城市河道水体富营养化污染特征分析

2022-11-24纪桂霞任振兴杨继柏

上海理工大学学报 2022年5期

纪桂霞，任振兴，杨继柏

（1. 上海理工大学环境与建筑学院，上海200093；2. 青谊生态环境科技有限公司，上海201799）

随着城市的不断建设和经济的迅猛发展，城市河道污染日趋严重，河道水体黑臭，水华频繁暴发，严重影响了城市景观环境，并危害居民的身体健康[1-4]。江河湖泊水华已成为全球重点关注的环境问题之一[5-8]。目前，国内外专家学者[9-12]对江河湖泊的富营养化进行了广泛研究。近年来，我国非常重视城市河流的污染治理，并投入了大量的人力、物力和财力，决心使“水变绿、山变青、天变蓝”。

上海作为国际化大都市，在经济迅速发展的同时，城市河道水体富营养化污染更为严重[1,13]。本文以上海市某一黑臭较严重的河道作为研究对象，通过对河水春、夏、秋、冬四季的水质实测调查，研究了河水富营养污染因子的时空分布特征，并采用综合营养状态指数法对水体富营养污染程度进行评价，分析了该水体富营养化的成因，并提出了防治水华暴发的有效措施，为城市河水污染的有效管理提供理论依据，也为实现城市河道黑水变碧水提供科学方法和有效对策。

1 材料与方法

1.1 河道概况与监测点布置

上海市某河道是一条非潮汐河流，全长约7 km，平均河宽30～40 m，枯水期低水位为0.8～1.8 m，汛期高水位为3.9～4 m，水域面积约20 多万m2。该河道流经区域内有纺织、印染、食品加工以及餐饮等企业，河水污染严重，水华暴发较频繁[14]。本研究沿河道水流自上、中、下游共设置6 个采样点，分别位于过河桥处，依次编号为1—6，如图1 所示。

图1 监测点分布图Fig.1 Distribution of monitoring sites

1.2 样品采集与分析方法

从4 月份开始到下一年3 月，历时春夏秋冬12 个月，每月在6 个采样点水深0.5 m 处同时采样一次，并测定各水样的主要富营养化污染指标：叶绿素a（Chla）、总氮（TN）、总磷（TP）、高锰酸盐指数（CODMn）和透明度（SD）。水质监测分析方法采用国家标准，水体透明度现场测定，其他水质指标在实验室进行测定。

1.3 数据分析与处理方法

1—6 采样点，连续12 个月的水质监测共72 个数据组，使用Origin 软件对监测数据绘制污染物时空分布图，对水体富营养污染物的时空分布特性进行分析，并采用富营养化综合营养状态指数法进行评价[15-16]，其综合营养状态指数计算公式为

式中：TLI(Σ)为综合营养状态指数；Wj为第j个指标的相关权重；TLI（j）为第j个指标的营养状态指数。

以Chla作为基准参数，则第j种参数归一化的相关权重计算公式为

式中：rij为第j个指标与i基准参数的相关系数；m为评价指标的个数。

各指标的营养状态指数计算公式为

式中：Chla单位为mg/m3；SD单位为m；其他指标单位均为mg/L。

综合营养状态指数计算结果、污染程度分级和评价标准如表1 所示。

表1 营养状态分级Tab.1 Classification of eutrophic status

2 结果与分析

2.1 河道水体富营养因子时空动态分布特征

2.1.1 总氮的时空动态分布特征

1—6 测点水体的总氮浓度及其月均值随时空动态变化规律如图2 所示。

由图2 可见，河水的TN波动范围为2.33～5.19 > 2 mg/L，均超Ⅴ类水质标准，处于劣Ⅴ类水平。从时间变化来看，夏季6～7 月水体TN浓度较大，6 月，4 测点TN浓度最大，为5.19 mg/L，超Ⅴ类水质标准约2.6 倍，其次是5 测点TN浓度为4.9 mg/L，超标约2.5 倍； 6 月，水体TN月均浓度值为4.04 mg/L，7 月，为4.17 mg/L，均超Ⅴ类水质标准2 倍多。7 月后TN月均浓度值呈下降趋势，冬季11 月至下一年1 月TN浓度的月均值都小于3 mg/L；1 月以后，水体TN月均值浓度逐渐升高。由此可见，水体中TN浓度呈现夏季高、冬季低的现象。因夏季温度较高，微生物及水生动物活性及繁殖速度加强，对有机物的分解作用增强，水中动物的排泄物增多，同时底泥含氮营养盐释放量增加[17]，使河道含氮量增高。

图2 总氮的时空动态分布Fig. 2 Space-time dynamic distribution of total nitrogen in the urban river water

从空间分布看，1，2 测点TN浓度年均值分别为3.21，3.16 mg/L， 3—6 河段的TN浓度年均值在3.44～3.63 mg/L 之间，其中，4 测点TN年均值为3.53 mg/L，5 测点TN年均值为3.63 mg/L。由此可见，下游水体总氮污染严重，3—6 河段污染较1—2 河段严重，其中，4—5 河段氮的污染最为严重。尤其6 月，4 测点上游一泵站不定期将污水排入水体，致4 测点TN浓度增加较大。因此，加强混合污水排放的管控，防止4—5 河段夏季高氮引起的水华暴发。

2.1.2 高锰酸盐指数的时空动态分布特征

CODMn的测试结果如图3 所示。各监测点的CODMn浓度在7～9 月份均大于15 mg/L，处于劣Ⅴ类水平，且各测点CODMn浓度在7 月均达到最大，其中，4—6 河段的CODMn浓度为26.6～29.3 mg/L，超Ⅴ类标准约1.8～2 倍，该河段有机污染最严重。7 月后CODMn月均浓度逐渐降低，冬季1 月CODMn月均浓度值最低，为13.3 mg/L， 2 月开始回升，CODMn浓度随时间呈现夏季高、冬季低的显著变化规律。夏季，大量藻类等生物生长繁殖及死亡分解，底泥中有机质的大量释放，是CODMn月均浓度升高的主要原因。此外，4 测点上游泵站在汛期混合污水排入量较大，混合污水中有机污染物及油含量高，河道水面经常出现油状薄膜，造成4～6 河段CODMn浓度急剧升高。因此，加强泵站排污管理是防止河道黑臭的关键。

图3 CODMn 的时空动态分布Fig. 3 Space-time dynamic distribution of CODMn in the urban river water

2.1.3 总磷的时空动态分布特征

各监测点的TP浓度随时间及空间变化规律如图4 所示。

由图4 可见，总磷全年上下波动，随季节变化规律不显著。3 月，5 测点TP浓度最大，为0.5 mg/L，6 月4 测点、7 月1，2 测点总磷浓度较高，分别为0.45，0.48，0.49>0.4 mg/L，略超Ⅴ类水质标准。其他测点总磷浓度处于Ⅲ-Ⅴ类水平，3 月1 测点TP 浓度最小，为0.02 mg/L，处于Ⅱ类水质水平，总磷超Ⅴ类水质标准并不严重。

图4 总磷的时空动态分布Fig. 4 Space-time dynamic distribution of total phosphorus in the urban river water

由空间分布可知，1—2 河段总磷浓度年均值小于0.2 mg/L，3—4 河段总磷浓度年均值大于0.2 mg/L，5—6 河段磷污染较重，总磷浓度年均值大于0.25 mg/L，河道由上游至下游总磷浓度逐渐增大。这与泵入外源污水、沿岸餐饮及洗车废水的直接排入有关。

2.1.4Chla时空动态分布特征

Chla浓度时空分布如图5 所示。Chla指标夏季6～8 月较高，7 月，Chla月均浓度值达到72.98>65 μg/L，4测点Chla浓度最高，为112.2 μg/L，超Ⅴ类水质标准约1.7 倍，表明河道水华易暴发。7 月后Chla月均浓度值逐渐降低。冬季11 月至下一年2 月份Chla月均浓度值均小于10 μg/L，处于Ⅲ类水平；3 月，Chla月均浓度值有所回升。春、秋季Chla月均浓度值小于30 μg/L，处于Ⅳ水平。Chla浓度值呈现夏季高、冬季低的变化规律。

图5 Chla 的时空动态分布Fig. 5 Space-time dynamic distribution of Chla in the urban river water

从空间分布看，由于4 测点上游泵入外源污染物，水体富营养污染程度增大，4 测点Chla的浓度年均值最大，为28.57 μg/L，其他测点Chla浓度年均值相差不大，均在20 μg/L 左右。由于浮游藻类沿河面飘移扩散，Chla沿河道空间变化不显著。

2.1.5 透明度的时空动态分布特征

水体透明度SD的时空动态分布如图6 所示。

图6 SD 的时空动态分布Fig.6 Space-time dynamic distribution of SD in the urban river water

由图6 可知，水体透明度呈现夏季低、冬季高的变化规律，空间上SD沿河道由上而下逐渐减小，SD的时空变化规律与上述其他指标变化相反。冬季1，2 月1 测点SD分别为1.08，1.18 m，2 月2 测点的SD为1.01 m，其他测点的SD值均小于1.0 m。7 月，4～6 河段SD值仅为0.26～0.36 m，其中，因6 测点上游有一小支流汇入搅动河水，6 测点SD值最小，为0.26 m。

2.2 河道水体的富营养化评价

根据水质监测数据与上述分析结果，采用综合营养状态指数评价方法[15-16]，用Chla，TN，TP，CODMn和SD这5 个指标，对水体富营养污染程度进行评价，得到各指标与Chla的相关系数及权重值（表2）和各测点的综合营养状态指数及富营养分级结果（表3）。

表2 水质指标与叶绿素a 的相关系数及权重值Tab.2 Correlation coefficient and weight value of water quality index and Chla

表3 综合营养状态指数值及富营养分级结果Tab.3 Comprehensive eutrophic status index values and eutrophic classification results

由表3 评价结果可见，水体的综合营养状态指数介于53.35～79.09 之间，均处于富营养污染状态。春季4～5 月，水体均为中度富营养状态；夏季 6 月，4—6 河段出现重度富营养状态；7～8月，水体的综合营养状态指数均大于70，河道水体处于重度富营养状态。7 月开始，大量灰绿色藻类漂浮水面，水体散发腐臭气味，河道黑臭水华暴发现象已初显，如图7（a）所示。秋季 9～10 月，河道水体均处于中度富营养状态。11 月，水体呈现轻度富营养状态，水质较好无水华，如图7（b）所示。冬季12 月至下一年2 月，水体以轻度富营养状态为主，从3 月开始，随气温回升，4—6 河段出现中度富营养状态。由此可见，该河道水体富营养程度随季节变化明显， 7 月4 测点水体综合富营养状态指数最大，为79.09，富营养污染程度最为严重。