王子釗，蒲文鵬，王冠平

（光大環(huán)保技術(shù)研究院（深圳）有限公司，深圳518040）

1 引言

河流自凈狀態(tài)是判斷河流水環(huán)境是否處于健康狀態(tài)的重要標(biāo)志，對(duì)河水中的物質(zhì)循環(huán)、污染物降解和河流生態(tài)結(jié)構(gòu)都有重要意義［1］。河流的自凈作用包括物理作用（如擴(kuò)散、沉積、溶解、沉降等）、化學(xué)作用（如氧化還原、吸附等）和生物作用（生物降解、合成與釋放）；其主要受到河流形態(tài)、溶解氧濃度、水力條件、溫度、污染物情況、微生物情況等多種因素的影響［2～4］。自凈狀態(tài)較好的河流，能夠抵御一定的入河污染沖擊負(fù)荷；進(jìn)入河流的有機(jī)物能夠被生物通過(guò)好氧分解為CO2和水，不會(huì)對(duì)河流生物產(chǎn)生毒害作用，河流處于良性循環(huán)狀態(tài)。而河流自凈狀態(tài)較差的河流，其抗污染沖擊能力較差；當(dāng)入河污染物超過(guò)其自凈極限，有機(jī)物會(huì)逐步積累，河流溶解氧被消耗殆盡，河流進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài)。在厭氧狀態(tài)下，有機(jī)物被分解為有機(jī)酸、甲烷及嗅味物質(zhì)，河流發(fā)生黑臭現(xiàn)象；積累的污染物對(duì)水生物產(chǎn)生毒害作用，形成生態(tài)災(zāi)難，河流進(jìn)入惡性循環(huán)［5］。

城市河流由于受到周邊城市人類活動(dòng)的影響，情況與自然河流有較大區(qū)別。城市河流往往作為城市污水的最終受納者，大量污水廠出水或未經(jīng)處理的生活污水通過(guò)管道進(jìn)入城市河流。此外，由于城市發(fā)展擠占，河流周圍的河岸生態(tài)帶逐漸減少或消失，對(duì)農(nóng)業(yè)或降雨等形成的面源污染的阻隔作用也越來(lái)越低［6，7］?；谶@些原因，進(jìn)入城市河流的污染物往往超過(guò)河流的自凈極限，使城市河流發(fā)生黑臭現(xiàn)象。在我國(guó)，由于城市化進(jìn)程加快，越來(lái)越多的河流開始受到人類活動(dòng)和城市發(fā)展的影響。因此，研究城市河流的自凈狀態(tài)能為我國(guó)城市化進(jìn)程中的河流管理及污染治理提供指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支持。

本文研究對(duì)象是京杭古運(yùn)河的一條支河，位于江蘇省某市新區(qū)境內(nèi)，發(fā)源于城市南部山丘，自南向北流入古運(yùn)河，集水面積23 km2，干流長(zhǎng)度為3.7 km，河面平均寬度約15 m，河道比降為0.282‰。該河流主要功能為防洪排澇和景觀生態(tài)，是一條典型的城市河流。在河流上游，被改造為人工湖形式，周邊土地以景觀綠地和商業(yè)用途為主；河流中游流經(jīng)當(dāng)?shù)毓I(yè)園區(qū)，周邊土地以工廠用地為主；河流下游流經(jīng)當(dāng)?shù)鼐用駞^(qū)，周邊土地以居住和商業(yè)為主。在河流中上游及河流河口處，設(shè)有兩道橡膠壩，用以調(diào)節(jié)河流水位。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 采樣方法

考慮采樣代表性，兼顧采樣可行性。采取在河流水力情況和水文條件改變的地方布點(diǎn)和沿程等距布點(diǎn)結(jié)合的方式布設(shè)采樣點(diǎn)。2015年3月進(jìn)行采樣，采樣點(diǎn)布置如下：①上游人工湖口前200m及湖口處布置兩個(gè)采樣點(diǎn)（1、2）；②湖面、湖改河道處共兩個(gè)點(diǎn)（3、4）；③中游橡膠壩A前后共兩個(gè)點(diǎn)（5、6）；④沿下游河段等距布三個(gè)點(diǎn)（7、8、9）；⑤下游橡膠壩 B前后共兩個(gè)點(diǎn)（10、11）。采樣點(diǎn)分布圖如圖1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

DO、濁度、透明度等指標(biāo)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)。其中，DO采用HACH LDO HQ40d便攜式溶解氧儀測(cè)定；濁度采用HACH 2100P濁度儀進(jìn)行測(cè)定，透明度采用賽氏盤測(cè)定。

氨氮、硝氮、總氮、總磷、色度、CODCr、BOD5采樣后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。氨氮采用納試劑分光光度法，總磷采用鉬酸銨分光光度法，CODCr采用快速消解分光光度法，分光光度計(jì)為Cary50紫外可見分光光度計(jì)；硝氮采用離子色譜法，儀器為IC1100離子色譜儀；總氮采用TOC－V CPH TOC儀進(jìn)行檢測(cè)；BOD5采用稀釋接種法進(jìn)行檢測(cè)；色度采用稀釋比色法檢測(cè)。

3 結(jié)果與討論

3.1 溶解氧濃度

圖1 研究對(duì)象河流采樣點(diǎn)分布

溶解氧（Dissolved oxygen，DO）是評(píng)價(jià)河流自凈狀態(tài)的關(guān)鍵因子。水體中的溶解氧濃度，決定了水體的自凈過(guò)程是處于好氧狀態(tài)還是厭氧狀態(tài)［8］。有機(jī)物進(jìn)入好氧狀態(tài)（DO＞2 mg／L）的河道之后，能在好氧微生物的作用下，將有機(jī)物進(jìn)行徹底分解，生成CO2和水，分解產(chǎn)物對(duì)河道生態(tài)沒(méi)有毒性。但是有機(jī)物的降解過(guò)程會(huì)消耗河水中的溶解氧，當(dāng)河水中溶解氧消耗速率超過(guò)恢復(fù)速率之后，河流中的溶解氧濃度就會(huì)逐漸下降，最終進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài)（DO＜2 mg／L）。在處于厭氧狀態(tài)的河道中，有機(jī)物被厭氧微生物分解，產(chǎn)物是有機(jī)酸、含硫有機(jī)物等降解不徹底的物質(zhì)，這些物質(zhì)往往都有刺激性氣味；且在厭氧狀態(tài)下，水體中的S2－離子與金屬結(jié)合形成難溶于水的黑色物質(zhì)，造成河水變黑［9～11］。在厭氧狀態(tài)下，河流很容易發(fā)生黑臭現(xiàn)象。因此，對(duì)河流自凈狀態(tài)的評(píng)估，需要研究溶解氧的變化情況。

圖2所示是作為研究對(duì)象的河流溶解氧沿河的變化情況。從圖中可以看到，該河流的溶解氧在河道上游和中上游含量較高，河道處于好氧狀態(tài)，因此發(fā)生黑臭的風(fēng)險(xiǎn)較小。但是河流中游進(jìn)入工業(yè)園區(qū)之后，河水中的溶解氧迅速降低，到8號(hào)采樣點(diǎn)之后，河道溶解氧下降至1.47 mg／L，河流進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài)。而在之后的下游河段，溶解氧并沒(méi)有明顯的回升，一直保持在較低的水平。因此，該河流中下游河道的黑臭風(fēng)險(xiǎn)較高。尤其是在夏天，很可能會(huì)發(fā)生河道黑臭現(xiàn)象。雖然該河流周邊工廠的污水不直接入河，但仍有一部分廠區(qū)內(nèi)污染物可能隨雨水管網(wǎng)進(jìn)入河流造成污染。從河流治理方面考慮，則需要對(duì)中游和下游進(jìn)行截排和人工復(fù)氧等強(qiáng)化治理，以防止河道黑臭現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)

圖2 該城市河流的溶解氧變化情況

河水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽含量及其形態(tài)變化，也是評(píng)價(jià)河流自凈狀態(tài)的重要指標(biāo)。水中的氮元素包括有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮。由于微生物的生物降解作用，一般來(lái)說(shuō)，在天然水體中無(wú)機(jī)氮是氮元素的主要形態(tài)。而無(wú)機(jī)氮的形態(tài)包括氨氮、亞硝氮和硝氮，這些無(wú)機(jī)氮形態(tài)可以通過(guò)硝化作用和反硝化作用進(jìn)行轉(zhuǎn)化［12，13］。氨氮在好氧狀態(tài)下，能夠通過(guò)硝化反應(yīng)逐步轉(zhuǎn)化為亞硝氮和硝氮，因此氨氮不會(huì)在處于好氧狀態(tài)下的河水中大量存在，硝氮是好氧河流中的氮元素主要形態(tài)。但是氧化氨氮會(huì)消耗大量溶解氧，將1 mg氨氮轉(zhuǎn)化為硝氮理論上需要消耗4.5 mg溶解氧，這會(huì)使河水逐漸進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài)。在厭氧狀態(tài)下，厭氧微生物進(jìn)行反硝化反應(yīng)，氧化有機(jī)碳源以獲得能量，硝氮在此過(guò)程中作為電子受體被還原為氮?dú)?，從而從水體中去除。因此，氨氮在厭氧條件下會(huì)形成積累，是氮元素的主要形態(tài)。也有人用無(wú)機(jī)氮在河水中的形態(tài)比例來(lái)表征河水的自凈狀態(tài)［14］。

圖3為研究河流中氮元素沿河變化的情況。從圖中可以看到，氮元素在上游來(lái)水濃度較高，總氮為5.52 mg／L，在進(jìn)入人工湖前，經(jīng)過(guò)了砂濾裝置，因此氮元素水平有所下降，總氮濃度下至4.18 mg／L。但是在河流進(jìn)入工業(yè)園區(qū)之后，總氮水平又逐漸升高，最高達(dá)到6.42 mg／L，超過(guò)上游水平。從氮元素的形態(tài)變化來(lái)看，氨氮濃度范圍在1.07～4.78 mg／L，硝氮濃度范圍在0.44～1.72 mg／L。在上游人工湖及中上游河段（3－6號(hào)采樣點(diǎn)），氮元素主要形態(tài)為硝氮，硝氮占氨氮硝氮之和的比例范圍為46%～61%，最高值出現(xiàn)在6號(hào)采樣點(diǎn)；氨氮指標(biāo)在《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838－2002）規(guī)定的Ⅳ－Ⅴ類水之間。但是在河流中游進(jìn)入工業(yè)園區(qū)之后，氨氮開始成為氮元素的主要形態(tài)，占氨氮硝氮之和的比例超過(guò)80%，相比硝氮只占10%左右；這說(shuō)明在中下游厭氧河段，氨氮開始積累，而一部分硝氮由于反硝化作用得到了去除。這反映了中下游河段的水質(zhì)開始逐漸惡化的情況。同時(shí)從中游開始，河水中氨氮指標(biāo)已經(jīng)劣于國(guó)標(biāo)的Ⅴ類水限值2mg／L。這說(shuō)明，該河流的污染在中下游河段最為突出，應(yīng)該是河道治理的重點(diǎn)。

圖3 該城市河流的氮元素變化情況

磷元素在河水中的濃度是磷元素輸入和輸出綜合作用的結(jié)果，取決于外源輸入量、水體溶解氧濃度、磷元素沉積和底泥釋放等因素［15］。圖4為研究河流總磷（TP）的沿程變化。從圖中可以看到，該河流總磷濃度從上游至下游逐漸降低。但該河硫的總磷濃度總體仍高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838－2002）Ⅴ類水限值0.4 mg／L，最低值為4號(hào)采樣點(diǎn)的0.32 mg／L。這說(shuō)明，研究河流有較高的富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該在河流治理中注意防范。該河流在上游湖人工湖之前河段，流經(jīng)當(dāng)?shù)剞r(nóng)村，有散落的農(nóng)田和養(yǎng)殖業(yè)，一部分污染物可能通過(guò)地表徑流進(jìn)入河道，造成了上游來(lái)水總磷較高。之后由于人工湖段河面變寬及兩道橡膠壩的作用，使得河水流速變緩，一部分磷可能沉積進(jìn)入底泥，因此總磷濃度有沿河逐漸降低的趨勢(shì)。

圖4 研究對(duì)象河流的總磷變化情況

3.3 有機(jī)物指標(biāo)

水體中的有機(jī)物濃度是指示水體受污染程度的重要指標(biāo)。有機(jī)物的好氧降解過(guò)程，會(huì)消耗水體中的溶解氧，當(dāng)有機(jī)物負(fù)荷超過(guò)河流自身承受極限后，河流逐漸進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài)，從而導(dǎo)致水質(zhì)的進(jìn)一步惡化。了解河流中的有機(jī)物濃度變化情況，能更好地評(píng)估河流的自凈狀態(tài)。圖5顯示了所研究河流的CODCr和BOD5變化情況。該河流的CODCr濃度基本上呈現(xiàn)出沿程逐漸增加的趨勢(shì)，逐漸從14 mg／L上升至29 mg／L，最高值出現(xiàn)在流經(jīng)工業(yè)園區(qū)的8號(hào)采樣點(diǎn)處。CODCr指標(biāo)總體處于地表水的Ⅲ－Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。而BOD5呈現(xiàn)出上游和下游較低，中游較高的現(xiàn)象。濃度范圍在9.0～16.2 mg／L，最大值出現(xiàn)在7號(hào)采樣點(diǎn)。BOD5指標(biāo)總體處于地表水的Ⅴ類水－劣Ⅴ類?？梢钥吹剑珺OD5與CODCr的比例在該河流中較高，大部分采樣點(diǎn)占比均在40%以上。BOD5屬于快速耗氧物質(zhì)，在河流中一般會(huì)被微生物優(yōu)先利用。BOD5有較高比例的殘留，說(shuō)明該河流的自凈負(fù)荷已經(jīng)較高。

圖5 研究對(duì)象河流的CODCr和BOD5變化情況

3.4 河流景觀指標(biāo)

城市河流擔(dān)負(fù)的一個(gè)重要功能是景觀功能，因此在評(píng)價(jià)城市河流的狀態(tài)時(shí)，往往也會(huì)關(guān)注其感官性水質(zhì)指標(biāo)的情況。表1列出了各采樣點(diǎn)濁度、透明度和色度等感官指標(biāo)的數(shù)值。從總體上來(lái)看，所研究河流的河水不夠清澈，對(duì)水體的景觀功能有一定影響，河水景觀效果上游優(yōu)于中下游。

該河流濁度相較于其他一些城市河流并不高，濁度呈現(xiàn)出從上游至下游逐漸降低的趨勢(shì)，逐漸從16.7 NTU下降至3.6 NTU，在匯入古運(yùn)河前略有回升。由于河流經(jīng)過(guò)人工改造拓寬，且有橡膠壩阻攔，河流流速在中下游逐漸變緩，一部分顆粒物沉積進(jìn)入底泥，這可能是濁度有所下降的原因。河流的透明度在17.5～29.8 cm之間，屬于透明度較低的情況。透明度較低影響水體景觀效果，在治理工作中需要進(jìn)行相關(guān)考慮。而色度指標(biāo)則是在河流流經(jīng)工業(yè)區(qū)的河段變差，這與該河段水質(zhì)惡化的情況相符。

表1 研究對(duì)象河流的濁度、透明度和色度

4 結(jié)語(yǔ)

（1）溶解氧、氮元素形態(tài)和有機(jī)物濃度等指標(biāo)可以指示所研究的城市河流的自凈狀態(tài)：溶解氧降低，河道進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài)；氮元素形態(tài)變?yōu)橐园钡獮橹鳎挥袡C(jī)物濃度升高，生物快速利用物質(zhì)如BOD5比例升高等現(xiàn)象，都說(shuō)明河流的自凈狀態(tài)變差，需要引起重視。

（2）各個(gè)河流自凈狀態(tài)指示指標(biāo)之間有著密切聯(lián)系。氨氮氧化和有機(jī)物分解都需要消耗溶解氧，可以看到在河流上游溶解氧濃度較高，氮元素形態(tài)以硝氮為主，有機(jī)物濃度相對(duì)較低；在河流下游由于溶解氧消耗進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài)（DO＜2 mg／L）后，氮元素形態(tài)以氨氮為主要形態(tài)，有機(jī)物濃度有所升高。

（3）作為研究對(duì)象的城市河流的自凈狀態(tài)并不穩(wěn)定，在中下游河段形成了厭氧段，有機(jī)物和氨氮濃度較高，容易發(fā)生黑臭現(xiàn)象，影響河道生態(tài)環(huán)境。中下游河段應(yīng)該是該城市河流治理的重點(diǎn)。從景觀功能來(lái)看，該河流的河水不夠清澈，透明度較低。

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