成 婷 ，袁绍春 ，2，陈 垚 ，2*，赵德强 ，2，朱子奇

（1.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；2.重庆交通大学 环境水利工程重庆市工程实验室，重庆 400074）

目前我国大多数城市的排水体制仍为传统的雨污合流制[1]。点、面源复合污染问题突出，且往往在城市局部区域形成堵塞，造成下垫面不透水面积剧增，导致雨水地表径流污染演变为最为严重的一种面源效应，成为城区水环境问题的主要特征。降雨径流携带的污染物浓度高、种类复杂，未经适当管控而直接排放将造成水体水质恶化和生物多样性丧失等生态环境问题[2]，最终使城市河流出现黑臭水体。城市河道黑臭化不仅影响城市景观，还会危害周边居民的生命健康。2016年2月，国务院住房和城乡建设部联合环境保护部（现生态环境部）通报了我国第一轮黑臭水体排查情况，295座地级及以上城市中，仅79座城市未发现黑臭水体，其余216座城市中共排查出黑臭水体1 861个[3]。随着国家 《水污染防治行动计划》（国发〔2015〕17号）的颁布，要求省会城市建成河道须在2017年底前消除黑臭，省辖市必须在2020年前完成黑臭河道治理。黑臭水体治理中，面源污染控制是关键。针对雨水径流形成的面源污染问题，我国提出了海绵城市这一新型城市雨洪管理理念[4-5]，其核心是通过构建低影响开发（low impact development，LID）体系的海绵体，以恢复城市水文过程和河流径流情势至近自然状态[6-7]。目前在黑臭水体治理中，老城区海绵城市改造是否可改善或恢复河流水体水质尚缺乏必要的过程评价，而构建一种河流水质综合评价方法是评估海绵城市改造方案对河流水质改善效果的关键。

目前，在河流综合水质评价中，典型的水质评价方法包括单因子评价法、污染指数法、模糊数学评价法、层次分析法、人工神经网络评价法、水质标识指数法、灰色系统评价法和主成分分析法等[8-13]。多数水质评价方法基本都是将各时期、各断面进行依次独立评价，较少考虑水体污染物在时空上的差异性与相似性，尤其是用于大尺度、多断面和长时间序列情况下，可能会导致水质评价出现不必要的重复计算和繁杂的计算过程[14]。水质指数（water quality index，WQI）是一种直观反映水质状况的综合性指数，广泛用于地表水和地下水的水质评价[15-16]。其评价结果可用于解析水体污染的关键因子，定量评价污染程度，并综合反映河流水体治理成效。该方法在提供水质指数的同时可评价出水体的总体水质状况，可避免因评价参数单独使用而造成的结果差异性。赵爽等[17]运用WQI法对鄱阳湖水质进行评价，并根据评价结果识别出了主要污染物。Hou等[18]利用WQI法识别出中国黄河下游水库主要污染因子，并对水体水质的时空变化进行了综合评价。

本研究以万州区老城区海绵城市改造试点区域为研究对象，根据2018—2019年龙宝河的水质监测数据，通过各断面WQI值的对比，并结合空间聚类和Pearson相关性分析，对河流水体水质的时空变化进行综合评价，探究在海绵城市改造下龙宝河水质演变规律和人类活动的影响效应，识别出水体水质的主要致污因子，为海绵城市改造对河流综合整治效果的贡献度评价和相应工程措施制定提供技术支撑。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

龙宝河是长江左岸一级支流，流域面积49.3 km2，主河道长约17.8 km，多年平均径流量为3×107m3，发源于重庆市万州区九池乡，流经双河口老城区，于龙都街道明镜滩汇入长江，易受三峡水库蓄水和泄水影响。流域内降雨充沛，全年降雨量1 336.1 mm，降雨主要集中在5—10月，占全年的70%以上。随着城市化进程加速，加之历史建设欠账，流域呈现出污水直排、雨污合流溢流、地表径流污染等问题。据实勘情况可知，龙宝河城区段穿过高密度居民聚集区，上游段两岸为自然河岸，但农业侵占严重；中下游段为渠化河岸，由于日常维护不善，部分景观绿化区域也被农业侵占。枯水期，上游河道宽约7 m，平均水深0.33 m；中下游河道宽约18.9 m，平均水深0.90 m。由于进入龙宝河的点源和面源污染负荷高，而其环境容量有限，加之三峡库区蓄水期间江水的倒灌顶托作用导致河水流动性弱，多重环境压力使得龙宝河城区段成为典型的黑臭水体，以河流下游螺蛳包社区至徐家花园河段水体黑臭现象较为明显。为消除黑臭，当地政府对龙宝河城区段进行了三阶段综合治理（表1）。为正确评价海绵城市改造对龙宝河城区段水体水质的影响，结合该区域排水管网资料，选取龙宝村居委会前河段至徐家花园小区尾段处河段，在沿岸不同雨水排口对应河段分别布置7个监测点位进行监测，如图1所示。

表1 龙宝河城区段综合治理概况Table 1 Comprehensive improvements of urban reach of Longbao River

图1 研究区域与监测点位Fig.1 Study area and monitor sites

1.2 水质监测方法

龙宝河水质监测指标主要包括pH、溶解氧（dissolved oxygen，DO）、氨氮（ammonia nitrogen，NH3-N）、总氮（total nitrogen，TN）、总磷（total phosphorus，TP）和化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）。其中，pH和DO分别采用《水质pH值的测定 玻璃电极法》（GB/T 6920—1986）和《水质 溶解氧的测定 电化学探头法》（HJ 506—2009）测定，NH3-N采用《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》（HJ 535—2009）测定，TN采用《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》（HJ 636—2012）测定，TP采用《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》（GB 11893—89）测定，COD则采用《水质 化学需氧量的测定 快速消解分光光度法》（HJ/T 399—2007）测定。

1.3 水质评价方法

1.3.1 WQI值法

以《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）为基础计算各水质参数的WQI值，具体步骤如下：

（1）通过层次分析法，构建判断矩阵，并计算权重Wi，结果见表2。

表2 各水质参数相对权重Table 2 Relative weight of water quality parameters

（2）根据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）对应的目标水质阈值对各水质参数进行归一化处理，计算得到各水质参数的质量评定结果。计算公式如下：

式中：Qi为第i个水质参数的质量评定结果；Ci为第i个水质参数的浓度，mg/L；Si为第i个水质参数在《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中的阈值，mg/L。

（3）根据水质参数的SI指数，计算其WQI，计算公式如下：

式中：SIi为第i个水质参数的SI指数；Wi为第i个水质参数的相对权重；Qi为第i个水质参数的质量评定结果，n为水质参数数量。

根据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中水质分类标准，将WQI值分为6个等级，确定其评分标准，如表3所示。

表3WQI评分标准Table 3 WQI scoring criteria

1.3.2 统计分析

利用IBM SPSS 250软件进行Pearson相关性分析，以判定连续变量之间的相关性，进而筛选出对WQI值具有显著影响的水质参数。采用Graph⁃pad Prism 8进行聚类热图绘制和空间聚类分析[19]，以识别2018—2019年龙宝河水质的空间分布特征。

2 结果与分析

2.1 龙宝河水质变化特性

2018—2019年龙宝河各监测点位的水质监测结果如图2所示。整个监测期内，各点位的pH和DO浓度均处于IV类及以上标准，自2018年8月起，各点位的DO浓度均升高至6 mg/L以上，这主要是由于河道内设置了太阳能漂浮式表曝机进行水体机械充氧。COD和氮磷营养盐浓度受整治工程建设进度影响。龙宝河通过第一阶段整治后，解决了部分沿岸合流管道的溢流污染问题，河道水质明显有好转，但河道内的有机物和营养盐因河道底泥疏浚后发生内源污染物释放仍处于较高水平，且随着气温的升高和雨季的来临而逐渐恶化，各点位的COD含量高达140 mg/L以上。随着海绵城市建设工程（一期）的开展，通过下垫面改造，雨污管道的分流，以及河道内水生态处理设施的功能发挥，河道水质明显得到改善。到2018年12月，各点位除TN和COD指标外，其余指标均可达IV类标准，COD除LB2点位外可达V类标准，TN可达V类标准，降雨径流产生的面源污染仍未得到有效解决。随着海绵城市建设工程（二期）的开展，流域内新建的LID设施和河岸景观带对降雨径流起到了较好的污染控制，尤其是对COD的削减，COD浓度逐渐下降，自2019年10月起河道各点位COD浓度均低于30 mg/L，达IV类标准。但各点位的氮磷营养盐（NH3-N、TN和TP）浓度自2019年9月起呈现逐渐升高态势，到11月出现大幅增加，水体中藻类开始爆发，这可能与三峡水库蓄水运行模式有关（图3）。175 m蓄水过程会导致龙宝河形成回水顶托现象，造成河道水流速度减缓甚至出现回水区，降低了河道自净能力，使得底泥赋存的氮磷逐渐释放至水体中。

图2 龙宝河水质指标热图Fig.2 Heat map of water quality indicators

图3 三峡水库蓄排运行方式Fig.3 Impounding operation of Three Gorges Reservoir

2.2 基于WQI值的龙宝河水质演变特征

为评价海绵城市改造下龙宝河水质演变规律，利用各点位水质监测数据，获得不同综合治理条件下各点位的WQI值变化曲线，如图4所示。结果表明，海绵城市建设完成前，河道WQI值易受雨季降雨径流和旱季点源污染排放影响而出现波动变化；建设完成后水体水质较为稳定，总体达IV类，且多数河段可达III类标准；随着三峡水库蓄水期的蓄水，龙宝河会因长江水位大幅升高而形成回水顶托现象，造成水流减缓甚至江水倒灌，导致底泥内源污染物释放至水体内，从而表现出各点位WQI值自2019年10月起开始升高，但总体处于V类水质标准。

由图4可知，WQI值呈波动性变化，具有一定的阶段性特征。第I阶段（2018年4—7月），雨季WQI值明显高于旱季，雨季地表径流引起面源污染负荷增加，同时未完全分流的合流管道中的生活污水和工业废水发生溢流，排入河道的污染物负荷增加。第II阶段（2018年7—12月），实施海绵城市一期建设工程后，除LB1点位外其余点位WQI值呈先升后降的趋势。其中，大多数点位（LB2、LB3、LB5、LB7）均于2018年11月达到最低值。第III阶段（2018年12月至2019年6月）虽然为海绵城市二期工程的实施期，但也是三峡水库的泄水期，长江水位的陡降导致龙宝河河道水流流速增加，对底泥产生了冲刷作用，造成内源污染物的释放，导致各点位的WQI值呈下降趋势，大部分河段呈劣V类。其中，LB4点位除内源污染物释放外，还存在沿岸景观升级整治施工过程中沿岸排污管破损，导致该点位WQI值的增幅最大。但随着长江水位的持续下降，龙宝河水位降至蓄水坝过坝水位，河道流速减缓，对底泥内源污染物的水力干扰减弱，使河道水质得到恢复。第IV阶段（2019年6—10月）流域内新建的LID设施和沿岸雨污分流改造完成，河道的输入性面源和点源污染得到有效阻截，使得各河段水质持续得到改善，各河段均满足IV类水质目标。第V阶段（2019年10—12月）由于三峡水库175 m蓄水过程导致龙宝河水流减缓，甚至形成回水现象，水动力条件的退化使得水体自净能力减弱[20]，导致龙宝河各河段呈现出水质恶化的现象，进而表现出WQI值逐渐升高，使得部分河段从IV类降为V类，甚至劣V类。因此，在龙宝河外源污染得到有效阻隔的条件下，冬季三峡水库蓄水期，应通过相关措施强化水体水动力条件，以维持水体水质目标。

图4 龙宝河WQI值变化曲线Fig.4 Changes in WQI values of Longbao River

2.3 龙宝河WQI值与水质参数的相关性分析

为识别各监测点位影响WQI值的主要水质参数，确定优先控制污染指标，对监测期间7个点位的水质参数变量值与WQI值进行Pearson相关性分析，结果如图5所示。结果表明，各点位的WQI值与pH和DO两个水质参数无显著相关性，而与其余4个水质参数整体呈显著正相关（P<0.05）。其中，LB1、LB4和LB5点位应优先控制TP（P<0.000 1），其次是TN和（或）NH3-N（P<0.001）；LB2点位应优先控制COD和NH3-N（P<0.001）；LB3点位应优先控制NH3-N（P<0.001），其次是TN、TP和COD（P<0.01）；LB6点位同样应优先控制NH3-N（P<0.000 1），其次是TN和TP（P<0.001）；而LB7点位则只需优先控制NH3-N（P<0.001）。

图5 水质参数与WQI值的相关性Fig.5 The correlation coefficient of water quality parameters with WQI

针对以上相关性分析结果，龙宝河各河段在采取相应水质改善和保障措施时应根据优先控制污染物指标选取相应的控制措施。针对径流输入的污染物，可增加一些具有污染物削减功能的LID措施，如生物滞留带、雨水花园、绿色屋顶等生物滞留设施[21-24]。同时，一些具渗滤功能的LID措施也可在一定程度上减少河道的污染物输入负荷，因为研究表明[25-26]，降雨径流中的悬浮性固体（SS）与COD、NH3-N等污染物浓度显著正相关，通过对SS的阻隔便可实现对上述污染物的控制。此外，河道内的相应水生态修复也应重点采用具有氮磷污染物净化功能的设施，如生态浮岛[27]。

3 结论

（1）整个监测期内，龙宝河各点位的pH和DO浓度均处于IV类及以上标准；而COD和氮磷营养盐浓度受水环境整治工程建设进度影响。

（2）龙宝河各河段WQI值呈波动性变化，具有一定的阶段性特征。海绵城市建设完成前，河道WQI值易受雨季降雨径流和旱季点源污染排放而出现波动变化。建设完成后水体水质较为稳定，总体达IV类，且多数河段可达III类标准，但会受三峡水库175 m蓄水过程影响而出现水质恶化现象，导致部分河段从IV类降为V类，甚至劣V类。

（3）各点位的WQI值与pH和DO两个水质参数无显著相关性，而与其余4个水质参数整体呈显著正相关（P<0.05），且不同河段的优先控制污染物有所不同。可通过设置控污能力的LID设施阻控输入性污染物，在河道内增设具氮磷污染物净化功能的生态设施，并通过相关措施强化水体水动力条件，以维系水体水质目标。