河南省农村黑臭水体污染现状及污染特征研究

王莉，刘萌硕，李亭亭，彭赵旭，李洁

(1.郑州大学 a.生态与环境学院；b.水利科学与工程学院，郑州 4500012.河南省生态环境科学研究院，郑州 450046)

2013年农村污染排放已占到全国污染排放的“半壁江山”，至2016年，农村生活污水年产生量又增加了近10亿吨，但进行生活污水处理的行政村仅占20%[1]，与城市污水近90%的处理率形成强烈反差[2].2019年11月，生态环境部印发《农村黑臭水体治理工作指南(试行)》，深化落实《农村人居环境整治三年行动方案》.河南省作为人口和农业大省，农业生产中农用物资施用不当、农村地区生活污水收集处理率低、小规模畜禽养殖污水不经处理直接排放、生活垃圾随意弃置等问题都导致农村地区水环境质量恶化，甚至出现黑臭[3-4]水体.农村地区黑臭水体污染问题迫在眉睫，亟须开展治理工作.

目前关于黑臭水体的研究多集中在城市黑臭水体，且主要涉及黑臭水体治理技术、评价方法、识别监测等方面，对农村黑臭水体的关注较少[5-7].郑心愿等[8]将磁加载多效澄清技术用于北京市大兴区某黑臭水体治理工程中，对浊度、总磷、化学需氧量(COD)等有较好的去除效果，设备运行期间表现出较好的抗冲击负荷能力和系统稳定性；滕云梅等[9]通过相关性分析、方差分析和多重对应分析，构建了基于综合水质指数的南宁市黑臭水体污染程度分级评价体系，能反映综合水质的连续性变化情况；胡国庆等[10]以芜湖鸠江区为研究区，利用GF-2卫星的高空间分辨率特性，探索了基于光谱特征和表观特征相结合的识别方法，进一步提高了黑臭水体动态监测的识别精度和可靠性.由于农村黑臭水体分布情况、污染特征、成因等基础资料的欠缺，致使治理工作难以系统开展.本研究以河南省农村黑臭水体为研究对象，采用现场调研和采样分析的方法，初步掌握农村黑臭水体污染现状、污染特征等.

1 材料与方法

1.1 样品采集

河南省位于31°23′N～36°22′N，110°21′E～116°39′E之间，华北平原南部的黄河中下游地区，地势西高东低，由平原、盆地、山地、丘陵和水面构成，地跨海河、黄河、淮河和长江四大水系.河南省辖20个县级市，84个县，1 791个乡镇，4.6万个行政村.2019年末全省总人口10 952万人，其中城镇人口5 828万人，乡村人口5 124万人.本研究综合考虑河南省重点水源地保护区、地形地貌、行政区划、流域分布、农村分布等因素，筛选出南阳淅川县、周口扶沟县、商丘虞城县、焦作博爱县、驻马店正阳县5个代表性地区，对5地区的农村黑臭水体进行现场调研，在现场调研基础上，于2019年8至11月对典型农村黑臭水体进行采样，共计在5地区采集水质样品103个，沉积物样品99个(4个水体底部硬化或砂石较多，故未采集沉积物)，采样点位分布见附图Ⅰ.

样品采集按照《水质采样技术指导》(HJ 494-2009)进行，采用柱状采样器采集未经扰动的沉积物样品，采集后立即装入聚乙烯自封袋，同时用有机玻璃采水器采集相应点位的上覆水，采集后立即装入聚乙烯水样瓶中，将沉积物样品和水质样品低温保存并尽快送回实验室处理.水质样品经预处理后待测，沉积物样品自然风干，经初筛去除砂砾及动植物残体，再充分研磨过200目筛后备用.

1.2 指标测定及分析

pH，氧化还原电位(ORP)使用HI 8424型快速测定仪测定；溶解氧(DO)使用HQ30d型便携式溶解氧测定仪测定；氨氮(NH3-N)采用纳氏试剂光度法测定(HJ 535-2009)；总磷(TP)采用钼酸盐分光光度计法测定(GB/T 11893-89)；COD采用快速消解分光光度法根据《水和废水监测分析方法(第四版)》测定；五日生化需氧量(BOD5)采用稀释与接种法测定(HJ 505-2009)；Fe，Mn采用火焰原子吸收分光光度法根据《水和废水监测分析方法(第四版)》测定；叶绿素a(Chl.a)采用分光光度法测定(HJ 897-2017)；沉积物腐殖质(HM)采用焦磷酸钠浸提-重铬酸钾氧化法测定(LY/T 1238-1999)；沉积物酸可挥发性硫化物(AVS)采用亚甲基蓝分光光度法测定(HJ 833-2017).

1.3 黑臭水体分级评价及类型划分方法

因生态环境部出台的《农村黑臭水体治理工作指南(试行)》中仅提供了农村黑臭水体的识别标准(透明度<25 cm，DO质量浓度<2 mg/L，NH3-N质量浓度>15 mg/L，任一项超标即为黑臭水体)，无分级评价标准，故采用住建部出台的《城市黑臭水体分级评价标准》(以下简称指南法)对采集的103个农村黑臭水体水样进行黑臭程度评价，评价标准见表1.为保证数据质量，每个样品均设置两个平行样品进行同步分析.采用Excel 2010进行原始数据统计分析，SPSS 21.0进行因子分析，Origin 2017进行相关图表制作.

表1 城市黑臭水体污染程度分级标准

农村黑臭水体的主要污染来源有农村生活、农业种植、工业废水、畜禽养殖、水产养殖等5类.按照黑臭水体内污水主要来源判定其污染源类型，位于居民区内且有明显排污口和垃圾堆积的黑臭水体，判断其黑臭污染源为农村生活污染；位于农田周围且远离居民区，较少涉及生活污染和畜禽养殖污染的黑臭水体，判断其黑臭污染源为农业种植污染；位于企业周边且有明显排污口或中间产物倾倒现象的黑臭水体，判断其黑臭污染源为工业废水污染；位于畜禽散养户或养殖聚集区周边且有畜禽养殖粪便、污水等直接或间接排入的黑臭水体，判断其黑臭污染源为畜禽养殖污染；位于废弃鱼塘或与周边水产养殖水体连通的黑臭水体，判断其黑臭污染源为水产养殖污染.

2 结果与分析

2.1 农村黑臭水体污染特征

依据指南法进行的黑臭程度分级评价结果显示，整体上，轻度黑臭水体占45%，重度黑臭水体占33%，其余水体水质略好于轻度黑臭，但属于劣Ⅴ类水体.由图1(a)可知，南阳淅川县采集的20个水样中65%为重度黑臭，在5地区中重度黑臭比例最高；商丘虞城县采集的24个水样中重度黑臭和轻度黑臭各占50%；焦作博爱县采集的18个水样中重度黑臭、轻度黑臭、非黑臭占比相同(约33%)；周口扶沟县采集的22个水样中，轻度黑臭占64%，在5地区中轻度黑臭比例最高；驻马店正阳县采集的19个水样中重度黑臭仅占5%，在5地区中重度黑臭占比最低，非黑臭水体在5地区中占比最高(42%).

对典型地区内农村黑臭水体进行现场调研后发现，农村黑臭水体多为坑塘和沟渠，多位于居民区内或村头、农田附近，水体面积和水量均较小，基本为死水，而且农村生活、农业种植、工业废水、畜禽养殖、水产养殖5类污染源均涉及.采集的黑臭水体水样中农村生活污染的黑臭水体占比最高(57%)，其次是农业种植污染(14%)，水产养殖污染的黑臭水体数量最少(5%).由图1(b)可知，商丘虞城县农村生活污染的黑臭水体在5地区中占比最高，占79%，商丘常驻人口较多且居民区密集，污染物产生量较大；驻马店正阳县农业种植污染的黑臭水体占比最高(26%)，且水产养殖仅存在于该地区，南阳淅川县次之(20%)；焦作博爱县工业废水、畜禽养殖污染的黑臭水体占比均最高.

孙娜等[11]以苏州城市水体为研究对象，发现有部分河道多呈灰黑色有时甚至出现黑臭现象，与河南省农村黑臭水体具有相似的特征，两者均主要受生活污水排放的影响，水质有机污染现象较明显，结合现场情况发现，黑臭水体均呈现河道浅窄、底泥淤厚、面积小、流速缓慢等特征，使得水体自净能力不佳[5].冀峰等[7]以太湖流域为研究对象，发现部分入湖河流特别是断头浜由于长期受到沿岸畜牧业、农业、工业的影响，导致河流底泥淤积严重，蓄积大量外源输入的营养物质，甚至形成黑臭河流，与河南省农村黑臭水体研究结果一致，重度黑臭水体主要是畜禽养殖、农业种植、工业废水贡献的[5].

2.2 水体污染特征

依据污染来源对水体、沉积物中污染物进行比较分析(见图2)，结果表明：农村生活污染的黑臭水体ORP，DO，COD，BOD5值变化幅度最大，分别在-343.5～369.0 mV，0.16～18.93 mg/L，12.5～758.0 mg/L，12.5～266.0 mg/L之间.农村生活污染物种类较多且成分复杂[12]，是其指标值变化范围大的主要原因.畜禽养殖污染的水体ORP，DO值均最低，分别为-53.4 mV，2.46 mg/L；TP，COD和BOD5值均值均最高，分别为7.7，203.0，51.1 mg/L，说明受畜禽养殖污染的水体有机质含量高，富营养化程度严重，同时也反映出畜禽养殖污染对水体黑臭的贡献最大，2020年《第二次全国污染源普查公报》显示，畜禽养殖业占到了全国所有水污染物排放COD量的46.6%[13]；Chl.a值明显高于其他4类水体，均值为120 mg/m3，作为富营养化常见的响应指标，Chl.a值高再次印证畜禽养殖污染的水体富营养化程度严重.农业种植污染的水体NH3-N和TP值明显高于其他点位，可能是因为化肥、农药等经雨水冲刷、地表径流等汇入水体，使得水体N，P含量增加；农业种植污染和畜禽养殖污染的水体沉积物HM均值最高，为15.75 g/kg，变幅最大，在2.04～42.30 g/kg之间，农作物秸秆是自然界主要的有机质来源之一，且中国的秸秆资源以肥料化利用为主[14].水产养殖污染的水体ORP，Fe质量浓度均最高，分别为188.7 mV，11.7 mg/L，水产养殖户通常抽取地下水作为水源，地下水Fe含量较高，且饲料中会掺拌部分Fe等微量元素.

农村生活污染的ORP，DO，COD和BOD5值变化范围在5类污染源中均最大，反映农村生活污染产生的污染物种类多，受污染水体水质复杂多变.畜禽养殖污染的水体TP，COD，BOD5，Chl.a含量均值均最高(见图3)，反映畜禽养殖污染的水体，富营养化程度严重，生化指标极高，对黑臭的贡献度最大.农业种植污染的水体除NH3-N和TP存在明显异常值外，整体污染程度不高；工业废水污染和水产养殖污染的水体污染程度最低.综上，5类污染源对黑臭水体的贡献度由大到小依次为畜禽养殖污染，农村生活污染，工业废水污染，农业种植污染，水产养殖污染.

2.3 农村黑臭水体特征污染因子

表2 各指标相关性检验结果

对数据进行KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)值分析和Bartlett球型检验(Bartlett test of sphericity)，检验结果表明，Bartlett值和KMO值分别为0和0.637，Bartlett值小于0.05，KMO值大于0.5，说明数据适合用于因子分析[18].采用Kaiser标准化正交旋转法，通过对监测因子进行线性变换后，将各因子间的变化关系和相互作用关系集中体现到综合性变量上，即主成分(PCA)[19]，从中提取了3个特征值大于1的主成分PC1，PC2，PC3(见图4)，PC1的贡献率为38.96%，主要包括NH3-N，TP，COD，BOD5，反映水体的营养状态及有机污染；PC2的贡献率为26.93%，主要包括pH，DO，Fe，反映水体的常规理化状态；PC3的贡献率为15.29%，主要包括HM，反应沉积物的有机污染.第一主成分和第二主成分基本确定了水质的主要污染情况[20]，反映出农村黑臭水体有机物含量超标和富营养化程度严重.

大部分城市黑臭水体的形成原因也是富营养化和有机物含量超标，但城市和农村黑臭水体的污染来源有所不同，城市黑臭水体的主要污染来源是有机污染物高负荷排入(生活污水、工业废水大量排放)、排水系统不健全[21](“重”污水总管和干管建设，“轻”收集管网建设，强调主要河流污染治理，不按水系截污)、水体热污染(工业高温废水、污水处理厂退水及生活污水)、初期雨水污染(合流制系统初期雨水排放，分流制系统雨水管网溢流)[22]、底泥污染(底泥是污染物的重要集散地，水体受到扰动底泥中的污染物会再次悬浮，对河流造成二次污染)等.目前城市黑臭水体治理成效显著，但农村黑臭水体形势依旧严峻，农村黑臭水体治理及居住环境整治将是今后的首要工作[23].完善农村垃圾收集转运体系，配套设施建设到位；建设健全集中或分散式的水处理设施；推行精准科学施肥、病虫害统防统治，实现农药减量；大力推行养殖与种植结合、粪便就地消纳，配套建设畜禽粪污贮存、处理、利用设施；建立健全农村环境管理体制，完善工作体系，提高执行力，都是治理农村黑臭水体的重要前提.

3 结 论

通过对河南省典型地区的农村黑臭水体进行现场调研和采样分析，初步掌握了农村黑臭水体污染现状及污染特征，并采用因子分析方法分析了农村黑臭水体的特征污染因子，得到的主要结论如下：

(1)河南省农村黑臭水体的主要污染来源是农村生活污染、农业种植污染、工业废水污染、畜禽养殖污染、水产养殖污染，综合5地区水体黑臭程度和各项指标含量，得出5地区污染程度由大到小依次为：南阳淅川县，商丘虞城县，焦作博爱县，周口扶沟县，驻马店正阳县.

(2)指标的因子分析结果表明，ORP，DO，NH3-N，TP，COD间呈现显著相关性，NH3-N，TP，COD，BOD5与主成分高度相关，表明农村黑臭水体主要的污染因子是NH3-N，TP，COD，农村黑臭水体主要污染问题是有机物含量超标和富营养化.

此外，本研究只对河南省典型地区的农村黑臭水体进行了调查分析，调查的黑臭水体数量有限且仅取样一次，得出的结论仅能初步反映当前河南省农村黑臭水体污染现状和特征.若要全面系统掌握农村黑臭水体污染现状，尚需开展时序更长、涉及水体数量更多的调查分析.

附 录

附图见电子版(DOI:10.16366/j.cnki.1000-2367.2022.06.008).