上海理工大学学报  2022, Vol. 44 Issue (5): 502-507   PDF    
城市河道水体富营养化污染特征分析
纪桂霞1, 任振兴1, 杨继柏2     
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
摘要: 通过对上海市某河道水质的实测调查数据,分析了河水富营养污染因子的时空分布特征,采用综合营养状态指数法对水体富营养污染程度进行了评价,结果表明:河水水质指标ChlaTNCODMn均呈现夏季高、冬季低的变化规律,而SD冬季高、夏季低,TP随季节变化不显著。7月水体污染最严重,水体的CODMnTN平均浓度均超Ⅴ类水质标准约2倍,ChlaSD处于劣Ⅴ类水平,TP处于Ⅴ类水平,该河道氮和有机物污染严重。冬季,水体主要为轻度富营养状态,春、秋季,水体主要处于中度富营养状态,夏季6月,在4~6河段出现了重度富营养状态,7~8月水体整体呈现重度富营养状态,河道易暴发水华。控制外源污染物排入,并加强河道水质监测、评价和富营养状态预报,是防治河流黑臭水华,实现城市碧水的关键。
关键词: 城市河水     富营养因子     时空分布特征     综合营养状态指数    
Analysis on the characteristics of eutrophication pollution of water bodies in urban river
JI Guixia1, REN Zhenxing1, YANG Jibai2     
1. School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;
2. Qingyi Ecological Environment Technology Co., Ltd., Shanghai 201799, China
Abstract: Through the measured survey data of the water quality of a river in Shanghai, the space-time distribution characteristics of eutrophic pollution factors in river water were analyzed, and the eutrophic pollution degree of the water body was evaluated by the comprehensive nutrient status index method. Results show that the river water quality indexes of Chla, TN, and CODMn all presented high values in summer and low values in winter, while SD was high in winter and low in summer, and TP did not change significantly with the seasons. The water pollution was the most serious in July. Both the average concentrations of CODMn and TN in the water body were about 2 times higher than the water quality standard of class V. Chla and SD were at the inferior class V level, and TP was at the class V level. The river water was seriously polluted by nitrogen and organic matter. The water body mainly presented mild eutrophic state in winter. In spring and autumn, the water body was mainly in moderate eutrophic state. Severe eutrophication occurred in the segment 4~6 of the river in summer (June). From July to August, the water body presented severe eutrophication, and the eutrophication bloom of the whole river was prone to burst out. Controlling the discharge of exogenous pollutants, strengthening the monitoring and evaluation, and forecasting eutrophic state of the river water were the keys to control the black smelly eutrophication of river water and realize urban water clarity.
Key words: urban river water     eutrophic factors     space-time distribution characteristics     comprehensive eutrophic status index    

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

$ TLI\left({ \varSigma }\right)={\displaystyle \sum _{j=1}^{m}{W}_{j}}·TLI(j) $ (1)

式中: ${TLI}(\varSigma)$ 为综合营养状态指数;Wj为第j个指标的相关权重;TLIj)为第j个指标的营养状态指数。

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

$ {W_j} = \frac{{r_{ij}^2}}{{ \displaystyle \sum\limits_{j = 1}^m {r_{ij}^2} }} $ (2)

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

$ {{TLI(Chla)}}=10\times(2.5+1.086\times {\rm{ln}}\; {{Chla}}) $ (3)
$ {{TLI(TP)}}=10\times(9.436+1.624\times {\rm{ln}}\;{{TP}}) $ (4)
$ {{TLI(TN}})=10\times(5.453+1.694\times{{{\rm{ln}}\;TN}}) $ (5)
$ {{TLI(SD)}}=10\times(5.118-1.94\times{{{\rm{ln}}\;SD}}) $ (6)
$ {{TLI}}({{COD}}_{{\rm{Mn}}})=10\times(0.109+2.661\times{{{\rm{ln}}\;COD}}_{{\rm{Mn}}}) $ (7)

式中:Chla单位为mg/m3SD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 Table 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。


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

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。

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。


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

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。

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。

2.1.4 Chla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

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ChlaTNTPCODMnSD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 Table 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 Table 3 Comprehensive eutrophic status index values and eutrophic classification results

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。


图 7 水体的富营养化程度照片 Fig. 7 Photo of eutrophication degree of the water body
2.3 河道水体富营养化成因分析

通过上述分析及相关研究成果总结[17-18],本河道水体营养化的主要影响因素如下:

a. 水力条件的影响。本河道属中小型非潮汐城市河流,水域面积小,水体环境容量较小,水流量较小,流速缓慢,水流对污染物的迁移扩散能力较差。

b. 气候因素的影响。夏季25~35 ℃的水温最适宜藻类生长繁殖,7~8月水体富营养化最严重。

c. 外源污染物输入的影响。4测点上游混合污水的排入,尤其夏季暴雨时污水排入量较大,以及河道沿岸餐饮污水、洗车废水的直接排入,降雨水径流中污染物的输入,也增大了水体有机物、氮、磷的污染。

d. 内源污染物的影响。河床底泥中含有氮、磷、有机污染物等,在风力搅动和降雨水流冲刷时,底泥中污染物的释放量会随风力和雨强的增大而增大。

鉴于上述原因,在“河长负责制”科学管理下[19],控制该河道外源污水的排入,加强河道水质监测、评价和富营养状态预报等各方面工作,以减轻河道黑臭现象,防治水华暴发。

3 结 论

通过对上海市某河道水质的监测、评价及富营养特性和成因分析,得到如下结论:

a. 河水水质指标ChlaTNCODMn均呈现夏季高、冬季低的变化规律,SD随时间季节的变化则相反,总磷随季节变化不显著。7月 ChlaTNCODMnTP的平均浓度均达到最高,SD平均值达到最小。TP处于Ⅴ类水平,TNCODMn平均浓度均超Ⅴ类水质标准约2倍,氮和有机污染较严重。

b. 河道水质指标TNChla的最高值出现在4测点,CODMnTP最大值出现在5测点,SD最小值出现在6测点,表明上游1—3河段水质污染程度较轻,下游4—6河段水质污染较重。

c. 综合营养状态指数评价结果显示,河道水体均处于富营养污染状态。11月及以后的冬季水体主要表现为轻度富营养污染状态;3~5月及9~10月春秋季节,水体属中度富养状态;夏季6月,4—6河段首先出现重度富营养,该河段易暴发水华;7~8月,水体均处于重度富营养状态,该河流整体易暴发水华。

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