城市河流水体污染变化特征及其对降雨的响应关系——以新凤河流域为例

陈 焰，夏 瑞，曾思栋，杨中文，王 璐，4，张 凯，贾蕊宁，5

（1.中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆 400714；2.国家环境保护河口与海岸带环境重点实验室中国环境科学研究院，北京 100012；3.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京 100012；4.北京师范大学，北京 100875；5.西北大学，陕西西安 710127）

随着我国经济的快速发展，城镇化进程加快，城市排污量不断增加，包括北京在内的许多城市河流受到严重污染，黑臭问题现象突出［1，2］。城市黑臭水体不仅给群众带来了极差的感官体验，也直接影响群众生产生活和制约城市发展。中国住建部2016 年公布全国295 座地级及以上城市中，有超70%存在黑臭水体。黑臭水体的形成受工业和生活污染排放影响，降雨径流产生的非点源也是其成因之一，1993年美国EPA 把城市地表径流列为导致全美河流和湖泊污染的第3大污染源，据统计，美国的非点源污染量占污染问题的2∕3，60%的水体污染起源于非点源，城市非点源日益成为水质恶化的主要原因［3，4］。新凤河是北京市的主要水源地和生态廊道，2016年被列入北京市重点黑臭水体之一，受纳大兴区内主要污水、废水和非点源污染，水环境问题十分突出，COD、氨氮和TP常年严重超标。

降雨通常被认为是水文和非点源模型中驱动径流产生和质量运输的最重要输入途径［5］，是除人为因素干扰外导致污染物流失进入水体的主要自然因素和先决条件，降雨特征（降雨量、降雨强度和雨前晴天天数等）对污染物的流失存在显著影响［6］，降雨强度越大，产流系数越大，携带的污染物越多，产生的污染程度越大［7］，从狭义上讲，非点源污染往往是由降雨径流导致的污染过程。就影响方式而言，降雨主要通过降雨量、雨强、降雨历时等对非点源污染产输产生影响，不同的影响方式对非点源的响应机制存在显著差异。大量研究表明，降雨与非点源污染的产生量有较为显著的非线性相关关系，表现形式包括指数函数［8］、幂函数［9］、对数函数［10］和二项式函数［11］等。主流观点认为，在自然条件下，无论暴雨、中雨还是小雨，降雨初期污染物浓度呈上升趋势，随后逐渐平缓，后期呈现下降趋势［12］。

关于城市降雨和水质污染的响应关系研究主要体现在两个方面，一是通过建立非点源污染模型，以降雨作为驱动要素模拟分析气候变化与水环境的响应关系［13，14］，二是通过模拟降雨实验和自然降雨事件联合研究［15］，分析径流与水质响应特征。受地形等条件的影响，当前研究大多集中在农田径流［16］、平原区流域［17］和小区道路屋顶等不透水面［18，19］，基于降雨事件开展污染排放特征研究，分析降雨事件下的污染物迁移规律，对城市河流流域的研究较少。本研究拟基于新凤河流域出口断面的长年水质监测数据，识别新凤河流域污染演变特征及其对降雨的响应关系，了解降雨强度影响下的污染物动态变化，探讨城市河流污染对自然降雨的响应机制。

1 材料与方法

1.1 区域概况

新凤河位于北京市大兴区北部（图1），自大兴区黄村镇立垡分水闸流经5 个乡镇，沿途汇入支流包括老凤河、南苑灌渠、新西凤渠、凉凤灌渠、安南支流、姜凤支流等，全长约30 km。主河道位于流域南部，属北运河水系凉水河支流，西起永定河灌渠，向东南方向穿越新城后，从刘村向东至烧饼庄闸，再向东北方向，于马驹桥镇西北汇入凉水河。新凤河流域面积约166 km2，地势西北高东南低，地面高程39.7～74.8 m，相对高差35.1 m，地形坡度0.5‰～2.0‰。多年平均降雨量为516 mm（1956-2004 年），最大降雨量为1 040 mm 左右（1959 年），最小降雨量268 mm（1965 年），6-8 月为汛期，降水量占全年的87%以上。由于新凤河汇入凉水河下游连接北京副中心通州，新凤河水生态环境保护对于首都生态文明建设、保障下游城市副中心水安全至关重要。

1.2 数据描述

本研究以北京市大兴区水务局和中国环境监测总站提供的污染物数据、气象数据等为基础，包括2015-2019年月尺度污染物数据和月尺度降雨数据。指标采样点位（图1）布设于新凤河流域出口烧饼庄闸，也是河新凤河的水质考核断面，检测方法参照国家统一标准［20］，期间逐月降雨数据来自流域内最近的黄村雨量站。根据大兴区对新凤河流域水质考核需求，选取COD、氨氮和TP 作为代表水质参数，分析新凤河污染变化特征及其对流域降雨的响应关系。

图1 新凤河流域位置及其采样站点Fig.1 The location of Xinfeng River and sampling

1.3 分析方法

数据采用Arcgis10.3、Excel、Origin9.1 等软件及Python 语言进行统计分析和制图。

（1）回归分析。基于新凤河流域出口断面COD、氨氮、TP浓度与黄村雨量站降雨数据，利用Python 对降雨与水质指标进行回归并计算Spearman 相关系数，分析降雨与水质的相关性。考虑到降雨数据存在值为0 的特殊情况，在原始降雨量的基础上加一定的数值Re（Re>0）对数据进行修正，对修正后的降雨量Rx进行对数转换。

根据气象局降雨等级划分，将降雨事件按照降雨强度分为5 个等级，其中小雨（XR）日降雨量为小于10 mm，中雨（ZR）日降雨量为10～25 mm，大雨（DR）日降雨量为25～50 mm，暴雨（BR）日降雨量为50～100 mm，大暴雨或特大暴雨（TR）日降雨量为大于100 mm。利用Origin9.1 分别对COD、NH3-N、TP 与降雨进行回归分析。

（2）MK（Mann-Kendall）突变检验。MK 突变分析用于分析水质指标突变过程及污染特征变化趋势和原因。

式中：UFk是基于标准正态分布并基于X时间序列计算的统计系列，显著水平α；当条件为|UFk|>Uα/2时，序列存在显著趋势变化。通常UFk的正负值代表趋势的上升或下降，与UBk曲线交点对应的时间序列节点则为突变时段。

2 结果与分析

2.1 水质指标与降雨变化

2015-2019 年新凤河流域水质逐年改善，由于汛期水质在2015-2017 年优于非汛期水质，在2018-2019 年劣于非汛期水质，初步认为新凤河流域水质在2017 年发生突变。如图2 所示，出口断面COD、氨氮和TP 浓度在2015-2019 年表现为波动下降，2015年均超出地表水劣V类标准，2019年达到地表III～IV类水，平均浓度较2015 年分别下降54.9%、94.4%和87.8%。水质指标浓度与流域降雨的关系存在显著的变化（表1），流域汛期均出现在6-8 月，从时间上对比指标浓度变化趋势可见，2015-2017 年COD、氨氮、TP 浓度在汛期较低，非汛期月份较高，汛期与非汛期COD、氨氮、TP 浓度比值分别为0.75、0.72 和0.87。相反2018-2019 年COD、氨氮、TP 浓度在汛期较高，其他月份较低，浓度比值分别为1.05、1.17和1.22。

表1 汛期与非汛期水质指标变化差异Tab.1 Difference of water quality between flood season and non-flood season

图2 水质指标与降雨变化趋势Fig.2 Monthly variation trend of water quality and rainfall

2.2 基于降雨的水质突变分析

为了进一步明确流域降雨与出口断面水质指标的相关关系变化特征以及变化原因，采用线性回归方法建立降雨与COD、氨氮、TP 浓度的相关关系，如图3 所示为2015-2019 年水质指标对降雨的响应趋势，2015-2017 年COD、氨氮、TP 浓度与降雨的响应关系表现为不同程度的负相关，平均相关系数分别为-0.692、-0.543 和-0.521；相反2018-2019 年COD、氨氮、TP 浓度与降雨的响应关系均表现为正相关，平均相关系数分别为0.579、0.536 和0.720。可见，指标浓度随降雨量增大呈现降低的趋势逐渐转变为呈现升高的趋势，且发生变化的年份在2017-2018年之间。

图3 2015-2019水质指标与降雨的响应趋势Fig.3 Response trend of water quality indexes and rainfall from 2015 to 2019

为了揭示产生变化的主要原因，采用MK检验对COD、氨氮和TP浓度进行突变分析，结果如图4所示，在1%显著水平范围内，COD、氨氮和TP 浓度在2015-2019 年均存在一个突变点，分别出现2018 年11 月、2018 年6 月和2017 年11 月，突变后浓度均下降，该结果与以上分析结果一致。主要因为2017-2018 年截污等水环境治理工程的实施使新凤河流域点源得到控制［21］，工程实施前，水体主要受点源影响，降雨对指标浓度起到了一定的稀释作用，导致浓度降低，雨量越大，稀释效果越好，工程实施后，点源得到控制，入河非点源负荷随着降雨量的增大而增加，浓度升高。

图4 COD、氨氮和TP浓度MK检验结果Fig.4 MK test result of COD，ammonia nitrogen and TP concentration

2.3 水质指标对降雨强度的响应

新凤河流域水质指标在不同降雨强度下变化较大，随着降雨强度的增大，指标浓度呈现波动降低的趋势。图5可见，小雨强度下，COD、氨氮和TP 平均浓度分别为33.8、10.25 和1.02 mg∕L，浓度变化区间分别为14～85.5、0.4～24.3 和0.17～6.42 mg∕L。中雨强度下，COD、氨氮和TP 平均浓度分别为50.28、12.46 和1.87 mg∕L，浓度变化区间分别为12.5～80、0.93～27.4 和0.33～4.04 mg∕L。大雨强度下，COD、氨氮和TP 平均浓度分别为50.02、11.96 和1.49 mg∕L，浓度变化区间分别为19.5～83、0.42～29.6 和0.28～3.6 mg∕L。暴雨强度下，COD、氨氮和TP 平均浓度分别为37.68、9.02 和0.86 mg∕L，浓度变化区间分别为29.5～42.2、6.88～11.2 和0.25～1.36 mg∕L。特大暴雨强度下，COD、氨氮和TP平均浓度分别为33.8、10.25和1.02 mg∕L，浓度变化区间分别为29.2～37、8.11～12.2和0.12～1.72 mg∕L。

图5 不同降雨强度下水质浓度变化趋势Fig.5 Trends of water quality under different rainfall intensity

COD、氨氮和TP 浓度与降雨强度存在明显的相关关系。COD 浓度在特大暴雨中最低，中雨和大雨中较高，可见随着降雨强度的增大，浓度先上升后下降趋于平缓。氨氮和TP浓度均在暴雨中最低，中雨强度下最高，随着降雨强度的增大，浓度先上升后下降，在特大暴雨中有略微回升。不同降雨强度下的水质指标浓度与降雨量存在二项式非线性关系，COD、氨氮和TP浓度在小雨事件与降雨量均呈现“∨”型曲线关系，浓度随着降雨量的增大先降后升，相关性不显著；在中雨事件与降雨量均呈现“∧”型曲线关系，浓度随着降雨量的增大先升后降，相关性不显著；在大雨事件随着降雨量增大而降低，R2分别为0.545、0.2 和0.488；暴雨和特大暴雨事件中COD、氨氮和TP 浓度与降雨量的非线性关系显著增强，尤其在特大暴雨条件下非线性关系分别达到0.955、0.987 和0.936，但与降雨量呈现不一样的非线性关系。整体来看，三个指标浓度随着降雨强度的增加呈现先上升后下降的趋势，不同强度下的降雨量和指标浓度在一定程度上表现为非线性相关，且非线性相关关系随降雨强度的增大而逐渐增强。

3 讨论

2015-2019年，新凤河流域水质逐步得到改善，根据地表水环境质量标准，从劣V 类上升到III～IV 类。降雨是水系统循环过程中主要组成部分［22］，在陆面水文循环过程中对河流水质具有突出贡献［23］，具有冲刷和稀释的作用，累积并储存于陆面的污染物随着降雨径流的冲刷就近流入河道，当径流中的污染物浓度高于河道水体，径流无疑增加水体负荷，相反则能充当净水的作用，稀释水质浓度。当流域污染由点源主控时，降雨起到清水补给的作用，水体浓度高于降雨径流携带的非点源浓度，稀释水中污染物浓度，导致河道水质随着降雨量的增大而逐渐改善，当点源在最大程度上得到控制，排入河道的点源负荷急剧减小，由降雨径流产生的非点源对水体的影响逐渐显著，降雨对河道水质的响应由冲刷作用主控，水质浓度随着降雨量的增大而升高。本研究发现，流域出口断面水质指标逐月浓度呈现明显的变化，两个时期的水质浓度的差异反映了流域污染源的变化（图6），2015-2017年汛期水质浓度明显低于非汛期，说明流域主要受到工业、城镇生活等污染排放的影响［24］，由于水环境治理工程的实施运行，2018-2019 年汛期水质浓度高于非汛期，说明流域主要受到农业、城镇径流和农村生活等非点源的影响。

图6 不同时期流域污染源分布特征Fig.6 Distribution characteristics of pollution sources in different periods

从新凤河流域出口断面水质与降雨强度的响应关系来看，水质指标浓度在小雨事件到中雨、大雨事件转变的过程中逐渐升高，趋于平缓后在暴雨、特大暴雨事件中开始降低并达到饱和或轻微回升。原因在于降雨量较小时，由于产生径流少甚至无径流产生，对河道水质影响不大，随着降雨量增大，产流增大，携带入河的污染物负荷增大［25］，会造成河道污染物浓度出现波动上升，当降雨量达到一定程度的时候，由于地表达到土壤饱和状态，冲刷陆面污染物的能力降低，径流和河道水体中的污染负荷达到平衡状态，水质浓度降低并逐渐达到平衡，出现轻微回升可能的原因在于特大暴雨引起了底泥扰动，沉积物中的有机物和营养盐释放上浮，增加水体污染负荷，该结论与石德坤［26］等的研究结论一致。进一步分析不同降雨强度下水质指标浓度与降雨量的相关关系可见，在不同的降雨强度下，水质指标浓度随降雨量的增大呈现先升后降或先降后升的二次函数关系，该结论在Xie［27］等、于兴修［28］等、连慧珠［29］等、李晓虹［30］等的研究中均有所体现，可见降雨对河流水质的影响在稀释作用和冲刷作用之间转换（图7）。

图7 河流污染物对降雨的响应机制（李晓虹等总结）Fig.7 Response mechanism of river pollutants to rainfall（Summaried by Li Xiaohong et al）

4 结论

（1）新凤河流域水质变化受降雨影响显著。新凤河流域出口断面COD、氨氮和TP 三个组分浓度呈现逐年降低的趋势，根据地表水环境质量标准，断面水质类别从2015年的劣V 类提升2019 年的至III～IV 类，2015-2017 年汛期水质优于非汛期，2018-2019年劣于非汛期。

（2）降雨与水质的响应关系反映了流域污染变化特征。流域降雨与水质指标的相关关系从负相关转变为正相关，变化拐点出现在2017-2018年，拐点前后，流域污染由点源主导变为非点源主导。

（3）不同降雨强度显著影响污染输出特征。降雨的稀释和冲刷作用决定污染组分对降雨的响应关系，COD、氨氮和TP 浓度在中雨和大雨时较高，暴雨和特大暴雨时较低，随着降雨强度的增大，3 个指标浓度在小雨～大雨过程中表现为先上升，逐渐趋于平缓，在暴雨～特大暴雨过程中开始下降。不同降雨强度下的降雨量与水质呈现二次函数非线性关系，且随着强度的增大，非线性关系越强。