潮白河燕郊段水体氮含量分布特征研究

樊 星，张 盟，陈郭东，杨晨熠，张 萌

(华北科技学院 环境工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

1 研究方法

1.1 研究区域概况

潮白河燕郊段起始于京平潮白河桥，在运潮减河汇入处流出燕郊行政区域，沿河流方向有京秦潮白河桥、013县道潮白河桥(白庙桥)、通燕高速潮白河大桥和铁路。本次采样时间为夏季丰水期，但由于施工等因素潮白河河流部分断流；另外，水源充沛处有水草和鱼类生长活动，吸引垂钓爱好者岸边钓鱼；第三，沿途发现污水排放口和三河市污水处理厂再生水排入；靠近北京方向河岸有多处建筑垃圾倾倒处，水面较宽处有游船和水上摩托具体数据见表1。

1.2 采样点设置

对潮白河燕郊段水体中氮含量以及分布特征的分析研究，根据地表水水质取样断面及采样点的布设原则，设置对照断面、消减断面、控制断面、取样断面取样垂线的确定，经实地勘察潮白河燕郊段河流面河宽大都在50 m以内，所以在取样断面上各距岸边三分之一水面宽处，设一条取样垂线，共设两条取样垂线。在上下游、钓鱼滩涂、植物生长密集处、垃圾倾倒处、污染排放口上下游、桥梁建筑等位置设置采样点，其中八组采样点两岸对应，由于西岸采样条件限制，东岸有两个单独的采样点，另外两个排污口单独采样，共计包含排污口在内12个采样点、20个水样。

表1 采样点及周围环境特征

1.3 实验方法

为了保证实验的准确性和有效性，本研究的实验质量从三个方面做保证：

(1) 实验方法。本研究所选用的总氮、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的测定方法都选用国家标准方法，严格按照标准的方法进行实验。

(2) 实验仪器。本研究的实验仪器按照国家标准的仪器准备，各仪器的使用都按照标准的操作步骤操作。

(3) 实验操作。实验操作过程严格按照规范的实验操作进行，实验过程设空白组和对照组，以保证实验数据的有效性，实验所需药品试剂按照国标要求现配现用，不浪费药品、不用过期试剂，以保证实验结果的准确性。

表2 实验所用方法及仪器

2 结果与讨论

2.1 水质基本参数指标

潮白河燕郊段有三河橡胶坝和三河燕郊污水处理厂两处排污口。测定水质参数指标有pH、温度、TDS、浊度、溶解氧、氨氮、总氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮等，其中水质基本参数指标测定结果如表3。结果表明，水体pH值均在6.46～8.22之间，稍偏碱性，但符合《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅲ类水域标准范围(6～9)。在取样期间，各取样点均未出现水体热污染现象。潮白河燕郊段水体的溶解氧(DO)在1.98～8.07 mg/L 之间，按《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅲ类水域标准(≥5 mg/L)评价，不达标10个样品，超标率为50%，其中橡胶坝排污口采集的样品为污染最大值。根据表2.1显示，潮白河燕郊段水体浊度值较小，说明水质较为清澈，这一点与采样时观察情况一致，水体水质清澈，河岸可见底，部分水域能观察到水中鱼类。潮白河燕郊段的TDS含量在68.9～210.3 mg/L之间，满足《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅲ类水体水质要求。

2.2 水体总氮含量分布特征

总氮是水中所含全部形态氮的总和，是衡量水环境质量的重要指标之一。根据本研究所设置采样点对潮白河燕郊段水体总氮含量分布情况进行分析，结果表明，总体趋势上东、西两岸总氮含量总体呈锯齿状递增且西岸的总氮含量高于东岸。对两岸来说，总氮含量均在第3个采样点骤然增高，最高达到11.853 mg/L；随后开始出现下降趋势，当到达6号采样断面时，总氮的浓度达到一个较低的水平，其平均浓度为1.992 mg/L，接近Ⅲ类水体的标准限值2 mg/L；随着水体向下游流动，总氮含量在第7个采样断面再次陡增至34.299 mg/L，随着水体流动缓慢下降，到采样断面10时仍保持一个较高的水平16.919 mg/L。根据采样点周边情况调查，分析总氮含量两次骤升的原因可能是由于在4号采样断面附近、3号采样断面上游有污水排入，随着水体流动的扩散效应，导致水体中的总氮含量增加，并且由于水体自净作用，总氮浓度随着水流方向逐渐下降。对于7号采样断面，由采样点环境条件得知在此断面存在垃圾倾倒点、河流水体中有大量肉眼可见原生生物，致使水体中总氮的含量增大且大概率增高形态为有机氮。另外，9号采样点为大运河汇入水样，附近农田较多可能存在施用化肥过度的情况，导致氮素进入河流总氮含量增加。从图1可以看出8号采样断面存在不同于总趋势的总氮含量下降现象，分析原因主要是由于8号断面为潮白河与大运河汇流交界处，总氮浓度对于潮白河来说略微升高，而对于大运河来说显著下降。

表3 水质基本参数测定结果

2.3 水体各形态氮含量分布特征

水体中氮的赋存形态包括无机态氮和有机态氮，本研究主要分析氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮。潮白河水体中氨氮的来源可能主要来自于生活污水中含氮有机物、部分工业废水以及使用化肥的农田。

由表4可知，在水体中的氨氮含量随水流方向整体呈现上升趋势，其中东西两岸均在3号采样点氮氨含量最高，分析原因是由于3号采样点为排污口下游，水体中的氨氮含量增加；水体中氨氮的浓度在排污口1下游增高之后，经过水体的稀释作用，氨氮含量逐渐下降。对比总氮与氨氮，二者变化趋势在上游类似但下游差异很大，且浓度最高点出现位置不同。由于3号点采样在东岸为排污口附近，水中排入污水且在3号点的位置还有垃圾倾倒处，同样也会污染水体。因此，排出的污水中含有大量总氮和氨氮，之后随着河流的流动以及支流的汇入，总氮和氨氮含量被稀释而逐渐减少。对比总氮含量，氨氮在河流下游并没有呈现剧烈升高的现象，说明河流下游总氮含量升高并不是由氨氮引起。

图1 总氮含量沿河流流向变化情况

mg/L

由表5、6数据得知，水体中的亚硝酸盐氮浓度在东西两岸最初都呈显出较低的水平，水中的硝酸盐氮在2、3、4号采样点也均低于检出限0.1 mg/L，说明潮白河水体中亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的含量在自然条件下是很低的；在5、6、7号断面呈现出随水流方向减小的相关性，可能是由于稀释及水体自净作用；在8号采样断面开始水中亚硝酸盐氮含量大幅度增加并略微高出Ⅲ类水标准，可能是由于铁路和垃圾堆放处释放到水体中的氮逐步分解引起。9号采样断面(大运河水样)水体中的亚硝酸盐氮浓度也处于较高水平，致使潮白河水体中的亚硝酸盐氮浓度在一段距离内持续的处于增长现象。亚硝酸盐氮是氮循环的中间产物，性质不稳定，而水体中的硝酸盐氮是在有氧的条件下，氨氮、亚硝酸盐氮等各种状态存在的氮素最稳定的氮化合物，亦是含氮有机物经无机化作用生成的最终产物，因此水体中硝酸盐氮逐渐增加并在8号点含量最高。

表5 沿河流流向变化硝酸盐氮含量 mg/L

表6 沿河流流向变化亚硝酸盐含量 mg/L

3 水体氮素环境质量评估

本次研究以环境质量标准作为评价基准，通过多种评价方法对环境要素进行解析，从而对水体环境质量进行评价。

3.1 评价标准与评价方法

本次研究采用《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)作为评价标准，选择总氮和硝酸盐氮作为主要评价因子进行评价，各地表水功能区划下的评价标准如表7。

表7 地表水环境质量评价标准 mg/L

3.2 单因子指数评价

一般水质因子的标准指数为：

(1)

式中,Sij为单项水质参数i在第j点的标准指数；Cij为i污染物在第j点的浓度mg/L；Csj为i污染物的水质评价标准mg/L。

根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，潮白河燕郊段的地下水功能区分类为Ⅲ类水，因此参数Csj采用表7中的Ⅲ类标准值。单因子指数计算结果中，若Sij小于1，说明该点水质没有超标，反之则说明水质有污染影响。

由表8 可知，总氮浓度只有桥下水样采样点R5未超标，；其中L8和 R10位于铁路下游、岸边有垃圾倾倒点且原址为水上游乐场，总氮浓度超标倍数高达28.829和34.299；R9位于运潮减河，总氮浓度超标倍数高达31.150；L7和R7位于潮白河、污水处理厂上游，总氮浓度超标倍数达到19.685和15.426；R8位于潮白河、大运河交界和污水处理厂下游，总氮浓度超标倍数达到16.919；L4和R4位于美林湾东城A区、岸边有垃圾倾倒处和排污口，总氮浓度超标倍数达到9.087和11.853。从总氮浓度超标点可知位于铁路下游、污水处理厂和有垃圾倾倒点的L8、R10、R8总氮浓度倍数超标严重。硝酸盐氮浓度超标点为L7和R8，此两点为潮白河白庙桥以南段，位于潮白河、污水处理厂上游和大运河交界，污水处理厂下游，说明下游的硝酸盐氮浓度有轻微超标。整条河流总氮超标严重，特别是下游总氮浓度超标更加严重。由本文实验数据可知，水体中总氮的含量主要来源于有机态氮，应加强对于有机氮态的调查研究与治理。

表8 各采样点中氮素单因子指数评价结果

3.3 内梅罗指数评价

在单因子水质参数评价中，一般情况下某水质参数的数值可采用多次监测的平均值，但如果该水质参数变化甚大，为了突出高值的影响可采用内梅罗指数进行评价。

内梅罗指数的计算公式：

(2)

由图2可知，潮白河燕郊段水体各采样点内梅罗指数受总氮浓度影响较大。3号采样断面位于排污口1下游，受污水排放的影响较大；随着水流方向3至6号采样断面的内梅罗指数逐渐下降，说明水质在渐渐变好；7号采样断面位于白庙桥下游且上游存在铁路经过，其内梅罗指数最高，可能是受到桥梁和桥上过往车辆的影响，导致较多的氮素经大气沉降进入水体；9号采样断面为大运河水样断面，由其内梅罗指数可以看出，大运河污染较潮白河更为严重；比较两个污水排放口的内梅罗指数并且结合实际情况分析，排污口1的排放源未知有机氮污染较为严重、排放口2为三河市污水处理厂排放水体氮污染较低且可以被潮白河纳污能力处理。

4 结论

(1) 潮白河燕郊段水体虽然存在较强水体自净效果，总氮含量总体上看呈现沿水流方向增大的特征，局部排污口和垃圾倾倒点对总氮的含量变化影响较大；另外，对于采样点东西岸对比来看，西岸的总氮含量高于东岸。

图2 各采样点中总氮含量内梅罗指数评价结果

(2) 水体中氨氮含量虽沿河流方向有所波动但总体上呈现增长趋势且在3号断面即橡胶坝排污口后含量最高，经河流自净后短暂下降但在下游出现回弹。

(3) 潮白河燕郊段水体中硝酸盐氮和亚硝酸盐氮在监测段上游均呈现较低含量，但在中下游受桥梁、铁路、垃圾堆放的影响，出现大幅增高；另外，大运河水样中亚硝酸盐氮也处于较高水平。

(4) 单因子指数法和内梅罗指数法对潮白河燕郊段水体评价结果表明，在沿途影响因素中，桥梁、垃圾堆放、排污口、大运河汇流均对潮白河水体中氮元素含量存在影响；监测段内部分点位总氮超标严重，但氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的超标并不显著，说明潮白河燕郊段总氮污染可能主要来源于有机氮污染，建议对沿途有机氮的排放加强管控。