上海桃浦工業(yè)區(qū)內河道水質月動態(tài)評價及解析

張廷輝, 黃民生, 馬明海,2, 張 雯, 崔 賀

(1.華東師范大學 生態(tài)與環(huán)境科學學院,上海 200062;2．黃山學院 生命與環(huán)境科學學院,安徽 黃山 245041)

上海桃浦工業(yè)區(qū)內河道水質月動態(tài)評價及解析

張廷輝1, 黃民生1, 馬明海1,2, 張 雯1, 崔 賀1

(1.華東師范大學 生態(tài)與環(huán)境科學學院,上海 200062;2．黃山學院 生命與環(huán)境科學學院,安徽 黃山 245041)

以上海市桃浦工業(yè)區(qū)4條中小型河道為研究對象,pH值、水溫(WT)、溶解氧(DO)、透明度(SD)、5日生化需氧量(BOD5)、化學需氧量(CODCr)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總有機碳(TOC)、氨氮(NH3-N)、硝態(tài)氮(NO3-N)、總氮(TN)、葉綠素a(Chl-a)、溶解性磷(DP)和總磷(TP)為水質評價因子,采用主成分分析法、綜合污染指數(shù)法、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、有機污染指數(shù)法和綜合水質標識指數(shù)法,評價河道水環(huán)境質量,分析水質時空變化特征,解析污染源初步解析水環(huán)境污染及其變化的成因.研究結果表明,4條河道中工業(yè)河污染最嚴重,小宅浜與張涇河次之,紅祁河水質最好;TN和TP是河道水環(huán)境的主要污染因子;河道中的磷均以溶解性磷酸鹽為主,氮均以氨氮為主.桃浦工業(yè)區(qū)內河道存在工業(yè)廢水、生活污水和廚余廢水直排、偷排現(xiàn)象,河道水環(huán)境的深化治理應在進一步控源的基礎上開展原位修復.

水環(huán)境質量; 中小河道; 指數(shù)評價; 黑臭河道; 月動態(tài)

0 引 言

工業(yè)區(qū)是工業(yè)化過程中國家或者地區(qū)內工業(yè)企業(yè)聚集形成的區(qū)域,如國際知名的德國魯爾區(qū)、英國倫敦地區(qū)、法國洛林地區(qū)和國內的東北老工業(yè)基地等.工業(yè)區(qū)曾是一個地區(qū)的經(jīng)濟命脈[1-4],但隨著工業(yè)化進程不斷加快,大量未經(jīng)有效處理的工業(yè)廢水、生活污水排入城市河道等,造成水環(huán)境污染,嚴重破壞了河道生態(tài)平衡和自我修復能力,導致河道富營養(yǎng)化、藻類大量繁殖、水質變黑發(fā)臭、高等生物消亡、景觀功能下降甚至喪失等[5-12].

目前,有關工業(yè)區(qū)轉型的研究很多,但涉及到轉型期間工業(yè)區(qū)內河道水質變化分析的研究較少[1-2,8,13].工業(yè)區(qū)內小型河道水體既是區(qū)域水環(huán)境資源循環(huán)和調蓄的重要載體,又是區(qū)域污染物的集聚和凈化場所,其水質、底質的環(huán)境質量及其變化是反映區(qū)域污染強度、污染類型的一面“鏡子”.

上海市普陀區(qū)桃浦工業(yè)區(qū)位于上海中心城區(qū)西北角,處于中環(huán)與外環(huán)之間,毗鄰寶山和嘉定等區(qū)域,工廠密集,交通便利.從20世紀70年代開始,桃浦工業(yè)區(qū)曾是上海市西北部重要的醫(yī)藥和精細化工生產(chǎn)基地,期間,該工業(yè)區(qū)內集中了大量的制藥廠、化工廠以及制筆、紡織企業(yè),污染源類型多、排污負荷高、治理難度大,積累下了很多嚴重的環(huán)境問題.具體來說,桃浦工業(yè)區(qū)屬于工業(yè)和居住混雜區(qū),周邊分布有企業(yè)、居民區(qū)、大學校園以及物流和集貿市場,人口密集,生產(chǎn)和生活活動頻繁,生活污水、工業(yè)廢水的排放和垃圾入河造成了工業(yè)區(qū)內(河道)水質的黑臭現(xiàn)象[14].2014—2015年,上海有關部門對工業(yè)河及紅祁河實施了治理,主要工程措施包括底泥疏浚、護岸修整等措施[14-15].為探究工業(yè)區(qū)內河道治理后水環(huán)境變化及其成因,本文選取上海市具有代表性的桃浦工業(yè)區(qū)內4條河道(紅祁河、張涇河、小宅浜及工業(yè)河)進行為期1年的水質跟蹤監(jiān)測,選擇pH值、水溫(WT)、溶解氧(DO)、透明度(SD)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、硝態(tài)氮(NO3-N)、溶解性磷(DP)、總磷(TP)、化學需氧量(CODCr)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、總有機碳(TOC)和葉綠素a(Chl-a)等因子進行主成分分析,采用4種指數(shù)分別從富營養(yǎng)化、有機污染和綜合水質等角度評價河道水環(huán)境周年動態(tài)變化,并進行相關性分析,以期為工業(yè)區(qū)內河道水環(huán)境質量的改善以及黑臭河道的治理、評價與管理規(guī)劃提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況及采樣點位布設

本研究區(qū)域共有4條河道,分別為工業(yè)河、紅祁河、小宅浜和張涇河,河道概況見表1.河道采樣點位主要設置在河道交界處、廠房聚集處、河流斷頭處、河路交叉處及排水匯集處設置.4條河道共設置16個采樣點位,具體點位布設見圖1.

圖1 河道采樣點空間分布示意圖Fig.1 The diagram of spatial distribution of sampling sites in creeks

1.2 水樣采集與測試方法

自2015年9月至2016年8月(定3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12月、次年1月、次年2月為冬季),逐月對桃浦工業(yè)區(qū)東片4條河道進行水樣采集,采樣點位于河道中心,深度約為水面下15 cm,樣品為3次采樣混合樣品.采樣期間避開臺風、暴雨等極端天氣.水樣的pH值、DO、WT和SD為現(xiàn)場測定,其他指標的測定于24 h內在實驗室完成測試.DO和WT采用HQ30d53型便攜式溶氧儀測定,pH使用HI9812-5型便攜式pH計測定,TOC采用TOC-V型分析儀分析,其他指標的測定方法參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版).無特別說明外,所有試劑均為分析純,實驗用水為新鮮去離子水.

1.3 數(shù)據(jù)分析

本研究分別采用主成份分析法[16]、綜合污染指數(shù)(P)[17]、有機污染指數(shù)(A)[6]、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)[18]和綜合水質標識指數(shù)(Iwq)[19]對河道進行水質分析評價,各指標與指數(shù)直接的關系采用SPSS進行相關性分析,并對水質周年動態(tài)變化進行比較分析.

水質綜合污染指數(shù)評價法計算公式如下:

式中,P為綜合污染指數(shù);Si為第i種污染物的標準指數(shù);Ci為第i種污染物實測平均濃度,mg/L;C0i為第i種污染物評價標準值,單位為mg/L.

有機污染綜合評價值A按下式計算:

式中,BODi、CODi、NH3-Ni和 DOi為實測值,單位為 mg/L;BOD0、COD0、NH3-N0和DO0為規(guī)定的標準值,DO飽=468/(31.6+T),單位為mg/L;T為水體實溫度,單位為°C.

營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價法表達式為:

公式中涉及的標準值根據(jù)河道所屬水環(huán)境功能區(qū)選取,均為V類水標準(見表2).

表 2 地表水環(huán)境質量標準(V類)Tab.2 Environmental quality standards for surface water(V level)

2 結果與討論

2.1 河道年均水質指標主成分分析

選取 TOC、CODCr、CODMn、BOD5、TN、NO3-N、NH3-N、TP、Chl-a、DO、WT、SD和pH共13個指標,將2015年9月至2016年8月共12個月14個采樣點的各指標監(jiān)測值取均值,采取SPSS中的因子分析對河道水質進行主成分分析,選取2個主成份(對應特征值均大于1),前2個主成分累積貢獻率達97%以上.各水質指標與2個主成分之間的關系見表3.

表 3 各水質指標相關系數(shù)矩陣Tab.3 Correlation matrix of water quality indexes

各指標與某一主成分的聯(lián)系系數(shù)的絕對值越大,則該主成分與指標之間的聯(lián)系越緊密[20].由表3可知,Chl-a與第二主成分聯(lián)系較為緊密.除WT和Chl-a以外,其余11個指標均與第一主成分聯(lián)系緊密,說明第一主成分可以代表這些指標反映河道整體水質狀況.

由SPSS計算出每條河道的2個主成分得分及綜合得分見表4.主成分得分是指計算樣品在各主成分上的得分,主成分得分越高,與各污染指標的“貢獻”越大.由表4可以看出,4條河道中,工業(yè)河水質最差,小宅浜次之,張涇河水質較好,紅祁河水質最好.

表 4 各河道水質各主成分得分及綜合得分Tab.4 Principal component scores and total score of water quality in creeks

2.2 河道水質綜合污染指數(shù)周年動態(tài)變化

圖2為4條河道綜合污染指數(shù)周年變化圖.紅祁河除2016年1月14日—3月23日外,其余月份P值處于1左右,是水質最好的.工業(yè)河P值最高,年平均P值達2.6,達到嚴重污染狀態(tài),這可能與里店浦附近城中村向工業(yè)河排污有關.小宅浜P值周年數(shù)值略高于張涇河,兩河冬季處于重污染水平,其余各月均在中污染水平左右.小宅浜P值較高原因可能是因為其西段城中村廢水直排現(xiàn)象嚴重,且該段與東段之間被橋涵阻隔,水動力條件不足.張涇河南端連通工業(yè)河西段,導致工業(yè)河嚴重黑臭河水入侵,水質變差.相關性分析顯示,工業(yè)河與張涇河的P值周年變化顯著相關(r=0.962,p＜0.01).

由圖2可以看出,4條河道P值周年變化趨勢相同且隨時間變化較大,總體呈秋冬季上升、春夏季下降趨勢.綜合污染指數(shù)較高的幾個月(2016年1、2、3月)中,氨氮對綜合污染指數(shù)的貢獻最大,在2016年2月中占到了73%～77%.而在工業(yè)河中,氨氮在綜合污染指數(shù)中的占比很高,在2015年9月到2016年3月達到了43%～75%,這可能是由于冬季降水少,污徑比高,而夏季降水多,污徑比低,且河道內微生物活性(有機碳降解和氨氮硝化)隨水溫下降而降低[11].

圖2 河道綜合污染指數(shù)周年變化Fig.2 Annual variation of comprehensive pollution index in creeks

2.3 河道有機污染指數(shù)周年變化

由圖3可知,4條河道有機污染指數(shù)A值周年變化趨勢基本相同,均在2016年2月達到最高值,原因可能是河道的冬季污徑比高,A值升高.河道的夏季A值顯著降低,也是由于夏季污徑比低且藻類光合作用產(chǎn)生氧氣.2016年4月,河道A值低于同年3月和5月,可能是由于2016年4月上海降雨量較大,據(jù)上海氣象局資料,該月有雨天數(shù)達到17 d,高于同年3月和5月.較大的降雨量增強了河水的稀釋作用,相關性分析表明,工業(yè)河與紅祁河的氨氮濃度與各自A值周年動態(tài)變化存在顯著正相關性(r=0.811,p＜0.01;r=0.770,p＜0.01).工業(yè)河A值全年均大于2,年平均A值為9.67,屬于嚴重污染狀態(tài).紅祁河A值除2015年11月外,其余各月均大于2,年平均A值為4.72,屬于嚴重污染狀態(tài).小宅浜和張涇河年平均A值分別為6.36和6.07,均屬于嚴重污染狀態(tài).小宅浜、工業(yè)河A值較高原因可能是因為周邊存在廢水直排現(xiàn)象.張涇河南端連通工業(yè)河西段,導致工業(yè)河嚴重黑臭河水入侵,水質變差.相關性分析顯示,小宅浜和張涇河A值的周年變化趨勢顯著相關(r=0.946,p＜0.01).

圖3 河道有機污染指數(shù)周年動態(tài)變化Fig.3 Annual variation of organic pollution index in creeks

2.4 河道綜合營養(yǎng)指數(shù)周年動態(tài)變化

由圖4可以看出,4條河道全部達到富營養(yǎng)化程度,其中,工業(yè)河和小宅浜整體為重度富營養(yǎng),紅祁河整體為中度富營養(yǎng)(年TLI均值為68.8),張涇河介于中、重度富營養(yǎng)狀態(tài)之間.4條河道的TLI值總體趨勢較為一致,夏秋季節(jié)高、冬春季節(jié)低,且與浮游藻的季節(jié)消長規(guī)律一致.決定河水TLI值的水環(huán)境因子包括Chl-a、SD、TN、TP和COD,其中,TN、TP和COD也是計算P值的核心指標,河道富營養(yǎng)化的主要原因是氮和磷的超標.氮和磷不僅是水體富營養(yǎng)化的主要影響因子,同時也是河道的主要污染因子;而Chl-a和SD是計算TLI值的獨有指標,Chl-a與TLI成正比(藻密度越高,富營養(yǎng)化程度越高),SD與TLI成反比(藻密度越高,透明度越低).這種“三同二異”是造成TLI值與P值變化規(guī)律差異的主要原因.相關性分析顯示,工業(yè)河的水質富營養(yǎng)化周年動態(tài)變化分別與小宅浜和張涇河顯著相關(r=0.835,p＜0.01;r=0.766,p＜0.01),小宅浜與張涇河的水質富營養(yǎng)化周年動態(tài)變化顯著相關(r=0.834,p＜0.01).

2.5 河道水質標識指數(shù)周年動態(tài)變化

以地表Ⅴ類水為水環(huán)境功能目標,計算2015年9月至2016年8月4條河道的綜合水質標識數(shù)(見圖5).由圖5可知,工業(yè)河Iwq值除2016年4月外,其余幾個月的綜合水質標識指數(shù)均未達到Ⅴ類水環(huán)境功能目標;小宅浜與張涇河則分別只有兩個月達到Ⅴ類水目標;紅祁河年Iwq均值為5.820,總體達到Ⅴ類水環(huán)境功能目標,其余3條河道年Iwq均值均在6以上,未達到Ⅴ類水環(huán)境功能目標.其主要原因為工業(yè)河、小宅浜和張涇河TN、TP、NH3-N超標嚴重,其中工業(yè)河TN、NH3-N年Iwq均值分別達到14.3、11.3,各超標9個等級和6個等級,其余兩條河道TN、NH3-N和TP的Iwq評級均為“劣Ⅴ類黑臭”.4條河道Iwq值總體呈冬季高、夏季低趨勢,在2016年2月份達到最高.其原因是2016年2月4條河道的TN和NH3-N月Iwq值分別達到了15.8～21.1和15.8～22.3,氮含量超標嚴重.相關性分析顯示,張涇河的綜合水質標識指數(shù)周年動態(tài)變化分別與小宅浜和紅祁河顯著相關(r=0.837,p＜0.01;r=0.717,p＜0.01),工業(yè)河分別與小宅浜和張涇河的綜合水質標識指數(shù)周年動態(tài)變化顯著相關(r=0.073,p＜0.05;r=0.754,p＜0.05).

圖4 河道綜合營養(yǎng)值指數(shù)周年變化Fig.4 Annual variation of comprehensive nutritive index in creeks

圖5 河道綜合水質標識指數(shù)周年變化Fig.5 Annual variation of comprehensive waher quality identification index in creeks

2.6 河道水質周年總體評價

按照《上海市水環(huán)境功能區(qū)劃(2011)年修訂版》選取相應水質控制標準.選取pH、SD、DO、CODCr、CODMn、BOD5、NH3-N、TN、Chl-a和TP共10個水質指標,將12個月4條河道各水質指標的全年監(jiān)測值取均值后對其進行指數(shù)評價,結果見表5.

綜合污染指數(shù)的評價結果顯示,4條河道周年整體處于污染狀態(tài),污染程度從高到低依次為工業(yè)河＞小宅浜＞張涇河＞紅祁河,由北向南逐漸加重(工業(yè)河是這個連片水系的污染源,其次是小宅浜).其主要污染因子(指標)依次為TN→NH3-N→TP,氮(特別是氨氮)、磷不僅是主導河道黑臭的因子,而且是主導河道富營養(yǎng)化的因子.同時,水質級別和污染類型呈現(xiàn)梯度分布規(guī)律(從北到南逐漸惡化):工業(yè)河-劣V類+黑臭+重度富營養(yǎng)→小宅浜-劣V類+不黑臭+重度富營養(yǎng)→張涇河-劣V類+不黑臭+重度富營養(yǎng)→紅祁河-V類+不黑臭+中度富營養(yǎng).工業(yè)河與小宅浜的污染源主要在西段且兩條河道的東端(與桃浦河相接)均有1個調水泵閘,故水質也呈現(xiàn)由西向東逐漸好轉的梯度變化規(guī)律.

工業(yè)河與紅祁河已經(jīng)實施了底泥疏浚整治,沿岸的生活污水和初期雨水排水成為河道的主要污染源,這與現(xiàn)場的調查情況一致.4條河道全部富營養(yǎng)化,工業(yè)河兼具黑臭.在這類污染河道中,由于水體缺氧(全年或季節(jié)性,BOD耗氧+死水所致,有機物降解先于氨氮硝化)導致氨氮在總氮中的占比高(43%～74%),是治理和修復的重點任務.

表 5 上海市桃浦工業(yè)區(qū)4條河道水質評價結果Tab.5 Results of assessment on water quality in four creeks in Shanghai taopu industrial zone

圖6 河道水質空間分布圖Fig.6 Spatial distribution of water quality in creeks

2.7 河水氮磷含量分布

工業(yè)河與紅祁河已經(jīng)實施了底泥疏浚整治,沿岸的生活污水和初期雨水排水成為河道的主要污染源,這與現(xiàn)場的調查情況一致.4條河道全部富營養(yǎng)化,工業(yè)河兼具黑臭.在這類污染河道中,由于水體缺氧導致氨氮在總氮中的占比高(43%～74%),是進一步治理和修復的重點任務.

針對河道的主要污染因子N和P,分別對河道的TN、NH3-N、硝酸鹽氮(NO-3-N)、亞硝酸鹽氮(NO-2-N)、DP和TP的周年整體情況進行分析(見圖7).由圖7可知,河道的磷含量均以溶解性正磷酸鹽為主,占總磷的百分比中張涇河最高為81.28%;氮含量主要以氨氮形式存在,工業(yè)河、小宅浜、張涇河和紅祁河中氨氮分別占總氮74.40%、64.95%、60.43%和43.45%.

氨氮是水體中無機氮的主要存在形式,氨氮在一定情況下會發(fā)生硝化反應,消耗大量水體溶解氧,并促進了藻類的生長[21].結合水質污染指數(shù)分析可知,河道的有機物含量均較高,消耗了水中大量DO,從而導致氨氮轉化為硝酸鹽氮的進程受阻.

圖7 河道氮磷形態(tài)分布Fig.7 Distribution of nitrogen and phosphorus forms in creeks

2.8外源排污與水環(huán)境的關系

河道外源排污是影響河道水環(huán)境及其變化的重要因素.選取工業(yè)河、小宅浜兩條河道的代表性點位進行研究.通過現(xiàn)場調查,發(fā)現(xiàn):小宅浜西端河面布滿浮萍,岸邊垃圾隨意放置,小飯店和城中村密集,偷排暗渠隱蔽,廢水直排現(xiàn)象嚴重.工業(yè)河西端和里店浦與工業(yè)河連接處垃圾入河、水質渾濁,透明度常年在0.4 m以下,污水直排入河.3條河道水環(huán)境污染主要是由于外源排污,其中,工業(yè)廢水是里店浦南口和工業(yè)河西端的主要污染源,生活污水和廚余廢水是小宅浜西端的主要污染源.

3 結 論

(1)4條河道中3條為劣V類,1條為V類,1條黑臭;4條全部富營養(yǎng)化.

(2)4條河道的水環(huán)境季節(jié)性變化較明顯:冬季污徑比高,水質惡化;夏秋季氣溫高,浮游藻生長旺盛.

(3)氮磷是4條河道水質污染的主要因子,其中,氨氮在總氮中占比較高,且受制于外源排污、內源釋放和溶解氧競爭等多種條件,污水進入河道后,有機物降解先于氨氮硝化并快速消耗溶解氧,導致河道內氨氮的累積效應.

(4)桃浦工業(yè)區(qū)內河道存在工業(yè)廢水、生活污水和廚余廢水直排、偷排現(xiàn)象,河道水環(huán)境的深化治理應在進一步控源的基礎上開展原位修復.

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(責任編輯:張 晶)

Analysis and assessment on monthly dynamics of water quality at Taopu industrial zone in Shanghai

ZHANG Ting-hui1,HUANG Min-sheng1,MA Ming-hai1,2,ZHANG Wen1,CUI He1
(1.School of Ecological and Environmental Sciences,East China Normal University,Shanghai 200062,China;2.School of Life and Environmental Sciences,Huangshan University,Huangshan Anhui 245041,China)

Taking pH,WT,DO,SD,BOD5,CODCr,CODMn,TOC,NH3-N,NO3-N,TN,Chl-a,DP and TP as the primary parameters,four medium or small creeks in Shanghai Taopu industry area are chosen as research rivers to evaluate the water quality,analyze temporal variation of water quality and identify pollution sources,by using analysis method such as principal component analysis,comprehensive pollution index,comprehensive nutritive index,organic pollution index and comprehensive water quality identification index.The research results indicate that Gongye River was the most polluted river in the four rivers,followed by Xiaozhai River and Zhangjin River,and Hongqi Riverwas the best.TN and TP were the primary pollution parameters.DP was the main composition of TP,and NH3-N is the main composition of TN.In industry area,pollution control of small malodorous rivers should focus on source control,and take the integrative measurements like “source control and retention”.

water quality;medium and small creek;index evaluation;malodorous river;monthly dynamics

X821

A

10.3969/j.issn.1000-5641.2017.06.014

1000-5641(2017)06-0147-09

2016-11-17

張廷輝,男,碩士研究生,研究方向為河道治理與修復.E-mail:zth8023@163.com.

黃民生,男,教授,博士生導師,研究方向為水環(huán)境治理與修復.

E-mail:mshuang@des.ecnu.edu.cn.