北运河流域沙河水库水质时空变化特征

于2018年3—11月对北京市沙河水库开展水质监测,分析水环境质量现状,并结合非参数检验、聚类分析等多元统计分析方法识别水质时空变化特征.非参数Kruskal-Wallis H检验结果表明,沙河水库化学需氧量(CODCr)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、硝酸盐氮(NO-3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)均呈现显著的月份变化,但各污染指标在样点间无显著差异.整体看来,沙河水库为我国《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅳ—劣Ⅴ类标准,总氮是现阶段的主要污染物.月份聚类分析将10个月份分为3个聚类组,分别为春季、夏季和秋季,相似性百分比分析显示导致聚类组差异的主要水质指标为CODCr、TP、NH3-N,与底泥污染物的释放密切相关.沙河水库出库断面水质优于南沙河、北沙河入库水质,表明沙河水库存在一定的自净能力.

昌平区水环境治理模式优化研究

针对昌平区境内主要水体温榆河、南沙河、北沙河、东沙河和沙河水库等的污染现状、处理技术和管理情况,就水环境治理技术、排污口治理方式、河库治理方式、水环境治理工程的管理以及水环境管理方面,开展了昌平区水环境治理技术和管理模式优化研究,为昌平区水生态环境治理工作提供参考和决策支持。

北运河上游降雨演变特征对合流制溢流的影响

为明确气候变化背景下降雨特征对合流制管网溢流的影响,分析了1975年—2018年北京市北运河上游降雨演变特征,并考察了2018年8月两次典型降雨对合流制管网溢流的影响。结果表明,北运河上游80%的降雨量集中在汛期6月—9月,降雨事件主要分布在21:00左右,大部分降雨间隔小于10~15 d;近年来年降雨量呈下降趋势,平均降雨强度降低,这表明合流制溢流污染主要发生在夏季夜晚,主汛期“七下八上”极端降雨峰值强度增大;年均1.7次的双峰型强降雨冲刷了管道底泥,使合流制管网溢流成为北运河上游突出的瞬时污染源。冗余分析结果表明,合流制管网溢流量主要受累积降雨量和降雨历时的影响。综上,降雨特征对北运河上游的合流制溢流污染控制尤为重要,应重点关注主汛期管道底泥控制、汛期溢流总量控制,因此天气预报对合流制溢流污染管控具有特别重要的指导意义。

强降雨对北运河流域沙河水库水质的影响

随着北运河点源污染逐步得到有效治理,汛期面源污染成为北运河水质不达标的主要影响因素,而现阶段有关强降雨对北运河上游水质的影响研究尚匮乏.本文以北运河上游沙河水库为研究对象,开展了单场强降雨对北运河上游水质的影响研究.在强降雨后(降雨量达53.8 mm·d^-1)开展连续6 d跟踪采样,并对比强降雨前后该库区的水质监测数据,系统解析了强降雨对北运河上游水质的影响特征.结果表明,库区水质基本达到IV类水质标准(GB3838-2002),总磷是雨后影响库区水质的主要因素.南沙河污染和富营养化程度严重,严重超出IV类水质标准,是主要的汇入污染源.再生水厂出水是库区水质硝态氮的主要贡献来源.汛期单次降水不会引起水质的显著恶化,大部分水质指标于3~4 d后降低,4~6 d逐渐恢复到降雨前水质,并趋于稳定.

北运河流域沙河水库沉积物重金属分布及生态风险评估

以北运河流域沙河水库为研究对象,选择19个点采集表层(0~20 cm)沉积物,并选择其中3个点采集沉积物柱芯,分析沉积物中As、Cd、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn共7种重金属的空间分布特征,采用地累积指数法、潜在生态风险指数法和风险评价编码法对重金属污染进行评价,结合表层沉积物的重金属形态分析其潜在生态风险.结果表明,各区域重金属与北京土壤背景值相比富集倍数均值排序依次为点源污染区>库心区>库下游>南沙河>库上游>北沙河,分别为2.57倍、2.06倍、1.97倍、1.95倍、1.87倍、1.85倍;库心区和北沙河入库口的柱状样呈现随深度变化先增加后减少的趋势.污染评价结果显示,As为中度或偏中污染,其余重金属无污染或污染较轻,所有采样点的潜在生态风险指数均小于150,为轻度生态危害.As、Cr、Cu的形态多为残渣态,生物有效性低,Mn、Zn虽含量较低,但生物有效性高.通过相关性分析和主成分分析推测沉积物中各种重金属污染来源相似,主要由外源混合废水输入,并且沉积物中重金属与营养盐及有机质呈显著相关,表明其可能均来自点源污染排放.

大型溞⁃沉水植物组合系统去除北京沙河水库水与底泥污染物效果研究

针对北京市沙河水库目前水体自净能力弱、水质较差等问题,研究以大型溞⁃沉水植物组合系统为核心的库区水体与底泥净化方法.通过前期投放大型溞提高水体透明度为沉水植物生长提供先决条件,然后利用3种沉水植物(即金鱼藻、狐尾藻和黑藻=1∶1∶1)去除湖库污染水体中污染物,本文重点考察在不同种植密度下组合系统对沙河水库水体、底泥污染物的去除效果.研究结果表明:在种植密度分别为30%和50%时,3种植物均长势良好,而在种植密度为80%时,金鱼藻和狐尾藻生长受到胁迫,但黑藻仍能继续增长,表现出较好的耐受性;当沉水植物种植密度为50%时,各污染物去除效果较好,系统稳定后COD、TN、NH^+4⁃N、NO^-3⁃N和TP的去除率分别可达45.4%、42.8%、66.0%、46.4%和85.9%.底泥有机质、总氮和总磷的去除率分别达到15.8%、33.3%和19.6%.

强降雨对沙河水库的水质及其藻类群落结构的影响

汛期强降雨往往对河流水质产生重要影响,而关于不同类型强降雨对河流水质及藻类群落的影响值得深入探讨.以北运河上游沙河水库及其支流为研究对象,对比分析2019年和2020年汛期不同类型强降雨对沙河水库水质的影响.通过对2019年强降雨(累计降雨量达51.6mm·d^(-1)和降雨强度12.9 mm·h^(-1),历时4 h)和2020年强降雨后(累计降雨量193.8 mm·d^(-1)和降雨强度16.15 mm·h^(-1),历时12 h)的沙河水库及其支流进行连续6 d追踪监测,考察和比较强降雨后沙河水库及其支流的主要水质及藻类群落特征,明确强降雨对沙河水库水质波动和藻类群落的影响.研究结果表明,累计降雨量大、降雨强度大和历时长的强降雨对沙河水库及其支流的水质影响大,并造成了藻类群落结构的明显差异.与2019年相比,2020年强降雨引起水体TN和TP的浓度升高,南沙河较为显著,但整体上COD和氨氮浓度基本达地表水环境质量标准(GB3838-2002)的IV类标准.2019年与2020年降雨后水质的波动差异主要是不同类型强降雨导致地表径流所携带的面源污染负荷不同所致.东沙河和退水口的藻类群落多样性、丰富度较高;2020年降雨后库区的藻类群落多样性和丰富度均出现上升,其中沙河水库区域优势藻类属于硅藻门和蓝藻门.两场降雨后1~3 d,蓝藻门出现明显的增加和替代趋势,在库区与退水口更加显著,富营养化指示藻-微囊藻在库区的丰度高于其他监测点,且2020年比2019年更加显著.雨量的大小改变了藻类群落与环境因子的相关性,雨量越大,TP易成为藻类群落的主要影响因素.

北运河流域沙河水库沉积物中病原微生物污染特征研究

以北运河上游沙河水库为研究对象,通过采集沙河水库表层(0~20 cm)沉积物与柱状沉积物样品,采用现代分子生物学手段分析了沉积物中微生物群落结构和3种典型病原菌(大肠杆菌、肠球菌、志贺氏菌)的基因丰度,并分析其与环境因子的相关关系.结果表明:水平分布上,沉积物中大肠杆菌的绝对丰度与相对丰度在库下游与点源污染区较高,肠球菌在库心区丰度较高,志贺氏菌在点源污染区丰度最高.沉积物中3种病原菌的绝对丰度在垂向分布上均呈现随深度增加而减小的趋势,相对丰度均在10~30 cm处出现峰值.沙河水库沉积物中的水平群落结构主要以Clostridium sensu stricto、unclassified_Anaerolineaceae、Povalibacter 3种菌属相对丰度占比较大,垂向群落结构则主要以Anaerolineaceae占比较大.Pearson相关性分析表明,水平分布上,大肠杆菌与TN(p<0.01),志贺氏菌与TP(p<0.05)均显著正相关;垂直分布上,大肠杆菌与TN(p<0.05)、有机质(p<0.05),志贺氏菌与TP(p<0.05)呈显著正相关.这些结果清楚地表明,沙河水库沉积物中病原菌含量极可能与水体富营养化有关.

温榆河流域昌平段水污染现状与问题分析

对昌平区境内温榆河及其主要支流南沙河、北沙河、东沙河及沙河水库污染的现状以及水环境治理情况进行调研。在充分调研的基础上,分析了污染源类别、河库水体污染的贡献比率、未来的发展趋势等,对污染来源进行主次等级划分等。找出温榆河水系污染的原因,并针对现状提出解决方案,为昌平区境内的水污染控制提供参考。

“塘+湿地”耦合系统净化再生水补给低C/N河湖水体的效能及机制研究

构建了针对再生水补给低C/N河湖水体的“释碳塘⁃水平潜流人工湿地⁃沉水植物塘”耦合生态净化系统,以北运河上游沙河水库为研究对象,研究了该耦合系统对主要污染物TN、TP和CODCr的净化效能,并采用高通量测序技术解析了各单元微生物群落分布特征.结果表明,耦合生态系统稳定运行后出水中TP、TN和CODCr的浓度分别为(0.07±0.03),(1.41±1.06)和(18.51±6.97)mg·L^-1,其中,TP和CODCr可稳定达到《我国地表水环境质量标准》(GB3838—2002)地表IV类水(湖库)标准,TN达标率为73%.10月下旬后出水中TN不达标主要是由于温度降低导致反硝化细菌活性降低以及进水中C/N降低导致.本耦合系统可强化沙河水库中氮素的去除,不仅体现在释碳床的加入可补充湿地反硝化所需碳源,且自身的“夹心结构”可在内部实现缺氧环境,有利于反硝化的发生.加入释碳床前后,释碳塘和水平潜流人工湿地对TN的去除率分别由23.1%±27.3%和38.3%±21.6%提高至25.3%±19.4%和47.4%±15.6%.微生物群落分析结果表明,运行过程中释碳床内部微生物优势菌属由嗜氢菌属和淀粉发酵菌属转变为纤维素降解菌属.耦合系统各单元优势菌属差异较大,其中节杆菌属(Arthrobacter)在3个单元均为优势菌属.

北京市典型土著沉水植物对水体中硝酸盐和正磷酸盐的耐受性研究

以北京市3种典型土著沉水植物轮叶黑藻、狐尾藻和金鱼藻为研究对象,构建模拟水生生态系统,研究3种沉水植物对水体中NO-3和PO4^3-的耐受性并确定其耐受范围.同时,对植物体内过氧化氢酶、丙二醛、叶绿素和蛋白质4种指标进行检测.结果表明,轮叶黑藻对NO-3具有较强的耐受性,耐受浓度可达8 mg·L^-1,金鱼藻和狐尾藻次之,耐受浓度为3~5 mg·L^-1;狐尾藻对PO4^3-的耐受性最差,耐受浓度约为0.2 mg·L^-1,轮叶黑藻和金鱼藻的耐受性相当,当PO4^3-浓度达到0.4 mg·L^-1时开始出现显著胁迫.因此,在本研究的实验条件下,当水体NO-3浓度<5 mg·L^-1、PO4^3-浓度<0.2 mg·L^-1时,建议3种沉水植物同时种植;当NO-3浓度>5 mg·L^-1时,建议种植轮叶黑藻;当PO4^3-浓度为0.2~0.4 mg·L^-1时,建议种植轮叶黑藻和金鱼藻.研究结果可为北京市再生水补给河湖水库的水生态修复及其沉水植物群落的构建提供一定的理论指导.

北运河上游合流制管网沉积物的月变化与污染物赋存特征

合流制管网沉积物是溢流污染的重要来源,明确其月变化和污染物赋存特征,有助于管网沉积物控制和溢流污染负荷削减.本研究现场调查了北运河上游合流制管网沉积物的月变化和污染物赋存特征,结果表明,管网沉积物的粒径分布为大颗粒(10目)、10~40目颗粒和细颗粒(60目)分别占36%、~50%和15%(质量比).管网沉积物在干季初期(10月)大颗粒(灰分)升高,随后细颗粒、有机污染物负荷(VS)逐渐累积升高.沙河库区水环境质量的关键污染物氨氮和总氮,在底泥中的浓度分别在6—9月(汛期)和5月达到峰值,均在40目的颗粒上浓度最高;管道沉积物氨氮和总氮负荷分别在4月和5月达到最高峰,进入汛期后逐步降低.去除40~60目的颗粒能削减80%以上的管网沉积物氨氮和总氮负荷.干季的管网沉积物控制和雨季的溢流口物理处理,能够有效削减溢流污染负荷.

大型溞投放密度对湖库水体水质改善及底泥污染物影响

向北京市沙河水库投放大型溞(Daphnia magna),利用其摄食藻类、促进悬浮颗粒态污染物沉降的特性,以提升水体的透明度,为后续沉水植物群落的恢复创造条件,并探索大型溞的投放密度,以及投放后对水质及底泥主要污染物的影响。结果表明:向沙河水库投加大型溞的最佳密度为5~15 ind·L^(-1);在该条件下,水体透明度可在3~5 d由40 cm提升至100 cm,浊度由19.7 NTU降至3 NTU,藻密度由2.4×10^(6) cell·mL^(-1)降至(4~6)×10^(4) cell·mL^(-1);大型溞可在沙河水库长期存活,并可长期抑制藻类、维持水体的透明度;水体COD并未发生明显改变;大型溞的分泌物促进了悬浮颗粒态氮、磷的沉降,使TN和TP的去除率分别达到70.2%和54.9%;由于投溞后藻类浓度迅速下降,藻对NH3-N的吸收量降低,使水体NH3-N升高了32.2%;底泥中有机质、TN、TP均出现了一定程度的升高。针对于湖库水体透明度低的问题,应投放适宜密度的大型溞,调整水质状态,并结合水中藻类、底泥污染物等条件,综合考虑有效改善水质的方法。