江蘇省某城市河流自凈狀態研究

王子釗，蒲文鵬，王冠平

（光大環保技術研究院（深圳）有限公司，深圳518040）

1 引言

河流自凈狀態是判斷河流水環境是否處于健康狀態的重要標志，對河水中的物質循環、污染物降解和河流生態結構都有重要意義［1］。河流的自凈作用包括物理作用（如擴散、沉積、溶解、沉降等）、化學作用（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、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］。自凈狀態較好的河流，能夠抵御一定的入河污染沖擊負荷；進入河流的有機物能夠被生物通過好氧分解為CO2和水，不會對河流生物產生毒害作用，河流處于良性循環狀態。而河流自凈狀態較差的河流，其抗污染沖擊能力較差；當入河污染物超過其自凈極限，有機物會逐步積累，河流溶解氧被消耗殆盡，河流進入厭氧狀態。在厭氧狀態下，有機物被分解為有機酸、甲烷及嗅味物質，河流發生黑臭現象；積累的污染物對水生物產生毒害作用，形成生態災難，河流進入惡性循環［5］。

城市河流由于受到周邊城市人類活動的影響，情況與自然河流有較大區別。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處理的生活污水通過管道進入城市河流。此外，由于城市發展擠占，河流周圍的河岸生態帶逐漸減少或消失，對農業或降雨等形成的面源污染的阻隔作用也越來越低［6，7］。基于這些原因，進入城市河流的污染物往往超過河流的自凈極限，使城市河流發生黑臭現象。在我國，由于城市化進程加快，越來越多的河流開始受到人類活動和城市發展的影響。因此，研究城市河流的自凈狀態能為我國城市化進程中的河流管理及污染治理提供指導和數據支持。

本文研究對象是京杭古運河的一條支河，位于江蘇省某市新區境內，發源于城市南部山丘，自南向北流入古運河，集水面積23 km2，干流長度為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，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用途為主；河流中游流經當地工業園區，周邊土地以工廠用地為主；河流下游流經當地居民區，周邊土地以居住和商業為主。在河流中上游及河流河口處，設有兩道橡膠壩，用以調節河流水位。

2 實驗方法

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和沿程等距布點結合的方式布設采樣點。2015年3月進行采樣，采樣點布置如下：①上游人工湖口前200m及湖口處布置兩個采樣點（1、2）；②湖面、湖改河道處共兩個點（3、4）；③中游橡膠壩A前后共兩個點（5、6）；④沿下游河段等距布三個點（7、8、9）；⑤下游橡膠壩 B前后共兩個點（10、11）。采樣點分布圖如圖1所示。

2.2 實驗方法

DO、濁度、透明度等指標在現場進行檢測。其中，DO采用HACH LDO HQ40d便攜式溶解氧儀測定；濁度采用HACH 2100P濁度儀進行測定，透明度采用賽氏盤測定。

氨氮、硝氮、總氮、總磷、色度、CODCr、BOD5采樣后進行實驗室檢測。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，分光光度計為Cary50紫外可見分光光度計；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儀進行檢測；BOD5采用稀釋接種法進行檢測；色度采用稀釋比色法檢測。

3 結果與討論

3.1 溶解氧濃度

圖1 研究對象河流采樣點分布

溶解氧（Dissolved oxygen，DO）是評價河流自凈狀態的關鍵因子。水體中的溶解氧濃度，決定了水體的自凈過程是處于好氧狀態還是厭氧狀態［8］。有機物進入好氧狀態（DO＞2 mg／L）的河道之后，能在好氧微生物的作用下，將有機物進行徹底分解，生成CO2和水，分解產物對河道生態沒有毒性。但是有機物的降解過程會消耗河水中的溶解氧，當河水中溶解氧消耗速率超過恢復速率之后，河流中的溶解氧濃度就會逐漸下降，最終進入厭氧狀態（DO＜2 mg／L）。在處于厭氧狀態的河道中，有機物被厭氧微生物分解，產物是有機酸、含硫有機物等降解不徹底的物質，這些物質往往都有刺激性氣味；且在厭氧狀態下，水體中的S2－離子與金屬結合形成難溶于水的黑色物質，造成河水變黑［9～11］。在厭氧狀態下，河流很容易發生黑臭現象。因此，對河流自凈狀態的評估，需要研究溶解氧的變化情況。

圖2所示是作為研究對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，因此發生黑臭的風險較小。但是河流中游進入工業園區之后，河水中的溶解氧迅速降低，到8號采樣點之后，河道溶解氧下降至1.47 mg／L，河流進入厭氧狀態。而在之后的下游河段，溶解氧并沒有明顯的回升，一直保持在較低的水平。因此，該河流中下游河道的黑臭風險較高。尤其是在夏天，很可能會發生河道黑臭現象。雖然該河流周邊工廠的污水不直接入河，但仍有一部分廠區內污染物可能隨雨水管網進入河流造成污染。從河流治理方面考慮，則需要對中游和下游進行截排和人工復氧等強化治理，以防止河道黑臭現象的發生。

3.2 氮、磷等營養鹽指標

圖2 該城市河流的溶解氧變化情況

河水中氮、磷等營養鹽含量及其形態變化，也是評價河流自凈狀態的重要指標。水中的氮元素包括有機氮和無機氮。由于微生物的生物降解作用，一般來說，在天然水體中無機氮是氮元素的主要形態。而無機氮的形態包括氨氮、亞硝氮和硝氮，這些無機氮形態可以通過硝化作用和反硝化作用進行轉化［12，13］。氨氮在好氧狀態下，能夠通過硝化反應逐步轉化為亞硝氮和硝氮，因此氨氮不會在處于好氧狀態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。但是氧化氨氮會消耗大量溶解氧，將1 mg氨氮轉化為硝氮理論上需要消耗4.5 mg溶解氧，這會使河水逐漸進入厭氧狀態。在厭氧狀態下，厭氧微生物進行反硝化反應，氧化有機碳源以獲得能量，硝氮在此過程中作為電子受體被還原為氮氣，從而從水體中去除。因此，氨氮在厭氧條件下會形成積累，是氮元素的主要形態。也有人用無機氮在河水中的形態比例來表征河水的自凈狀態［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，氮元素在上游來水濃度較高，總氮為5.52 mg／L，在進入人工湖前，經過了砂濾裝置，因此氮元素水平有所下降，總氮濃度下至4.18 mg／L。但是在河流進入工業園區之后，總氮水平又逐漸升高，最高達到6.42 mg／L，超過上游水平。從氮元素的形態變化來看，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號采樣點），氮元素主要形態為硝氮，硝氮占氨氮硝氮之和的比例范圍為46%～61%，最高值出現在6號采樣點；氨氮指標在《地表水環境質量標準》（GB3838－2002）規定的Ⅳ－Ⅴ類水之間。但是在河流中游進入工業園區之后，氨氮開始成為氮元素的主要形態，占氨氮硝氮之和的比例超過80%，相比硝氮只占10%左右；這說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開始逐漸惡化的情況。同時從中游開始，河水中氨氮指標已經劣于國標的Ⅴ類水限值2mg／L。這說明，該河流的污染在中下游河段最為突出，應該是河道治理的重點。

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《地表水環境質量標準》（GB3838－2002）Ⅴ類水限值0.4 mg／L，最低值為4號采樣點的0.32 mg／L。這說明，研究河流有較高的富營養化風險，應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，流經當地農村，有散落的農田和養殖業，一部分污染物可能通過地表徑流進入河道，造成了上游來水總磷較高。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入底泥，因此總磷濃度有沿河逐漸降低的趨勢。

圖4 研究對象河流的總磷變化情況

3.3 有機物指標

水體中的有機物濃度是指示水體受污染程度的重要指標。有機物的好氧降解過程，會消耗水體中的溶解氧，當有機物負荷超過河流自身承受極限后，河流逐漸進入厭氧狀態，從而導致水質的進一步惡化。了解河流中的有機物濃度變化情況，能更好地評估河流的自凈狀態。圖5顯示了所研究河流的CODCr和BOD5變化情況。該河流的CODCr濃度基本上呈現出沿程逐漸增加的趨勢，逐漸從14 mg／L上升至29 mg／L，最高值出現在流經工業園區的8號采樣點處。CODCr指標總體處于地表水的Ⅲ－Ⅳ類水標準。而BOD5呈現出上游和下游較低，中游較高的現象。濃度范圍在9.0～16.2 mg／L，最大值出現在7號采樣點。BOD5指標總體處于地表水的Ⅴ類水－劣Ⅴ類。可以看到，BOD5與CODCr的比例在該河流中較高，大部分采樣點占比均在40%以上。BOD5屬于快速耗氧物質，在河流中一般會被微生物優先利用。BOD5有較高比例的殘留，說明該河流的自凈負荷已經較高。

圖5 研究對象河流的CODCr和BOD5變化情況

3.4 河流景觀指標

城市河流擔負的一個重要功能是景觀功能，因此在評價城市河流的狀態時，往往也會關注其感官性水質指標的情況。表1列出了各采樣點濁度、透明度和色度等感官指標的數值。從總體上來看，所研究河流的河水不夠清澈，對水體的景觀功能有一定影響，河水景觀效果上游優于中下游。

該河流濁度相較于其他一些城市河流并不高，濁度呈現出從上游至下游逐漸降低的趨勢，逐漸從16.7 NTU下降至3.6 NTU，在匯入古運河前略有回升。由于河流經過人工改造拓寬，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行相關考慮。而色度指標則是在河流流經工業區的河段變差，這與該河段水質惡化的情況相符。

表1 研究對象河流的濁度、透明度和色度

4 結語

（1）溶解氧、氮元素形態和有機物濃度等指標可以指示所研究的城市河流的自凈狀態：溶解氧降低，河道進入厭氧狀態；氮元素形態變為以氨氮為主；有機物濃度升高，生物快速利用物質如BOD5比例升高等現象，都說明河流的自凈狀態變差，需要引起重視。

（2）各個河流自凈狀態指示指標之間有著密切聯系。氨氮氧化和有機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，氮元素形態以硝氮為主，有機物濃度相對較低；在河流下游由于溶解氧消耗進入厭氧狀態（DO＜2 mg／L）后，氮元素形態以氨氮為主要形態，有機物濃度有所升高。

（3）作為研究對象的城市河流的自凈狀態并不穩定，在中下游河段形成了厭氧段，有機物和氨氮濃度較高，容易發生黑臭現象，影響河道生態環境。中下游河段應該是該城市河流治理的重點。從景觀功能來看，該河流的河水不夠清澈，透明度較低。

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