韓 嘯，陶 紅，李飛鵬，陳蒙蒙，陳閩南，劉 偉，殷廣藝

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093)

隨著國家對環(huán)境要求逐步提高，河道水體黑臭現(xiàn)象已引起人們的廣泛關(guān)注，上海已開展多年的水環(huán)境保護工作，城區(qū)水體污染控制已有顯著成效，但仍有部分水體水質(zhì)有待進一步改善。雨水對地表的沖刷，以及周邊居民和商戶、企業(yè)將污水排入雨水管道，致使泵站將雨水排入河道時混有污水，是引起河道水環(huán)境污染的主要原因之一。因此，對泵站放江污染的研究顯得尤為重要。泵站放江類型主要包括旱流放江、試車放江、雨前預(yù)抽空放江、檢修放江和施工配合放江，其中旱流放江是最主要的類型，又分為合流制和分流制。據(jù)統(tǒng)計，上海市中心城區(qū)已建116座分流制排水系統(tǒng)，存在混接現(xiàn)象的有64座，占55.2%[1]。分流制排水系統(tǒng)的旱天放江已經(jīng)成為上海市中心城區(qū)河道的主要污染源之一[2]。嚴(yán)重的雨污混接使某些分流制排水系統(tǒng)旱天放江量達到地區(qū)污水總量的20%左右[3]。分流制系統(tǒng)旱天放江往往會導(dǎo)致受納河道區(qū)域性黑臭，水務(wù)中心為遏制河道水質(zhì)惡化、改善河道水質(zhì)，往往采取應(yīng)急調(diào)水措施。放江對受納河道水質(zhì)影響的相關(guān)研究已有較多的報道，但對放江后，調(diào)水對受納河道水質(zhì)影響的相關(guān)研究甚少。本文基于眾多學(xué)者在中心城區(qū)泵站放江污染控制方面的研究，以上海市楊浦區(qū)典型河道虬江為例，在旱天時雨水口不排水、非法排污口皆被封堵的前提下，研究分流制泵站旱天放江后，調(diào)水對受納河道水體的影響，以期為泵站放江污染控制及河道水質(zhì)改善提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與采樣點布設(shè)

上海屬平原感潮河網(wǎng)，虬江是上海市典型的城市河道，位于楊浦區(qū)北部，虬江全長約7 km，河面寬為30～40 m，低水位時水深達0.8～1.8 m，高水位時水深達3.9～4 m。河道西起國定路橋西，途經(jīng)國定路、淞滬路，經(jīng)長海醫(yī)院、沈家行后，向南越翔殷路，再與東走馬塘相會，此段稱為內(nèi)虬江；往東越軍工路、上海機床廠，于復(fù)興島北端附近流入黃浦江，該段稱為外虬江。虬江西端國定路橋西通過復(fù)旦大學(xué)地下一段2 003 m 的箱涵到達陸家浜泵站，與東走馬塘相連，形成了一個圍繞楊浦區(qū)商業(yè)中心-五角場的環(huán)狀水系。東走馬塘在中山北二路橋處與楊樹浦港相連，楊樹浦港南端連接黃浦江。楊樹浦港、東走馬塘、虬江三條骨干河道構(gòu)成區(qū)域內(nèi)一個獨立的兩頭與黃浦江相通的水系。

采樣點位置和布設(shè)如圖1和表1所示，自上游至下游共設(shè)置了5個采樣點。第1個測點位于國庠路橋放江點；第2個測點位于黑山路橋放江點；第3個測點位于包頭路橋放江點；第4個測點位于翔殷路橋放江點；第5個測點位于國順東路橋放江點。

圖1 采樣點位置Fig.1 Location of Sampling Points

表1 采樣點地理位置分布Tab.1 Geographical Distribution of Sampling Points

1.2 樣品采集與分析方法

自放江開始至調(diào)水第7 d，根據(jù)《水質(zhì)采樣方案設(shè)計技術(shù)規(guī)定》(HJ 495—2009)的規(guī)定，對楊浦區(qū)虬江水體水質(zhì)以及河道沉積物樣品進行采集與檢測分析，檢測虬江水質(zhì)不同污染指標(biāo)的變化情況，分析調(diào)水對水質(zhì)變化的影響。考慮到COD是衡量水體污染程度的主要指標(biāo)之一，TP和氨氮是反映水體黑臭的特征指標(biāo)，選取COD、TP和氨氮作為主要監(jiān)測指標(biāo)。其中，COD和TP采用哈希(HACH)法測定，氨氮采用納氏試劑分光光度法測定。污染物質(zhì)進入水體后，經(jīng)過水體顆粒物的吸附、絮凝、沉淀以及生物吸收等多種方式，最終沉積到底泥中并逐漸積累，因此，底泥被看作是水體中各種污染物質(zhì)的最終存儲場所。沉積物中TOC過高會導(dǎo)致有害生物大量繁殖，是衡量河道沉積物污染程度的主要指標(biāo)之一，為了檢測沉積物中TOC 含量，本試驗在各采樣點采集表層(0～5 cm)沉積物3次，除雜物和礫石，將3份沉積物樣品混合，作為采樣點表層沉積物的代表性樣品。檢測方法采用直接燃燒氧化法(NDIR法)，通過Multi N/C 2100總有機碳/總氮分析儀完成測定，每個樣品的TOC含量均測定3次，取平均值作為沉積物中TOC含量。樣品的采集及保存均遵循國家標(biāo)準(zhǔn)方法(HJ/T 399—2007、HJ 828—2017、HJ 536—2009、HJ/T 70—2001)。

2 監(jiān)測結(jié)果

2.1 受納河道水質(zhì)變化情況

由圖2可知：放江開始至調(diào)水第7 d，各采樣斷面處的CODCr濃度最高達76 mg/L，約為地表水V類標(biāo)準(zhǔn)的2倍；TP和氨氮的最大值分別為1.06 mg/L和9.7 mg/L，其中氨氮最高值超出了地表水V類標(biāo)準(zhǔn)4倍以上。國順東路橋監(jiān)測點受放江影響的程度最大，其CODCr濃度較上游斷面國庠路監(jiān)測點上升了7 mg/L，TP濃度上升了0.16 mg/L，氨氮濃度上升了0.6 mg/L。

圖2 受納河道水質(zhì)變化Fig.2 Variation of Water Quality in Receiving River

根據(jù)《上海市水環(huán)境功能區(qū)劃》(2011年修訂版)，該泵站排水受納河道的水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)為Ⅳ類。放江后受納河道的COD、TP、氨氮濃度均為劣V類，總體不容樂觀。

2.2 調(diào)水對水體中COD、TP、氨氮的影響

2.2.1調(diào)水對水體中COD的影響

由圖3可知，放江開始至調(diào)水第7 d，虬江COD含量呈現(xiàn)先遞減后趨向于平穩(wěn)的過程。放江當(dāng)天，各斷面水體中COD濃度相近，其中，下游斷面國順東路橋斷面受放江影響程度最大，CODCr濃度為74 mg/L，約為地表水V類標(biāo)準(zhǔn)的1.85倍。

由圖4可知，調(diào)水第1 d～第7 d，上游至下游，由于調(diào)水的作用，各斷面水體中COD濃度較放江后水質(zhì)都有所降低。上游至下游水動力逐漸削減， 使上游斷面水體中污染物濃度降幅高于下致游斷面。

圖3 調(diào)水期間各斷面水體中COD變化Fig.3 Changes of COD in Water of Cross Sections during Water Diversion

圖4 各斷面水體中COD調(diào)水期間變化Fig.4 Changes of COD in Water of Different Cross Sections during Water Diversion

另外，在調(diào)水的作用下，上游的污染物被沖至下游，因此，自上游至下游，各斷面水體中COD呈現(xiàn)遞增的趨勢。最終水體中COD濃度趨向于穩(wěn)定。

2.2.2調(diào)水對水體中TP的影響

由圖5可知，放江開始至調(diào)水第7 d，虬江TP含量呈現(xiàn)先遞減后趨向于平穩(wěn)的過程。放江當(dāng)天，各斷面水體中TP濃度相近，其中，上游斷面國庠路橋斷面受放江影響程度最大，TP濃度為1.06 mg/L，約為地表水V類標(biāo)準(zhǔn)的2.65倍。

圖5 調(diào)水期間各斷面水體中TP變化Fig.5 Changes of TP in Water of Cross Sections during Water Diversion

圖6 各斷面水體中TP調(diào)水期間變化Fig.6 Changes of TP in Water of Different Cross Sections during Water Diversion

由圖6可知：調(diào)水第1 d～第7 d，上游至下游，由于調(diào)水的作用，各斷面水體中TP濃度較放江后水質(zhì)都有所降低；上游至下游水動力逐漸削減，致使上游斷面水體中污染物濃度降幅高于下游斷面。另外，在調(diào)水的作用下，上游的污染物被沖至下游，因此，自上游至下游，各斷面水體中TP呈現(xiàn)遞增的趨勢。最終，水體中TP濃度趨向于穩(wěn)定。

2.2.3調(diào)水對水體中氨氮的影響

由圖7可知，放江開始至調(diào)水第7 d，虬江氨氮含量呈現(xiàn)先遞減后趨向于平穩(wěn)的過程。放江當(dāng)天，各斷面水體中氨氮濃度相近，其中，上游斷面國庠路橋斷面受放江影響程度最大，氨氮濃度為9.7 mg/L，約為地表水V類標(biāo)準(zhǔn)的4.955倍。

圖7 調(diào)水期間各斷面水體中氨氮變化Fig.7 Changes of NH3-N in Water of Cross Section during Water Diversion

由圖8可知：調(diào)水第1 d～第7 d，上游至下游，由于調(diào)水的作用，各斷面水體中氨氮濃度較放江后都有所降低；上游至下游水動力逐漸削減，致使上游斷面水體中污染物濃度降幅高于下游斷面。另外，在調(diào)水的作用下，上游的污染物被沖至下游，因此，自上游至下游，各斷面水體中氨氮呈現(xiàn)遞增的趨勢。最終，水體中氨氮趨向于穩(wěn)定。

圖8 各斷面水體中氨氮調(diào)水期間變化Fig.8 Changes of NH3-N in Water of Different Cross Sections during Water Diversion

2.2.4調(diào)水對河道沉積物中TOC的影響

如圖9所示，沉積物中的TOC檢測數(shù)據(jù)表明，放江前各斷面沉積物中的沉積物濃度相近，無明顯差異。放江后，泵站釋放大量的污染物到受納水體中，導(dǎo)致水體中TOC含量驟升且相近，相較于放江前河道沉積物中的TOC含量，平均上升了86%。在調(diào)水作用下，從上游至下游，各采樣斷面中的TOC含量呈現(xiàn)遞增趨勢，由于水動力不足，調(diào)水后河道沉積物中的TOC含量較放江前河道沉積物中的TOC含量平均降低了30%，大部分污染物依然在各采樣斷面沉積。

圖9 河道沉積物中TOC的變化Fig.9 Changes of TOC in River Sediment

3 分析與討論

3.1 放江過程對虬江水質(zhì)的影響

泵站放江對河道各斷面水質(zhì)的影響程度如圖2所示，各斷面水體中COD、TP、氨氮普遍驟升主要是由于泵站排放的污染物在河道底部進行了一系列的氧化還原反應(yīng)并釋放出大量的甲烷和氮氣，致使大量的污染物在水體表面懸浮。驟降主要是在河道靜流狀態(tài)下，大部分的懸浮顆粒由于重力和吸附作用沉降到河道底部。其中，氨氮的驟升幅度最大，主要是由于上海楊浦區(qū)屬于老舊城區(qū)，城市管網(wǎng)多屬于雨污混流，在泵張放江時，大部分的生活污染物隨雨水一起排入河道內(nèi)，致使河道中污染物濃度驟升并形成區(qū)域性黑臭現(xiàn)象。

3.2 調(diào)水對虬江COD、TP、氨氮的改善作用

本文分析了放江當(dāng)天至調(diào)水第7 d，調(diào)水對虬江COD、TP、氨氮時空變化的影響，如圖3～圖5所示。自黃浦江引水進入虬江，沿途需經(jīng)過楊樹浦港17個橋洞，再經(jīng)東走馬塘、復(fù)旦大學(xué)地下涵箱，試驗檢測表明，進入虬江的水流速度在0.20～0.30 m/s。在放江當(dāng)天至調(diào)水第7 d，各斷面水體中COD、TP、氨氮濃度沒有明顯的變化，這主要是由于放江過后，在從黃浦江引水至虬江的過程中，水流由于一系列的阻礙，水動力嚴(yán)重不足，無法在短時間內(nèi)有效地將泵站釋放的污染物沖走，泵站釋放的大部分污染物由于重力作用再次沉入河道底部，少部分污染物漂浮于水體表面，并隨水流從上游飄至下游。另外，水流時常引起水流擾動，使沉降到河道底部的污染物二次釋放到水體中，導(dǎo)致水體短暫性黑臭。

3.3 調(diào)水對虬江COD、TP、氨氮變化的影響

本文分析了放江當(dāng)天至調(diào)水第7 d，自國庠路橋至國順東路橋斷面水體中COD、TP、氨氮的變化，如圖3～圖5所示。結(jié)果表明，放江當(dāng)天各斷面水體中COD、TP、氨氮濃度相似，均遠超地表水環(huán)境質(zhì)量V類水標(biāo)準(zhǔn)限值。調(diào)水初期，泵站放江釋放的污染物還沒有完全沉入河道底部，調(diào)水會將上游的污染物沖至下游，致使從上游至下游水體中COD、TP、氨氮濃度呈梯度遞增。調(diào)水中期，各斷面大部分污染物已沉入河道底部，調(diào)水使河道底部水流擾動，致使河道底泥中的污染物二次釋放到水體中，影響水質(zhì)。調(diào)水中后期，引水中期河道底部水流擾動造成河道底部污染物再次漂浮于水體表面，且在短時間內(nèi)無法快速沉降到河道底部，調(diào)水再次將上游的污染物沖至下游，致使上游至下游水體中COD、TP、氨氮濃度呈梯度遞增。調(diào)水后期，各斷面水體中COD、TP、氨氮濃度逐漸趨于穩(wěn)定，調(diào)水對各斷面水體中污染物濃度變化幾乎沒有影響。

3.4 調(diào)水對虬江河道沉積物中TOC變化的影響

沉積物TOC的檢測結(jié)果如圖6所示。調(diào)水前，受納河道沉積物中TOC含量相近且較低。放江后，大量的污染物涌入受納水體，導(dǎo)致水體中TOC含量驟升，水體惡臭。由于水動力嚴(yán)重不足，調(diào)水后，進入水體中的污染物，只有少部分被水流沖走，大部分的污染物仍然沉積在河道底部，隨時會二次釋放到水體中，對水體再次造成污染。

4 結(jié)論

(1)虬江沿河兩岸的泵站由于排水管網(wǎng)混接嚴(yán)重等問題，存在旱天放江污染虬江水質(zhì)的問題。研究結(jié)果顯示，泵站放江負荷較大，污染嚴(yán)重；放江后，受納河道的COD、TP、氨氮濃度均處于劣V類水標(biāo)準(zhǔn)。

(2)自上游至下游，水動力逐漸遞減，在污染物擴散和水流的共同作用下，水體中COD、TP、氨氮，以及沉積物中TOC均呈現(xiàn)遞增的趨勢。其中，上游的污染物濃度明顯低于下游污染物濃度。

(3)放江后，調(diào)水對水質(zhì)有改善作用，但是由于從外河引入的水在進入受納水體時，水動力嚴(yán)重不足，少量的污染被水流沖走，大部分的污染物仍然沉積在河道底部。

5 建議

(1)由于上海市屬典型平原感潮河網(wǎng)，主要依靠潮汐作用，從黃浦江引水至內(nèi)河，建議依據(jù)潮汐作用，通過閘門控制外河內(nèi)河水位差，在水流對堤岸不造成嚴(yán)重沖擊的情況下，提高水流進入內(nèi)河時的水動力，在放江后，盡快地趕在污染物還沒有沉積到河道底部之前將污染物沖走。

(2)在河道兩岸設(shè)置可隨時拆卸的導(dǎo)流軟壩，在放江時，避免泵站釋放的污染物影響周圍水體，并在水流的作用下，讓污染物沿導(dǎo)流軟壩排出受納河道，之后再將導(dǎo)流軟壩拆除，盡可能地降低放江對受納河道水體的影響。

(3)城市河道的主要功能性作用為防洪，河道多為動態(tài)河流，河道中的生態(tài)浮床不但沒有對河道水質(zhì)起到明顯的改善作用，還會影響水動力，致使大量漂浮污染物匯聚，建議拆除部分生態(tài)浮床，尤其是位于河道過彎處的浮床。