城市河流水體污染變化特征及其對降雨的響應(yīng)關(guān)系
——以新鳳河流域?yàn)槔?/h1>
2022-11-28 06:38:42曾思棟楊中文賈蕊寧
中國農(nóng)村水利水電 2022年11期
陳 焰，夏 瑞，曾思棟，楊中文，王 璐，4，張 凱，賈蕊寧，5
（1.中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 400714；2.國家環(huán)境保護(hù)河口與海岸帶環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；3.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；4.北京師范大學(xué)，北京 100875；5.西北大學(xué)，陜西西安 710127）
隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，城市排污量不斷增加，包括北京在內(nèi)的許多城市河流受到嚴(yán)重污染，黑臭問題現(xiàn)象突出［1，2］。城市黑臭水體不僅給群眾帶來了極差的感官體驗(yàn)，也直接影響群眾生產(chǎn)生活和制約城市發(fā)展。中國住建部2016 年公布全國295 座地級及以上城市中，有超70%存在黑臭水體。黑臭水體的形成受工業(yè)和生活污染排放影響，降雨徑流產(chǎn)生的非點(diǎn)源也是其成因之一，1993年美國EPA 把城市地表徑流列為導(dǎo)致全美河流和湖泊污染的第3大污染源，據(jù)統(tǒng)計，美國的非點(diǎn)源污染量占污染問題的2∕3，60%的水體污染起源于非點(diǎn)源，城市非點(diǎn)源日益成為水質(zhì)惡化的主要原因［3，4］。新鳳河是北京市的主要水源地和生態(tài)廊道，2016年被列入北京市重點(diǎn)黑臭水體之一，受納大興區(qū)內(nèi)主要污水、廢水和非點(diǎn)源污染，水環(huán)境問題十分突出，COD、氨氮和TP常年嚴(yán)重超標(biāo)。
降雨通常被認(rèn)為是水文和非點(diǎn)源模型中驅(qū)動徑流產(chǎn)生和質(zhì)量運(yùn)輸?shù)淖钪匾斎胪緩剑?］，是除人為因素干擾外導(dǎo)致污染物流失進(jìn)入水體的主要自然因素和先決條件，降雨特征（降雨量、降雨強(qiáng)度和雨前晴天天數(shù)等）對污染物的流失存在顯著影響［6］，降雨強(qiáng)度越大，產(chǎn)流系數(shù)越大，攜帶的污染物越多，產(chǎn)生的污染程度越大［7］，從狹義上講，非點(diǎn)源污染往往是由降雨徑流導(dǎo)致的污染過程。就影響方式而言，降雨主要通過降雨量、雨強(qiáng)、降雨歷時等對非點(diǎn)源污染產(chǎn)輸產(chǎn)生影響，不同的影響方式對非點(diǎn)源的響應(yīng)機(jī)制存在顯著差異。大量研究表明，降雨與非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生量有較為顯著的非線性相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)形式包括指數(shù)函數(shù)［8］、冪函數(shù)［9］、對數(shù)函數(shù)［10］和二項(xiàng)式函數(shù)［11］等。主流觀點(diǎn)認(rèn)為，在自然條件下，無論暴雨、中雨還是小雨，降雨初期污染物濃度呈上升趨勢，隨后逐漸平緩，后期呈現(xiàn)下降趨勢［12］。
關(guān)于城市降雨和水質(zhì)污染的響應(yīng)關(guān)系研究主要體現(xiàn)在兩個方面，一是通過建立非點(diǎn)源污染模型，以降雨作為驅(qū)動要素模擬分析氣候變化與水環(huán)境的響應(yīng)關(guān)系［13，14］，二是通過模擬降雨實(shí)驗(yàn)和自然降雨事件聯(lián)合研究［15］，分析徑流與水質(zhì)響應(yīng)特征。受地形等條件的影響，當(dāng)前研究大多集中在農(nóng)田徑流［16］、平原區(qū)流域［17］和小區(qū)道路屋頂?shù)炔煌杆妫?8，19］，基于降雨事件開展污染排放特征研究，分析降雨事件下的污染物遷移規(guī)律，對城市河流流域的研究較少。本研究擬基于新鳳河流域出口斷面的長年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，識別新鳳河流域污染演變特征及其對降雨的響應(yīng)關(guān)系，了解降雨強(qiáng)度影響下的污染物動態(tài)變化，探討城市河流污染對自然降雨的響應(yīng)機(jī)制。
1 材料與方法
1.1 區(qū)域概況
新鳳河位于北京市大興區(qū)北部（圖1），自大興區(qū)黃村鎮(zhèn)立垡分水閘流經(jīng)5 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，沿途匯入支流包括老鳳河、南苑灌渠、新西鳳渠、涼鳳灌渠、安南支流、姜鳳支流等，全長約30 km。主河道位于流域南部，屬北運(yùn)河水系涼水河支流，西起永定河灌渠，向東南方向穿越新城后，從劉村向東至燒餅莊閘，再向東北方向，于馬駒橋鎮(zhèn)西北匯入涼水河。新鳳河流域面積約166 km2，地勢西北高東南低，地面高程39.7～74.8 m，相對高差35.1 m，地形坡度0.5‰～2.0‰。多年平均降雨量為516 mm（1956-2004 年），最大降雨量為1 040 mm 左右（1959 年），最小降雨量268 mm（1965 年），6-8 月為汛期，降水量占全年的87%以上。由于新鳳河匯入涼水河下游連接北京副中心通州，新鳳河水生態(tài)環(huán)境保護(hù)對于首都生態(tài)文明建設(shè)、保障下游城市副中心水安全至關(guān)重要。
1.2 數(shù)據(jù)描述
本研究以北京市大興區(qū)水務(wù)局和中國環(huán)境監(jiān)測總站提供的污染物數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)，包括2015-2019年月尺度污染物數(shù)據(jù)和月尺度降雨數(shù)據(jù)。指標(biāo)采樣點(diǎn)位（圖1）布設(shè)于新鳳河流域出口燒餅莊閘，也是河新鳳河的水質(zhì)考核斷面，檢測方法參照國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［20］，期間逐月降雨數(shù)據(jù)來自流域內(nèi)最近的黃村雨量站。根據(jù)大興區(qū)對新鳳河流域水質(zhì)考核需求，選取COD、氨氮和TP 作為代表水質(zhì)參數(shù)，分析新鳳河污染變化特征及其對流域降雨的響應(yīng)關(guān)系。
圖1 新鳳河流域位置及其采樣站點(diǎn)Fig.1 The location of Xinfeng River and sampling
1.3 分析方法
數(shù)據(jù)采用Arcgis10.3、Excel、Origin9.1 等軟件及Python 語言進(jìn)行統(tǒng)計分析和制圖。
（1）回歸分析?；谛馒P河流域出口斷面COD、氨氮、TP濃度與黃村雨量站降雨數(shù)據(jù)，利用Python 對降雨與水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行回歸并計算Spearman 相關(guān)系數(shù)，分析降雨與水質(zhì)的相關(guān)性。考慮到降雨數(shù)據(jù)存在值為0 的特殊情況，在原始降雨量的基礎(chǔ)上加一定的數(shù)值Re（Re>0）對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，對修正后的降雨量Rx進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換。
根據(jù)氣象局降雨等級劃分，將降雨事件按照降雨強(qiáng)度分為5 個等級，其中小雨（XR）日降雨量為小于10 mm，中雨（ZR）日降雨量為10～25 mm，大雨（DR）日降雨量為25～50 mm，暴雨（BR）日降雨量為50～100 mm，大暴雨或特大暴雨（TR）日降雨量為大于100 mm。利用Origin9.1 分別對COD、NH3-N、TP 與降雨進(jìn)行回歸分析。
（2）MK（Mann-Kendall）突變檢驗(yàn)。MK 突變分析用于分析水質(zhì)指標(biāo)突變過程及污染特征變化趨勢和原因。
式中：UFk是基于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布并基于X時間序列計算的統(tǒng)計系列，顯著水平α；當(dāng)條件為|UFk|>Uα/2時，序列存在顯著趨勢變化。通常UFk的正負(fù)值代表趨勢的上升或下降，與UBk曲線交點(diǎn)對應(yīng)的時間序列節(jié)點(diǎn)則為突變時段。
2 結(jié)果與分析
2.1 水質(zhì)指標(biāo)與降雨變化
2015-2019 年新鳳河流域水質(zhì)逐年改善，由于汛期水質(zhì)在2015-2017 年優(yōu)于非汛期水質(zhì)，在2018-2019 年劣于非汛期水質(zhì)，初步認(rèn)為新鳳河流域水質(zhì)在2017 年發(fā)生突變。如圖2 所示，出口斷面COD、氨氮和TP 濃度在2015-2019 年表現(xiàn)為波動下降，2015年均超出地表水劣V類標(biāo)準(zhǔn)，2019年達(dá)到地表III～I(xiàn)V類水，平均濃度較2015 年分別下降54.9%、94.4%和87.8%。水質(zhì)指標(biāo)濃度與流域降雨的關(guān)系存在顯著的變化（表1），流域汛期均出現(xiàn)在6-8 月，從時間上對比指標(biāo)濃度變化趨勢可見，2015-2017 年COD、氨氮、TP 濃度在汛期較低，非汛期月份較高，汛期與非汛期COD、氨氮、TP 濃度比值分別為0.75、0.72 和0.87。相反2018-2019 年COD、氨氮、TP 濃度在汛期較高，其他月份較低，濃度比值分別為1.05、1.17和1.22。
表1 汛期與非汛期水質(zhì)指標(biāo)變化差異Tab.1 Difference of water quality between flood season and non-flood season
圖2 水質(zhì)指標(biāo)與降雨變化趨勢Fig.2 Monthly variation trend of water quality and rainfall
2.2 基于降雨的水質(zhì)突變分析
為了進(jìn)一步明確流域降雨與出口斷面水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系變化特征以及變化原因，采用線性回歸方法建立降雨與COD、氨氮、TP 濃度的相關(guān)關(guān)系，如圖3 所示為2015-2019 年水質(zhì)指標(biāo)對降雨的響應(yīng)趨勢，2015-2017 年COD、氨氮、TP 濃度與降雨的響應(yīng)關(guān)系表現(xiàn)為不同程度的負(fù)相關(guān)，平均相關(guān)系數(shù)分別為-0.692、-0.543 和-0.521；相反2018-2019 年COD、氨氮、TP 濃度與降雨的響應(yīng)關(guān)系均表現(xiàn)為正相關(guān)，平均相關(guān)系數(shù)分別為0.579、0.536 和0.720?？梢?，指標(biāo)濃度隨降雨量增大呈現(xiàn)降低的趨勢逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌尸F(xiàn)升高的趨勢，且發(fā)生變化的年份在2017-2018年之間。
圖3 2015-2019水質(zhì)指標(biāo)與降雨的響應(yīng)趨勢Fig.3 Response trend of water quality indexes and rainfall from 2015 to 2019
為了揭示產(chǎn)生變化的主要原因，采用MK檢驗(yàn)對COD、氨氮和TP濃度進(jìn)行突變分析，結(jié)果如圖4所示，在1%顯著水平范圍內(nèi)，COD、氨氮和TP 濃度在2015-2019 年均存在一個突變點(diǎn)，分別出現(xiàn)2018 年11 月、2018 年6 月和2017 年11 月，突變后濃度均下降，該結(jié)果與以上分析結(jié)果一致。主要因?yàn)?017-2018 年截污等水環(huán)境治理工程的實(shí)施使新鳳河流域點(diǎn)源得到控制［21］，工程實(shí)施前，水體主要受點(diǎn)源影響，降雨對指標(biāo)濃度起到了一定的稀釋作用，導(dǎo)致濃度降低，雨量越大，稀釋效果越好，工程實(shí)施后，點(diǎn)源得到控制，入河非點(diǎn)源負(fù)荷隨著降雨量的增大而增加，濃度升高。
圖4 COD、氨氮和TP濃度MK檢驗(yàn)結(jié)果Fig.4 MK test result of COD，ammonia nitrogen and TP concentration
2.3 水質(zhì)指標(biāo)對降雨強(qiáng)度的響應(yīng)
新鳳河流域水質(zhì)指標(biāo)在不同降雨強(qiáng)度下變化較大，隨著降雨強(qiáng)度的增大，指標(biāo)濃度呈現(xiàn)波動降低的趨勢。圖5可見，小雨強(qiáng)度下，COD、氨氮和TP 平均濃度分別為33.8、10.25 和1.02 mg∕L，濃度變化區(qū)間分別為14～85.5、0.4～24.3 和0.17～6.42 mg∕L。中雨強(qiáng)度下，COD、氨氮和TP 平均濃度分別為50.28、12.46 和1.87 mg∕L，濃度變化區(qū)間分別為12.5～80、0.93～27.4 和0.33～4.04 mg∕L。大雨強(qiáng)度下，COD、氨氮和TP 平均濃度分別為50.02、11.96 和1.49 mg∕L，濃度變化區(qū)間分別為19.5～83、0.42～29.6 和0.28～3.6 mg∕L。暴雨強(qiáng)度下，COD、氨氮和TP 平均濃度分別為37.68、9.02 和0.86 mg∕L，濃度變化區(qū)間分別為29.5～42.2、6.88～11.2 和0.25～1.36 mg∕L。特大暴雨強(qiáng)度下，COD、氨氮和TP平均濃度分別為33.8、10.25和1.02 mg∕L，濃度變化區(qū)間分別為29.2～37、8.11～12.2和0.12～1.72 mg∕L。
圖5 不同降雨強(qiáng)度下水質(zhì)濃度變化趨勢Fig.5 Trends of water quality under different rainfall intensity
COD、氨氮和TP 濃度與降雨強(qiáng)度存在明顯的相關(guān)關(guān)系。COD 濃度在特大暴雨中最低，中雨和大雨中較高，可見隨著降雨強(qiáng)度的增大，濃度先上升后下降趨于平緩。氨氮和TP濃度均在暴雨中最低，中雨強(qiáng)度下最高，隨著降雨強(qiáng)度的增大，濃度先上升后下降，在特大暴雨中有略微回升。不同降雨強(qiáng)度下的水質(zhì)指標(biāo)濃度與降雨量存在二項(xiàng)式非線性關(guān)系，COD、氨氮和TP濃度在小雨事件與降雨量均呈現(xiàn)“∨”型曲線關(guān)系，濃度隨著降雨量的增大先降后升，相關(guān)性不顯著；在中雨事件與降雨量均呈現(xiàn)“∧”型曲線關(guān)系，濃度隨著降雨量的增大先升后降，相關(guān)性不顯著；在大雨事件隨著降雨量增大而降低，R2分別為0.545、0.2 和0.488；暴雨和特大暴雨事件中COD、氨氮和TP 濃度與降雨量的非線性關(guān)系顯著增強(qiáng)，尤其在特大暴雨條件下非線性關(guān)系分別達(dá)到0.955、0.987 和0.936，但與降雨量呈現(xiàn)不一樣的非線性關(guān)系。整體來看，三個指標(biāo)濃度隨著降雨強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，不同強(qiáng)度下的降雨量和指標(biāo)濃度在一定程度上表現(xiàn)為非線性相關(guān)，且非線性相關(guān)關(guān)系隨降雨強(qiáng)度的增大而逐漸增強(qiáng)。
3 討論
2015-2019年，新鳳河流域水質(zhì)逐步得到改善，根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，從劣V 類上升到III～I(xiàn)V 類。降雨是水系統(tǒng)循環(huán)過程中主要組成部分［22］，在陸面水文循環(huán)過程中對河流水質(zhì)具有突出貢獻(xiàn)［23］，具有沖刷和稀釋的作用，累積并儲存于陸面的污染物隨著降雨徑流的沖刷就近流入河道，當(dāng)徑流中的污染物濃度高于河道水體，徑流無疑增加水體負(fù)荷，相反則能充當(dāng)凈水的作用，稀釋水質(zhì)濃度。當(dāng)流域污染由點(diǎn)源主控時，降雨起到清水補(bǔ)給的作用，水體濃度高于降雨徑流攜帶的非點(diǎn)源濃度，稀釋水中污染物濃度，導(dǎo)致河道水質(zhì)隨著降雨量的增大而逐漸改善，當(dāng)點(diǎn)源在最大程度上得到控制，排入河道的點(diǎn)源負(fù)荷急劇減小，由降雨徑流產(chǎn)生的非點(diǎn)源對水體的影響逐漸顯著，降雨對河道水質(zhì)的響應(yīng)由沖刷作用主控，水質(zhì)濃度隨著降雨量的增大而升高。本研究發(fā)現(xiàn)，流域出口斷面水質(zhì)指標(biāo)逐月濃度呈現(xiàn)明顯的變化，兩個時期的水質(zhì)濃度的差異反映了流域污染源的變化（圖6），2015-2017年汛期水質(zhì)濃度明顯低于非汛期，說明流域主要受到工業(yè)、城鎮(zhèn)生活等污染排放的影響［24］，由于水環(huán)境治理工程的實(shí)施運(yùn)行，2018-2019 年汛期水質(zhì)濃度高于非汛期，說明流域主要受到農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)徑流和農(nóng)村生活等非點(diǎn)源的影響。
圖6 不同時期流域污染源分布特征Fig.6 Distribution characteristics of pollution sources in different periods
從新鳳河流域出口斷面水質(zhì)與降雨強(qiáng)度的響應(yīng)關(guān)系來看，水質(zhì)指標(biāo)濃度在小雨事件到中雨、大雨事件轉(zhuǎn)變的過程中逐漸升高，趨于平緩后在暴雨、特大暴雨事件中開始降低并達(dá)到飽和或輕微回升。原因在于降雨量較小時，由于產(chǎn)生徑流少甚至無徑流產(chǎn)生，對河道水質(zhì)影響不大，隨著降雨量增大，產(chǎn)流增大，攜帶入河的污染物負(fù)荷增大［25］，會造成河道污染物濃度出現(xiàn)波動上升，當(dāng)降雨量達(dá)到一定程度的時候，由于地表達(dá)到土壤飽和狀態(tài)，沖刷陸面污染物的能力降低，徑流和河道水體中的污染負(fù)荷達(dá)到平衡狀態(tài)，水質(zhì)濃度降低并逐漸達(dá)到平衡，出現(xiàn)輕微回升可能的原因在于特大暴雨引起了底泥擾動，沉積物中的有機(jī)物和營養(yǎng)鹽釋放上浮，增加水體污染負(fù)荷，該結(jié)論與石德坤［26］等的研究結(jié)論一致。進(jìn)一步分析不同降雨強(qiáng)度下水質(zhì)指標(biāo)濃度與降雨量的相關(guān)關(guān)系可見，在不同的降雨強(qiáng)度下，水質(zhì)指標(biāo)濃度隨降雨量的增大呈現(xiàn)先升后降或先降后升的二次函數(shù)關(guān)系，該結(jié)論在Xie［27］等、于興修［28］等、連慧珠［29］等、李曉虹［30］等的研究中均有所體現(xiàn)，可見降雨對河流水質(zhì)的影響在稀釋作用和沖刷作用之間轉(zhuǎn)換（圖7）。
圖7 河流污染物對降雨的響應(yīng)機(jī)制（李曉虹等總結(jié)）Fig.7 Response mechanism of river pollutants to rainfall（Summaried by Li Xiaohong et al）
4 結(jié)論
（1）新鳳河流域水質(zhì)變化受降雨影響顯著。新鳳河流域出口斷面COD、氨氮和TP 三個組分濃度呈現(xiàn)逐年降低的趨勢，根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，斷面水質(zhì)類別從2015年的劣V 類提升2019 年的至III～I(xiàn)V 類，2015-2017 年汛期水質(zhì)優(yōu)于非汛期，2018-2019年劣于非汛期。
（2）降雨與水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系反映了流域污染變化特征。流域降雨與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系從負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)檎嚓P(guān)，變化拐點(diǎn)出現(xiàn)在2017-2018年，拐點(diǎn)前后，流域污染由點(diǎn)源主導(dǎo)變?yōu)榉屈c(diǎn)源主導(dǎo)。
（3）不同降雨強(qiáng)度顯著影響污染輸出特征。降雨的稀釋和沖刷作用決定污染組分對降雨的響應(yīng)關(guān)系，COD、氨氮和TP 濃度在中雨和大雨時較高，暴雨和特大暴雨時較低，隨著降雨強(qiáng)度的增大，3 個指標(biāo)濃度在小雨～大雨過程中表現(xiàn)為先上升，逐漸趨于平緩，在暴雨～特大暴雨過程中開始下降。不同降雨強(qiáng)度下的降雨量與水質(zhì)呈現(xiàn)二次函數(shù)非線性關(guān)系，且隨著強(qiáng)度的增大，非線性關(guān)系越強(qiáng)。
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陳 焰，夏 瑞，曾思棟，楊中文，王 璐，4，張 凱，賈蕊寧，5
（1.中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 400714；2.國家環(huán)境保護(hù)河口與海岸帶環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；3.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；4.北京師范大學(xué)，北京 100875；5.西北大學(xué)，陜西西安 710127）
隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，城市排污量不斷增加，包括北京在內(nèi)的許多城市河流受到嚴(yán)重污染，黑臭問題現(xiàn)象突出［1，2］。城市黑臭水體不僅給群眾帶來了極差的感官體驗(yàn)，也直接影響群眾生產(chǎn)生活和制約城市發(fā)展。中國住建部2016 年公布全國295 座地級及以上城市中，有超70%存在黑臭水體。黑臭水體的形成受工業(yè)和生活污染排放影響，降雨徑流產(chǎn)生的非點(diǎn)源也是其成因之一，1993年美國EPA 把城市地表徑流列為導(dǎo)致全美河流和湖泊污染的第3大污染源，據(jù)統(tǒng)計，美國的非點(diǎn)源污染量占污染問題的2∕3，60%的水體污染起源于非點(diǎn)源，城市非點(diǎn)源日益成為水質(zhì)惡化的主要原因［3，4］。新鳳河是北京市的主要水源地和生態(tài)廊道，2016年被列入北京市重點(diǎn)黑臭水體之一，受納大興區(qū)內(nèi)主要污水、廢水和非點(diǎn)源污染，水環(huán)境問題十分突出，COD、氨氮和TP常年嚴(yán)重超標(biāo)。
降雨通常被認(rèn)為是水文和非點(diǎn)源模型中驅(qū)動徑流產(chǎn)生和質(zhì)量運(yùn)輸?shù)淖钪匾斎胪緩剑?］，是除人為因素干擾外導(dǎo)致污染物流失進(jìn)入水體的主要自然因素和先決條件，降雨特征（降雨量、降雨強(qiáng)度和雨前晴天天數(shù)等）對污染物的流失存在顯著影響［6］，降雨強(qiáng)度越大，產(chǎn)流系數(shù)越大，攜帶的污染物越多，產(chǎn)生的污染程度越大［7］，從狹義上講，非點(diǎn)源污染往往是由降雨徑流導(dǎo)致的污染過程。就影響方式而言，降雨主要通過降雨量、雨強(qiáng)、降雨歷時等對非點(diǎn)源污染產(chǎn)輸產(chǎn)生影響，不同的影響方式對非點(diǎn)源的響應(yīng)機(jī)制存在顯著差異。大量研究表明，降雨與非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生量有較為顯著的非線性相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)形式包括指數(shù)函數(shù)［8］、冪函數(shù)［9］、對數(shù)函數(shù)［10］和二項(xiàng)式函數(shù)［11］等。主流觀點(diǎn)認(rèn)為，在自然條件下，無論暴雨、中雨還是小雨，降雨初期污染物濃度呈上升趨勢，隨后逐漸平緩，后期呈現(xiàn)下降趨勢［12］。
關(guān)于城市降雨和水質(zhì)污染的響應(yīng)關(guān)系研究主要體現(xiàn)在兩個方面，一是通過建立非點(diǎn)源污染模型，以降雨作為驅(qū)動要素模擬分析氣候變化與水環(huán)境的響應(yīng)關(guān)系［13，14］，二是通過模擬降雨實(shí)驗(yàn)和自然降雨事件聯(lián)合研究［15］，分析徑流與水質(zhì)響應(yīng)特征。受地形等條件的影響，當(dāng)前研究大多集中在農(nóng)田徑流［16］、平原區(qū)流域［17］和小區(qū)道路屋頂?shù)炔煌杆妫?8，19］，基于降雨事件開展污染排放特征研究，分析降雨事件下的污染物遷移規(guī)律，對城市河流流域的研究較少。本研究擬基于新鳳河流域出口斷面的長年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，識別新鳳河流域污染演變特征及其對降雨的響應(yīng)關(guān)系，了解降雨強(qiáng)度影響下的污染物動態(tài)變化，探討城市河流污染對自然降雨的響應(yīng)機(jī)制。
1 材料與方法
1.1 區(qū)域概況
新鳳河位于北京市大興區(qū)北部（圖1），自大興區(qū)黃村鎮(zhèn)立垡分水閘流經(jīng)5 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，沿途匯入支流包括老鳳河、南苑灌渠、新西鳳渠、涼鳳灌渠、安南支流、姜鳳支流等，全長約30 km。主河道位于流域南部，屬北運(yùn)河水系涼水河支流，西起永定河灌渠，向東南方向穿越新城后，從劉村向東至燒餅莊閘，再向東北方向，于馬駒橋鎮(zhèn)西北匯入涼水河。新鳳河流域面積約166 km2，地勢西北高東南低，地面高程39.7～74.8 m，相對高差35.1 m，地形坡度0.5‰～2.0‰。多年平均降雨量為516 mm（1956-2004 年），最大降雨量為1 040 mm 左右（1959 年），最小降雨量268 mm（1965 年），6-8 月為汛期，降水量占全年的87%以上。由于新鳳河匯入涼水河下游連接北京副中心通州，新鳳河水生態(tài)環(huán)境保護(hù)對于首都生態(tài)文明建設(shè)、保障下游城市副中心水安全至關(guān)重要。
1.2 數(shù)據(jù)描述
本研究以北京市大興區(qū)水務(wù)局和中國環(huán)境監(jiān)測總站提供的污染物數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)，包括2015-2019年月尺度污染物數(shù)據(jù)和月尺度降雨數(shù)據(jù)。指標(biāo)采樣點(diǎn)位（圖1）布設(shè)于新鳳河流域出口燒餅莊閘，也是河新鳳河的水質(zhì)考核斷面，檢測方法參照國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［20］，期間逐月降雨數(shù)據(jù)來自流域內(nèi)最近的黃村雨量站。根據(jù)大興區(qū)對新鳳河流域水質(zhì)考核需求，選取COD、氨氮和TP 作為代表水質(zhì)參數(shù)，分析新鳳河污染變化特征及其對流域降雨的響應(yīng)關(guān)系。
圖1 新鳳河流域位置及其采樣站點(diǎn)Fig.1 The location of Xinfeng River and sampling
1.3 分析方法
數(shù)據(jù)采用Arcgis10.3、Excel、Origin9.1 等軟件及Python 語言進(jìn)行統(tǒng)計分析和制圖。
（1）回歸分析?；谛馒P河流域出口斷面COD、氨氮、TP濃度與黃村雨量站降雨數(shù)據(jù)，利用Python 對降雨與水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行回歸并計算Spearman 相關(guān)系數(shù)，分析降雨與水質(zhì)的相關(guān)性。考慮到降雨數(shù)據(jù)存在值為0 的特殊情況，在原始降雨量的基礎(chǔ)上加一定的數(shù)值Re（Re>0）對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，對修正后的降雨量Rx進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換。
根據(jù)氣象局降雨等級劃分，將降雨事件按照降雨強(qiáng)度分為5 個等級，其中小雨（XR）日降雨量為小于10 mm，中雨（ZR）日降雨量為10～25 mm，大雨（DR）日降雨量為25～50 mm，暴雨（BR）日降雨量為50～100 mm，大暴雨或特大暴雨（TR）日降雨量為大于100 mm。利用Origin9.1 分別對COD、NH3-N、TP 與降雨進(jìn)行回歸分析。
（2）MK（Mann-Kendall）突變檢驗(yàn)。MK 突變分析用于分析水質(zhì)指標(biāo)突變過程及污染特征變化趨勢和原因。
式中：UFk是基于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布并基于X時間序列計算的統(tǒng)計系列，顯著水平α；當(dāng)條件為|UFk|>Uα/2時，序列存在顯著趨勢變化。通常UFk的正負(fù)值代表趨勢的上升或下降，與UBk曲線交點(diǎn)對應(yīng)的時間序列節(jié)點(diǎn)則為突變時段。
2 結(jié)果與分析
2.1 水質(zhì)指標(biāo)與降雨變化
2015-2019 年新鳳河流域水質(zhì)逐年改善，由于汛期水質(zhì)在2015-2017 年優(yōu)于非汛期水質(zhì)，在2018-2019 年劣于非汛期水質(zhì)，初步認(rèn)為新鳳河流域水質(zhì)在2017 年發(fā)生突變。如圖2 所示，出口斷面COD、氨氮和TP 濃度在2015-2019 年表現(xiàn)為波動下降，2015年均超出地表水劣V類標(biāo)準(zhǔn)，2019年達(dá)到地表III～I(xiàn)V類水，平均濃度較2015 年分別下降54.9%、94.4%和87.8%。水質(zhì)指標(biāo)濃度與流域降雨的關(guān)系存在顯著的變化（表1），流域汛期均出現(xiàn)在6-8 月，從時間上對比指標(biāo)濃度變化趨勢可見，2015-2017 年COD、氨氮、TP 濃度在汛期較低，非汛期月份較高，汛期與非汛期COD、氨氮、TP 濃度比值分別為0.75、0.72 和0.87。相反2018-2019 年COD、氨氮、TP 濃度在汛期較高，其他月份較低，濃度比值分別為1.05、1.17和1.22。
表1 汛期與非汛期水質(zhì)指標(biāo)變化差異Tab.1 Difference of water quality between flood season and non-flood season
圖2 水質(zhì)指標(biāo)與降雨變化趨勢Fig.2 Monthly variation trend of water quality and rainfall
2.2 基于降雨的水質(zhì)突變分析
為了進(jìn)一步明確流域降雨與出口斷面水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系變化特征以及變化原因，采用線性回歸方法建立降雨與COD、氨氮、TP 濃度的相關(guān)關(guān)系，如圖3 所示為2015-2019 年水質(zhì)指標(biāo)對降雨的響應(yīng)趨勢，2015-2017 年COD、氨氮、TP 濃度與降雨的響應(yīng)關(guān)系表現(xiàn)為不同程度的負(fù)相關(guān)，平均相關(guān)系數(shù)分別為-0.692、-0.543 和-0.521；相反2018-2019 年COD、氨氮、TP 濃度與降雨的響應(yīng)關(guān)系均表現(xiàn)為正相關(guān)，平均相關(guān)系數(shù)分別為0.579、0.536 和0.720?？梢?，指標(biāo)濃度隨降雨量增大呈現(xiàn)降低的趨勢逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌尸F(xiàn)升高的趨勢，且發(fā)生變化的年份在2017-2018年之間。
圖3 2015-2019水質(zhì)指標(biāo)與降雨的響應(yīng)趨勢Fig.3 Response trend of water quality indexes and rainfall from 2015 to 2019
為了揭示產(chǎn)生變化的主要原因，采用MK檢驗(yàn)對COD、氨氮和TP濃度進(jìn)行突變分析，結(jié)果如圖4所示，在1%顯著水平范圍內(nèi)，COD、氨氮和TP 濃度在2015-2019 年均存在一個突變點(diǎn)，分別出現(xiàn)2018 年11 月、2018 年6 月和2017 年11 月，突變后濃度均下降，該結(jié)果與以上分析結(jié)果一致。主要因?yàn)?017-2018 年截污等水環(huán)境治理工程的實(shí)施使新鳳河流域點(diǎn)源得到控制［21］，工程實(shí)施前，水體主要受點(diǎn)源影響，降雨對指標(biāo)濃度起到了一定的稀釋作用，導(dǎo)致濃度降低，雨量越大，稀釋效果越好，工程實(shí)施后，點(diǎn)源得到控制，入河非點(diǎn)源負(fù)荷隨著降雨量的增大而增加，濃度升高。
圖4 COD、氨氮和TP濃度MK檢驗(yàn)結(jié)果Fig.4 MK test result of COD，ammonia nitrogen and TP concentration
2.3 水質(zhì)指標(biāo)對降雨強(qiáng)度的響應(yīng)
新鳳河流域水質(zhì)指標(biāo)在不同降雨強(qiáng)度下變化較大，隨著降雨強(qiáng)度的增大，指標(biāo)濃度呈現(xiàn)波動降低的趨勢。圖5可見，小雨強(qiáng)度下，COD、氨氮和TP 平均濃度分別為33.8、10.25 和1.02 mg∕L，濃度變化區(qū)間分別為14～85.5、0.4～24.3 和0.17～6.42 mg∕L。中雨強(qiáng)度下，COD、氨氮和TP 平均濃度分別為50.28、12.46 和1.87 mg∕L，濃度變化區(qū)間分別為12.5～80、0.93～27.4 和0.33～4.04 mg∕L。大雨強(qiáng)度下，COD、氨氮和TP 平均濃度分別為50.02、11.96 和1.49 mg∕L，濃度變化區(qū)間分別為19.5～83、0.42～29.6 和0.28～3.6 mg∕L。暴雨強(qiáng)度下，COD、氨氮和TP 平均濃度分別為37.68、9.02 和0.86 mg∕L，濃度變化區(qū)間分別為29.5～42.2、6.88～11.2 和0.25～1.36 mg∕L。特大暴雨強(qiáng)度下，COD、氨氮和TP平均濃度分別為33.8、10.25和1.02 mg∕L，濃度變化區(qū)間分別為29.2～37、8.11～12.2和0.12～1.72 mg∕L。
圖5 不同降雨強(qiáng)度下水質(zhì)濃度變化趨勢Fig.5 Trends of water quality under different rainfall intensity
COD、氨氮和TP 濃度與降雨強(qiáng)度存在明顯的相關(guān)關(guān)系。COD 濃度在特大暴雨中最低，中雨和大雨中較高，可見隨著降雨強(qiáng)度的增大，濃度先上升后下降趨于平緩。氨氮和TP濃度均在暴雨中最低，中雨強(qiáng)度下最高，隨著降雨強(qiáng)度的增大，濃度先上升后下降，在特大暴雨中有略微回升。不同降雨強(qiáng)度下的水質(zhì)指標(biāo)濃度與降雨量存在二項(xiàng)式非線性關(guān)系，COD、氨氮和TP濃度在小雨事件與降雨量均呈現(xiàn)“∨”型曲線關(guān)系，濃度隨著降雨量的增大先降后升，相關(guān)性不顯著；在中雨事件與降雨量均呈現(xiàn)“∧”型曲線關(guān)系，濃度隨著降雨量的增大先升后降，相關(guān)性不顯著；在大雨事件隨著降雨量增大而降低，R2分別為0.545、0.2 和0.488；暴雨和特大暴雨事件中COD、氨氮和TP 濃度與降雨量的非線性關(guān)系顯著增強(qiáng)，尤其在特大暴雨條件下非線性關(guān)系分別達(dá)到0.955、0.987 和0.936，但與降雨量呈現(xiàn)不一樣的非線性關(guān)系。整體來看，三個指標(biāo)濃度隨著降雨強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，不同強(qiáng)度下的降雨量和指標(biāo)濃度在一定程度上表現(xiàn)為非線性相關(guān)，且非線性相關(guān)關(guān)系隨降雨強(qiáng)度的增大而逐漸增強(qiáng)。
3 討論
2015-2019年，新鳳河流域水質(zhì)逐步得到改善，根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，從劣V 類上升到III～I(xiàn)V 類。降雨是水系統(tǒng)循環(huán)過程中主要組成部分［22］，在陸面水文循環(huán)過程中對河流水質(zhì)具有突出貢獻(xiàn)［23］，具有沖刷和稀釋的作用，累積并儲存于陸面的污染物隨著降雨徑流的沖刷就近流入河道，當(dāng)徑流中的污染物濃度高于河道水體，徑流無疑增加水體負(fù)荷，相反則能充當(dāng)凈水的作用，稀釋水質(zhì)濃度。當(dāng)流域污染由點(diǎn)源主控時，降雨起到清水補(bǔ)給的作用，水體濃度高于降雨徑流攜帶的非點(diǎn)源濃度，稀釋水中污染物濃度，導(dǎo)致河道水質(zhì)隨著降雨量的增大而逐漸改善，當(dāng)點(diǎn)源在最大程度上得到控制，排入河道的點(diǎn)源負(fù)荷急劇減小，由降雨徑流產(chǎn)生的非點(diǎn)源對水體的影響逐漸顯著，降雨對河道水質(zhì)的響應(yīng)由沖刷作用主控，水質(zhì)濃度隨著降雨量的增大而升高。本研究發(fā)現(xiàn)，流域出口斷面水質(zhì)指標(biāo)逐月濃度呈現(xiàn)明顯的變化，兩個時期的水質(zhì)濃度的差異反映了流域污染源的變化（圖6），2015-2017年汛期水質(zhì)濃度明顯低于非汛期，說明流域主要受到工業(yè)、城鎮(zhèn)生活等污染排放的影響［24］，由于水環(huán)境治理工程的實(shí)施運(yùn)行，2018-2019 年汛期水質(zhì)濃度高于非汛期，說明流域主要受到農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)徑流和農(nóng)村生活等非點(diǎn)源的影響。
圖6 不同時期流域污染源分布特征Fig.6 Distribution characteristics of pollution sources in different periods
從新鳳河流域出口斷面水質(zhì)與降雨強(qiáng)度的響應(yīng)關(guān)系來看，水質(zhì)指標(biāo)濃度在小雨事件到中雨、大雨事件轉(zhuǎn)變的過程中逐漸升高，趨于平緩后在暴雨、特大暴雨事件中開始降低并達(dá)到飽和或輕微回升。原因在于降雨量較小時，由于產(chǎn)生徑流少甚至無徑流產(chǎn)生，對河道水質(zhì)影響不大，隨著降雨量增大，產(chǎn)流增大，攜帶入河的污染物負(fù)荷增大［25］，會造成河道污染物濃度出現(xiàn)波動上升，當(dāng)降雨量達(dá)到一定程度的時候，由于地表達(dá)到土壤飽和狀態(tài)，沖刷陸面污染物的能力降低，徑流和河道水體中的污染負(fù)荷達(dá)到平衡狀態(tài)，水質(zhì)濃度降低并逐漸達(dá)到平衡，出現(xiàn)輕微回升可能的原因在于特大暴雨引起了底泥擾動，沉積物中的有機(jī)物和營養(yǎng)鹽釋放上浮，增加水體污染負(fù)荷，該結(jié)論與石德坤［26］等的研究結(jié)論一致。進(jìn)一步分析不同降雨強(qiáng)度下水質(zhì)指標(biāo)濃度與降雨量的相關(guān)關(guān)系可見，在不同的降雨強(qiáng)度下，水質(zhì)指標(biāo)濃度隨降雨量的增大呈現(xiàn)先升后降或先降后升的二次函數(shù)關(guān)系，該結(jié)論在Xie［27］等、于興修［28］等、連慧珠［29］等、李曉虹［30］等的研究中均有所體現(xiàn)，可見降雨對河流水質(zhì)的影響在稀釋作用和沖刷作用之間轉(zhuǎn)換（圖7）。
圖7 河流污染物對降雨的響應(yīng)機(jī)制（李曉虹等總結(jié)）Fig.7 Response mechanism of river pollutants to rainfall（Summaried by Li Xiaohong et al）
4 結(jié)論
（1）新鳳河流域水質(zhì)變化受降雨影響顯著。新鳳河流域出口斷面COD、氨氮和TP 三個組分濃度呈現(xiàn)逐年降低的趨勢，根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，斷面水質(zhì)類別從2015年的劣V 類提升2019 年的至III～I(xiàn)V 類，2015-2017 年汛期水質(zhì)優(yōu)于非汛期，2018-2019年劣于非汛期。
（2）降雨與水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系反映了流域污染變化特征。流域降雨與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系從負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)檎嚓P(guān)，變化拐點(diǎn)出現(xiàn)在2017-2018年，拐點(diǎn)前后，流域污染由點(diǎn)源主導(dǎo)變?yōu)榉屈c(diǎn)源主導(dǎo)。
（3）不同降雨強(qiáng)度顯著影響污染輸出特征。降雨的稀釋和沖刷作用決定污染組分對降雨的響應(yīng)關(guān)系，COD、氨氮和TP 濃度在中雨和大雨時較高，暴雨和特大暴雨時較低，隨著降雨強(qiáng)度的增大，3 個指標(biāo)濃度在小雨～大雨過程中表現(xiàn)為先上升，逐漸趨于平緩，在暴雨～特大暴雨過程中開始下降。不同降雨強(qiáng)度下的降雨量與水質(zhì)呈現(xiàn)二次函數(shù)非線性關(guān)系，且隨著強(qiáng)度的增大，非線性關(guān)系越強(qiáng)。
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