江苏省某城市河流自净状态研究

王子钊，蒲文鹏，王冠平

（光大环保技术研究院（深圳）有限公司，深圳518040）

1 引言

河流自净状态是判断河流水环境是否处于健康状态的重要标志，对河水中的物质循环、污染物降解和河流生态结构都有重要意义［1］。河流的自净作用包括物理作用（如扩散、沉积、溶解、沉降等）、化学作用（如氧化还原、吸附等）和生物作用（生物降解、合成与释放）；其主要受到河流形态、溶解氧浓度、水力条件、温度、污染物情况、微生物情况等多种因素的影响［2～4］。自净状态较好的河流，能够抵御一定的入河污染冲击负荷；进入河流的有机物能够被生物通过好氧分解为CO2和水，不会对河流生物产生毒害作用，河流处于良性循环状态。而河流自净状态较差的河流，其抗污染冲击能力较差；当入河污染物超过其自净极限，有机物会逐步积累，河流溶解氧被消耗殆尽，河流进入厌氧状态。在厌氧状态下，有机物被分解为有机酸、甲烷及嗅味物质，河流发生黑臭现象；积累的污染物对水生物产生毒害作用，形成生态灾难，河流进入恶性循环［5］。

城市河流由于受到周边城市人类活动的影响，情况与自然河流有较大区别。城市河流往往作为城市污水的最终受纳者，大量污水厂出水或未经处理的生活污水通过管道进入城市河流。此外，由于城市发展挤占，河流周围的河岸生态带逐渐减少或消失，对农业或降雨等形成的面源污染的阻隔作用也越来越低［6，7］。基于这些原因，进入城市河流的污染物往往超过河流的自净极限，使城市河流发生黑臭现象。在我国，由于城市化进程加快，越来越多的河流开始受到人类活动和城市发展的影响。因此，研究城市河流的自净状态能为我国城市化进程中的河流管理及污染治理提供指导和数据支持。

本文研究对象是京杭古运河的一条支河，位于江苏省某市新区境内，发源于城市南部山丘，自南向北流入古运河，集水面积23 km2，干流长度为3.7 km，河面平均宽度约15 m，河道比降为0.282‰。该河流主要功能为防洪排涝和景观生态，是一条典型的城市河流。在河流上游，被改造为人工湖形式，周边土地以景观绿地和商业用途为主；河流中游流经当地工业园区，周边土地以工厂用地为主；河流下游流经当地居民区，周边土地以居住和商业为主。在河流中上游及河流河口处，设有两道橡胶坝，用以调节河流水位。

2 实验方法

2.1 采样方法

考虑采样代表性，兼顾采样可行性。采取在河流水力情况和水文条件改变的地方布点和沿程等距布点结合的方式布设采样点。2015年3月进行采样，采样点布置如下：①上游人工湖口前200m及湖口处布置两个采样点（1、2）；②湖面、湖改河道处共两个点（3、4）；③中游橡胶坝A前后共两个点（5、6）；④沿下游河段等距布三个点（7、8、9）；⑤下游橡胶坝 B前后共两个点（10、11）。采样点分布图如图1所示。

2.2 实验方法

DO、浊度、透明度等指标在现场进行检测。其中，DO采用HACH LDO HQ40d便携式溶解氧仪测定；浊度采用HACH 2100P浊度仪进行测定，透明度采用赛氏盘测定。

氨氮、硝氮、总氮、总磷、色度、CODCr、BOD5采样后进行实验室检测。氨氮采用纳试剂分光光度法，总磷采用钼酸铵分光光度法，CODCr采用快速消解分光光度法，分光光度计为Cary50紫外可见分光光度计；硝氮采用离子色谱法，仪器为IC1100离子色谱仪；总氮采用TOC－V CPH TOC仪进行检测；BOD5采用稀释接种法进行检测；色度采用稀释比色法检测。

3 结果与讨论

3.1 溶解氧浓度

图1 研究对象河流采样点分布

溶解氧（Dissolved oxygen，DO）是评价河流自净状态的关键因子。水体中的溶解氧浓度，决定了水体的自净过程是处于好氧状态还是厌氧状态［8］。有机物进入好氧状态（DO＞2 mg／L）的河道之后，能在好氧微生物的作用下，将有机物进行彻底分解，生成CO2和水，分解产物对河道生态没有毒性。但是有机物的降解过程会消耗河水中的溶解氧，当河水中溶解氧消耗速率超过恢复速率之后，河流中的溶解氧浓度就会逐渐下降，最终进入厌氧状态（DO＜2 mg／L）。在处于厌氧状态的河道中，有机物被厌氧微生物分解，产物是有机酸、含硫有机物等降解不彻底的物质，这些物质往往都有刺激性气味；且在厌氧状态下，水体中的S2－离子与金属结合形成难溶于水的黑色物质，造成河水变黑［9～11］。在厌氧状态下，河流很容易发生黑臭现象。因此，对河流自净状态的评估，需要研究溶解氧的变化情况。

图2所示是作为研究对象的河流溶解氧沿河的变化情况。从图中可以看到，该河流的溶解氧在河道上游和中上游含量较高，河道处于好氧状态，因此发生黑臭的风险较小。但是河流中游进入工业园区之后，河水中的溶解氧迅速降低，到8号采样点之后，河道溶解氧下降至1.47 mg／L，河流进入厌氧状态。而在之后的下游河段，溶解氧并没有明显的回升，一直保持在较低的水平。因此，该河流中下游河道的黑臭风险较高。尤其是在夏天，很可能会发生河道黑臭现象。虽然该河流周边工厂的污水不直接入河，但仍有一部分厂区内污染物可能随雨水管网进入河流造成污染。从河流治理方面考虑，则需要对中游和下游进行截排和人工复氧等强化治理，以防止河道黑臭现象的发生。

3.2 氮、磷等营养盐指标

图2 该城市河流的溶解氧变化情况

河水中氮、磷等营养盐含量及其形态变化，也是评价河流自净状态的重要指标。水中的氮元素包括有机氮和无机氮。由于微生物的生物降解作用，一般来说，在天然水体中无机氮是氮元素的主要形态。而无机氮的形态包括氨氮、亚硝氮和硝氮，这些无机氮形态可以通过硝化作用和反硝化作用进行转化［12，13］。氨氮在好氧状态下，能够通过硝化反应逐步转化为亚硝氮和硝氮，因此氨氮不会在处于好氧状态下的河水中大量存在，硝氮是好氧河流中的氮元素主要形态。但是氧化氨氮会消耗大量溶解氧，将1 mg氨氮转化为硝氮理论上需要消耗4.5 mg溶解氧，这会使河水逐渐进入厌氧状态。在厌氧状态下，厌氧微生物进行反硝化反应，氧化有机碳源以获得能量，硝氮在此过程中作为电子受体被还原为氮气，从而从水体中去除。因此，氨氮在厌氧条件下会形成积累，是氮元素的主要形态。也有人用无机氮在河水中的形态比例来表征河水的自净状态［14］。

图3为研究河流中氮元素沿河变化的情况。从图中可以看到，氮元素在上游来水浓度较高，总氮为5.52 mg／L，在进入人工湖前，经过了砂滤装置，因此氮元素水平有所下降，总氮浓度下至4.18 mg／L。但是在河流进入工业园区之后，总氮水平又逐渐升高，最高达到6.42 mg／L，超过上游水平。从氮元素的形态变化来看，氨氮浓度范围在1.07～4.78 mg／L，硝氮浓度范围在0.44～1.72 mg／L。在上游人工湖及中上游河段（3－6号采样点），氮元素主要形态为硝氮，硝氮占氨氮硝氮之和的比例范围为46%～61%，最高值出现在6号采样点；氨氮指标在《地表水环境质量标准》（GB3838－2002）规定的Ⅳ－Ⅴ类水之间。但是在河流中游进入工业园区之后，氨氮开始成为氮元素的主要形态，占氨氮硝氮之和的比例超过80%，相比硝氮只占10%左右；这说明在中下游厌氧河段，氨氮开始积累，而一部分硝氮由于反硝化作用得到了去除。这反映了中下游河段的水质开始逐渐恶化的情况。同时从中游开始，河水中氨氮指标已经劣于国标的Ⅴ类水限值2mg／L。这说明，该河流的污染在中下游河段最为突出，应该是河道治理的重点。

图3 该城市河流的氮元素变化情况

磷元素在河水中的浓度是磷元素输入和输出综合作用的结果，取决于外源输入量、水体溶解氧浓度、磷元素沉积和底泥释放等因素［15］。图4为研究河流总磷（TP）的沿程变化。从图中可以看到，该河流总磷浓度从上游至下游逐渐降低。但该河硫的总磷浓度总体仍高于《地表水环境质量标准》（GB3838－2002）Ⅴ类水限值0.4 mg／L，最低值为4号采样点的0.32 mg／L。这说明，研究河流有较高的富营养化风险，应该在河流治理中注意防范。该河流在上游湖人工湖之前河段，流经当地农村，有散落的农田和养殖业，一部分污染物可能通过地表径流进入河道，造成了上游来水总磷较高。之后由于人工湖段河面变宽及两道橡胶坝的作用，使得河水流速变缓，一部分磷可能沉积进入底泥，因此总磷浓度有沿河逐渐降低的趋势。

图4 研究对象河流的总磷变化情况

3.3 有机物指标

水体中的有机物浓度是指示水体受污染程度的重要指标。有机物的好氧降解过程，会消耗水体中的溶解氧，当有机物负荷超过河流自身承受极限后，河流逐渐进入厌氧状态，从而导致水质的进一步恶化。了解河流中的有机物浓度变化情况，能更好地评估河流的自净状态。图5显示了所研究河流的CODCr和BOD5变化情况。该河流的CODCr浓度基本上呈现出沿程逐渐增加的趋势，逐渐从14 mg／L上升至29 mg／L，最高值出现在流经工业园区的8号采样点处。CODCr指标总体处于地表水的Ⅲ－Ⅳ类水标准。而BOD5呈现出上游和下游较低，中游较高的现象。浓度范围在9.0～16.2 mg／L，最大值出现在7号采样点。BOD5指标总体处于地表水的Ⅴ类水－劣Ⅴ类。可以看到，BOD5与CODCr的比例在该河流中较高，大部分采样点占比均在40%以上。BOD5属于快速耗氧物质，在河流中一般会被微生物优先利用。BOD5有较高比例的残留，说明该河流的自净负荷已经较高。

图5 研究对象河流的CODCr和BOD5变化情况

3.4 河流景观指标

城市河流担负的一个重要功能是景观功能，因此在评价城市河流的状态时，往往也会关注其感官性水质指标的情况。表1列出了各采样点浊度、透明度和色度等感官指标的数值。从总体上来看，所研究河流的河水不够清澈，对水体的景观功能有一定影响，河水景观效果上游优于中下游。

该河流浊度相较于其他一些城市河流并不高，浊度呈现出从上游至下游逐渐降低的趋势，逐渐从16.7 NTU下降至3.6 NTU，在汇入古运河前略有回升。由于河流经过人工改造拓宽，且有橡胶坝阻拦，河流流速在中下游逐渐变缓，一部分颗粒物沉积进入底泥，这可能是浊度有所下降的原因。河流的透明度在17.5～29.8 cm之间，属于透明度较低的情况。透明度较低影响水体景观效果，在治理工作中需要进行相关考虑。而色度指标则是在河流流经工业区的河段变差，这与该河段水质恶化的情况相符。

表1 研究对象河流的浊度、透明度和色度

4 结语

（1）溶解氧、氮元素形态和有机物浓度等指标可以指示所研究的城市河流的自净状态：溶解氧降低，河道进入厌氧状态；氮元素形态变为以氨氮为主；有机物浓度升高，生物快速利用物质如BOD5比例升高等现象，都说明河流的自净状态变差，需要引起重视。

（2）各个河流自净状态指示指标之间有着密切联系。氨氮氧化和有机物分解都需要消耗溶解氧，可以看到在河流上游溶解氧浓度较高，氮元素形态以硝氮为主，有机物浓度相对较低；在河流下游由于溶解氧消耗进入厌氧状态（DO＜2 mg／L）后，氮元素形态以氨氮为主要形态，有机物浓度有所升高。

（3）作为研究对象的城市河流的自净状态并不稳定，在中下游河段形成了厌氧段，有机物和氨氮浓度较高，容易发生黑臭现象，影响河道生态环境。中下游河段应该是该城市河流治理的重点。从景观功能来看，该河流的河水不够清澈，透明度较低。

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