上海桃浦工业区内河道水质月动态评价及解析

张廷辉, 黄民生, 马明海,2, 张 雯, 崔 贺

(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)

上海桃浦工业区内河道水质月动态评价及解析

张廷辉1, 黄民生1, 马明海1,2, 张 雯1, 崔 贺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)

以上海市桃浦工业区4条中小型河道为研究对象,pH值、水温(WT)、溶解氧(DO)、透明度(SD)、5日生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(CODCr)、高锰酸盐指数(CODMn)、总有机碳(TOC)、氨氮(NH3-N)、硝态氮(NO3-N)、总氮(TN)、叶绿素a(Chl-a)、溶解性磷(DP)和总磷(TP)为水质评价因子,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,分析水质时空变化特征,解析污染源初步解析水环境污染及其变化的成因.研究结果表明,4条河道中工业河污染最严重,小宅浜与张泾河次之,红祁河水质最好;TN和TP是河道水环境的主要污染因子;河道中的磷均以溶解性磷酸盐为主,氮均以氨氮为主.桃浦工业区内河道存在工业废水、生活污水和厨余废水直排、偷排现象,河道水环境的深化治理应在进一步控源的基础上开展原位修复.

水环境质量; 中小河道; 指数评价; 黑臭河道; 月动态

0 引 言

工业区是工业化过程中国家或者地区内工业企业聚集形成的区域,如国际知名的德国鲁尔区、英国伦敦地区、法国洛林地区和国内的东北老工业基地等.工业区曾是一个地区的经济命脉[1-4],但随着工业化进程不断加快,大量未经有效处理的工业废水、生活污水排入城市河道等,造成水环境污染,严重破坏了河道生态平衡和自我修复能力,导致河道富营养化、藻类大量繁殖、水质变黑发臭、高等生物消亡、景观功能下降甚至丧失等[5-12].

目前,有关工业区转型的研究很多,但涉及到转型期间工业区内河道水质变化分析的研究较少[1-2,8,13].工业区内小型河道水体既是区域水环境资源循环和调蓄的重要载体,又是区域污染物的集聚和净化场所,其水质、底质的环境质量及其变化是反映区域污染强度、污染类型的一面“镜子”.

上海市普陀区桃浦工业区位于上海中心城区西北角,处于中环与外环之间,毗邻宝山和嘉定等区域,工厂密集,交通便利.从20世纪70年代开始,桃浦工业区曾是上海市西北部重要的医药和精细化工生产基地,期间,该工业区内集中了大量的制药厂、化工厂以及制笔、纺织企业,污染源类型多、排污负荷高、治理难度大,积累下了很多严重的环境问题.具体来说,桃浦工业区属于工业和居住混杂区,周边分布有企业、居民区、大学校园以及物流和集贸市场,人口密集,生产和生活活动频繁,生活污水、工业废水的排放和垃圾入河造成了工业区内(河道)水质的黑臭现象[14].2014—2015年,上海有关部门对工业河及红祁河实施了治理,主要工程措施包括底泥疏浚、护岸修整等措施[14-15].为探究工业区内河道治理后水环境变化及其成因,本文选取上海市具有代表性的桃浦工业区内4条河道(红祁河、张泾河、小宅浜及工业河)进行为期1年的水质跟踪监测,选择pH值、水温(WT)、溶解氧(DO)、透明度(SD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、硝态氮(NO3-N)、溶解性磷(DP)、总磷(TP)、化学需氧量(CODCr)、高锰酸盐指数(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、总有机碳(TOC)和叶绿素a(Chl-a)等因子进行主成分分析,采用4种指数分别从富营养化、有机污染和综合水质等角度评价河道水环境周年动态变化,并进行相关性分析,以期为工业区内河道水环境质量的改善以及黑臭河道的治理、评价与管理规划提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况及采样点位布设

本研究区域共有4条河道,分别为工业河、红祁河、小宅浜和张泾河,河道概况见表1.河道采样点位主要设置在河道交界处、厂房聚集处、河流断头处、河路交叉处及排水汇集处设置.4条河道共设置16个采样点位,具体点位布设见图1.

图1 河道采样点空间分布示意图Fig.1 The diagram of spatial distribution of sampling sites in creeks

1.2 水样采集与测试方法

自2015年9月至2016年8月(定3—5月为春季,6—8月为夏季,9—11月为秋季,12月、次年1月、次年2月为冬季),逐月对桃浦工业区东片4条河道进行水样采集,采样点位于河道中心,深度约为水面下15 cm,样品为3次采样混合样品.采样期间避开台风、暴雨等极端天气.水样的pH值、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.DO和WT采用HQ30d53型便携式溶氧仪测定,pH使用HI9812-5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,所有试剂均为分析纯,实验用水为新鲜去离子水.

1.3 数据分析

本研究分别采用主成份分析法[16]、综合污染指数(P)[17]、有机污染指数(A)[6]、综合营养状态指数(TLI)[18]和综合水质标识指数(Iwq)[19]对河道进行水质分析评价,各指标与指数直接的关系采用SPSS进行相关性分析,并对水质周年动态变化进行比较分析.

水质综合污染指数评价法计算公式如下:

式中,P为综合污染指数;Si为第i种污染物的标准指数;Ci为第i种污染物实测平均浓度,mg/L;C0i为第i种污染物评价标准值,单位为mg/L.

有机污染综合评价值A按下式计算:

式中,BODi、CODi、NH3-Ni和 DOi为实测值,单位为 mg/L;BOD0、COD0、NH3-N0和DO0为规定的标准值,DO饱=468/(31.6+T),单位为mg/L;T为水体实温度,单位为°C.

营养状态指数评价法表达式为:

公式中涉及的标准值根据河道所属水环境功能区选取,均为V类水标准(见表2).

表 2 地表水环境质量标准(V类)Tab.2 Environmental quality standards for surface water(V level)

2 结果与讨论

2.1 河道年均水质指标主成分分析

选取 TOC、CODCr、CODMn、BOD5、TN、NO3-N、NH3-N、TP、Chl-a、DO、WT、SD和pH共13个指标,将2015年9月至2016年8月共12个月14个采样点的各指标监测值取均值,采取SPSS中的因子分析对河道水质进行主成分分析,选取2个主成份(对应特征值均大于1),前2个主成分累积贡献率达97%以上.各水质指标与2个主成分之间的关系见表3.

表 3 各水质指标相关系数矩阵Tab.3 Correlation matrix of water quality indexes

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[20].由表3可知,Chl-a与第二主成分联系较为紧密.除WT和Chl-a以外,其余11个指标均与第一主成分联系紧密,说明第一主成分可以代表这些指标反映河道整体水质状况.

由SPSS计算出每条河道的2个主成分得分及综合得分见表4.主成分得分是指计算样品在各主成分上的得分,主成分得分越高,与各污染指标的“贡献”越大.由表4可以看出,4条河道中,工业河水质最差,小宅浜次之,张泾河水质较好,红祁河水质最好.

表 4 各河道水质各主成分得分及综合得分Tab.4 Principal component scores and total score of water quality in creeks

2.2 河道水质综合污染指数周年动态变化

图2为4条河道综合污染指数周年变化图.红祁河除2016年1月14日—3月23日外,其余月份P值处于1左右,是水质最好的.工业河P值最高,年平均P值达2.6,达到严重污染状态,这可能与里店浦附近城中村向工业河排污有关.小宅浜P值周年数值略高于张泾河,两河冬季处于重污染水平,其余各月均在中污染水平左右.小宅浜P值较高原因可能是因为其西段城中村废水直排现象严重,且该段与东段之间被桥涵阻隔,水动力条件不足.张泾河南端连通工业河西段,导致工业河严重黑臭河水入侵,水质变差.相关性分析显示,工业河与张泾河的P值周年变化显著相关(r=0.962,p＜0.01).

由图2可以看出,4条河道P值周年变化趋势相同且随时间变化较大,总体呈秋冬季上升、春夏季下降趋势.综合污染指数较高的几个月(2016年1、2、3月)中,氨氮对综合污染指数的贡献最大,在2016年2月中占到了73%∼77%.而在工业河中,氨氮在综合污染指数中的占比很高,在2015年9月到2016年3月达到了43%∼75%,这可能是由于冬季降水少,污径比高,而夏季降水多,污径比低,且河道内微生物活性(有机碳降解和氨氮硝化)随水温下降而降低[11].

图2 河道综合污染指数周年变化Fig.2 Annual variation of comprehensive pollution index in creeks

2.3 河道有机污染指数周年变化

由图3可知,4条河道有机污染指数A值周年变化趋势基本相同,均在2016年2月达到最高值,原因可能是河道的冬季污径比高,A值升高.河道的夏季A值显著降低,也是由于夏季污径比低且藻类光合作用产生氧气.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月上海降雨量较大,据上海气象局资料,该月有雨天数达到17 d,高于同年3月和5月.较大的降雨量增强了河水的稀释作用,相关性分析表明,工业河与红祁河的氨氮浓度与各自A值周年动态变化存在显著正相关性(r=0.811,p＜0.01;r=0.770,p＜0.01).工业河A值全年均大于2,年平均A值为9.67,属于严重污染状态.红祁河A值除2015年11月外,其余各月均大于2,年平均A值为4.72,属于严重污染状态.小宅浜和张泾河年平均A值分别为6.36和6.07,均属于严重污染状态.小宅浜、工业河A值较高原因可能是因为周边存在废水直排现象.张泾河南端连通工业河西段,导致工业河严重黑臭河水入侵,水质变差.相关性分析显示,小宅浜和张泾河A值的周年变化趋势显著相关(r=0.946,p＜0.01).

图3 河道有机污染指数周年动态变化Fig.3 Annual variation of organic pollution index in creeks

2.4 河道综合营养指数周年动态变化

由图4可以看出,4条河道全部达到富营养化程度,其中,工业河和小宅浜整体为重度富营养,红祁河整体为中度富营养(年TLI均值为68.8),张泾河介于中、重度富营养状态之间.4条河道的TLI值总体趋势较为一致,夏秋季节高、冬春季节低,且与浮游藻的季节消长规律一致.决定河水TLI值的水环境因子包括Chl-a、SD、TN、TP和COD,其中,TN、TP和COD也是计算P值的核心指标,河道富营养化的主要原因是氮和磷的超标.氮和磷不仅是水体富营养化的主要影响因子,同时也是河道的主要污染因子;而Chl-a和SD是计算TLI值的独有指标,Chl-a与TLI成正比(藻密度越高,富营养化程度越高),SD与TLI成反比(藻密度越高,透明度越低).这种“三同二异”是造成TLI值与P值变化规律差异的主要原因.相关性分析显示,工业河的水质富营养化周年动态变化分别与小宅浜和张泾河显著相关(r=0.835,p＜0.01;r=0.766,p＜0.01),小宅浜与张泾河的水质富营养化周年动态变化显著相关(r=0.834,p＜0.01).

2.5 河道水质标识指数周年动态变化

以地表Ⅴ类水为水环境功能目标,计算2015年9月至2016年8月4条河道的综合水质标识数(见图5).由图5可知,工业河Iwq值除2016年4月外,其余几个月的综合水质标识指数均未达到Ⅴ类水环境功能目标;小宅浜与张泾河则分别只有两个月达到Ⅴ类水目标;红祁河年Iwq均值为5.820,总体达到Ⅴ类水环境功能目标,其余3条河道年Iwq均值均在6以上,未达到Ⅴ类水环境功能目标.其主要原因为工业河、小宅浜和张泾河TN、TP、NH3-N超标严重,其中工业河TN、NH3-N年Iwq均值分别达到14.3、11.3,各超标9个等级和6个等级,其余两条河道TN、NH3-N和TP的Iwq评级均为“劣Ⅴ类黑臭”.4条河道Iwq值总体呈冬季高、夏季低趋势,在2016年2月份达到最高.其原因是2016年2月4条河道的TN和NH3-N月Iwq值分别达到了15.8∼21.1和15.8∼22.3,氮含量超标严重.相关性分析显示,张泾河的综合水质标识指数周年动态变化分别与小宅浜和红祁河显著相关(r=0.837,p＜0.01;r=0.717,p＜0.01),工业河分别与小宅浜和张泾河的综合水质标识指数周年动态变化显著相关(r=0.073,p＜0.05;r=0.754,p＜0.05).

图4 河道综合营养值指数周年变化Fig.4 Annual variation of comprehensive nutritive index in creeks

图5 河道综合水质标识指数周年变化Fig.5 Annual variation of comprehensive waher quality identification index in creeks

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、NH3-N、TN、Chl-a和TP共10个水质指标,将12个月4条河道各水质指标的全年监测值取均值后对其进行指数评价,结果见表5.

综合污染指数的评价结果显示,4条河道周年整体处于污染状态,污染程度从高到低依次为工业河＞小宅浜＞张泾河＞红祁河,由北向南逐渐加重(工业河是这个连片水系的污染源,其次是小宅浜).其主要污染因子(指标)依次为TN→NH3-N→TP,氮(特别是氨氮)、磷不仅是主导河道黑臭的因子,而且是主导河道富营养化的因子.同时,水质级别和污染类型呈现梯度分布规律(从北到南逐渐恶化):工业河-劣V类+黑臭+重度富营养→小宅浜-劣V类+不黑臭+重度富营养→张泾河-劣V类+不黑臭+重度富营养→红祁河-V类+不黑臭+中度富营养.工业河与小宅浜的污染源主要在西段且两条河道的东端(与桃浦河相接)均有1个调水泵闸,故水质也呈现由西向东逐渐好转的梯度变化规律.

工业河与红祁河已经实施了底泥疏浚整治,沿岸的生活污水和初期雨水排水成为河道的主要污染源,这与现场的调查情况一致.4条河道全部富营养化,工业河兼具黑臭.在这类污染河道中,由于水体缺氧(全年或季节性,BOD耗氧+死水所致,有机物降解先于氨氮硝化)导致氨氮在总氮中的占比高(43%～74%),是治理和修复的重点任务.

表 5 上海市桃浦工业区4条河道水质评价结果Tab.5 Results of assessment on water quality in four creeks in Shanghai taopu industrial zone

图6 河道水质空间分布图Fig.6 Spatial distribution of water quality in creeks

2.7 河水氮磷含量分布

工业河与红祁河已经实施了底泥疏浚整治,沿岸的生活污水和初期雨水排水成为河道的主要污染源,这与现场的调查情况一致.4条河道全部富营养化,工业河兼具黑臭.在这类污染河道中,由于水体缺氧导致氨氮在总氮中的占比高(43%～74%),是进一步治理和修复的重点任务.

针对河道的主要污染因子N和P,分别对河道的TN、NH3-N、硝酸盐氮(NO-3-N)、亚硝酸盐氮(NO-2-N)、DP和TP的周年整体情况进行分析(见图7).由图7可知,河道的磷含量均以溶解性正磷酸盐为主,占总磷的百分比中张泾河最高为81.28%;氮含量主要以氨氮形式存在,工业河、小宅浜、张泾河和红祁河中氨氮分别占总氮74.40%、64.95%、60.43%和43.45%.

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,并促进了藻类的生长[21].结合水质污染指数分析可知,河道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.

图7 河道氮磷形态分布Fig.7 Distribution of nitrogen and phosphorus forms in creeks

2.8外源排污与水环境的关系

河道外源排污是影响河道水环境及其变化的重要因素.选取工业河、小宅浜两条河道的代表性点位进行研究.通过现场调查,发现:小宅浜西端河面布满浮萍,岸边垃圾随意放置,小饭店和城中村密集,偷排暗渠隐蔽,废水直排现象严重.工业河西端和里店浦与工业河连接处垃圾入河、水质浑浊,透明度常年在0.4 m以下,污水直排入河.3条河道水环境污染主要是由于外源排污,其中,工业废水是里店浦南口和工业河西端的主要污染源,生活污水和厨余废水是小宅浜西端的主要污染源.

3 结 论

(1)4条河道中3条为劣V类,1条为V类,1条黑臭;4条全部富营养化.

(2)4条河道的水环境季节性变化较明显:冬季污径比高,水质恶化;夏秋季气温高,浮游藻生长旺盛.

(3)氮磷是4条河道水质污染的主要因子,其中,氨氮在总氮中占比较高,且受制于外源排污、内源释放和溶解氧竞争等多种条件,污水进入河道后,有机物降解先于氨氮硝化并快速消耗溶解氧,导致河道内氨氮的累积效应.

(4)桃浦工业区内河道存在工业废水、生活污水和厨余废水直排、偷排现象,河道水环境的深化治理应在进一步控源的基础上开展原位修复.

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(责任编辑:张 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

张廷辉,男,硕士研究生,研究方向为河道治理与修复.E-mail:zth8023@163.com.

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.