上海市工業(yè)河與小宅浜治理前后水質(zhì)評(píng)價(jià)

陸昕渝 楊銀川 肖冰 黃民生 李欣然 尹超 曹承進(jìn)

摘要：針對(duì)上海市普陀區(qū)工業(yè)河、小宅浜治理前后水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià).對(duì)河道水體中溶解氧、濁度、硝態(tài)氮、葉綠素a和浮游動(dòng)物種群密度等5項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行單因子變化趨勢(shì)分析;選取總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量及五日生化需氧量共5項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)灰色關(guān)聯(lián)度分析.結(jié)果表明：兩條河道中溶解氧和濁度在治理前后并無(wú)明顯變化;硝態(tài)氮濃度在治理后先降低后升高;葉綠素a濃度顯著升高;浮游動(dòng)物種類及密度有所上升;灰色關(guān)聯(lián)分析顯示，兩條河道水質(zhì)在治理前接近V類，而在治理后的短期內(nèi)均曾達(dá)到I類，但隨后又有所回落并穩(wěn)定在Ⅳ類.

關(guān)鍵詞：河道治理;水質(zhì)評(píng)價(jià);灰色關(guān)聯(lián)

中圖分類號(hào)：X824

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI： 10.3969/j.issn.1000-5641.2019.04.016

0 引言

城市河道在城市生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色[1-2]，然而隨著城市化發(fā)展，城市河道受到的負(fù)面影響是廣泛而全面的[3].近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于城市河道治理及修復(fù)的工作日益增多[1，3].一方面，恢復(fù)城市河道生態(tài)系統(tǒng)可為社會(huì)發(fā)展帶來(lái)多重相關(guān)利益[3];另一方面，即使河段無(wú)法恢復(fù)至完全自然狀態(tài)，也可在一定程度上改善城市河網(wǎng)的生態(tài)功能及系統(tǒng)連接[4].研究表明，河流的治理及修復(fù)可有效地將污染河道的負(fù)外部性轉(zhuǎn)化為正外部性[2].

當(dāng)前河道治理與修復(fù)的手段主要有由底泥疏浚和人工曝氣等為代表的物理法以及由微生物強(qiáng)化技術(shù)和生態(tài)浮床等為代表的生物法等[5-6].河道疏?？梢种频啄辔廴疚锵蛩w中釋放[7]，而生態(tài)浮床則可實(shí)現(xiàn)對(duì)水體內(nèi)氮磷等污染物的去除[8]，并提升景觀效果.然而，其實(shí)際治理修復(fù)成效仍需在實(shí)踐中加以總結(jié)及評(píng)價(jià).

本文以上海市普陀區(qū)工業(yè)河和小宅浜為例，其水質(zhì)于治理前屬典型黑臭，治理修復(fù)工作擬通過(guò)底泥清理、增氧曝氣及增設(shè)生態(tài)浮床和微生物培養(yǎng)器等手段實(shí)現(xiàn)其水質(zhì)的提升及生態(tài)修復(fù).現(xiàn)對(duì)其治理前后水質(zhì)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為河道水環(huán)境修復(fù)提供理論指導(dǎo)及工程參考.

1 材料與方法

1.1 河道概況

目標(biāo)河道位于上海市普陀區(qū)桃浦工業(yè)區(qū)內(nèi).工業(yè)河（GYH）全長(zhǎng)869 m，河口寬12 m，河底標(biāo)高1.0 m，沿岸為硬質(zhì)護(hù)坡.其周邊多為城中村和小型企業(yè)，由于長(zhǎng)期受附近工業(yè)廢水及生活污水影響，治理前水質(zhì)常年黑臭，屬典型劣V類.

小宅浜（XZB）全長(zhǎng)552.9 m，河口寬15 m，河底標(biāo)高0.5 m，其北側(cè)沿岸為硬質(zhì)砌石護(hù)坡，南側(cè)為植物性護(hù)坡.小宅浜東段周邊多為高層小區(qū)，居住人口密集：西段則存在物流及餐飲等行業(yè)，污染源較為復(fù)雜，水質(zhì)狀況亦屬典型劣V類.

兩條河道均于2016年12月完成截污工程，2017年6月末完成生態(tài)修復(fù)工程，按計(jì)劃于10月起呈現(xiàn)水質(zhì)凈化效果，11月完成水質(zhì)達(dá)標(biāo)（GB38382002，V類）.本研究擬以6月末為界，對(duì)其治理前后水質(zhì)情況進(jìn)行分析及評(píng)價(jià).目標(biāo)河道具體工程措施如表1所示.

1.2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)

對(duì)目標(biāo)河道水質(zhì)理化指標(biāo)及浮游動(dòng)物進(jìn)行為期9個(gè)月的監(jiān)測(cè)及測(cè)定，具體設(shè)備與方法見(jiàn)表2.

1.3 數(shù)據(jù)分析

水環(huán)境系統(tǒng)是一種復(fù)雜的、不平衡的灰色系統(tǒng)[9].本文對(duì)溶解氧、濁度、硝態(tài)氮、葉綠素a和浮游動(dòng)物種群密度等指標(biāo)采用單因子分析法進(jìn)行評(píng)價(jià).取另5項(xiàng)指標(biāo)使用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)目標(biāo)河道水質(zhì)進(jìn)行分析，定量研究各水質(zhì)指標(biāo)的相互關(guān)系及影響，并將其與相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作比較，進(jìn)而評(píng)價(jià)目標(biāo)水體的水質(zhì)等級(jí)[10].

選取TP、NH4-N、CODMn、CODcr及BODs共5項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB38382002）中各相應(yīng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值作為參考數(shù)列.分別應(yīng)用式1和式2對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值及水質(zhì)實(shí)測(cè)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理（以工業(yè)河數(shù)據(jù)為例，見(jiàn)表3和4）.

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)指標(biāo)單因子變化趨勢(shì)分析

2.1.1 溶解氧及濁度變化趨勢(shì)

圖1為2017年3～11月工業(yè)河、小宅浜溶解氧及濁度隨時(shí)間變化趨勢(shì).可知，工業(yè)河3月溶解氧較高，而至4月則驟降至約2 mg/L，隨后回升，而自6月起又逐漸下降.至11月，其溶解氧水平降至2 mg/L以下.小宅浜溶解氧變化呈現(xiàn)“U字型”趨勢(shì).其在3 5月的溶解氧濃度均大于10 mg/L，而在7、8兩個(gè)月則均小于2 mg/L，在隨后的9、10、11這3個(gè)月內(nèi)，其溶解氧水平有所回升.

工業(yè)河、小宅浜在濁度變化趨勢(shì)上較為接近，其于4月時(shí)較前月均有一定上升，隨后回落，并于7月開(kāi)始再次上升.工業(yè)河濁度在8月達(dá)到最高，大于90 NTU，小宅浜則在7月達(dá)到最高，二者隨后逐月下降，且其濁度在10、11兩月均小于10 NTU.

工業(yè)河配置有4套微孔曝氣裝置和6套噴水曝氣裝置，其溶解氧水平于6月至8月均保持在較高水平，但其濁度也開(kāi)始上升.這可能是由于，曝氣作用在提高溶解氧水平的同時(shí)，也對(duì)部分底泥有一定擾動(dòng)并形成再懸浮，其勢(shì)必會(huì)造成水體濁度上升.小宅浜配置有2套微孔曝氣裝置和4套噴水曝氣裝置，且曾于采樣期內(nèi)（2017年4月）在河邊發(fā)現(xiàn)有斗式挖泥船作業(yè).據(jù)統(tǒng)計(jì)，小宅浜底泥疏浚工程共清理底泥1 736.73 m³.疏浚可在短期內(nèi)使水體TSS濃度上升[12]，疏浚后又很快恢復(fù)澄清.這與小宅浜4月時(shí)濁度突然增高但次月隨即下降相符合.值得一提的是，小宅浜的溶解氧濃度在3月時(shí)接近18 mg/L，這可能是由于，3月時(shí)溫度適宜，現(xiàn)場(chǎng)采樣也發(fā)現(xiàn)近岸水域有大量藻類繁殖，因此產(chǎn)生的泌氧作用造成了較高的溶解氧水平，此外，小宅浜雖然在6月安裝曝氣裝置，但其溶解氧水平并未受明顯影響.這可能是由于，7、8月份溫度較高，微生物活動(dòng)較為活躍，加之曝氣裝置位于河道中央，而采樣點(diǎn)在濱岸區(qū)域，屬曝氣死角.因此，直至9月溫度開(kāi)始降低，微生物活動(dòng)減緩，其溶解氧水平才升至2 mg/L以上.

2.1.2 硝態(tài)氮濃度變化趨勢(shì)

硝態(tài)氮是進(jìn)入水環(huán)境中無(wú)機(jī)氮的主要成分[13-14]，是氮循環(huán)的重要一環(huán)，但其在地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)并無(wú)明確限值[15].由圖2可見(jiàn)：工業(yè)河硝態(tài)氮濃度在3至5月有一定起伏，而其于6月起至8月連續(xù)下降，最低濃度小于0.5 mg/L，而自9月起則又開(kāi)始再次回升，最高在11月大于3.5 mg/L.小宅浜硝態(tài)氮濃度于前3個(gè)月連續(xù)上升，最高大于7 mg/L.其自6月起又與工業(yè)河趨勢(shì)相仿，轉(zhuǎn)而連續(xù)下降，最低亦小于0.5 mg/L，且在9月開(kāi)始回升.和工業(yè)河不同的是，其硝態(tài)氮濃度在11月時(shí)較前月并沒(méi)有繼續(xù)上升，而下降至3 mg/L以下.

工業(yè)河、小宅浜各配有一套固定化微生物培養(yǎng)器，其將選定的高效微生物固定于沸石等多孔載體間，裝入培養(yǎng)器中，促進(jìn)微生物快速生長(zhǎng)，達(dá)到凈化河道水質(zhì)的效果.兩條目標(biāo)河道的硝態(tài)氮濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)均呈“U”字型，這表明，其配備的微生物培養(yǎng)器在短期內(nèi)對(duì)硝氮濃度有較為明顯的削減效果，但其持續(xù)性效果較差.兩條河道硝態(tài)氮濃度分別在9月和10月即回升至治理前水平.這可能是由于，曝氣作用有利于硝化過(guò)程的進(jìn)行，其可促進(jìn)水體內(nèi)氨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化[16-17].

2.1.3 葉綠素a濃度變化趨勢(shì)

葉綠素a是評(píng)價(jià)水體質(zhì)量的重要指標(biāo)，可用于表征藻類等浮游植物現(xiàn)存的生物量[18].工業(yè)河葉綠素a濃度在3月到6月間均小于20 μg/L，而其在7月則突然上升至超過(guò)200 μg/L，隨后逐漸回落，10、11兩月均在15μg/L左右.小宅浜葉綠素a濃度在6月前均小于20 μg/L，隨后開(kāi)始上升，至8月達(dá)到最高，超過(guò)200μg/L.其濃度在隨后兩個(gè)月仍保持較高水平，在95 μg/L左右，11月則降至30μg/L左右.

曝氣對(duì)藻類生長(zhǎng)有一定影響，其造成的適當(dāng)水流擾動(dòng)和溶解氧升高有利于藻類生長(zhǎng)[19—20].曹江兵[21]和陳玉輝[22]在研究中發(fā)現(xiàn)，水體溶解氧較高時(shí)，較適宜藻類繁殖和生長(zhǎng).另有研究表明[23]，對(duì)于硝態(tài)氮含量較高的水體，晝夜曝氣對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響有差異，連續(xù)曝氣可促進(jìn)促進(jìn)藻類生長(zhǎng)，而夜間曝氣則對(duì)其有一定抑制效果.此外，7月時(shí)的氣溫升高也會(huì)影響水體葉綠素a水平.李飛鵬[24]等人發(fā)現(xiàn)，夏、秋兩季水體葉綠素a含量明顯高于春、冬兩季.這與本研究?jī)?nèi)7至10月葉綠素a濃度較高，而其他各月濃度較小相符.

2.1.4 浮游動(dòng)物種群密度變化趨勢(shì)

浮游動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)特征與其所處水環(huán)境的水質(zhì)狀況具有一定關(guān)聯(lián)[25].本研究中，原生動(dòng)物在工業(yè)河與小宅浜內(nèi)均未被發(fā)現(xiàn).工業(yè)河內(nèi)，輪蟲(chóng)密度遠(yuǎn)大于枝角類和劍水蚤密度，其輪蟲(chóng)密度均大于250 ind/L，于5月時(shí)大于3 500 ind/L.小宅浜內(nèi)，輪蟲(chóng)、枝角類和劍水蚤密度于各月均未大于75 ind/L.輪蟲(chóng)在3至5月內(nèi)均未被發(fā)現(xiàn)，其密度于6月時(shí)開(kāi)始增加，9月時(shí)達(dá)到最高，隨后回落.枝角類除在6月及11月未被發(fā)現(xiàn)外，其余月份密度均在10～30 ind/L浮動(dòng).

工業(yè)河浮游動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種為輪蟲(chóng)，其對(duì)環(huán)境變化反應(yīng)較快，可作為水質(zhì)狀況良好的指示種[26].除6月外，工業(yè)河輪蟲(chóng)密度在治理前后無(wú)明顯變化.這可能是由于，工業(yè)河在2017年治理期間并未進(jìn)行底泥疏浚，治理工程對(duì)浮游動(dòng)物的生境影響并不大.反觀小宅浜，其在6月前僅發(fā)現(xiàn)枝角類和劍水蚤，而在治理后，輪蟲(chóng)也逐漸被發(fā)現(xiàn)，且三者的種群密度在不同程度上亦有所上升.這與劉一等的研究結(jié)果[27]相似，其調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隨著水質(zhì)的改善，浮游動(dòng)物的種類和密度均呈上升趨勢(shì).

2.2 水質(zhì)指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度分析

水質(zhì)指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度分析可直觀地展現(xiàn)本研究?jī)?nèi)兩條河道的水質(zhì)逐月變化情況.由評(píng)價(jià)結(jié)果（見(jiàn)表7和8）可知，工業(yè)河、小宅浜水質(zhì)評(píng)價(jià)變化趨勢(shì)較為相似.3至6月時(shí)，工業(yè)河、小宅浜水質(zhì)均在Ⅳ類至V類間浮動(dòng)，于7月時(shí)分別上升至Ⅲ類和I類，但隨即于次月回落，9月時(shí)再次上升至I類和II類，10月、11月時(shí)，兩條河道水質(zhì)均接近于Ⅳ類.

綜上可見(jiàn)，工業(yè)河及小宅浜水質(zhì)在經(jīng)治理后有較為顯著的提升，但其仍存在一定波動(dòng)性.工業(yè)河水質(zhì)狀況雖有起伏，但總體仍呈現(xiàn)波動(dòng)性上升.而小宅浜水質(zhì)狀況的變化幅度較大，以6至8月尤為顯著，不難發(fā)現(xiàn)，在6月末河道治理工程基本完成后，兩條河道的水質(zhì)狀況在7月均有提升，但在次月亦均有回落.余定坤在其研究[28]中同樣發(fā)現(xiàn)，溫州市山下河經(jīng)治理后，部分?jǐn)嗝嫒猿霈F(xiàn)了水質(zhì)污染指數(shù)反復(fù)現(xiàn)象.例如在9月時(shí)，兩條河道水質(zhì)均處于較高水平但在次月則回落至Ⅳ類水平.一方面，持續(xù)的河道治理措施會(huì)對(duì)其水質(zhì)產(chǎn)生一定影響，如清淤船的作業(yè)會(huì)造成短期內(nèi)底泥內(nèi)源污染物的釋放：另一方面，在經(jīng)過(guò)大型工程措施后，河道的水生態(tài)系統(tǒng)需要一定恢復(fù)時(shí)間，短期的灰色關(guān)聯(lián)水質(zhì)分析無(wú)法系統(tǒng)地評(píng)價(jià)其治理效果.杜雅琳的研究[29]也認(rèn)為，較多河流在治理后一段時(shí)間仍會(huì)再次出現(xiàn)污染問(wèn)題，究其原因，是由于治理的可持續(xù)性有待加強(qiáng).因此，后續(xù)的管理及監(jiān)測(cè)對(duì)于河道長(zhǎng)效治理是極為必要的.

3 結(jié)論

本文以工業(yè)河、小宅浜為例，分析并評(píng)價(jià)了其治理前后水質(zhì)變化情況.水質(zhì)指標(biāo)單因子變化趨勢(shì)表明，曝氣對(duì)兩條河道溶解氧水平的改善并不明顯且波動(dòng)較大，底泥清理造成了河道短期內(nèi)的濁度提升：治理后水體的硝態(tài)氮濃度在短期內(nèi)有較大程度削減，兩條河道的硝態(tài)氮濃度于8月均小于0.5 mg/L，但在約4個(gè)月后即有所回升;治理后河道的葉綠素a水平顯著升高，最高達(dá)200LLg/L以上，存在藻類孳生的風(fēng)險(xiǎn);浮游動(dòng)物種群密度在治理后略有上升.水質(zhì)灰色關(guān)聯(lián)度分析顯示，兩條河道水質(zhì)在治理后有較為明顯的提升.

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