陳林， 易齊濤， 陳逸函， 張世文， 崔紅標

(1.安徽理工大學地球與環(huán)境學院， 淮南 232001； 2.煙臺大學土木工程學院， 煙臺 264005)

中國的七大河流，地表主要湖泊、近海域以及地下水均受到不同程度的污染。根據(jù)《2020中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》(2021年5月26日)顯示，全國地表水監(jiān)測的1 937個水質斷面中，Ⅲ類及以上水質斷面占比45.8%，其中主要污染物為有機物(多氯聯(lián)苯等)、總磷?；春恿饔驈V闊，介于長江、黃河之間，處于中國中東部南北地理分界線，擁有五條河道可以入海，淮河流域對于泄洪、人民生活飲用水源、經(jīng)濟社會的發(fā)展具有重大意義。而現(xiàn)如今，淮河流域污染也越發(fā)嚴重，淮河流域主要污染指標為高錳酸鹽指數(shù)、氨氮等[1-2]?；春游廴疚镔|主要來源于各小流域支流，因此，研究小流域支流污染負荷對于淮河的水環(huán)境治理具有重大意義。

淮河干流污染主要有流域內各支流水系所產(chǎn)生，主要污染物質來源可分為點源和非點源兩大部分，郝桂珍等研究的淮河流域的農(nóng)業(yè)非點源污染[3]，楊均雯等[4]研究的降雨徑流、生活污染等非點源污染；丁肇慰等[5]研究的生活污水、工業(yè)廢水定點排放入河等點源污染，而研究流域內點源和非點源污染負荷輸出對改善水質有重要作用[3,6]。另外，流域水文格局由于復雜的閘壩的建立而發(fā)生變化，從而影響流域水環(huán)境質量及狀況[7]。而淮河小支流眾多，且在閘壩的建立下，水力時間延長，導致污染物在河道中積聚，加深流域富營養(yǎng)化程度。淮河由于大量閘壩的建設，浮游植物的群落結構已經(jīng)指示出典型的富營養(yǎng)化特征[8-9]。

目前，對淮河流域污染負荷及水質特征的相關研究均集中在重點流域或水域。文獻[10-11]對沙潁河和渦河污染物來源、時空分布以及負荷特征的研究，文獻[12-13]對結構較為復雜的淠河流域的生態(tài)健康評價與防洪調度情況的研究，文獻[7，14-15]對河道閘壩的建設影響水體水質、水生態(tài)環(huán)境、水流狀況以及水文特征等方面的研究。除開重點流域支流外，其他支流所在流域面積較大，實際上可能對淮河干流的總體污染負荷具有重要貢獻，但是相關研究有所欠缺，因此弄清楚典型小流域支流的污染負荷特征對更加客觀認識淮河污染的空間來源及潛在影響十分重要，對淮河流域整體水資源的開發(fā)利用與保護有重大意義[16]?；诖耍F(xiàn)以淮河流域西淝河支流為代表，通過對西淝河出流水量以及水質樣品進行高頻次監(jiān)測，根據(jù)季節(jié)性降雨變化，分為雨期和非雨期采集與監(jiān)測，分析其主要污染物的季節(jié)性變化特征以及污染負荷特征，以期為淮河流域水環(huán)境污染治理提供一定的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和監(jiān)測站點

西淝河是淮河北岸較大支流之一，發(fā)源于河南省鹿邑縣，流經(jīng)安徽省亳州市、太和、渦陽、利辛、潁上、鳳臺等縣市，于鳳臺縣西峽口(硤山口)注入淮河，全長250 km，流域面積4 750 km2，1951年治理西淝河時將西淝河上游的清水河在王河口截源，經(jīng)油洺河入渦河，1970年代開挖茨淮新河后上游來水全被匯入茨淮新河，下游開引新河入淮河。本研究所涉及的西淝河小流域范圍即以茨淮新河為界限至下游入淮河口，流域面積約為1 800 km2，西淝河流域主要以耕地、建設、交通用地為主，其中耕地占69%，建設用地占22.7%，水域占6.2%[17-18]，耕地主要以小麥-水稻或大豆輪作的方式進行種植。西淝河小流域地處中國東部，屬暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，氣候溫和，年平均氣溫為11～16 ℃，年平均降水量約為900 mm。在西淝河小流域河流出口設有西淝河閘調節(jié)西淝河和淮河干流之間的水交換，起到防洪排澇、蓄水灌溉和漁業(yè)活動等多方面的功能。水文(水位和流量)、水質監(jiān)測站點均設置在西淝河流域出口(西淝河閘上)，如圖1所示。

圖1 西淝河流域范圍及西淝河出流采樣點圖Fig.1 Sale of the Xifeihe River watershed and monitoring site in the outflow of Xifeihe River

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 降水、水位數(shù)據(jù)收集及流量數(shù)據(jù)計算

流域降水，監(jiān)測站點水位和閘壩調度等數(shù)據(jù)來源于安徽省水文局，收集時段為2018年1—12月，其中降水量主要來自西淝河流域內20多個自動雨量站，水位主要收集西淝河閘逐日水位以及閘壩調度情況，根據(jù)閘上水位、閘孔總寬以及閘門開啟度，使用水力學公式計算流量，即

(1)

式(1)中：Q為流量，m3/s；σ為淹沒系數(shù)；C1為淹沒堰流流量系數(shù)；B為閘孔總寬或開啟凈寬，m；hu為上游水頭，m。淹沒系數(shù)用實測流量和水位進行率定。

1.2.2 流域出口水樣采集與分析

西淝河出流水樣采集時間為2018年1月1日—12月31日，分雨期和非雨期進行，根據(jù)降雨徑流觀測結果，非雨期為1、2、10—12月，雨期為3—9月，其中5—9月為汛期。雨期采樣時降雨量超過10 mm，降雨徑流期間至少采集3次水樣，非降雨徑流期間每月至少采集3個常規(guī)水樣，將水樣儲存于野外實驗站的冰箱中，定期運送到實驗室進行水質分析。

水質分析指標主要包括：高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總氮(TN)、硝酸鹽氮(NO3-N)、氨氮(NH4-N)、亞硝酸鹽氮(NO2-N)、總磷(TP)、活性磷酸鹽(SRP)。原水樣測定CODMn、TN、TP；原水經(jīng)0.45 μm醋酸纖維膜過濾后測定NO3-N、NH4-N、NO2-N、SRP等溶解態(tài)指標。CODMn采用高錳酸鹽指數(shù)法測定，TN采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法來測定，TP、SRP采用鉬銻抗分光光度法(GB 11893—89)測定，NO3-N采用紫外分光光度法測定，NO2-N采取N-(1-萘基)-乙二胺光度法測定(GB 7493—87)測定，NH4-N采用水楊酸-次氯酸鹽光度法測定。

1.3 負荷計算與統(tǒng)計分析

主要污染物CODMn、TN和TP的年負荷為流量、濃度與時間的乘積除以流域面積，負荷與流量、濃度之間的相關性用Pearson相關系數(shù)進行分析，分別在99%和95%的置信度下判斷極顯著(p<0.01)或顯著(p<0.05)相關。

其四，“此在單元”的微觀視域是推動中國城市社會發(fā)展的落腳點。“此在單元”是不同的家庭、社區(qū)、日常生活的實在場域，是人們的共性與個性基本關聯(lián)單位，城市命運共同體合理性構建是宏觀性政策與各項制度實現(xiàn)的合法性路徑與社會發(fā)展的穩(wěn)定基礎?！按嗽趩卧敝g的差異性及其共融性，是宏觀環(huán)境正義化與公平化在實踐中使人們獲取幸福感和滿足感，以及實現(xiàn)人的自由全面發(fā)展的價值所在。因此，鼓勵民間社會組織的發(fā)展，細心經(jīng)營家庭與社區(qū)的緊密性，給城市社會不斷注入活力且形成城市行動與行為合力，是克服奧爾森所指出的“集體行動悖論”的有效方式。

2 研究結果

2.1 流域降水與出口流量特征

西淝河流域2018年降水量為1 039.5 mm，3—9月總降雨量達860 mm，占整個研究期降雨量的82.73%，流域出口流量范圍為17.34～46.91 m3/s，流量均值24.26 m3/s，雨期流量均值25.51 m3/s，非雨期流量均值22.82 m3/s，河流徑流總量為765×106m3，徑流系數(shù)為0.41。

2.2 水質特征

由表1可知，2018年期間西淝河出流CODMn變化范圍是2.8～10.2 mg/L，年均值5.4 mg/L，依據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》，其水質CODMn的年均濃度達到Ⅲ類水質標準。TN濃度變化范圍是0.82～3.80 mg/L，年均值為 2.04 mg/L，達到Ⅴ類水質標準。NO3-N濃度變化范圍是0.02～3.55 mg/L，年均值為1.42 mg/L，NH4-N濃度變化范圍是0～1.07 mg/L，年均值0.21 mg/L，NO2-N濃度變化范圍是0～0.78 mg/L，年均值為0.06 mg/L。無機N濃度平均占TN濃度的比率為83.08%，而無機N中，主要以NO3-N為主，其占無機氮的比率為83.8%。TP變化范圍是 0.01～0.34 mg/L，年均值0.11 mg/L，達到Ⅱ水水質標準。SRP變化范圍是0～0.25 mg/L，年均值0.05 mg/L，P主要以SRP形態(tài)存在。

西淝河出流監(jiān)測點的CODMn、TN、TP濃度隨時間變化特征如圖3所示。從時間上變化看，CODMn非雨期濃度較低，最低值出現(xiàn)在1月和12月，隨著雨季的到來(3月)，其濃度逐漸增大，平均濃度8月最高，達到 6.9 mg/L，此后隨著降雨徑流的減少，濃度逐漸降低至較低的濃度水平，如圖3(a)所示。

流量過程線不連續(xù)的部分表示淮河水位高于西淝閘 上水位時閘門關閉情況圖2 2018年西淝河出流流量隨降雨過程的變化Fig.2 The flowrate change of outflow of Xifeihe River with rainfall depth during 2018

表1 2018年西淝河出流監(jiān)測點水質統(tǒng)計Table 1 Statistics of water quality in the outflow of Xifeihe River during 2018

圖3 西淝河出流監(jiān)測點CODMn、TN、TP濃度 隨時間變化特征Fig.3 The concentration change of CODMn, TN, TP in the outflow of Xifeihe River during 2018

西淝河出流監(jiān)測點TN濃度隨時間變化特征與CODMn不同，非雨期濃度均值2.19 mg/L，略高于雨期的1.97 mg/L。非雨期TN濃度最高值出現(xiàn)在1月下旬，為3.80 mg/L，隨著3—4月雨期的來臨，濃度略有升高，濃度均值為2.51 mg/L，在汛期(5—9月)徑流的沖刷下，濃度降低，汛期濃度均值為1.71 mg/L，隨后濃度隨流域降雨徑流減少逐漸回升，10—12月濃度均值為2.24 mg/L，如圖3(b)所示。

研究期間TP濃度隨降雨徑流過程變化如圖3(c)所示，非雨期和雨期TP濃度差異較大，TP非雨期均值為0.06 mg/L，雨期均值為0.13 mg/L，隨著雨期的到來，TP濃度開始大幅度升高，3月濃度均值為0.09 mg/L，在汛期降雨徑流的進一步影響下，5月TP濃度均值最高達到0.15 mg/L，TP濃度峰值出現(xiàn)在8月，為0.34 mg/L，此后隨著降雨徑流的減少，TP濃度開始降低并穩(wěn)定至非雨期水平。

2.3 污染物質負荷特征

由表2可知，2018年期間西淝河流域CODMn的年出流負荷為22.9 kg/hm2，CODMn的日負荷變化范圍是 32.4～166.0 g/hm2。TN的年負荷為 8.71 kg/hm2，日負荷范圍11.36～53.80 g/hm2。TP年負荷為0.46 kg/hm2，日負荷在0.18～3.78 g/hm2變化。

表2 2018年西淝河流域出流各污染物質負荷統(tǒng)計Table 2 Statistics of pollutants load in the outflow of Xifeihe River during 2018

西淝河流域出流CODMn負荷變化及月均值如圖4(a)所示，月負荷均值為2.0 kg/hm2，非雨期與雨期差異較大，非雨期月負荷均值為1.5 kg/hm2，雨期月負荷均值為2.3 kg/hm2。隨著3月份雨期的來臨，出流流量開始增大的同時CODMn的濃度也在增大[圖3(a)]，因而CODMn月負荷量開始緩慢增大，8月份負荷達到最大值3.5 kg/hm2，隨后降雨量減小，月負荷開始減小至非雨期水平。

西淝河出流TN負荷變化不同于CODMn，其在2018年月負荷量均不超過1.0 kg/hm2，且月份之間變化幅度不大。3月雨期TN濃度略有升高，流量增大，負荷相應增大，但隨著雨量的增大，降雨徑流具有稀釋作用，濃度大幅度減小，但流量始終維持在一個較高水平，故月負荷量略微減小，9月份負荷最小，為0.58 kg/hm2，雨期結束后，TN出流負荷緩慢升高。

圖4 西淝河出流監(jiān)測點CODMn、TN、TP 負荷隨時間的變化Fig.4 The load change of CODMn, TN, TP in the outflow of Xifeihe River during 2018

西淝河出流TP負荷與CODMn變化趨勢十分一致，即雨期升高非雨期降低的變化特征，月負荷值在0.1 kg/hm2之內變化，非雨期月負荷均值為0.02 kg/hm2，而雨期月負荷均值為0.04 kg/hm2，汛期的8月月負荷均值達到最大0.07 kg/hm2。

2.4 相關性分析

西淝河流域出流污染物質(CODMn、TN和TP)負荷、濃度和流量相關性分析分別如表3所示。CODMn負荷與流量(r=0.557，P<0.01)、濃度(r=0.890，P<0.01)呈極顯著相關，CODMn濃度與流量(r=0.151，P<0.01)呈顯著相關；TN負荷與流量顯著相關，但相關性系數(shù)較小(r=0.223，P<0.05)，與濃度呈現(xiàn)極顯著相關(r=0.920，P<0.01)；TP負荷與流量(r=0.488，P<0.01)、TP濃度(r=0.938，P<0.01)極顯著相關。

表3 西淝河出流各污染物質(CODMn、TN和TP) 負荷與流量、濃度之間的相關性Table 3 Correlation between pollutants (CODMn, TN and TP) load and flow rate, and concentration in the outflow of Xifeihe River

3 討論

西淝河小流域內流量過程對降水量之間有較高的響應關系，特別是在雨期高強度降雨條件下，出流流量反應較快(圖2)。3月雨期來臨時，西淝河閘孔口全部處于打開狀態(tài)，3—5月降雨變得稀疏時，流量開始緩慢減小，而5月汛期的到來后降雨量大且持續(xù)時間長，為防止洪澇災害、儲存水資源進行灌溉活動等，西淝河閘口孔口全部處于關閉狀態(tài)，而后隨著降雨量減小和淮河水位的下降，閘口孔口開放，流量由峰值開始下降，在8月中旬也出現(xiàn)相似情況，日降雨量最高達101.7 mm，閘門孔口開放后流量達到46.91 m3/s。10—12月處于非雨期，降雨量較少，流量也相應較小。

從土地利用上看，西淝河流域內耕地與建設用地的比例約為3∶1，徑流系數(shù)為0.41，研究表明，淮河其他支流洪汝河、沙潁河和渦河的徑流系數(shù)在0～0.9變化[19]，根據(jù)文獻[20-21]對徑流系數(shù)變化特征分析和土地利用類型之間關系的研究，結合西淝河流域由于采煤導致塌陷區(qū)面積增大、流域平均氣溫升高，蒸散作用變大、土地利用類型變化，流域內人口增長導致建設用地面積增大，土壤蓄水能力減弱，徑流系數(shù)符合當?shù)厮奶卣鳌?/p>

根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》，西淝河出流監(jiān)測點CODMn年均濃度達到Ⅲ類水質標準，TP年均濃度達到Ⅱ類水質標準，TN年均濃度達到V類水質標準。由此可見，西淝河流域TN污染最為嚴重，而CODMn和TP的污染相對較小。在河流好氧的環(huán)境下，有機物隨著水流流動過程中降解較快，導致流域內CODMn濃度較低，而流域大量生活污水的排放和農(nóng)田排水及漁業(yè)等導致流域內營養(yǎng)鹽蓄積并隨降雨徑流入河。

污染物質來源主要分為點源和面源[22]，點源主要是工業(yè)廢水、城市、農(nóng)村生活污水的排放，面源排放主要指農(nóng)業(yè)、城市下墊面累積的污染物質在降雨徑流的沖刷下進入河流[23]。一方面，西淝河流域周邊缺乏對村鎮(zhèn)生產(chǎn)生活污水的處理，相關研究表明，生活污水源對流域河流污染負荷的貢獻能夠達到50%以上[24]，西淝河除其周邊城鎮(zhèn)和郊區(qū)原污水外，河流上游潁上市潁東區(qū)污水處理廠二級出水尾水也是其主要污染物的來源[25]。另一方面，西淝河流域內采煤塌陷形成的沉陷區(qū)水域主要用于漁業(yè)養(yǎng)殖，大量飼料殘留物和過剩肥料隨降雨徑流進入河流。此外，西淝河流域內主要耕地為主，而耕地主要以水稻-小麥(或大豆)輪作的方式進行種植，作物生長需要大量的養(yǎng)分，小麥在3月份經(jīng)過一輪施肥，在6、7月份的稻季，進行另一輪的施肥，雨期過剩的營養(yǎng)物質也易于隨降雨徑流沖刷進入河流水體[26-27]。

從污染物質特性上看，CODMn和TP屬于以顆粒物態(tài)為主的污染物，其受地表徑流的沖刷影響較大[28]， TN屬于溶解態(tài)污染物，存在徑流稀釋作用，所以TN濃度在汛期5—9月與徑流量呈現(xiàn)相反趨勢。1、2月份屬于非雨期，河流流量較小，CODMn、TP沖刷較少而濃度較低，3月份雨期來臨后對污染物沖刷較大，顆粒態(tài)CODMn、TP隨著水流沖刷入河導致濃度升高，尤其是在汛期5—9月濃度達到峰值，此后到非雨期又逐漸減少。N主要來源于污水、農(nóng)田排水、漁業(yè)等，冬季流量較小，濃度較高，春季夏初施肥、投養(yǎng)魚飼料等經(jīng)過徑流沖刷，使得TN濃度保持在一個相對較高水平，而主汛期(5—9月)流量過大，對溶解態(tài)的N污染物稀釋作用較強從而導致其汛期濃度變小。

從負荷上看，流域內污染物負荷的輸出具有明顯的季節(jié)性變化，降雨徑流沖刷地表使流域營養(yǎng)鹽負荷增大[29-30]。CODMn、N、P等營養(yǎng)鹽的負荷也相應增大，COD、TP屬于顆粒污染沖刷，濃度和流量同步變化，所以負荷和濃度、流量均相關，但流量相關性系數(shù)要高于濃度。TN有沖刷和稀釋作用，盡管負荷和流量、濃度均相關，但濃度和流量關系較弱且負荷和濃度的相關性要遠高于與流量的相關性。

2018年西淝河流域CODMn年出流總負荷0.41萬t，TN年出流總負荷為0.16萬t，TP年出流總負荷為0.008萬t，根據(jù)據(jù)馬靜對淮河流域污染負荷核算結果[31]， CODMn、TN和TP入淮河總負荷分別為30.9萬t、6.3萬t、1.1萬t，西淝河CODMn年入河負荷占淮河流域排放量的1.3%，TN占2.5%，TP占0.7%，而其流域面積占淮河流域的0.6%，可見西淝河污染負荷要高于流域平均水平且TN的污染負荷相對較大。單位面積上CODMn年出流負荷為22.9 kg/hm2，TN年出流負荷為8.7 kg/hm2，TP年出流負荷為0.46 kg/hm2，郝守寧等[32]研究表明，沙潁河流域單位面積COD負荷量為87.0 kg/hm2，單位面積TN負荷為12.3 kg/hm2，單位面積TP負荷為1.7 kg/hm2，沙潁河是淮河流域污染最為嚴重的一條支流，西淝河較沙潁河而言污染較輕。

4 結論

(1)西淝河流域在2018年年降水量1 039.5 mm，出流流量均值24.26 m3/s，年徑流總量765×106m3，徑流系數(shù)為0.41。

(2)西淝河2018年出流CODMn濃度范圍為2.8～10.2 mg/L，年均值5.4 mg/L，達到III類水質標準。TN濃度范圍為0.82～3.80 mg/L，年均值2.04 mg/L，達到V類水質標準。TP濃度范圍為0.01～0.34 mg/L，年均值0.11 mg/L，達到地表水II類水質標準。CODMn和TP濃度隨季節(jié)變化趨勢與流量相一致，雨期濃度均高于非雨期濃度，在汛期達到最大。而TN濃度隨季節(jié)變化趨勢與CODMn、TP不同，非雨期濃度高于雨期濃度，汛期隨流量增大而減小。

(3)西淝河流域污染物質負荷強度要高于流域平均水平，但是遠低于污染嚴重的沙潁河支流。西淝河單位面積上CODMn年出流負荷量為 22.9 kg/hm2，TN年出流負荷為8.7 kg/hm2，TP年出流負荷為0.46 kg/hm2，其中CODMn和TP負荷均與流量、濃度成極顯著正相關，受降雨徑流沖刷影響較大。