城市黑臭水体污染特征及卫星遥感识别技术

第1章 绪论 1.1 黑臭水体概述 1.1.1 城市水体黑臭现象 水是生命之源，是人居环境*重要的组成部分。城市河流、湖泊等水体作为居民生活的必需品，不仅可以提供水源、补充地下水、调节流量和温度，还可以维护生态平衡、保持城市气候、改善居住环境，对城镇的存在形态和经济发展起着非常重要的作用。而随着城市规模的不断扩大，工业发展和城市化速度的加快，工业废水和生活污水的排放量逐渐大于污水厂的处理量，越来越多的污水未经处理直排河湖，城镇水体被视为城市工业废水和生活污水等的主要排污场所。排入河道的污水远远超出其自净能力，引起水质恶化或富营养化等问题，甚至出现水体黑臭现象。此外，在城市黑臭水体治理实施之前，城市环境基础设施建设相对滞后，很多地方存在污水未经收集处理而直排环境、垃圾随处倾倒入河的现象，水体黑臭问题随之产生。随着经济的发展及人口的增长，全球范围内的水体污染问题越来越突出，引起人们的广泛关注。 随着国家工业化、城市化的发展，城市水体如英国伦敦的泰晤士河、德国鲁尔埃姆舍河、奥地利维也纳多瑙河等都出现过常年黑臭现象，但经过长期治理，均得到了改善。从历史上看，城市河流污染一直伴随着城市的迅猛发展而出现。在20世纪90年代以前，部分国家或地区仅仅追求经济的快速发展，并未重视随之产生的环境污染问题。自20世纪80年代起，随着改革开放力度的不断加大，我国社会经济进入了持续高速发展阶段。由于各地在经济发展过程中往往以牺牲环境为代价，大量工业废水经简单处理后和生活污水就近直排入河，导致许多城市河流同西方城市河流一样，走上了先污染后治理的老路（张列宇等，2016）。彼时，我国城市水体水质总体较差，特别是位于城市建成区的河道，如北京的玉带河、上海的中心河及苏州河、沈阳的细河、苏州的九龙河、济南的柳行河、深圳的茅洲河、成都的二道河、南京的秦淮河等水质急剧恶化。其中，以上海的苏州河*为典型，20世纪80年代初至21世纪初的苏州河及其10余条支流终年黑臭，鱼虾几乎绝迹，路人掩鼻。 20世纪90年代中期，随着人民生活水平的提高及经济的发展，日趋严重的河流污染问题引起了全国各地政府和公众的广泛关注，城市黑臭水体成为公众反映强烈的环境问题之一。根据1999年《中国环境状况公报》等相关资料，我国流经城市的河段普遍受到污染，141个国控城市河流断面中有63.8%为Ⅳ类到劣Ⅴ类水质，如上海的苏州河、南京的秦淮河、宁波的内河等，水体黑臭现象突出。此后，许多城市开始斥巨资开展大规模的生态环境整治，上海通过启动苏州河环境综合整治系列工程，实现苏州河的综合整治，是我国*早实施黑臭河道治理的城市。 鉴于城市治理黑臭水体的重要性和紧迫性，党中央、国务院及相关部门高度重视，接连出台了一系列政策和文件，提出了黑臭水体治理工作相关要求与行动计划等。2015年4月，国务院正式颁布了《水污染防治行动计划》（简称“水十条”），提出了到2020年，地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内；到2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除的控制性指标。 为贯彻落实“水十条”相关要求，2015年9月，住房和城乡建设部同环境保护部（现生态环境部）等部门共同制定了《城市黑臭水体整治工作指南》，指导地方组织开展城市黑臭水体整治工作，提升人居环境质量。该指南将城市黑臭水体定义为城市建成区内呈现令人不悦的颜色和（或）散发令人不适气味的水体，并提出了城市黑臭水体的分级标准与判定方法。 2016年初，为更好地实现城市黑臭水体整治工作目标，住房和城乡建设部联合环境保护部推出了“城市水环境公众参与”微信平台，据平台统计，2016年全国共有黑臭水体1945个，总长度7743.73km。其中，黑臭等级为重度的有687个，轻度的有1258个。我国城市黑臭水体的程度和范围不断加剧，不仅制约了社会经济的发展，而且影响我国在国际上的地位和形象。 1.1.2 黑臭水体的危害 河流污染*明显的表现形式是视觉上的直观改变，水体黑臭是在水体受到严重污染时出现的一种极端现象。一方面，城市黑臭水体会影响城市景观，影响城市居民的正常生活，制约城市的发展，降低河道周边的土地利用价值（丁琦，2012），威胁人类生活和健康（黄畅，2017），限制城市的生态文明发展（李勇和王超，2003；程江等，2006；吕佳佳，2011）；另一方面，过量的污染物排入水体，致使水体缺氧，造成水中的鱼类及其他水生生物非正常死亡，滋生细菌，破坏河道的生态环境，导致河流水体丧失资源功能和使用功能，人们“避而远之”。 水体污染同样会影响居民生活用水，水处理成本变高，经济损失较大。对水体而言，水产品染上恶臭气味后将无法食用，严重时将导致河流生态系统崩溃，大量水生动植物死亡，破坏了河流的旅游、疗养、饮用、养殖、游泳等用途的价值。此外，水体产生的刺鼻气味会使人烦躁、头昏脑涨、头痛、工作效率低下，使人厌食、恶心、呕吐，导致消化功能减退严重。具有刺鼻气味的硫化氢（H2S）气体浓度超过0.007mg/L时，将影响人眼对光的反射。当H2S气体浓度高于10mg/L时会刺激人的眼睛，同时会使人产生短暂性支气管收缩。头痛、发烧、智力欠佳、脑膜炎或肺炎等也是H2S吸入过多会造成的后果。当H2S气体浓度达到800～1000mg/L时，半小时内便可使人死亡。当H2S气体浓度大于1000mg/L时，能使人瞬间死亡。H2S气体具有麻痹作用，因此会比其他气体更难预防。同样具有恶臭气味的氨气（NH3）对人体危害也极大，当人暴露在NH3浓度为17mg/L的环境中超过7h，其呼吸频率会下降。人们长期受黑臭水环境影响很有可能会产生“致畸、致癌、致突”的严重后果（王宇，2010）。 黑臭水体周边居民长期关闭窗户，被迫佩戴口罩出行，对呼吸道健康产生不良影响。在臭味弥漫的环境中，人很容易产生不良反应，如心情烦躁、头晕恶心、呕吐等，情况严重时，会损害中枢神经、大脑皮层的兴奋和调节功能，*终失去嗅觉。 综上，黑臭水体不仅限制了城市的发展，对居民的身体及心理均造成不利影响，全面整治黑臭水体成为势之所趋。 1.1.3 水体黑臭的机理 “黑臭”的定义为：从肉眼观测角度上讲是指水体呈现黑色或者泛黑色，从嗅觉角度来说是指水体散发出的气味，对人体嗅觉器官产生刺激，令人感到不悦、烦躁（卢信等，2012）。水体黑臭是物理、化学、生物作用综合作用产生的现象（Lazaro，1979；吕佳佳，2011；卢信等，2012）。 河道水体发臭的*主要原因是水中微生物分解有机质释放出带有臭味的气体。其中有机碳、有机氮和有机磷是主要致臭污染物，常见的发臭物质主要有厌氧细菌产生的甲硫醇（CH3SH）、H2S和NH3，好氧细菌产生的土臭味素（geosmin）和2-甲基异莰醇（2-MIB）（张列宇等，2016）。污废水排放挟带的有机质进入水环境后会使水体的性状发生巨大变化，其中有机污染物包括有机碳化合物［化学需氧量（COD）和生化需氧量（BOD）］、有机氮化合物以及有机磷化合物，典型代表包括糖类、蛋白质、脂类等。当大量含碳有机质排入水体时，微生物会迅速繁殖，好氧微生质分解有机质消耗大量氧气，使得水体的耗氧量大于复氧量，水体呈现缺氧状态，自净作用受到限制（王旭等，2016）。此时，厌氧微生物大量繁殖且在缺氧的条件下将有机质分解为难溶于水的臭味气体，气体逸出水面进入大气环境（于玉彬和黄勇，2010），致黑物质保留在水体中使水体发黑；当大量氮磷有机质排入水体时，只要温度适宜，厌氧微生物或者好氧放线菌都可以分解有机质释放出臭味气体。除此之外，以油脂为代表的有机质因密度小于水，进入水环境后会漂浮在水面，进一步阻碍水气交换，加重水体缺氧情况。根据微表层油膜漂浮物实验结果，微表层的有机漂浮物对于水体溶解氧（DO）含量有明显抑制作用（包蓉和刘本洪，2016）。 水体中的致黑物质可以分为两种：一种是以固态或吸附于悬浮颗粒上的形式存在于水体中的不溶性物质；另一种是可溶于水的带色有机化合物。河道水体发黑的*主要原因是水体中不溶的黑色悬浮颗粒物在气体的作用下上浮，部分重金属如Fe、Mn在缺氧条件下被还原，形成有色金属化合物（刘国锋等，2009，2010；申秋实，2011；Gui et al.，2011）。 工业废水、生活污水以及冷却水等废水排入自然水体后会导致水体局部区域水温升高，水中DO含量降低。吕佳佳等（2014）对黑臭水体形成条件的研究结果表明，水体的色阈值（CH）和臭阈值（OT）均随温度的升高而升高，当水温达到25℃时会引起水体的黑臭现象，在水温30℃时CH和OT达到*大。当温度低于8℃或高于35℃时，放线菌对于底泥以及水体黑臭现象基本没有贡献，而在25℃条件下其生命活动*活跃，因而对水体黑臭的贡献也*大（Wood et al.，1983）。 综上，城市黑臭水体形成的主要原因如下：有机质（徐风琴和杨霆，2003）和无机物的污染（罗纪旦，1987）、底泥的再悬浮（应太林等，1997；张丽萍等，2003）、溶解氧（芮正琴，2017）、温度（Wood et al.，1983）、Fe、Mn重金属的污染（Noblet et al.，1999）等。另外，水体流动不畅、流速降低以及河床河岸硬质化等问题均可能导致水体黑臭现象。张敏和杨芹伟（2004）在对上海黑臭水体的研究中指出，黑臭水体产生的重要原因是河道淤积、流速降低引发的植物爆发式生长，进一步阻碍了该区域的水动力条件。同时，河道与河岸的硬质化也使得水土物质交换出现障碍，影响了正常的水循环，加重了水体黑臭的情况（张敏和杨芹伟，2004）。除水体自身条件外，外界对水体的扰动也可能引起水体黑臭，如船只航行等。 水体黑臭的成因如图1-1所示。水体中需氧生物的生命活动以及大量还原物质的氧化消耗水体中富含的氧，降低了水体中的氧含量。在水体底部（下覆水体和底泥）缺氧层中，SO2-4作为电子受体，被硫酸盐还原菌逐步还原为S2-（卢信等，2012）。同时，Fe、Mn等金属离子亦被其他微生物还原为Fe2+、Mn2+等还原态离子（于玉彬等，2012），底部的S2-与Fe2+、Mn2+等金属离子结合生成的金属硫化物随着水体扰动被释放并悬浮于上覆水体，导致水体变黑（Wang et al.，2014）。与此同时，含硫蛋白质厌氧分解生成的硫醇、硫醚类物质（卢信等，2010），被以放线菌为主的微生物代谢，产生2-甲基异茨醇与土臭味素（Song et al.，2017）。此外，藻类裂解释放的β-紫罗兰酮等（Wang et al.，2014）致嗅物质逸散出水体，引起水体变臭。 图1-1 水体黑臭成因示意 1.2 黑臭水体的分级与判定 1.2.1 水质指标的测定方法 黑臭水体采用的水质指标测定方法见表1-1。表1-1城市黑臭水体污染程度分级标准特征指标（单位）轻度黑臭重度黑臭测定方法备注透明度/cm10～25*15纳氏试剂光度法或水 杨酸-次氯酸盐光度法水样应经过0.45μm 滤膜过滤*水深不足25cm时，该指标按水深的40%取值。 注：相关指标分析方法参见《水和废水监测分析方法（第四版）》 1.2.2 黑臭水体的分级标准 《城市黑臭水体整治工作指南》对城市黑臭水体进行分级与判定，根据不同的黑臭程度，将黑臭水体具体细分出两个等级：“轻度黑臭”和“重度黑臭”（林培，2015）。 把溶解氧、透明度(SD)、氨氮(NH+4-N)和氧化还原电位(ORP)作为城市黑臭水体的分级评价指标，测定方法和分级标准见表1-1。 1.2.3 黑臭水体级别判定