上海河道水环境变化成因分析——以上海某河道为例

Mechanism of River’s Water Quality Change in a River of Shanghai

摘要: 2017年9月至2018年8月，以上海某条河道为研究对象，基于外源排污、内源污染、河道治理和水质的关系等因素进行水环境变化成因分析，结果表明，外源污染是河道水质恶化的主要原因；河道治理期间水质会产生恶化，但治理完成后水质会好转；不进行河道调水的情况下，底质和水质的污染物交换作用不明显。

Abstract: From September 2017 to August 2018, a river course in Shanghai was taken as the research object, and the causes of water environment changes were analyzed based on factors such as external pollution discharge, internal pollution, the relationship between river course management and water quality. The results showed that external pollution was the main cause of river course water quality deterioration. Water quality will deteriorate during the river course treatment, but it will improve after the treatment is completed. Under the condition of no river diversion, the pollutant exchange between bottom sediment and water quality is not obvious.

1. 前言

城市河道是城市生态系统的重要组成部分，具有提供水源、交通运输、防洪排水及景观作用等多种功能 [1] 。上海地处长江入海口区域。上海市水资源总量丰沛，但过境水(长江和黄浦江干流)占其径流的绝大部分，除此之外是数量众多并交织成网的中小河道水系，有市级、区级、村级等各级河道共计2万余条 [2] [3] [4] 。本文以上海某条河道为例，对上海河道水环境变化成因进行分析，以期可以给上海乃至全国城市河道水环境的治理提供一定的借鉴。

2. 材料与方法

2.1. 采样区域概况及点位布设

本文选取上海普陀区某河道作为研究对象，河道概况见表1。河道采样点位主要设置在厂房聚集处、河流断头处、河路交叉处及排水汇集处设置。选取7个采样点作为研究点位，具体点位布设见图1。

Table 1. The general situation of the creek

表1. 河道概况

Figure 1. The diagram of spatial distribution of sampling sites in the creek

图1. 河道采样点空间分布示意图

2.2. 样品采集与测试方法

自2017年9月至2018年8月(定3~5月为春季，6~8月为夏季，9~11月为秋季，1、2和12月为冬季)，逐月对该河道进行水样采集(采样深度约为水面下15 cm)和泥样采集(表层底泥)，采样期间避开台风、暴雨等极端天气。水样的pH、溶解氧(DO)、水温(WT)和透明度(SD)为现场测定，化学需氧量(COD_Cr)、五日生化需氧量(BOD₅)氨氮(NH₃-N)、总氮(TN)、总磷(TP)的测定于24 h内在实验室完成测试。泥样的有机质、全氮和全磷指标测定于24 h内在实验室完成测试。

2.3. 数据分析

本研究分别采用综合污染指数 [5] [6] (P)、有机污染指数 [7] [8] (A)和相关性分析法 [9] 对四条河道进行水质分析评价。

水质综合污染指数评价法计算公式如下：

$P=\frac{1}{n}{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{S}_i}=\frac{1}{n}{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}\frac{C_i}{C_{0i}}}$ (1)

式中：P为综合污染指数；S_i为第i种污染物的标准指数；C_i为第i种污染物实测平均浓度，mg/L；C_0i为第i种污染物评价标准值，mg/L。

有机污染综合评价值A按下式计算：

$A=\frac{BO{D}_i}{BO{D}_0}+\frac{CO{D}_i}{CO{D}_0}+\frac{{\text{NH}}_{\text{3}}{\text{-N}}_i}{{\text{NH}}_{\text{3}}{\text{-N}}_{\text{0}}}-\frac{D{O}_{饱}-D{O}_i}{D{O}_{饱}-D{O}_0}$ (2)

式中：BOD_i、COD_i、NH₃-N_i、和DO_i为实测值，mg/L；BOD₀、COD₀、NH₃-N₀、和DO₀为规定的标准值，，mg/L；T为水体实温度，℃。

相关性分析是利用综合变量对之间的相关关系来反映两组指标之间的整体相关性的多元统计分析方法。它的基本原理是：为了从总体上把握两组指标之间的相关关系，分别在两组变量中提取有代表性的两个综合变量U和V (分别为两个变量组中各变量的线性组合)，利用这两个综合变量之间的相关关系来反映两组指标之间的整体相关性。

3. 结果与讨论

3.1. 外源排污与水环境关系

河道周边土地利用和生活生产排污是影响河道水环境及其变化的重要因素。本节选用①~④号点位进行研究。通过现场调研和现场问询，发现：①、②、③三个点位存在污水夜间偷排现象；①号点位于河道西端，为死水区河面布满浮萍，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；②~③点位存在垃圾入河、水质浑浊，透明度常年在0.4 m以下，存在夜间偷排现象；④号点无污水排入，其雨水排口已经被封堵或废弃，且并未发现排污口。

图2和图3是河道各点位水质A值、P值变化趋势图，A值、P值点位差异和时间变化趋势基本一致。①、②、③号水质污染严重，结合现场情况可以推测，三个点位水质污染主要是由于外源排污。工业废水是②、③号的主要污染源，其水质、水量一般不随季节变化。两个点位水质污染程度为冬高夏低，可能是由于冬季降水少，污径比高，夏季降水多，污径比高。生活污水和厨余废水是①号的主要污染源。①号冬季水质污染程度远低于春秋季节，可能是由于冬季居民日常生活用水量少，且外来人员集中返乡，城中村人口数量减少，污水排放量降低。

3.2. 基于河道整治与水环境关系的分析

2014年10月~2015年12月期间，上海有关部门对该河道组织实施了治理，主要工程措施包括底泥疏浚、护岸修整或重建等措施(图4)。经现场考察，该河道治理的主体工程于2015年9月完成，并随后进入到工程收尾阶段直至2015年底。

从图4和表2可知，在2015年9月~12月该河道治理期间，水质变化波动剧烈且严重恶化，这与河道底泥疏浚和护岸改造工程施工干扰有关 [10] [11] 。干床疏浚后，河内积水主要为污水；底泥搅动，稳定结构被破坏，底泥污染物向水体释放。在2016年1月~2016年8月该河道治理结束后，该河道水质明显好转，P值、A值由严重污染水平降低到重污染水平和中度污染水平。

Figure 2. Variation of organic pollution index in the creek

图2. 各点位水质A值变化趋势

Figure 3. Variation of comprehensive pollution index in the creek

图3. 各点位水质P值变化趋势

Table 2. Project profile of river regulation in the creek

表2. 河道治理工程概况

Figure 4. Annual variation of comprehensive water quality identification index and comprehensive nutritive index in the creek

图4. 河道A值、P值周年变化

3.3. 基于水质和底质关系的分析

底泥在水环境污染中起到了双重作用，即“源”和“汇”的作用：既作为藏污纳垢的场所接受来自上覆水体的污染物质，起到“汇”的作用；也是上覆水体污染物的来源之一，当某一特定污染物在沉积物中的浓度偏高，两相界面的浓度差达到一定的程度时，沉积物的污染物质就会释放到上覆水体中，起到“源”的作用。由此，我们可以看出，污染物在沉积物——上覆水之间的迁移转化会因为某些特定的环境因子的变化而有所不同，在不同地域也应该区别看待分析。

表3显示四个季度河水COD_Cr、TN和TP与底泥有机质、全氮和全磷相关性。由表3对比可知，底泥全氮含量与其对应上覆水体总氮浓度无显著相关性，一方面说明该河道上覆水体中的氮含量虽然很高，但其在研究时间段内未进行调水，河水对底泥扰动小，底泥状态稳定，悬浮颗粒少，上覆水体中氮元素难以通过悬浮颗粒的沉积作用汇聚到沉积物中，对底泥的氮元素含量影响较小；另一方面，底泥状态的稳定同样不利于其中的氮元素向上覆水释放。可以推论，河道上覆水体总氮主要是由外源排污作用汇聚而来。同理，底泥全磷与上覆总磷无显著相关性，河道上覆水体总磷可能是由于外源排污作用汇聚而来。

Table 3. Correlation analysis of water quality and substrate in the creek

表3. 河道水质与底质相关性分析

4. 结论

1) 外源排污会导致河道水质恶化。其中工业排污的水质、水量一般不随季节变化；生活排污具有季节性；降水会稀释河道污染物的浓度。

2) 河道底泥疏浚和护岸改造工程施工会影响河道水质。干床疏浚后，河内积水主要为污水；底泥搅动，稳定结构被破坏，底泥污染物向水体释放。河道治理结束后，水质会有明显好转。

3) 河道不进行调水时，河水对底泥扰动小，底泥状态稳定，上覆水与底泥之间营养物质交换作用较弱，底泥对水质污染较小。

NOTES

^*第一作者。