陈融旭，韩 冰，张展硕，田世民
（1.黄河水利科学研究院，河南郑州 450003；
2.河南省黄河水生态环境工程技术研究中心，河南郑州 450003；
3.河南省黄河流域生态环境保护与修复重点实验室，河南郑州 450003）
近年来，受人类活动影响，全球气候变化活动加剧，风暴潮、洪水、暴雨等极端天气频发，不仅引发洪涝灾害，传播传染病［1-5］，也极易引起河流水体污染现象。强降雨期间形成的暴雨径流具有较强的冲刷力，可剧烈增加陆生生态系统及水生生态系统之间的物质输移［6-9］，是面源污染发生的主要驱动力。累积在陆域空间的化合物、氮、磷、重金属等污染物随暴雨径流汇入水体，增大水体污染风险。
暴雨事件易引发河流中部分水质因子较大变化，为水生态环境带来不利影响［10，11］。对东江流域的研究表明［12］，浊度、TP、氰化物、Pb、Fe 和Mn 的浓度值与降雨量呈显著正相关关系，极端降雨事件下污染物负荷对东江饮用水水源地供水水质造成较大不利影响。对河南北部“7.20”暴雨后6 条河流的水质研究表明［13］，暴雨后河流中高锰酸盐指数、NH3-N 和TP 浓度显著增加，处于IV 类及以上水质标准的水体占比明显增加，低于暴雨前标准。对凉水河流域的研究表明［14］，暴雨对非常规水源补给的河流水质冲击剧烈，单次常规暴雨事件可使氨氮质量浓度增至V 类标准的4.8 倍，TP、TN 也大幅度增高，河流达到“极富”富营养化状态。2016年太湖发生特大洪水［15］，洪水期间入湖河流及太湖水体中的磷浓度明显升高，并在水体及底泥中出现磷滞留现象，进而可能成为17 年太湖水体中TP 浓度居高不下的主要原因。
2021 年7 月17 日8 时至21 日8 时，受台风、副热带高压等多重因素影响，河南省郑州、焦作、洛阳等多地出现特大暴雨，平均降雨量达144.7 mm，远超历史同期水平。7 月20 日，郑州、洛阳等地共有10 个国家级气象观测站日雨量突破有气象记录以来历史极值。受本次暴雨影响，黄河支流伊洛河、沁河洪水过程持续十天以上，最大流量达900 m3∕s 以上（其中伊洛河为950 m3∕s，沁河为1 300 m3∕s），对黄河干流河南段水量、水质产生了较大的冲击，行洪期间集水区大量沉积污染物再释放对水生态环境及人类健康构成一定威胁［16-18］。
黄河下游水质安全是黄河流域生态安全的重要内容之一，对维持下游河道和河口三角洲湿地生态安全有重要意义［19］。由于单次暴雨事件引发的面源污染具有突发性、典型性和难预警性，因此，本文以黄河干流河南段为研究区域，探究“7.20”特大暴雨对黄河干流河南段影响，揭示其水文变化状况及污染物输移规律，为今后极端天气下黄河流域面源污染防治提供思路。
1.1 研究区域概况
黄河自陕西潼关进入河南境内，在河南省内干流长度711 km，流域面积3.62 万km2，是黄河“二级悬河”河段。2020年，河南省黄河流域水质级别为良好，I～III类水质断面占比为80.5%，其中，黄河干流水质总体评价为优，均为I～II 类水质断面（数据来自《河南省生态环境状况公报（2020）》）［20］。
黄河受本次暴雨影响较大的支流为伊洛河及沁河。其中，伊洛河于巩义市汇入黄河干流，设有黑石关水文站；
沁河自焦作市武陟县汇入黄河干流，设有武陟水文站；
下游花园口-高村段，无支流入汇（图1）。
图1 采样点布设图Fig.1 Sampling points Settings
1.2 数据来源与分析方法
从水利部黄河水利委员会获得7 月20 日-8 月1 日黑石关站、武陟站、花园口站、夹河滩站以及高村站逐日流量及泥沙数据。在花园口、夹河滩以及高村3 个水文站点布设水质采样点（图1），分别于7 月25 日、7 月27 日以及7 月30 日进行采样监测，主要监测指标为酸碱度（pH 值）、溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、高锰酸盐指数（CODMn）、总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮、硝酸盐氮等。其中，pH 值和DO 采用便携式多参数水质分析仪（YSI）进行现场原位测定，其余指标采用《水和废水监测分析方法》（第四版）规定的水质检测方法进行实验室测定［21］。
2.1 各站流量及含沙量变化过程
本次暴雨期间，伊洛河流域产流主要来自于洛阳市，集中在7月19-20日，日降雨总量分别达到371及421 mm；
沁河流域产流主要来自于焦作市，集中在7 月19-21 日，日降雨总量在250～350 mm之间，22日有局部短历时强降雨产生。
对7 月20 日-8 月1 日之间各站流量过程的分析表明，各站流量呈先上升后下降趋势，7 月27 日后逐渐恢复至同期水平（图2）。受汇水时间影响，流量峰值滞后于暴雨峰值一天，达到峰值后呈下降趋势，无强降水情况下，逐渐恢复至同期正常水平。7 月21 日，黑石关站、花园口站和夹河滩站流量达到最大值。受洪水传播速度影响，高村站洪峰流量出现在7 月22 日，而7 月21-22 日，焦作地区局部仍有强降雨发生，因此武陟站洪峰流量出现在7月23日。
含沙量与流量变化趋势保持一致，呈显著正相关（图2）。这主要是由于暴雨过程中雨水对土壤具有冲击作用，且随后形成的地表径流冲刷力较强，造成了土壤侵蚀现象集中发生，加剧了汇流区水土流失，从而引起水体含沙量升高。7 月21 日，花园口站和夹河滩站含沙量快速升高并达到最大值（18.9、12.5 kg∕m3），且上游（花园口站）泥沙浓度大于下游（夹河滩站）。此后，含沙量随降雨产流过程结束而降低。
图2 各站流量、含沙量变化Fig.2 Variation trend of flow and sediment concentration
2.2 水体理化特征
对采样期间各采样断面水体pH 值、DO 浓度分析表明（表1），暴雨过后，黄河干流河南段水体pH 在8.08～8.68 之间，在地表水评价标准规定的6～9范围内。监测期间，DO浓度呈逐步上升趋势，至7 月30 日，DO 浓度水平由IV 类水恢复至III 类水标准。从空间分布来看，沿程DO浓度变化不大。
表1 河流理化性质Tab.1 River physicochemical property
2.3 水体污染物时空变化规律
监测期间，各采样点位的污染物在时间上的迁移转化规律具有一致性，因此，以1 号采样点（花园口断面）为代表，对各水质指标随时间变化规律进行分析（图3）。
图3 各水质指标随时间变化状况Fig.3 Water quality index changing condition with time
分析可知，COD浓度随时间呈先降低后升高趋势，保持I～II类水标准；
CODMn浓度随时间增加而逐渐降低，与流量变化规律保持一致，属II 类水标准。TN 浓度变化与COD 相反，呈先上升后下降趋势，整体属严重超标状态（平均值4.1 mg∕L），远超出地表V 类水标准（2 mg∕L），7 月27 日达到最大值（5.3 mg∕L）；
硝酸盐氮浓度基本保持稳定，氨氮为地表水III 类标准，随时间变化有所升高，TN 与硝酸盐氮变化趋势基本一致；
TP 在7月25日超标较为严重（0.42 mg∕L），为劣V 类，随后恢复至II 类水标准，并基本保持稳定状态，TP 与氨氮变化趋势相反，受暴雨影响而导致的水质超标时段小于7 d。
7 月27 日及7 月30 日水质指标沿程变化状况如图4 所示，可知各指标不同时间沿程变化规律不同。DO、CODMn、TN、硝酸盐氮浓度沿程变化趋势基本一致，7 月27 日沿程浓度呈先降后升趋势，7 月30 日则呈相反趋势；
COD 和氨氮浓度7 月27 日沿程浓度变化趋势基本一致，呈先增后减趋势，7 月30 日二者浓度沿程变化规律相反，COD 浓度沿程逐渐增高，氨氮浓度则沿程逐渐减低；
TP变化趋势较为稳定，浓度随距离增加而降低。
图4 各水质指标空间变化状况Fig.4 Water quality index changing condition with space
各水质指标迁移转化受多因素影响制约，氮素迁移转化过程较为复杂，受降雨强度、土地利用类型、耕作方式、地形、来流条件等多因子共同作用［22，23］，在氮循环的不同阶段呈现不同状态。氨氮受暴雨初期作用影响较大，暴雨可造成氨氮浓度上升持续时间变长，在雨量和雨强的共同作用下，氨氮浓度峰值多出现在暴雨后5～7 d［24］，因此时间上，花园口断面（1 号）氨氮浓度呈逐渐上升趋势，而受支流产汇流过程、时间的不同步性以及干流洪水传播速度的影响，造成了氨氮浓度空间变化的差异性。硝酸盐氮浓度在整个降雨-径流-水体净化过程中，变化幅度较小，整体时空差异性不大，表明在一定水环境条件下，溶解性组分受干流水环境条件制约性较大，大于干支流流量变化带来的影响，其浓度范围具有一定的限制。相对而言，磷素流失过程较为简单，多以吸附态随土壤颗粒而流失［25］，流失量随雨强增大而增大，暴雨产流过程完全结束后，总磷浓度受水体自净作用而持续降低。
2.4 分析与讨论
暴雨发生后，受冲刷作用影响，陆域泥沙颗粒以及来自城市和农村的面源污染受冲刷作用进入水体，给河流带来不良影响。本研究表明，暴雨后水体含沙量显著增加，峰值大于10 kg∕m3，主要由于暴雨径流携带大量颗粒态物质引起，与相关研究成果具有一致性［12，24］。暴雨产生的径流中含有耗氧污染物，消耗河道内DO，因此一定时间内DO 低于正常水平，与张彦等［13］研究成果较为一致。暴雨造成河流水量增大，受稀释和中和作用影响，一定时期内水体pH 值有所降低，相关研究也表明这点［12，13］。在暴雨过程中，高锰酸盐指数与流量变化规律保持一致，表明高锰酸盐指数变化与暴雨径流带来的污染物直接相关，随着近年来对黄河流域生态治理保护增强，高锰酸盐指数未超出黄河干流环境容量。暴雨后水体中氨氮浓度未呈显著上升趋势，可能由于黄河流域氨氮主要来源为生活源［26］，排放相对稳定，而暴雨期间水温高、流量大、流速快，大水量引起的稀释作用明显［27］，同时较大的流量及较高的温度可促进径流携带的氨氮降解［28，29］。
暴雨引发了TN 和TP 超标现象，至7 月30 日，TP 等指标基本可恢复至同期正常水平，但TN 浓度虽有所下降，仍处于超标状态，且TP与TN、氨氮等未呈现浓度同时增高现象。这说明暴雨带来的氮磷具有异源性，可能来自于两方面，一是来水的异源性，伊洛河与沁河来流及洪峰时间不同，其水质的不同造就了氮磷浓度变化趋势在时间上的不同步性；
二是污染物来源的异源性，TP 主要来自于农业源，TN 来自于农业源、生活源以及城市面源。TN 浓度变化规律与氨氮无明显相关性，主要由于TN 中硝酸盐氮占比较高，其变化规律与硝酸盐氮具有一致性，但7 月27 日TN 浓度增高幅度较大，这可能由于暴雨结束后，随着路面、农田积水等的抽排入河以及被暴雨冲入河道内的动植物残骸、生活垃圾、废弃物等有机物在河道内的分解造成了TN的异常增高现象。
总体而言，暴雨带来的污染物未长时段超出黄河干流环境容量，引发的干流污染物浓度超标现象是短暂、动态、可恢复的，随时间推移能恢复至暴雨前的水质状态，不会对黄河干流水环境带来长期不良影响。暴雨带来的水质变化具有时间短、污染负荷强的特点，应加强对初期雨水、面源污染等的治理以降低暴雨期引发的水质风险。
暴雨期间，污染物主要来自于黄河滩区、伊洛河及沁河两岸的农业面源及支流沿线的城市面源，主要污染物为TN和TP。为进一步减少暴雨对黄河干流水质影响，可采用“源头管控、过程净化、末端拦截”的方式，多管齐下，削减暴雨引发的面源污染量（表2）。
（1）源头管控。源头管控是指从源头降低污染物入河风险，是面源污染防控的关键环节，主要涉及城市、城镇、农业等方面。针对城市面源的防控，一是针对洛阳市、焦作市雨污未完全分流的现象，加强其排水管网建设，确保雨污完全分流，防止暴雨期污水溢流至雨水管网后直排入河。二是在城市区采取LID措施。研究表明［30］，组合LID措施对初期雨水中氮、磷等污染负荷削减率可达50%以上，单一LID 措施中透水铺装对径流污染控制效果最佳。因此可通过对主城区、县城区地势较低、易积水区域进行透水铺装、下凹式绿地改造等，削减雨水径流量，降低初期雨水污染物浓度，进而减少污染物输送量。针对农业面源防控可采用测土配方施肥或种肥+追肥等方式［31］，有效削减TN及TP负荷量；
对于干支流滩地等易淹没区域，可合理推进退耕还草等措施，提高土地固磷固氮能力。
（2）过程净化。过程净化是指增强污染物输移过程中原位净化能力以降低污染物入河负荷。可在伊洛河、沁河入黄口上游山区采用小流域综合治理方式，加强水土流失综合治理。在城市及县城上游合适位置建设调蓄沉砂池等，通过引黄灌溉渠道等的闸泵联合调度，配合水系连通手段，达到汛期滞洪、旱期补水、调节汛期水质等多重作用。根据相关研究［32］，特定区域设置池塘、沟渠等可有效拦截农业面源污染，因此可在农村地区因地制宜建设农村坑塘体系，对汛期地表径流拦截及净化。
（3）末端拦截。末端拦截是指筑牢非点源污染控制最后一道入河防线。研究表明，利用植被缓冲带等措施，通过土壤-植物-微生物复合系统的拦截、沉积、渗透、吸收、吸附、分解等作用［33，34］，可对氮、磷等污染物进行有效拦截。在支流城市段可进行河流滨岸带、生态护岸建设和河道型湿地建设，控制污染的同时增添景观效果；
在滩区等以人工渠系为主的区域可将小型沟渠改造为生态沟渠的形式；
对于黄河干流，应合理推进退耕还湿工作以及沿黄生态带建设，增强汛期污染拦截净化能力。
4.1 主要结论
在强降雨尤其是大暴雨期间，陆地大量污染物随汇流过程进入水体，导致水体水环境短时期内发生显著变化，是河流普遍存在的现象，本次对黄河干流河南段的监测主要结论如下。
（1）暴雨期间，伊洛河、沁河及黄河下游流量呈先增加后减少趋势，流量洪峰滞后于暴雨峰值一天，含沙量与流量呈正相关关系。
（2）监测期间，黄河干流pH 为弱碱性，DO 由IV 类水标准逐渐恢复至Ⅲ类，浓度沿程变化不大。
（3）河南“7.20”暴雨事件引起了TN与TP超标现象，其中TP在降雨5日后浓度最大，为劣V 类，随后恢复至II类水标准并保持稳定；
TN浓度呈先上升后下降趋势，整体属严重超标状态（平均值4.1 mg∕L），远高于地表V类水标准。
（4）总体而言，随着近年来黄河流域系统治理保护工作的有序推进，暴雨带来污染物未长时段超出干流环境容量，应采用源头-过程-末端控制的手段，削弱污染物入河负荷。
4.2 建 议
强降雨期间，受非点源污染影响，河流水质在一定时期内变差，在今后的研究中，应加强对流域尺度非点源污染，尤其是农业非点源的监测、模拟、迁移转化以及污染防控的研究，形成完善的非点源全过程防控及管理体系，并逐步将理论与实践有机结合。流域污染治理是系统动态科学的过程，“表象在水体，根子在岸上”，为减少暴雨期对黄河干流水质影响，今后需统筹上下游、左右岸、干支流，加强顶端设计，多措并举，维持黄河健康，保障黄河流域高质量发展。
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