城市河道水體富營養(yǎng)化污染特征分析

紀(jì)桂霞， 任振興， 楊繼柏

（1. 上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海200093；2. 青誼生態(tài)環(huán)境科技有限公司，上海201799）

隨著城市的不斷建設(shè)和經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，城市河道污染日趨嚴(yán)重，河道水體黑臭，水華頻繁暴發(fā)，嚴(yán)重影響了城市景觀環(huán)境，并危害居民的身體健康[1-4]。江河湖泊水華已成為全球重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)境問題之一[5-8]。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者[9-12]對江河湖泊的富營養(yǎng)化進(jìn)行了廣泛研究。近年來，我國非常重視城市河流的污染治理，并投入了大量的人力、物力和財(cái)力，決心使“水變綠、山變青、天變藍(lán)”。

上海作為國際化大都市，在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的同時，城市河道水體富營養(yǎng)化污染更為嚴(yán)重[1,13]。本文以上海市某一黑臭較嚴(yán)重的河道作為研究對象，通過對河水春、夏、秋、冬四季的水質(zhì)實(shí)測調(diào)查，研究了河水富營養(yǎng)污染因子的時空分布特征，并采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對水體富營養(yǎng)污染程度進(jìn)行評價(jià)，分析了該水體富營養(yǎng)化的成因，并提出了防治水華暴發(fā)的有效措施，為城市河水污染的有效管理提供理論依據(jù)，也為實(shí)現(xiàn)城市河道黑水變碧水提供科學(xué)方法和有效對策。

1 材料與方法

1.1 河道概況與監(jiān)測點(diǎn)布置

上海市某河道是一條非潮汐河流，全長約7 km，平均河寬30～40 m，枯水期低水位為0.8～1.8 m，汛期高水位為3.9～4 m，水域面積約20 多萬m2。該河道流經(jīng)區(qū)域內(nèi)有紡織、印染、食品加工以及餐飲等企業(yè)，河水污染嚴(yán)重，水華暴發(fā)較頻繁[14]。本研究沿河道水流自上、中、下游共設(shè)置6 個采樣點(diǎn)，分別位于過河橋處，依次編號為1—6，如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of monitoring sites

1.2 樣品采集與分析方法

從4 月份開始到下一年3 月，歷時春夏秋冬12 個月，每月在6 個采樣點(diǎn)水深0.5 m 處同時采樣一次，并測定各水樣的主要富營養(yǎng)化污染指標(biāo)：葉綠素a（Chla）、總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）和透明度（SD）。水質(zhì)監(jiān)測分析方法采用國家標(biāo)準(zhǔn)，水體透明度現(xiàn)場測定，其他水質(zhì)指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理方法

1—6 采樣點(diǎn)，連續(xù)12 個月的水質(zhì)監(jiān)測共72 個數(shù)據(jù)組，使用Origin 軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制污染物時空分布圖，對水體富營養(yǎng)污染物的時空分布特性進(jìn)行分析，并采用富營養(yǎng)化綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進(jìn)行評價(jià)[15-16]，其綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式為

式中：TLI(Σ)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j個指標(biāo)的相關(guān)權(quán)重；TLI（j）為第j個指標(biāo)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

以Chla作為基準(zhǔn)參數(shù)，則第j種參數(shù)歸一化的相關(guān)權(quán)重計(jì)算公式為

式中：rij為第j個指標(biāo)與i基準(zhǔn)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)；m為評價(jià)指標(biāo)的個數(shù)。

各指標(biāo)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式為

式中：Chla單位為mg/m3；SD單位為m；其他指標(biāo)單位均為mg/L。

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算結(jié)果、污染程度分級和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 營養(yǎng)狀態(tài)分級Tab.1 Classification of eutrophic status

2 結(jié)果與分析

2.1 河道水體富營養(yǎng)因子時空動態(tài)分布特征

2.1.1 總氮的時空動態(tài)分布特征

1—6 測點(diǎn)水體的總氮濃度及其月均值隨時空動態(tài)變化規(guī)律如圖2 所示。

由圖2 可見，河水的TN波動范圍為2.33～5.19 > 2 mg/L，均超Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，處于劣Ⅴ類水平。從時間變化來看，夏季6～7 月水體TN濃度較大，6 月，4 測點(diǎn)TN濃度最大，為5.19 mg/L，超Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)約2.6 倍，其次是5 測點(diǎn)TN濃度為4.9 mg/L， 超標(biāo)約2.5 倍； 6 月，水體TN月均濃度值為4.04 mg/L，7 月，為4.17 mg/L，均超Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)2 倍多。7 月后TN月均濃度值呈下降趨勢，冬季11 月至下一年1 月TN濃度的月均值都小于3 mg/L；1 月以后，水體TN月均值濃度逐漸升高。由此可見，水體中TN濃度呈現(xiàn)夏季高、冬季低的現(xiàn)象。因夏季溫度較高，微生物及水生動物活性及繁殖速度加強(qiáng)，對有機(jī)物的分解作用增強(qiáng)，水中動物的排泄物增多，同時底泥含氮營養(yǎng)鹽釋放量增加[17]，使河道含氮量增高。

圖2 總氮的時空動態(tài)分布Fig. 2 Space-time dynamic distribution of total nitrogen in the urban river water

從空間分布看，1，2 測點(diǎn)TN濃度年均值分別為3.21，3.16 mg/L， 3—6 河段的TN濃度年均值在3.44～3.63 mg/L 之間，其中，4 測點(diǎn)TN年均值為3.53 mg/L，5 測點(diǎn)TN年均值為3.63 mg/L。由此可見，下游水體總氮污染嚴(yán)重，3—6 河段污染較1—2 河段嚴(yán)重，其中，4—5 河段氮的污染最為嚴(yán)重。尤其6 月，4 測點(diǎn)上游一泵站不定期將污水排入水體，致4 測點(diǎn)TN濃度增加較大。因此，加強(qiáng)混合污水排放的管控，防止4—5 河段夏季高氮引起的水華暴發(fā)。

2.1.2 高錳酸鹽指數(shù)的時空動態(tài)分布特征

CODMn的測試結(jié)果如圖3 所示。各監(jiān)測點(diǎn)的CODMn濃度在7～9 月份均大于15 mg/L，處于劣Ⅴ類水平，且各測點(diǎn)CODMn濃度在7 月均達(dá)到最大，其中，4—6 河段的CODMn濃度為26.6～29.3 mg/L，超Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)約1.8～2 倍，該河段有機(jī)污染最嚴(yán)重。7 月后CODMn月均濃度逐漸降低，冬季1 月CODMn月均濃度值最低，為13.3 mg/L， 2 月開始回升，CODMn濃度隨時間呈現(xiàn)夏季高、冬季低的顯著變化規(guī)律。夏季，大量藻類等生物生長繁殖及死亡分解，底泥中有機(jī)質(zhì)的大量釋放，是CODMn月均濃度升高的主要原因。此外，4 測點(diǎn)上游泵站在汛期混合污水排入量較大，混合污水中有機(jī)污染物及油含量高，河道水面經(jīng)常出現(xiàn)油狀薄膜，造成4～6 河段CODMn濃度急劇升高。因此，加強(qiáng)泵站排污管理是防止河道黑臭的關(guān)鍵。

圖3 CODMn 的時空動態(tài)分布Fig. 3 Space-time dynamic distribution of CODMn in the urban river water

2.1.3 總磷的時空動態(tài)分布特征

各監(jiān)測點(diǎn)的TP濃度隨時間及空間變化規(guī)律如圖4 所示。

由圖4 可見，總磷全年上下波動，隨季節(jié)變化規(guī)律不顯著。3 月，5 測點(diǎn)TP濃度最大，為0.5 mg/L，6 月4 測點(diǎn)、7 月1，2 測點(diǎn)總磷濃度較高，分別為0.45，0.48，0.49>0.4 mg/L，略超Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。其他測點(diǎn)總磷濃度處于Ⅲ-Ⅴ類水平，3 月1 測點(diǎn)TP 濃度最小，為0.02 mg/L，處于Ⅱ類水質(zhì)水平，總磷超Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)并不嚴(yán)重。

圖4 總磷的時空動態(tài)分布Fig. 4 Space-time dynamic distribution of total phosphorus in the urban river water

由空間分布可知，1—2 河段總磷濃度年均值小于0.2 mg/L，3—4 河段總磷濃度年均值大于0.2 mg/L，5—6 河段磷污染較重，總磷濃度年均值大于0.25 mg/L，河道由上游至下游總磷濃度逐漸增大。這與泵入外源污水、沿岸餐飲及洗車廢水的直接排入有關(guān)。

2.1.4Chla時空動態(tài)分布特征

Chla濃度時空分布如圖5 所示。Chla指標(biāo)夏季6～8 月較高，7 月，Chla月均濃度值達(dá)到72.98>65 μg/L，4測點(diǎn)Chla濃度最高，為112.2 μg/L，超Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)約1.7 倍，表明河道水華易暴發(fā)。7 月后Chla月均濃度值逐漸降低。冬季11 月至下一年2 月份Chla月均濃度值均小于10 μg/L，處于Ⅲ類水平；3 月，Chla月均濃度值有所回升。春、秋季Chla月均濃度值小于30 μg/L，處于Ⅳ水平。Chla濃度值呈現(xiàn)夏季高、冬季低的變化規(guī)律。

圖5 Chla 的時空動態(tài)分布Fig. 5 Space-time dynamic distribution of Chla in the urban river water

從空間分布看，由于4 測點(diǎn)上游泵入外源污染物，水體富營養(yǎng)污染程度增大，4 測點(diǎn)Chla的濃度年均值最大，為28.57 μg/L，其他測點(diǎn)Chla濃度年均值相差不大，均在20 μg/L 左右。由于浮游藻類沿河面飄移擴(kuò)散，Chla沿河道空間變化不顯著。

2.1.5 透明度的時空動態(tài)分布特征

水體透明度SD的時空動態(tài)分布如圖6 所示。

圖6 SD 的時空動態(tài)分布Fig.6 Space-time dynamic distribution of SD in the urban river water

由圖6 可知，水體透明度呈現(xiàn)夏季低、冬季高的變化規(guī)律，空間上SD沿河道由上而下逐漸減小，SD的時空變化規(guī)律與上述其他指標(biāo)變化相反。冬季1，2 月1 測點(diǎn)SD分別為1.08，1.18 m，2 月2 測點(diǎn)的SD為1.01 m，其他測點(diǎn)的SD值均小于1.0 m。7 月，4～6 河段SD值僅為0.26～0.36 m，其中，因6 測點(diǎn)上游有一小支流匯入攪動河水，6 測點(diǎn)SD值最小，為0.26 m。

2.2 河道水體的富營養(yǎng)化評價(jià)

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)與上述分析結(jié)果，采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價(jià)方法[15-16]，用Chla，TN，TP，CODMn和SD這5 個指標(biāo)，對水體富營養(yǎng)污染程度進(jìn)行評價(jià)，得到各指標(biāo)與Chla的相關(guān)系數(shù)及權(quán)重值（表2）和各測點(diǎn)的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)及富營養(yǎng)分級結(jié)果（表3）。

表2 水質(zhì)指標(biāo)與葉綠素a 的相關(guān)系數(shù)及權(quán)重值Tab.2 Correlation coefficient and weight value of water quality index and Chla

表3 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值及富營養(yǎng)分級結(jié)果Tab.3 Comprehensive eutrophic status index values and eutrophic classification results

由表3 評價(jià)結(jié)果可見，水體的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)介于53.35～79.09 之間，均處于富營養(yǎng)污染狀態(tài)。春季4～5 月，水體均為中度富營養(yǎng)狀態(tài)；夏季 6 月，4—6 河段出現(xiàn)重度富營養(yǎng)狀態(tài)；7～8月，水體的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均大于70，河道水體處于重度富營養(yǎng)狀態(tài)。7 月開始，大量灰綠色藻類漂浮水面，水體散發(fā)腐臭氣味，河道黑臭水華暴發(fā)現(xiàn)象已初顯，如圖7（a）所示。秋季 9～10 月，河道水體均處于中度富營養(yǎng)狀態(tài)。11 月，水體呈現(xiàn)輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，水質(zhì)較好無水華，如圖7（b）所示。冬季12 月至下一年2 月，水體以輕度富營養(yǎng)狀態(tài)為主，從3 月開始，隨氣溫回升，4—6 河段出現(xiàn)中度富營養(yǎng)狀態(tài)。由此可見，該河道水體富營養(yǎng)程度隨季節(jié)變化明顯， 7 月4 測點(diǎn)水體綜合富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)最大，為79.09，富營養(yǎng)污染程度最為嚴(yán)重。

圖7 水體的富營養(yǎng)化程度照片F(xiàn)ig. 7 Photo of eutrophication degree of the water body

2.3 河道水體富營養(yǎng)化成因分析

通過上述分析及相關(guān)研究成果總結(jié)[17-18]，本河道水體營養(yǎng)化的主要影響因素如下：

a. 水力條件的影響。本河道屬中小型非潮汐城市河流，水域面積小，水體環(huán)境容量較小，水流量較小，流速緩慢，水流對污染物的遷移擴(kuò)散能力較差。

b. 氣候因素的影響。夏季25～35 ℃的水溫最適宜藻類生長繁殖，7～8 月水體富營養(yǎng)化最嚴(yán)重。

c. 外源污染物輸入的影響。 4 測點(diǎn)上游混合污水的排入，尤其夏季暴雨時污水排入量較大，以及河道沿岸餐飲污水、洗車廢水的直接排入，降雨水徑流中污染物的輸入，也增大了水體有機(jī)物、氮、磷的污染。

d. 內(nèi)源污染物的影響。河床底泥中含有氮、磷、有機(jī)污染物等，在風(fēng)力攪動和降雨水流沖刷時，底泥中污染物的釋放量會隨風(fēng)力和雨強(qiáng)的增大而增大。

鑒于上述原因，在“河長負(fù)責(zé)制”科學(xué)管理下[19]，控制該河道外源污水的排入，加強(qiáng)河道水質(zhì)監(jiān)測、評價(jià)和富營養(yǎng)狀態(tài)預(yù)報(bào)等各方面工作，以減輕河道黑臭現(xiàn)象，防治水華暴發(fā)。

3 結(jié) 論

通過對上海市某河道水質(zhì)的監(jiān)測、評價(jià)及富營養(yǎng)特性和成因分析，得到如下結(jié)論：

a.河水水質(zhì)指標(biāo)Chla，TN，CODMn均呈現(xiàn)夏季高、冬季低的變化規(guī)律，SD隨時間季節(jié)的變化則相反，總磷隨季節(jié)變化不顯著。7 月Chla，TN，CODMn，TP的平均濃度均達(dá)到最高，SD平均值達(dá)到最小。TP處于Ⅴ類水平，TN，CODMn平均濃度均超Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)約2 倍，氮和有機(jī)污染較嚴(yán)重。

b.河道水質(zhì)指標(biāo)TN，Chla的最高值出現(xiàn)在4 測點(diǎn)，CODMn，TP最大值出現(xiàn)在5 測點(diǎn)，SD最小值出現(xiàn)在6 測點(diǎn)，表明上游1—3 河段水質(zhì)污染程度較輕，下游4—6 河段水質(zhì)污染較重。

c.綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價(jià)結(jié)果顯示，河道水體均處于富營養(yǎng)污染狀態(tài)。11 月及以后的冬季水體主要表現(xiàn)為輕度富營養(yǎng)污染狀態(tài)；3～5 月及9～10 月春秋季節(jié)，水體屬中度富養(yǎng)狀態(tài)；夏季6 月，4—6 河段首先出現(xiàn)重度富營養(yǎng)，該河段易暴發(fā)水華；7～8 月，水體均處于重度富營養(yǎng)狀態(tài)，該河流整體易暴發(fā)水華。