排污口，但针对其他调查发现的索河、十七里河、花马沟、石沟等沿岸污水入河问题，结合实际，加强入河排污问题全面排查，发现一处，整治、封堵一处。同时，加强污水管网日常巡查排障养护，确保污水全收集、无外溢，杜绝污水直排入河。

4.2.2 提升污水处理厂污水处理能力。全力推进农村生活污水集中处理设施建设、规范运行及配套管网建设，加强尾水达标处理排放监督力度，鼓励污水处理厂引入先进技术，提质增效，提高尾水排放标准和污水处理能力。

4.2.3 加大河湖日常巡查管护力度。督促各河湖管养单位提高警惕，加大河湖巡查频次、充分发挥河湖巡查员前哨作用。让河湖小问题早发现、早处理，重难点问题早汇报、早应对，保持河流洁净面貌，促进河流水质稳步提升。

4.2.4 完善河流水质超标预警和紧急应对机制。建议进一步完善河流日常监管监测、水质超标预警、紧急应对等机制。从现在的监测、考核逐步过渡到监测、预警，从事后补救做到事前、事中提醒。

参考文献：

[1]穆小玲，席献军，朱洪生，等.郑州市贾鲁河水环境容量及污染调控研究[J].人民黄河，2018（9）：78-82.

[2]周岩，李慧芳，李道荣.郑州市贾鲁河水污染现状分析及治理对策研究[J].河南科学.2015（10）：1823-1827.

[3]陈停.贾鲁河底泥中氮磷释放影响因素的研究[D].郑州：郑州大学，2012.

[4]周晓静.贾鲁河河水氨氮去除以及沉积物中重金属污染研究[D].南京：南京大学，2015.

[5]孙捷.贾鲁河流域再生水大尺度生态补给的风险评价与控制技术研究[D].南京：南京大学，2017.

[6]刘修英，黄功学，郑志宏，等.贾鲁河郑州段水质评价和污染源解析[J].水资源保护，2020（4）：40-46.

[7]国家环境保护总局，国家质量监督检验检疫总局.地表水环境质量标准：GB 3838—2002[S].北京：中国标准出版社，2002.

[8]中华人民共和国生态环境部.关于开展水环境承载力评价工作的通知[EB/OL].（2020-10-22）[2021-11-04].https：//www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk06/202010/t20201022_804390.html.

[9]中华人民共和国生态环境部.关于印发《城市地表水环境质量排名技术规定（试行）》的通知[EB/OL].（2017-06-13）[2021-11-04].https：//www.mee.gov.cn/gkml/hbb/bgt/201706/t20-170615_416115.htm.