上海市6条中小河道水质月动态评价及解析

马明海，　黄民生，　胡　伟，

魏金豹1，　刘素芳1，　马俊飞1，　韩　莉1

(1. 华东师范大学 生态与环境科学学院，上海　200062；

2. 黄山学院 生命与环境科学学院，安徽 黄山　245041)

上海市6条中小河道水质月动态评价及解析

马明海1,2，黄民生1，胡伟1，

魏金豹1，刘素芳1，马俊飞1，韩莉1

(1. 华东师范大学 生态与环境科学学院，上海200062；

2. 黄山学院 生命与环境科学学院，安徽 黄山245041)

摘要：2013年3月至2014年2月，以上海市6条中小型河道为研究对象，选择-N、TN、DP、TP、CODCr、CODMn、BOD5、TOC和Chl-a作为水质评价因子，分别采用主成分分析法、综合污染指数法、综合营养状态指数法、有机污染指数法和综合水质标识指数法评价河道水环境质量，并对各评价方法和污染源进行分析.结果表明，6条河道水环境质量的空间差异性较大，其中淡江河污染最严重，工业河次之，丽娃河水质最好.TN和TP是6条河道水环境的主要污染因子.6条河道中的磷均以溶解性磷酸盐为主，工业河、长浜河、真如港和淡江河中的氮以氨氮为主，樱桃河和丽娃河以硝酸盐氮为主.

关键词：水环境质量；中小河道；指数评价；月动态；主成分分析

第一作者：马明海, 男, 博士研究生.研究方向为河道治理与修复.E-mail: maminghai@hsu.edu.cn.

0引言

河道是城市生态环境的重要组成部分，具有行洪排涝、运输、供水及景观等功能，随着城市化进程的加快和经济的快速发展，点源和非点源污染日益增多，导致河道水质和生态日趋恶化，严重影响城市的环境质量[1-5].因此，河道水环境治理工作刻不容缓.河道水质评价是水环境治理中的重要基础性工作，通过对水质监测数据的合理评价与分析，才能制定科学的规划，采取有效的措施[6-10].

上海市全市共有大小河道26 603条，总长25 348.48 km[11].由于城市化的过快发展，河道水质明显恶化.根据《2013年上海市水资源公报》，上海市监测的2 545条(个)河湖的3 446个断面的水质中，劣Ⅴ类断面占 52.9%，水质性缺水的困境仍未得到有效缓解，生活及服务业等非工业的废水排放增长较快，严重影响了上海市的生态环境质量和经济发展[12,13].

1材料与方法

1.1　水样采集与保存方法

自2013年3月至2014年2月，逐月对上海市6条河道进行水样采集(采样深度约为水面下15 cm)，水样的pH、DO、WT和SD为现场测定，其他指标的测定于24 h内在实验室完成测试，采样期间避开台风、暴雨等极端天气.6条河道的概况见表1，6条河道共设置27个采样点，其空间分布特征见图1.

1.2　测试与计算方法

DO和WT采用HQ30d53型便携式溶解氧仪测定，pH使用HI 9812-5型便携式pH计测定，TOC采用TOC-V型分析仪分析，其他指标的测定方法参考《水和废水监测分析方法》(第四版).无特别说明外，所用试剂均为分析纯，实验用水为新鲜去离子水.分别采用主成分分析法[20]、综合污染指数(P)[21]、有机污染指数(A)[22]、综合营养状态指数(TLI(∑))和综合水质标识指数(Iwq)[23]对6条河道进行水质分析评价，各指标与指数之间的关系采用SPSS 19.0进行相关性分析，并对水质周年动态变化进行比较分析.

表1　6条河道概况

图1　河道采样点空间分布示意图

其中BODi、CODi、NH3-Ni和DOi为实测值，BODo、CODo、NH3-No和DOo为标准值，DO饱=468/(31.6+T)，T为水体实测温度(℃)；综合营养状态指数

其中rij为第j种参数与基准参数Chla的相关系数，m为评价参数的个数，TLI(j)代表第j种参数的营养状态指数，TLI(Chla)=10(2.5+1.086ln[Chla])，TLI(TP)=10(9.436+1.624ln[TP])，TLI(TN)=10(5.453+1.694ln[TN])，TLI(SD)=10(5.118-1.94ln[SD])，TLI(CODMn)=10(0.109+2.661ln[CODMn]).公式中涉及的标准值根据河道所属水环境功能区选取，除樱桃河的水质控制标准为Ⅲ类外，其余河道均为Ⅴ类.

2结果与讨论

2.1　主成分分析

选取pH、WT、SD、DO、CODCr、CODMn、BOD5、TOC、NH4+-N、TN、Chl-a、DP和TP共13个指标，将2013年3月至2014年2月12个月共27个采样点的各指标的监测值取均值，采取SPSS 19.0中的因子分析对6条河道进行主成分分析，选取3个主成分(对应特征值均大于1)，前3个主成分累积贡献率达95%以上.各水质指标与3个主成分之间的关系见表2.

表2　各水质指标相关系数矩阵

各指标与某一主成分的联系系数的绝对值越大，则该主成分与指标之间的联系越紧密[24].由表2可知，水温(WT)与第三主成分联系密切，pH、DO和TN与第二主成分联系紧密.除pH和WT两个指标外，其余11个指标均与第一主成分联系紧密，说明第一主成分可代表这些指标反映河道整体水质状况.

由SPSS 19.0计算出每条河道的3个主成分得分及综合得分见表3.由表3可以清晰地看出，6条河道中，淡江河水质最差，工业河次之，长浜河、真如港和樱桃河水质较好，丽娃河水质最好.

表3　各河道水质各主成分得分及综合得分

2.2　河道综合污染指数周年动态变化

图2为6条河道综合污染指数周年变化图.可以看出，丽娃河P值周年变化幅度较小，均处于轻污染水平以下，仅有个别指标检测值超标.丽娃河周年水质整体较清洁，为6条河中水质最好的一条.这与前期的截污疏浚、全方位生态修复及规范的长效管理有关[25].樱桃河P值周年变化幅度较小，冬季处于重污染水平，其余各月均在中污染水平左右.樱桃河直通黄浦江，其水质波动主要受黄浦江潮汐影响[26].其余4条河道P值随时间变化较大，P值大于2即认为水质达到严重污染状态，且P值越高污染越严重.2013年5月长浜河和真如港P值达到最高分别为1.94和2.56，主要原因是TN含量分别超标4.5和7.1倍，TP含量分别超标2.0和3.7倍.2013年12月淡江河P值达到最高为3.09，主要原因是枯水期河道污径比[27]较高，雨水稀释能力弱，稀释容量小，造成河水TN、TP和CODCr含量分别超标9.0、3.6和2.2倍.工业河P值在2014年2月达到最高为3.05，可能是因为新年开工初期，河岸工地厂房直排或漏排的污水进入河道，导致河水TN、TP含量分别超标7.5和3.0倍.相关性分析显示，真如港与长浜河的周年变化显著相关(r=0.672,p<0.05).

图2　河道综合污染指数周年变化

2.3　河道有机污染指数周年动态变化

6条河道有机污染指数的周年变化见图3.相关性分析表明，水中DO与丽娃河和樱桃河的A值的周年动态变化存在显著正相关性(r=0.923,p<0.01;r=0.824,p<0.01).丽娃河A值除2013年3—4月处于一般污染水平外，其余各月均在较好水平，河道周年整体受有机污染较轻.樱桃河A值除2013年3月、12月及2014年1月外，其余各月均小于2，处于一般污染水平以下.真如港A值5月最高为8.38，NH4+-N和CODCr含量分别超标7.1和1.8倍，9月次之，其余各月水质均在一般污染至低污染之间波动.

图3　河道有机污染指数周年动态变化

长浜河5—6月A值最高分别为6.71和6.65，而DO分别高达14.03和19.46 mg/L；工业河7月A值达到最高为9.23，同时DO高达21.89 mg/L.究其原因可能是水质监测时水体中藻类光合作用强烈，释放出大量氧气溶于水中，使得水体中溶解氧含量升高，甚至达到过饱和，从而出现了水体溶解氧含量较高，水体污染反而较严重的现象[28].淡江河受有机污染严重，年平均A值达4.11，12月A值最高为9.59，NH4+-N、CODCr和BOD5含量分别超标6.3、2.2和3.9倍.相关性分析显示，6条河道中，仅丽娃河和樱桃河A值的周年变化趋势显著相关(r=0.614,p<0.05).

2.4　河道综合营养状态指数周年动态变化

图4为6条河道综合营养状态指数周年变化图.可以看出，6条河道12月水体富营养化较严重，长浜河和丽娃河整体为轻度富营养，樱桃河和真如港为中度富营养(真如港5月除外)，工业河和淡江河则处于重度富营养状态.氮和磷不仅是水体富营养化的主要影响因子，同时也是6条河道的主要污染因子.相关性分析表明，工业河和真如港的水质富营养化周年动态变化分别与淡江河、樱桃河和丽娃河显著相关(r=0.581,p<0.05,r=0.792,p<0.01,r=0.757,p<0.01;r=0.619,p<0.05,r=0.633,p<0.05,r=0.661,p<0.05)，樱桃河与淡江河和丽娃河的水质富营养化周年动态变化显著相关(r=0.675,p<0.05;r=0.927,p<0.01).

图4　河道综合营养状态指数周年变化

2.5　河道水质标识指数周年动态变化

以地表Ⅳ类水为水环境功能目标，计算2013年3月至2014年2月6条河道的综合水质标识指数(见图5).可以看出，丽娃河Iwq值除6月和8月外，其余10个月的综合水质标识指数均达到了Ⅳ类水环境功能目标.其中Ⅰ类、Ⅲ类和Ⅳ类水的月份各占全年的16.67%，Ⅱ类水所占比例达50%；樱桃河则有3个月份(6、7、10月)Iwq值未达到Ⅳ类水目标，其余9个月水质均优于Ⅲ类水标准；真如港除5、6、8和9月外，其他8个月水质均能满足Ⅳ类水环境功能目标；长浜河除3、7和8月外，其他9个月水质均不能满足Ⅳ类水环境功能目标；工业河和淡江河的周年水质均劣于Ⅳ类水环境功能.相关性分析显示，丽娃河与樱桃河的综合水质标识指数周年动态变化显著相关(r=0.819,p<0.01)，长浜河的综合水质标识指数周年动态变化与淡江河显著相关(r=0.613,p<0.05).

2.6　河道水质周年总体评价

按照《上海市水环境功能区划(2011年修订版)》选取相应水质控制标准.选取pH、SD、DO、CODCr、CODMn、BOD5、NH4+-N、TN、Chl-a和TP共10个水质指标，将2013年3月至2014年2月6条河道各水质指标的全年监测值取均值后对6条河道进行指数评价，结果见表4.

图5　河道综合水质标识指数周年变化

河道及等级PATLI(∑)IwqDOCODCrCODMnNH+4-NTNTPIwq总工业河1.815.8361.643.406.025.408.839.647.426.841等级重污染严重污染中度富营养Ⅲ类劣Ⅴ类不黑臭Ⅴ类劣Ⅴ类黑臭劣Ⅴ类黑臭劣Ⅴ类黑臭劣V类长浜河1.312.9458.431.004.704.407.228.936.415.430等级重污染低污染轻度富营养Ⅰ类Ⅳ类Ⅳ类劣Ⅴ类黑臭劣Ⅴ类黑臭劣Ⅴ类不黑臭V类淡江河2.357.3462.056.316.115.708.4310.257.527.432等级严重污染严重污染中度富营养劣Ⅴ类不黑臭劣Ⅴ类不黑臭Ⅴ类劣Ⅴ类黑臭劣Ⅴ类黑臭劣Ⅴ类黑臭劣V类樱桃河0.591.3448.632.802.003.803.707.124.003.610等级轻污染一般中营养Ⅱ类Ⅰ类Ⅲ类Ⅲ类劣Ⅴ类黑臭Ⅲ类Ⅲ类丽娃河0.370.5842.051.001.003.202.906.213.102.900等级尚清洁较好中营养Ⅰ类Ⅰ类Ⅲ类Ⅱ类劣Ⅴ类不黑臭Ⅲ类Ⅱ类真如港0.852.0254.281.004.404.506.417.124.404.620等级中污染低污染轻度富营养Ⅰ类Ⅳ类Ⅳ类劣Ⅴ类不黑臭劣Ⅴ类黑臭Ⅳ类Ⅳ类

综合污染指数法的评价结果显示，6条河道除丽娃河外周年整体均处于污染状态，其中，淡江河污染最严重.有机污染指数的评价结果与综合污染指数近似，6条河道中淡江河受有机污染最严重，工业河次之，丽娃河最小.综合营养状态指数显示，6条河道除樱桃河和丽娃河为中营养状态外，其他4条河道水质均处于轻度富营养状态以上.这是因为淡江河地处棚户动迁区，外源生活污水直排，内源污染积累严重，水动力条件差，且缺少生态修复及维护管理措施；工业河地处产业、居住混合区，存在生活污水直排，水动力条件较差，生态重建措施缺失，维护管理不到位；长浜河和真如港分别地处新建居民区和老居民区，外源污染主要来自地表径流和污水漏排，水动力条件较差，较易滋生藻类，有部分系列的生态重建，维护管理一般；樱桃河地处新建高新区，截污工程完善，疏浚彻底，水动力条件和维护管理较好，有部分系列的生态重建且恢复良好，其水质受黄浦江潮汐影响较大；丽娃河地处大学校园，截污彻底，疏浚彻底，水动力条件差，有全系列的生态重建且恢复良好，维护管理规范.

有机污染指数和综合营养状态指数分别从有机物和氮磷方面反映河道水质受有机污染状况及营养状态，综合污染指数法将各因子的影响进行了均一化处理，能反映河流整体的污染情况，但掩盖了主要污染因子的贡献[29].综合水质标识指数法可对河道综合水质进行定性和定量评价，对同类水体及劣V类的河道也可以进行水质评价和比较.由表4可以看出，6条河道水质污染程度的大小排序为：淡江河>工业河>长浜河>真如港>樱桃河>丽娃河，与主成分分析结果一致.主要污染因子因河道的不同而略有不同.淡江河和工业河的主要污染因子均为总氮、氨氮和总磷，水质类别均已达到劣V类且出现黑臭；长浜河和真如港的首要污染因子均是总氮和氨氮，总磷和有机物次之；樱桃河的首要污染因子是是总氮；丽娃河水质最好，主要污染因子为总氮，总磷和CODMn均已达地表水Ⅲ类水标准.

2.7　河道氮磷含量分布

针对河道的主要污染因子N和P，分别对6条河道的TN、NH4+-N、硝酸盐氮(NO3-N)、亚硝酸盐氮(NO2-N)、DP和TP的周年整体情况进行分析(见图6).由图6可知，6条河道的磷含量均以溶解性正磷酸盐为主，占总磷的百分比中长浜河最高为79.43%.氮形态的分布有所不同，工业河、长浜河、淡江河和真如港中的氮主要以氨氮形式存在，分别占总氮83.40%、57.45%、65.57%和66.46%；樱桃河和丽娃河则以硝酸盐氮为主，分别占总氮68.11%和44.25%.

氨氮是水体中无机氮的主要存在形式，氨氮在一定情况下会发生硝化反应，消耗大量水体溶解氧，硝酸盐氮被自氧微生物利用，促进藻类的生长，易加速水质的恶化[29].结合水质污染指数分析可知，工业河、长浜河、淡江河和真如港的有机物含量均较高，消耗了水中大量DO，从而导致氨氮转化为硝酸盐氮的进程受阻.除汛期外，丽娃河基本不与外界水体进行交换，截污和疏浚均彻底，水中有全系列的生态重建且恢复良好，水体复氧能力较强，水中DO年均值高达8.96 mg/L，使得水中硝酸盐氮含量较氨氮高；樱桃河由于黄浦江潮汐产生的水动力作用较强，所处的新建高新区截污完善，疏浚彻底，且有部分系列的生态重建，使得河中DO含量全年均值保持在6.34 mg/L左右，富氧条件下氨氮转化为硝酸盐氮的速率较快.

图6　河道氮磷形态分布

3结论

(1)主成分分析法结合指数评价法可定量评价河道整体污染情况及筛选主要污染因子.2013年3月至2014年2月，上海市6条中小型支流河道水环境质量的空间差异性较大，4种水质指数的评价结果与主成分分析结果一致，淡江河和工业河周年水体污染最严重，长浜河、真如港和樱桃河次之，丽娃河水质最好.中小型河道的污染治理应优先考虑棚户动迁区、工业生活混合区的河道.

(2)6条河道富营养化水平均在中营养状态以上，其中4条河道达到富营养化水平.总氮和总磷是6条河道的主要污染因子，有机物次之.6条河道中的磷均以溶解性磷酸盐为主，工业河、长浜河、淡江河和真如港中的氮以氨氮为主，樱桃河和丽娃河则以硝酸盐氮为主.

(3)6条河道中淡江河和工业河周年水质均劣于水环境功能区目标.丽娃河与樱桃河的水质周年变化趋势相一致；6条中小型支流河道冬季(12月、1月、2月)的水质污染程度较春夏秋三个季节严重.

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(责任编辑张晶)

Analysis and assessment on monthly dynamics of water quality in six medium and small creeks in Shanghai

MA Ming-hai1, 2,HUANG Min-sheng1,HU Wei1,

WEI Jin-bao1,LIU Su-fang1,MA Jun-fei1,HAN Li1

(1.SchoolofEcologicalandEnvironmentalSciences,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China;

2.SchoolofLifeandEnvironmentalSciences,HuangShanUniversity,HuangshanAnhui245041,China)

Abstract:The parameters of water quality such as pH, WT, DO, SD, -N, TN, DP, TP, CODCr, CODMn, BOD5, TOC and Chl-a were chosen as primary assessment factors to evaluate the water quality of six medium and small creeks in Shanghai by principal component analysis, comprehensive pollution index, comprehensive nutritive index, organic pollution index and comprehensive water quality identification index from Match 2013 to February 2014. The evaluation methods were compared, and pollution sources of creeks were also analyzed. Results showed that great spatial difference was obtained among the water qualities of six creeks. The water quality of Danjiang creek was the worst, followed by Gongye creek, and that of Liwa creek was the best. TN and TP were the main primary pollution factors. The major form of total phosphorus in the six creeks was existed as dissolved phosphorus. The main form of nitrogen in creeks of Gongye, Changbang, Zhenru and Danjiang was of ammonia nitrogen. However, nitrate nitrogen was considered as the main form of nitrogen in creeks of Yingtao and Liwa.

Key words:water quality;medium and small creek;index evaluation;monthlydynamics;principal component analysis

通信作者：黄民生, 男, 教授, 博士生导师. 研究方向为水环境治理与修复. E-mail: mshuang@des.ecnu.edu.cn.

基金项目：国家科技重大专项(2013ZX07310001, 2014ZX07101012)；国家自然科学基金(51278192)；上海市学科带头人计划(11XD1402100)

收稿日期：2014-07

中图分类号：X824

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-5641.2015.02.004

文章编号：1000-5641(2015)02-0030-10