城市化过程增加了城市人口密度, 也提升了城市居民生活水平, 同时促使更多的碳、氮和磷等营养元素输入到城市流域, 而河流地表水是这些营养元素输出城市流域的主要路径之一^[1].因此, 城市化势必会加重城市流域地表水的营养元素负荷, 使城市流域地表水环境恶化.我国处于高速城市化阶段, 全国各区域城市流域中有相当比例的地表水处于Ⅴ类和劣Ⅴ类, 甚至存在黑臭水体^[2~4].地表水环境问题已成为制约我国城市建设、经济发展的重要因素之一.

了解营养元素在城市流域地表水中的时空分布规律以及主要影响因素, 是有效治理地表水环境问题的基础^{[2, 5]}.城市流域地表水中营养元素的分布规律主要受污染源类型和空间分布的影响, 其中生活源等点源污染被认为是最主要的影响因素^{[6, 7]}.在全国大部分城市流域, 地表水流经市政设施不完善和人口稠密区域时, 水体营养元素浓度会达到峰值^[4], 有研究表明地表水水质与建设面积占比密切相关^[8].随降雨-径流过程进入地表水的城市面源污染^[9], 会造成营养元素浓度从上游向下游递增^[10].在部分城市流域地表水中的营养元素浓度与河底沉积物营养元素含量呈现一致的空间分布规律^[11], 累积于河底沉积物中营养元素的内源释放^[12], 也是影响城市流域地表水水质空间分布的重要因素之一.此外, 营养元素浓度较低的支流或其它水源汇入的稀释作用, 以及生物化学作用所致的河流自净^{[13, 14]}, 均会造成营养元素浓度出现从上游向下游递减的趋势.受上述众多因素影响, 城市流域地表水中营养元素的时空分布规律十分复杂.

现有研究多集中于平原城市, 对山地城市的营养元素时空分布规律的研究较少.受山地地形影响, 山地地表水具有河流比降大, 流速快, 降雨-径流过程陡涨陡落, 基流小等水文特性^[15], 而水文特征一定程度上决定了地表水中营养元素的时空分布规律.因此, 与平原城市相比, 山地城市地表水中营养元素的时空分布规律有其自身特点.清水溪流经重庆市主城区沙坪坝区, 位于三峡库区库尾, 是长江的二级支流, 属典型的城市山地流域.重庆市是我国西部重要的重工业城市, 清水溪流经了沙坪坝核心区, 是重庆主城区发展最早和人口最为稠密的区域之一, 有学者研究表明清水溪是重庆主城区污染最为严重的河流之一^{[3, 16]}.清水溪的水环境问题不但影响了城市居民的健康生活, 也对三峡库区水质构成严重威胁.本研究通过对典型山地城市流域地表水和河底沉积物中碳、氮和磷等营养元素的监测与分析, 结合流域内污水直排/溢流口和污水处理站尾水排放情况的调查, 揭示典型山地城市流域地表水营养元素的时空分布规律及主要影响因素, 以期为山地城市流域地表水环境综合治理提供理论依据.

清水溪发源于重庆歌乐山, 南北贯穿沙坪坝区, 在磁器口附近汇入嘉陵江, 属于长江流域二级支流.流域面积36.5 km², 干流全长15.88 km, 主河道平均坡降26.6‰^[16].流域属亚热带湿润气候, 多年平均气温为17.8~18.6℃, 多年平均降水量在1 085.1~1 141.8 mm, 约70%的降雨集中于5~9月^[17].流域内共设置4座污水处理站, 处理规模在2 500~3 500 t ·d^-1之间, 全年基本满负荷运行, 其尾水总排放量约占清水溪径流量的四分之一.污水处理站设计出水水质为一级B标, 但实际监测出水水质优于设计标准. 3座污水处理站分别布设于芭蕉沟、紫金沟和石梯沟这3条主要支流, 另外一座布设于干流上游.沿河存在较大型的污水溢流口共计10处, 其中干流有4处(图 1).

图 1

Fig. 1

图 1 采样点分布示意 Fig. 1 Locations of sampling sites in the study area

分别在2019年的8月31日和10月20日进行了野外采样.其中, 8月31日降雨量仅2.2 mm, 前期20 d内没有降雨; 10月20日降雨量为17.9 mm, 前期20 d内累积有138.4 mm降雨(气象数据源于流域内的沙坪坝气象站).清水溪基流较小, 流量易受降雨-径流影响.因此, 10月第二次采样时河流流量明显大于8月第一次采样过程.

第一次采样时, 同时采集清水溪地表水和底泥样品.其中干流地表水样品14个, 干流底泥样品14个, 支流地表水样品6个(图 1); 由于底泥元素组分较为稳定, 第二次仅在相同点位采集干支流地表水样共计20个.两次采样过程中同步采集了4座污水处理站尾水和10处污水溢流口的水样(表 1).采集样品全程冰袋保存, 当日送回实验室进行后续分析.

表 1 (Table 1)

表 1 溢流污水和污水处理站尾水基本理化性质1) Table 1 Basic physical and chemical properties of overflow sewage and sewage treatment plants tail water 水样 月份 编号 ρ(COD)/mg·L-1 ρ(NH4+)/mg·L-1 ρ(SS)/mg·L-1 ρ(TP)/mg·L-1 ρ(TN)/mg·L-1 DO/mg·L-1 P地 溢流污水 8 W1 44 22.1 448 1.58 24.9 2.08 5.5 W2 31 21 70 2.17 23.7 3.92 5.9 W3 81 18.4 24 1.34 26 6.24 5.4 W4 102 17.6 28 1.78 28.3 5.76 5.7 W5 20 6.94 15 1.18 10.7 6.67 2.9 W6 11 0.11 11 0.57 9.14 8.28 1.3 W7 82 18.8 29 2.57 24.2 2.52 6.2 W8 66 18.7 25 1.7 24.6 4.21 5.4 W9 144 27.6 102 3.38 28.6 2.6 8.8 W10 97 18.1 23 1.52 25.1 5.54 5.6 10 W1 84 21.6 33 2.07 27.7 2.46 6.2 W2 39 15.4 10 1.69 18.8 3.76 4.6 W3 10 3.21 284 0.53 8.22 5.88 1.6 W4 192 30.7 115 2.66 32.5 5.24 9.4 W5 206 26.2 8 2.67 30.3 5.58 8.8 W6 18 4.54 11 0.48 9.75 8.76 2.0 W7 11 1.9 12 0.2 7.03 4.32 0.9 W8 70 19 35 2.01 23 4.06 5.8 W9 24 6.65 12 0.55 23.8 4.81 2.2 W10 26 6.39 12 0.72 10.1 5.15 2.3 污水处理站尾水 8 C1 19 0.27 8.1 0.94 11.3 — 1.3* C2 18 0.24 8.2 0.43 5.7 — 0.7* C3 17 0.25 7.1 0.54 6.3 — 0.8* C4 14 0.27 7.2 0.6 12 — 0.9* 10 C1 16.8 0.31 6.83 0.7 16 — 1.0* C2 11 0.3 6.71 0.48 18 — 0.7* C3 10 0.32 7.54 0.43 15 — 0.7* C4 8.8 0.44 7.49 0.46 17 — 0.7* 1)P地的表述见1.3节, *表示P地由COD、NH4+和TP这3种水质指标计算而得

表 1 溢流污水和污水处理站尾水基本理化性质1) Table 1 Basic physical and chemical properties of overflow sewage and sewage treatment plants tail water

水样pH和溶解氧(DO)在野外采集时利用便携式多参数水质分析仪测得.水样中的化学需氧量(COD)测定采用重铬酸盐法(HJ 828-2017), 氨氮(NH₄⁺)测定采用纳氏试剂分光光度法(HJ 535-2009), 总磷(TP)测定采用钼酸铵分光光度法(GB/T 11893-1989), 总氮(TN)测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ 636-2012), 悬浮物(SS)测定采用重量法(GB/T 11901-1989).底泥样品中的有机质(TOC)测定采用低温外热重铬酸钾氧化-比色法测定(NY/T 1121.6-2006), TP测定采用碱熔-钼锑抗分光光度法(HJ/T 632-2011), TN测定采用凯氏法(HJ 717-2014).

式中, P_地为地表水综合污染指数, 是一种利用多种水质指标对地表水环境质量进行综合评价的指数^[18]; c_i为第i种水质指标实测浓度, mg ·L^-1; c_Bi为第i种水质指标评价标准值, mg ·L^-1.本研究以清水溪目标水质——Ⅳ类地表水为标准, ρ(COD)、ρ(NH₄⁺)、ρ(TP)和DO限值分别为30、1.5、0.3和3 mg ·L^-1, 评价等级体系参考白冬锐等^[11]的研究, 共分清洁/安全(P_地＜0.2)、尚清洁/警戒线(0.2≤P_地＜0.4)、轻度污染(0.4≤P_地＜0.7)、中度污染(0.7≤P_地＜1.0)、重污染(1.0≤P_地＜2.0)和严重污染(P_地≥2.0)6个级别.

式中, P_N为河底沉积物内梅罗污染指数, 是一种利用多种沉积物元素含量对沉积物污染程度进行综合评价的指数; S_i为第i种营养元素实测浓度, g ·kg^-1; S_Bi为第i种营养元素评价标准值, g ·kg^-1.本研究参考加拿大安大略省环境和能源部(1992年)制定的环境质量评价指南标准中安全级的营养水平^[19], 沉积物ω(TOC)、ω(TN)和ω(TP)限值分别为10、5.5和6.0 g ·kg^-1, 评价等级参考土壤环境监测技术规范(HJ/T 166-2004), 共分清洁/安全(P_N≤0.7)、尚清洁/警戒线(0.7＜P_N≤1.0)、轻度污染(1.0＜P_N≤2.0)、中度污染(2.0＜P_N≤3.0)和重污染(P_N＞3.0)5个级别.

采用SPSS 19和CANOCO 5.0数据处理软件, 利用Pearson相关性分析和冗余分析(RDA)判断水样中各种水质指标与采样点地理环境、底泥营养元素含量间的相关关系^[20].

清水溪地表水水质现状如表 2所示, 总体而言清水溪支流水质显著优于干流, 受前期降雨影响流量较高的10月水质显著优于处于伏旱期流量较小的8月.所有水质指标中, NH₄⁺和TP超标最为严重, 8月和10月干流ρ(NH₄⁺)平均值分别为10.74 mg ·L^-1和4.87 mg ·L^-1, 是Ⅴ类水质标准限值的5.37倍和2.44倍. 8月和10月干流ρ(TP)平均值分别为1.54 mg ·L^-1和0.58 mg ·L^-1, 是Ⅴ类水质标准限值的3.85倍和1.45倍.两次采样中, 几乎所有干流点位水样ρ(NH₄⁺)和ρ(TP)均处于劣Ⅴ类, 而除干流上中游少数点位外, 大部分点位水样ρ(COD)和DO优于Ⅳ类水质标准限值(图 2).清水溪各支流水质情况较为良好, 除8月ρ(NH₄⁺)和ρ(TP)外, 支流ρ(NH₄⁺)、ρ(TP)、ρ(COD)和DO均值优于Ⅳ类水质标准限值(图 2).利用综合指数法对清水溪水质进行综合评价, 8月干支流地表水综合污染指数均值分别为3.66和2.03, 均属于严重污染(≥2.0), 10月干支流地表水综合污染指数均值分别为1.96和1.17, 均属于重度污染(1.0≤P_地＜2.0).两次采样中, 无论干支流, 几乎所有点位均处于综合指数评价体系中的重度污染和严重污染级别, 说明清水溪地表水污染问题突出.

表 2 (Table 2)

表 2 地表水和沉积物基本理化性质1) Table 2 Basic physical and chemical properties of surface water and sediments 月份 地表水 pH T/℃ ρ(SS)/mg·L-1 干流 支流 干流 支流 干流 支流 8 7.45±0.36a 7.46±0.36a 25.64±1.29a 25.12+0.82a 14.07±7.15a 9.83±3.02a 10 7.33±0.58a 7.63±0.71a 21.71±2.68b 21.23±1.65b 11.00±5.28a 7.50±1.26a 月份 ρ(TN)/mg·L-1 ρ(COD)/mg·L-1 ρ(NH4+)/mg·L-1 干流 支流 干流 支流 干流 支流 8 14.99±6.81a 5.53±2.74a 24.36±11.65a 12.33±7.56a 10.74±7.34a 2.02±2.16a 10 11.25±2.12a 6.49±2.37a 28.29±10.52a 13.50±5.19a 4.87±1.92b 1.35±1.87a 月份 ρ(TP)/mg·L-1 DO/mg·L-1 P地 干流 支流 干流 支流 干流 支流 8 1.54±0.70a 0.56±0.36a 4.71±2.16a 5.32±2.10a 3.66±1.79a 2.03±1.02a 10 0.58±0.20b 0.31±0.20a 5.14±2.32a 6.92±2.37a 1.96±0.63b 1.17±0.52a 沉积物 ω(TOC)/g·kg-1 ω(TN)/g·kg-1 ω(TP)/g·kg-1 C/N N/P PN 75.24±59.24 3.76±1.81 2.04±1.05 21.98±22.73 2.34±1.54 7.77±4.02 1)数据以平均值±标准差表示, 其中干流地表水和沉积物n=14, 支流水质n=6; 不同小写字母表示不同采样月份地表水间具有显著差异; 黑体字表示干支流地表水间具有显著差异

表 2 地表水和沉积物基本理化性质1) Table 2 Basic physical and chemical properties of surface water and sediments

张占梅等^[3]的研究对重庆市主城区多条河流的水质评价发现, 清水溪处于劣Ⅴ类水, 是重庆市主城区污染最为严重的河流之一, 与本研究的结果一致.NH₄⁺是超标最突出的营养元素, 也与文献[3]的研究结果一致, 反映了清水溪地表水主要受生活源影响. 8月清水溪部分点位地表水NH₄⁺和TP远超“轻度黑臭”标准[ρ(TP)≥0.8 mg ·L^-1和ρ(NH₄⁺)≥8 mg ·L^-1].由于清水溪河流比降大, 河段多处有跌水, 水体中DO远高于平原城市^[2], 使得清水溪地表水在维持高NH₄⁺和TP的情况下没有出现黑臭现象, 体现了山地城市的河流水环境特质.

河底沉积物中的营养元素含量是对城市河流历史污染情况的综合反映^[11].本研究中, 清水溪干流河底沉积物中的TOC、TN和TP远超加拿大安大略省环境和能源部(1992年)制定的环境质量评价指南标准中安全级的营养水平^[19].清水溪河底沉积物的TN和TP高于10年前宋厚燃等^[21]对附近同属嘉陵江支流梁滩河的研究, TN与近些年刘欢等^[22]对梁滩河的研究结果相近.清水溪干流河底沉积物内梅罗指数在3.08~19.00之间, 均值为7.77, 全部点位均处于评价体系的重污染级别(P_N＞3), 也是该体系污染程度的最高级.清水溪河底沉积物的污染程度远高于长江中下游南京、苏州等城市河流^{[11, 23]}.C/N均值为21.98, 远大于10; N/P均值为2.34, 远小于16, 均说明沉积物中的有机质、磷主要源于外源输入^{[24, 25]}.

如图 2所示, 除COD的G9点位外, 两次采样中地表水NH₄⁺、TP、COD和DO这4种主要水质指标沿程的变化趋势基本一致, 8月NH₄⁺等营养元素呈现先减少再增加, 然后再减小并在下游趋于平稳; 10月NH₄⁺等营养元素变化趋势与8月类似, 只是中游峰值由G4移至G7点位.NH₄⁺是计算综合污染指数P_地超标最为严重的指标, P_地的变化趋势也与NH₄⁺变化规律类似.沉积物中TOC、TN、TP和P_N也有与地表水中NH₄⁺较为一致的空间变化规律(图 3).

图 2

Fig. 2

图 2 地表水中各种水质指标的时空分布 Fig. 2 Spatial and temporal distribution of various water quality indices in surface water

图 3

Fig. 3

图 3 沉积物中各种营养元素的时空分布 Fig. 3 Spatial and temporal distribution of various nutrients in sediments

利用RDA分析影响本研究区域地表水质空间分布的主要地理因子, 如图 4所示, 8月清水溪流域中支流/尾水汇入(n=14, F=3.9, P＜0.05)、入河口距离(n=14, F=4.6, P＜0.05)和污水溢流(n=14, F=3.5, P＜0.05)均对干流地表水水质空间变异有显著贡献; 10月清水溪流域中到入河口距离(n=14, F=7.0, P＜0.01)和支流/尾水汇入(n=14, F=6.4, P＜0.05)是干流地表水水质空间变异的主要影响因子.

图 4

Fig. 4

蓝线为目标因子, 红线为影响因子; “入河口距离”表示各采样点位的水样游动至河口所需距离, 通过Google Earth测得; “支流/尾水汇入”表示由于支流/尾水汇入所引起干流各采样点流量的改变, 各采样点数据采用河流基流累加各污水处理站尾水排放量后的流量; “溢流口”表示各溢流污水的污染程度, 附近有溢流口的采样点取值为超标最为严重的ρ(NH4+), 无则取值为0 图 4 地表水水质指标与地理因子和沉积物组成的冗余分析 Fig. 4 RDA on the effects of geography and sediment compositions on surface water quality

低浓度营养元素水源汇入所致的稀释作用是干流地表水水质从上游向下游的逐步改善的主要原因.清水溪干流上游和主要支流均布设有污水处理站, 采样期排放尾水ρ(NH₄⁺)等营养元素优于其一级B的设计标准, 也低于地表水营养元素浓度现状(表 1).由于污水处理站尾水汇入, G2点位地表水NH₄⁺等营养元素较G1有明显降低, 尾水的稀释作用也是支流地表水污染程度低的主要原因.G8是ρ(NH₄⁺)等营养元素最低的点位, 也是紫金沟支流汇入干流的稀释作用所致, 该支流上坐落着流域内最大的污水处理站.有研究表明尾水会对河流生态系统造成一定的负面影响^{[26, 27]}, 但在污染严重的清水溪, 尾水也起到了一定改善水质的作用.

采样点与入河口距离不但反映了地表水迁移中不同水源汇入对营养元素的稀释效应, 也体现了营养元素在随地表水迁移中的降解过程.如图 2所示, 地表水pH值从上游到入河口逐步减小, pH值与入河口距离显著正相关(P＜0.01), 是因为地表水中的大分子的有机物降解为小分子的有机酸所致.有机质分解会降低地表水中的DO, 但本研究中的地表水DO上游到入河口存在上升趋势.由于本研究山地流域, 河床比降大, 干流存在多处跌水, 流动过程对地表水DO有较为良好的补充, 提高了地表水的自净能力.

如图 4所示, 溢流口与P_地、SS和TN正相关, 说明污水溢流是8月干流地表水的重要污染源. 8月G4是所有营养元素浓度最高的点位, 10月G4点位地表水NH₄⁺等营养元素也较上游监测点位有一定程度地升高.在G4附近发现有污水溢流口, 污水溢流应是造成该点位营养元素浓度高的主要原因.在相关性分析中, 溢流口与NH₄⁺等营养元素也存在较高的正相关关系, 但不显著(表 3), 应该是因为其它因子对溢流口因子形成了干扰.此外, 干流源头歌乐山片区缺乏市政污水收集、处理设施, 是污水汇入最为严重的河段, 但由于点位G1距源头溢流口较远, 数据分析中并未把G1作为溢流口影响点位, 也是水质与溢流口相关性较差的原因之一.

表 3 (Table 3)

表 3 地表水水质与地理因子和沉积物组成的相关性分析1) Table 3 Correlation of surface water quality with geography and sediment compositions 8月 地表水 入河口距离 污水溢流口 尾水/支流汇入 河底沉积物 TOC TN TP C/N N/P PN pH 0.865** 0.160 -0.831** 0.784** 0.666** -0.507 0.536* 0.700** 0.558* COD 0.557* 0.344 -0.682** 0.585* 0.475 -0.108 0.347 0.502 0.569* NH4+ 0.424 0.461 -0.553* 0.398 0.421 -0.355 0.118 0.614* 0.360 SS 0.208 0.320 -0.398 0.243 0.204 -0.199 0.056 0.214 0.197 TP 0.420 0.265 -0.583* 0.441 0.487 -0.194 0.064 0.520 0.464 TN 0.573* 0.434 -0.697** 0.537* 0.487 -0.212 0.239 0.514 0.484 DO -0.734** -0.167 0.668** -0.644* -0.513 0.589* -0.554* -0.666* -0.376 T 0.390 0.390 -0.376 0.292 0.219 -0.367 0.297 0.302 0.125 P地 0.384 0.402 -0.537* 0.383 0.422 -0.253 0.063 0.553* 0.392 10月 地表水 入河口距离 污水溢流口 尾水/支流汇入 河底沉积物 TOC TN TP C/N N/P PN pH 0.847** 0.001 -0.792** 0.589* 0.587* -0.553* 0.253 0.577* 0.463 COD 0.276 -0.180 -0.302 -0.174 0.331 0.032 -0.363 0.108 -0.201 NH4+ -0.327 0.083 0.199 -0.689** -0.033 0.153 -0.673** -0.122 -0.642* SS -0.593* -0.174 0.406 -0.335 -0.015 0.236 -0.258 -0.211 -0.183 TP -0.338 0.008 0.198 -0.665** -0.057 0.274 -0.631* -0.172 -0.589* TN 0.163 -0.049 -0.296 -0.317 0.400 0.201 -0.576* -0.071 -0.280 DO -0.778** -0.042 0.702** -0.620* -0.505 0.654* -0.350 -0.678** -0.480 T -0.603* -0.288 0.619* -0.085 -0.497 0.145 0.216 -0.517 -0.071 P地 -0.459 0.011 0.330 -0.759** -0.139 0.368 -0.688** -0.305 -0.673** 1)n=14; *表示显著相关性P＜0.05; **表示显著相关性P＜0.01

表 3 地表水水质与地理因子和沉积物组成的相关性分析1) Table 3 Correlation of surface water quality with geography and sediment compositions

如图 4所示, 10月水质与溢流口间不存在相关关系(表 3), 说明本研究中污水溢流不是影响中小雨时段水质空间分布的主因.有研究表明^[28], 降水过程中雨水会进入混流制市政管网, 对滞留管道内的营养元素形成冲刷, 造成更多、更高浓度的污水溢流.本研究中10月采样时降雨较小, 对污水溢流的影响有限, 且采样前期有长期持续的降雨过程, 前期降雨冲刷会减少管网中营养元素的累积量.此外, 河流流量增加, 也加强了污水汇入对水质空间分布的干扰.除污水溢流这样的点源污染外, 面源污染对10月干流地表水质造成一定的影响, 10月地表水中的SS与入河口距离存在显著负相关(P＜0.01), 说明随干流地表水向下游流动, 地面悬浮物随降雨-地表径流汇入干流地表水.但面源污染对地表水中营养元素的贡献有限, 10月地表水中的各种营养元素并没有出现向下游逐渐增加的趋势, 董雯等在对西安城市河流的研究中也发现城市面源污染对地表水的污染贡献较小^[29].

利用RDA分析影响本研究区域地表水质空间分布的主要河底沉积物因子, 如图 4所示, 河底沉积物中N/P(n=14, 8月: F=7.4, P＜0.01; 10月: F=3.9, P＜0.05)和TOC(n=14, 10月: F=8.6, P＜0.01)干流地表水水质空间变异有显著贡献.清水溪的主要污染源是位于河流上游的生活源污染, 所以水体与沉积物中的碳、氮元素均有向下游递减的趋势(图 2和3).入河口处受嘉陵江顶托的原因^[30], 清水溪干流入河口处沉积物中有较高的ω(TP), 因此清水溪干流沉积物TOC和N/P向下游递减(图 3).由于跌水补氧作用, 地表水DO有向下游增大的趋势, 但在河底沉积物N/P和TOC较高的点位, DO也会出现明显的低值.河底沉积物N/P和TOC高, 意味着河底沉积物和附近地表水体中的微生物含量较高^[31].地表水DO与河底沉积物N/P和TOC呈显著负相关, 反映出河底沉积物中微生物活动对地表水DO的消耗.

河底沉积物中滞留的营养元素在一定情况下能够成为地表水的内在污染源.学者们认为在河流系统中营养元素^[11]和有机污染物^[32]等在地表水与沉积物间有着稳定的固液分配系数(质量之比), 就是说当地表水水量较小时, 内源释放能够维持地表水中较高的营养元素/有机污染物浓度.本研究中, 8月地表水水量小、水力停留时间长, 这一时期地表水与沉积物的水土比低, 接触时间更久, 有利于内源营养元素的释放^[11], 相关性分析中8月地表水COD和TN与河底沉积物中的TOC显著正相关. 10月采样时, 前期降雨增加地表水水量、流速, 地表水与沉积物的水土比升高, 接触时间更短, 沉积物对地表水的作用减弱. 10月地表水中的NH₄⁺和TP与河底沉积物中的TOC呈显著负相关, 应该是由于河底沉积物中微生物对这些营养元素的吸收/降解作用所致^{[13, 27]}.很多研究表明沉积物中磷等营养元素与地表水间的“汇源关系”, 会随地表水营养元素变化而相互转化: 在地表水营养元素浓度低时, 沉积物为污染源; 地表水营养元素浓度高时, 沉积物为污染汇^[33], 而在本研究中这种转化与之截然相反.以往研究对象更多的是大型水库和湖泊, 营养元素在地表水-沉积物间的迁移更多地遵循吸附-解吸规律^[34].在本研究的小型城市河流中, 由于地表水量相对较小, 微生物对营养元素在地表水-沉积物间的迁移过程产生了更为重要的影响.有学者认为磷等营养元素在地表水-沉积物间的滞留及再释放与藻类等微生物的生命周期息息相关^[35].

增加河流基流量是提高清水溪地表水水质的重要手段.清水溪作为雨源型河流, 在非降雨期水量较小是该地表水水质较差的重要原因之一.如上所述, 虽然现有污水处理站尾水排放标准较低, 但尾水对河流水源的补充也一定程度改善了清水溪水质, 特别是在支流.因此, 通过对污水处理站进行提标改造, 降低尾水营养元素浓度, 是改善清水溪等城市河流的重要举措.

针对性地减小流域内主要外源营养元素输入, 确保治理手段的经济有效.生活源等点源污染是清水溪地表水的主要污染源, 通过对河流源头缺乏市政设施的区域进行补充, 以及如W1溢流口等对中下游地表水水质造成重大影响的溢流口进行针对性整改, 经济有效地减少主要污染源输入.本研究中降雨给地表水补充的水量大于带来的污染负荷, 起到了净化水质的作用.建议在城市中增加海绵设施, 将雨水收集入地下水, 通过地下水补充河流地表水.

需要更为科学地论证河道清淤对水质的改善作用.现阶段内源污染并不是清水溪地表水水质不佳的主要原因, 清淤对水质的改善作用有限.营养元素在地表水-沉积物间的迁移过程极为复杂, 例如在本研究中, 虽然河底沉积物各营养元素均严重超标, 但在一定情况下仍能吸收地表水中的营养元素, 沉积物能够对地表水营养元素浓度突变起到缓冲作用.因此, 河道清淤应该在G4和G8等地表水DO较低的少数河段谨慎实施.

(1) 清水溪支流地表水水质优于干流, 流量较大的降雨期水质优于流量较小的非降雨期.清水溪干流水质污染严重, 在两次采样中均属劣Ⅴ类, 在地表水综合污染指数评价体系中属严重污染级别, 其中NH₄⁺和TP超标最为严重.受长期外源污染输入影响, 清水溪干流河底沉积物也受到了严重污染, 在内梅罗污染指数评价体系中属重污染级别, 其中TOC超标最为严重.

(2) 污染源、尾水/支流汇入和河流自净能力共同影响了营养元素在清水溪干流地表水中的空间分布规律.清水溪干流中的NH₄⁺等营养元素主要源于河流源头的污水直排、中下游的污染溢流等点源污染.面源污染在降雨期对地表水中的营养元素有一定影响.河底沉积物会根据地表水流量在“汇”和“源”间相互转化.此外, 尾水/支流汇入所造成的稀释作用和山地河流较强的自净能力, 共同导致干流中的营养元素浓度向下游逐步减少.

(3) 河流水量不足是清水溪地表水污染严重的主要因素之一.通过对现有污水处理站的提标改造、海绵城市建设等, 增加河流水量, 特别是基流水量, 增加河流的水环境容量.大量的营养元素输入是清水溪地表水污染严重的根本原因.通过新建、改造市政管网等措施, 减少点源污染输入; 并在内源污染对水质有严重影响的河段, 进行河道清淤工程.