1 引言(Introduction)

温榆河是北运河的上游, 位于北京市东北部, 是五大水系中唯一一条发源于北京市内且常年有水的河流, 以城市再生水等非常规水源补给为主, 干流全长47.5 km, 起自沙河闸, 止于北关闸.其上游的东沙河、北沙河和南沙河3条支流, 汇入昌平区的沙河水库, 其中, 北沙河、东沙河、南沙河的流域面积分别为597、265、263 km²(刘博等, 2011; 于淼等, 2012; 郭二辉等, 2016).

沙河水库地处温带大陆性季风气候区, 雨量集中于每年的6—9月(杨柳等, 2015).水库总面积约为1.8 km², 历史水位为34.1~36.5 m, 最大库容为2045万m³, 历史日均出库流量为12.5万m³·d^-1, 水力停留时间达69~110 d, 流动性差(张伟等, 2012).昌平区“十三五”时期水务发展规划目标要求, 到2020年, 要标本兼治, 健全水生态水环境体系, 基本消除黑臭水体, 水环境补偿考核断面达标率为100%.沙河水库作为娱乐景观型水体, 水质指标需达到地表水IV类.《北京市水污染防治工作方案》中要求, 到2020年, 地表水水体水质优良(达到或优于III类)比例保持稳定, 丧失使用功能(劣V类)的水体断面比例比2014年下降24%；到2030年, 地表水全面消除劣V类水体, 水生态系统的功能得到恢复.

自北京实施新的《城镇污水处理厂水污染物排放标准(DB 11/890—2012)》以来, 再生水厂出水水质和受纳水体的水环境质量得到明显提升.目前, 北京大多数的点源污染已得到有效治理, 面源污染成为现阶段的主要污染来源, 《北京市进一步加快推进城乡水环境治理工作三年行动方案(2019年7月—2022年6月)》中要求, 加强面源污染治理是主要的工作任务之一.强降雨产生的面源污染易导致湖库区水体富营养化(朱金格等, 2018), 而富营养化是全球性的湖泊环境保护难点(Paerl et al., 2013; Qin et al., 2013; Qu et al., 2014; Qin et al., 2015), 因此, 汛期河湖水质达标问题十分严峻(郑航桅等, 2015).强降雨带来的面源污染具有典型性, 然而, 单次强降雨后所产生的面源污染对北运河上游水质的影响尚不明确.因此, 本研究通过动态追踪单场强降雨后北运河上游的水质波动特征, 解析汛期强降雨后北运河水质变化, 分析其富营养化潜势, 明确强降雨对北运河上游水质不达标的贡献和时空效应, 从而为汛期北运河上游水质稳定达标提供依据.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 区域概况

目前, 沙河水库长期处于低水位运行状态(闸底板), 水位为34.1 m, 水源主要来自于东沙河(约5万m³·d^-1)、北沙河(1.5~2.0万m³·d^-1)、南沙河(10~20万m³·d^-1)和沙河污水处理厂退水(约9万m³·d^-1), 目前日出库流量为41.6万m³·d^-1.为全面反映强降雨后沙河水库水质的变化, 本研究分别在沙河水库上游3条支流(东沙河S1、北沙河S2、南沙河S3)、河口(北沙河河口M2、南沙河河口M3)、库区(沙河水库R)和再生水厂退水口(Sewage treatment plant, STP)各设置一个采样点(图 1).

2.2 试验方案 2.2.1 监测时间与地点

沙河水库区域降雨信息通过现场安装的雨量计(型号：QS-3000, 邯郸开发区清易电子科技有限公司)获得, 统计频率为5 min·次^-1(海永龙等, 2020).2019年6月20日—8月31日, 共降雨27场, 根据国家《降水量等级》(中国气象局, 2012), 其中3场降雨达到了暴雨级别.其中, 7月22日降雨量为53.8 mm·d^-1, 降雨强度大、历时短, 当日沙河水库日出库217.1万m³, 平均水位上涨约0.2 m(表 1), 且为北京主汛期的第一场强降雨, 故本研究选取该降雨事件为追踪监测对象.

晴天样品(对照组)采集：2019年6—8月, 每2周采集一次样品, 采样前3 d无雨.雨后样品采集：2019年7月23—28日连续6 d采集样品.每个采样点样品数目：晴天5个(7月29降雨, 剔除8月1日样品), 雨后6个, 共13个.

采用聚乙烯塑料瓶于水面下10~20 cm处采集水样, 避免水底泥沙搅动；冷藏保存, 当天运回实验室, 于4 ℃保存, 并及时测定相关指标.样品的采集、保存按照《环境水质监测质量保证手册》(第2版)要求进行.

根据汛期晴天监测和降雨后监测结果, 沙河水库及其支流的水质呈现出波动特征.为了更加直观地了解单次强降雨对沙河水库水质的影响情况, 明确沙河水库汛期水质污染主要贡献来源, 本研究对沙河水库及其支流水质分别开展了研究.

2.2.2 常规指标监测

本研究分析测定11个常规指标, 包括溶解氧(DO)、浊度、叶绿素a(Chla)、pH值、化学需氧量(COD)、总氮(TN)、氨氮(NH₄⁺-N)、硝酸盐氮(NO₃^--N)、总磷(TP)、磷酸盐(PO₄^3--P)、总有机碳(TOC)等指标.其中, DO、pH采用便携式测定仪(Multi 3620 IDS, WTW, 德国)现场测定, 浊度、Chla采用叶绿素测定仪(DS5, Hach, 美国)现场测定, TOC采用总有机碳分析仪(TOC-L, SHIMADZU, 日本)进行测定, 其余指标均采用国标法进行测定.

2.2.3 富营养化研究

Carlson(1977)提出一种富营养化状态评价指数TSI (Trophic State Index), Kratzer (2010)改进了该指数, 目前该指数被广泛应用于评价全球湖泊河流的富营养化状态(Hunter, 1993; Kratzer, 2010; Dantas et al., 2012).本研究采用该方法评价沙河水库及其支流的富营养状态, 根据不同的TSI, 水质营养等级分别为：TSI < 40, 贫营养；40≤TSI < 50, 中营养；50≤TSI < 70, 富营养化等级；TSI≥70, 超富营养.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 降雨前后的沙河水库水质变化特征

强降雨前后各项监测指标变化如表 2所示, 有机污染物有所增加, COD、TOC分别增加了23.10%、4.88%；无机污染物指标中, TP增加了21.57%, 其中PO₄^3--P增加显著, 增加了34.62%；TN增加了16.91%, 其中NH₄⁺-N浓度显著增加了154.81%, 而NO₃^--N浓度降低了12.26%.常规指标中, pH、DO、Chla等分别降低了2.92%、8.22%、17.43%, 其中Chla含量显著降低；而T、浊度均分别增加了7.38%、32.75%, 浊度增加显著.

面源污染造成沙河水库的浊度升高, 同时对初雨径流和初雨面源污染进行监测发现, TP、PO₄^3--P、TN、NH₄⁺-N、COD、TOC等指标浓度较高, 这可引发水体C、N、P等污染物的增加, 其中N以氨氮为主.但雨水的中和、稀释作用使水体的pH、Chla、NO₃^--N等指标降低.

3.2 强降雨对沙河水库水质的影响特征

由图 2可知, 晴天库区水质整体上符合国家地表水IV类标准, pH偏碱性, 而TP、TN、COD等指标则未达到IV类水质标准.降雨初始, 库区水质的pH略降低了0.36, DO波动性变化.降雨后库区水质肉眼可见浊度增加, 雨后第2 d达到了120.4 NTU, 在第5 d开始恢复.有机污染物呈现出波动性变化, 未发现明显特征.无机污染物变化特征中, TN呈波动性变化, 其中NO₃^--N占比较高, 约占TN的29.99%~44.35%, NH₄⁺-N浓度占比为6.81%~29.6%；TP浓度呈先下降后上升的变化趋势, 雨后第2 d增加显著, 第5 d达到最大值(0.862 mg·L^-1), 雨后第6 d仍未恢复至雨前TP浓度, 直到8月15日开始出现下降趋势, 说明库区TP除支流输入外, 也可能由于强降雨引起河底沉积物的扰动和水体-底泥之间的氮、磷离子交换及吸附作用等(Tanveer et al., 2012), 导致蓄存的磷被释放进入上浮水；此外, 雨后水位上涨, 水位的变化也会影响岸边土壤的氮、磷等营养物质的转化和释放.

叶绿素a(Chla)是藻类光合作用的主要物质, 是常见的富营养化响应指标.可利用Chla评估藻类生长状况(Mccarthy et al., 2009; Gibson, 2000; 何为媛等, 2019), 反映水体理化性质的动态变化和水体富营养化状况(黄祥飞等, 1999).降雨后库区水质的Chla浓度显著下降, 随雨后气温回升, Chla浓度略有升高, 雨后第5 d达到最大(90.61 mg·L^-1).

3.3 强降雨对沙河水库主要汇水水质的影响

东沙河的水质较为良好, 降雨后, pH、DO轻微波动, 第1 d浊度升高, 达到9.7 NTU, 第2 d恢复到雨前值(图 2).有机污染物COD在雨后无明显增加, TOC在第1 d增长为5.763 mg·L^-1, 随后降低.无机污染物变化特征中, 晴天TN浓度较高(6.93 mg·L^-1), 主要为NO₃^--N(4.6 mg·L^-1)；降雨后第3 d TN浓度达到10.39 mg·L^-1, 其中降雨后第1 d, NH₄⁺-N浓度超出IV水质标准, 达到了1.73 mg·L^-1；TP浓度在雨后第1 d略微增长(0.43 mg·L^-1), 第2 d即恢复IV类水标准(0.29 mg·L^-1).Chla浓度在雨后无明显增加.除TN外, 其余指标都达到IV类水质水平, 虽然降雨对东沙河的水质产生了一定的影响, 但可于雨后1~2 d恢复.

晴天北沙河pH为7.67±0.28, 雨后DO轻微降低, 随后升高, 浊度呈现波动性变化(图 2).有机污染物COD在雨后第2 d超出IV类水质标准(31 mg·L^-1), TOC在雨后第1 d达到最大值(9.154 mg·L^-1).无机污染物变化特征中, TP、TN浓度轻微超标, NH₄⁺-N达到IV类水质标准.雨后TN浓度增加显著(10.49 mg·L^-1), 主要为NH₄⁺-N, 其浓度增长到7.988 mg·L^-1, 并于第5 d恢复(1.39 mg·L^-1)；TP浓度呈先下降后上升的变化趋势, 雨后第1 d显著增加(1.03 mg·L^-1), 尤其是磷酸盐, 但于雨后第3 d恢复至晴天浓度.叶绿素浓度波动不明显.

晴天南沙河pH较高(9.10±0.56), 雨后略有下降；整体DO含量较高, 雨后略微降低, 第4 d达到最大值(10.95 mg·L^-1)；浊度于雨后第4 d达到最大值(36.8 NTU).COD未达到IV类水标准, 雨后第3 d显著增加(36.8 mg·L^-1).雨后TN浓度较高, 主要为NH₄⁺-N, 占比为42.25%~72.33%；南沙河TP浓度最大, 雨后第3 d达最大值(1.1 mg·L^-1).南沙河富营养化严重, Chla为(172.36±79.28) μg·L^-1.降雨后水量、流速的增加有助于Chla的削减, 水量降低和气温增加会引起Chla浓度回升, 雨后第6 d, Chla浓度为134.56 μg·L^-1, 未恢复到雨前浓度.南沙河污染严重, 对于库区水质的pH、磷浓度影响较大, 也是库区水质Chla、有机物来源的主要支流.

除TN浓度, 再生水厂出水的各种监测指标都达到了IV类水标准, 降雨后无明显差异, 但降雨后TP浓度略超出IV类水标准.退水口出水向河流释放了大量的氮素, TN浓度波动变化, 主为NO₃^--N, 再生水是库区水质NO₃^--N的主要贡献来源；强降雨也使退水口处NO₃^--N浓度显著增加, 而含硝酸盐氮的再生水有利于藻类生长, 易导致水体富营养化(于德淼, 2010).

3.4 强降雨对沙河水库河口水质的影响

入湖/库河口水域是指流经该区域的河流和该库区水域交汇处的水域, 具有河流和湖/库区水的两种特征, 河口水域生态环境复杂, 生态系统脆弱敏感, 直接影响湖/库区水质(金相灿等, 2007; 高学平等, 2013; Klemas, 2014; Wohl, 2014).同时, 入湖/库河口环境恶劣, 水生植物较难生长(Singh et al., 2005; Cheng et al., 2006; Varol et al., 2009; 孙卫红等, 2009; Qin et al., 2010).河口汇集各种面源污染、点源污染, 是库区的主要外源污染来源(Cheng et al., 2006), 会对库区水体健康、水生生态系统的稳定产生严重的威胁(Carpenter, 2008; Xu et al., 2009).

降雨后, 北沙河河口的TP浓度增加, 但未达IV类水标准；TN浓度由于降雨稀释下降, 后期受到临近的STP退水的影响, TN浓度迅速上升(图 3).北沙河河口不仅受到退水口NO₃^--N浓度的影响, 在雨后第4 d NH₄⁺-N浓度也出现显著增加(11.45 mg·L^-1).

南沙河河口受南沙河汇入的影响, pH较高, 雨后降低幅度较大, pH由9.07±0.53降低到8.12, 雨后第4 d恢复到晴天数值(图 3).DO浓度在雨后第4 d显著增加.雨后的第3~5 d, 南沙河河口水质的浊度、COD、Chla浓度显著上升, 除南沙河自身污染较为严重外, 河口处生长有大片芦苇, 强降雨导致大面积倒伏, 且水位上涨引起氮、磷等被释放.随着雨后温度上升, 芦苇腐烂, 对河流产生了新一轮的污染.晴天阶段南沙河河口的Chla浓度较高, 为(109.50±61.42) μg·L^-1, 降雨对Chla具有削减作用, 雨后第4 d Chla浓度回升, 第6 d达到最大值(219.88 μg·L^-1)；南沙河河口后期富营养化程度高于南沙河, 说明除南沙河汇入外, 河口自身也出现了大范围的富营养化情况, 在雨后一周仍继续增加, 但于8月逐步降低.

3.5 汛期沙河水库的富营养化潜势状态特征

氮、磷是生物组织和细胞构成的重要元素, 也是藻类、水生植物生长所必需的营养元素(Caron et al., 2000), 这两种元素浓度增加会导致水体富营养化, 采样期间也发现水体中的藻类含量较多.而减少富营养化的高营养元素浓度, 首先要解决磷的输入问题(Hilt et al., 2006).

根据Carlson修正指数(图 4), 南沙河及河口处于富营养水平, 沙河水库和北沙河河口处于中营养水平, 其他区域都是贫营养水平.降雨后, 东沙河和北沙河的TSI指数出现升高, 而南沙河则出现TSI指数下降的趋势, 这表明降雨会增加东沙河和北沙河的富营养化程度, 但对南沙河的富营养化起到了一定的削减作用.同时发现, 河口区域的富营养化程度远高于支流.降雨后, 随着气温回升, 库区第5 d的TSI指数(50.24)达到了富营养化级别, 这可能与富营养化程度较高的汇水流入有关.

3.6 沙河水库的水质空间分布特征

对沙河水库在晴天和雨后的采样数据进行聚类分析, 以欧氏距离度量样本之间的距离(Fovell, 1993), 采用沃德算法生成聚类树(Sharma, 1995), 以各个采样点之间的相似性进行归类(Danielsson et al., 1999).结果发现, 晴天和降雨后聚类有所差异, 可以将所有采样点分为3组(图 5).

晴天, 第1组包括东沙河、北沙河河口和库区, 第2组包括北沙河和污水厂退水口, 第3组包括南沙河和南沙河河口.降雨后, 分组发生变化, 第1组包括东沙河和库区, 第2组包括北沙河、北沙河河口和污水厂退水口, 第3组包括南沙河和南沙河河口.降雨后北沙河河口的水质发生改变, 水质与北沙河水质较为相似.说明降雨后北沙河河口受到上游北沙河大量来水的影响.鉴于上述原因, 对晴天和降雨后沙河水库的水质各指标进行相关性分析和主成分分析.

3.7 沙河水库库区周边水质各指标相关性分析结果

根据沙河水库库区周边水质各指标Pearson相关性分析结果, 以网络图进行直观展示.由图 6可知, 各水质指标都有一定的相关性, 但降雨后个别指标之间的相关性发生改变.晴天, TN与COD、T、Chla、pH呈显著负相关, NO₃^--N与TP、PO₄^3--P、Chla呈显著负相关；TN与NH₄⁺-N、TP、PO₄^3--P、DO呈显著正相关, NO₃^--N与DO呈显著正相关, NH₄⁺-N与浊度、pH、DO呈显著正相关, PO₄^3--P与浊度、pH、DO呈显著正相关, Chla与T呈显著正相关, DO与COD、TOC、T、浊度呈显著正相关, COD与浊度呈显著正相关, T与浊度呈显著正相关.

降雨后, TN与T、TOC、浊度呈显著负相关, PO₄^3--P与pH、NO₃^--N、T、DO呈显著负相关, DO与NO₃^--N呈显著负相关, Chla与NO₃^--N呈显著负相关；TN与TP、PO₄^3--P、DO、pH呈现显著正相关, NH₄⁺-N、PO₄^3--P与pH、DO、Chla、T、浊度呈显著正相关, PO₄^3--P与Chla、COD呈显著正相关, Chla与浊度、T呈显著正相关, DO与TOC呈显著正相关.

同时, 在晴天Chla与T具有显著相关性, 而降雨后Chla与PO₄^3--P、NH₄⁺-N、T、浊度具有显著相关性.

为了进一步确定不同监测点、不同时期水质指标的差异性, 本研究进行主成分分析(图 7), 结果表明, 晴天或雨天, 各个监测点的数据都各自聚集, 具有明显的空间差异性.晴天, 根据不同采样点样本的聚集程度, 发现东沙河和北沙河河口的水质较为相似, 北沙河与库区的水质较为接近, 南沙河和南沙河河口的水质较为相似.对水质影响较大的指标为Chla和TN, 南沙河和南砂河河口污染程度较高, STP是TN和硝态氮的主要提供来源.降雨后, 东沙河、北沙河河口、北沙河水质与库区样本明显分散, 说明降雨对各个支流和库区造成了一定的影响；南沙河和南沙河河口的水质相似程度依旧很高.

4 结论(Conclusions)

1) 强降雨的稀释作用使沙河水库区域大部分常规水质指标呈先减小后增加的变化趋势.沙河水库的库区水质基本达到了地表水IV类水质标准(GB3838- 2002), TP是雨后库区水质的主要影响因素.

2) 南沙河污染和富营养化程度严重, 远超出IV类水质标准, 是主要的汇入污染源, 强降雨对南沙河富营养化有一定的削减作用.

3) 再生水厂出水是库区水质硝态氮的主要贡献来源.河口受降雨的影响较大, 其中, 北沙河河口水质受影响最大.

4) 汛期单次强降雨不会引起水质的显著恶化, 在雨后1周内出现短暂性波动增长, 雨后2~5 d水质变化显著, 大部分指标于3~4 d后降低, 4~6 d逐渐恢复雨前水质, 并趋于稳定状态.