灃河流域水環(huán)境質(zhì)量評價及其趨勢分析

董祥芝,楊 清,李 迎

(西安工程大學 環(huán)境與化學工程學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

灃河屬于黃河流域渭河水系的一條支流,也是西安地區(qū)的第三大河流[1].第七個國家級新區(qū)——西咸新區(qū)是關中天水經(jīng)濟區(qū)的核心區(qū)域,灃渭新區(qū)是西咸新區(qū)的重要組成部分,灃河作為灃渭新區(qū)內(nèi)的重要河流,也成為重點規(guī)劃對象.將灃河改造與灃渭新區(qū)的建設結合起來,讓其成為灃渭新區(qū)的一條彰顯城市特色的“藍色多瑙河”,是灃渭新區(qū)的規(guī)劃理念之一[2].同時,灃河也是西安主要的供水河道和排污受納水體之一,其水環(huán)境質(zhì)量狀況直接影響該區(qū)域社會、經(jīng)濟、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展.因此,關注灃河水環(huán)境質(zhì)量,加強灃河流域的綜合治理與保護,是灃渭新區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的當務之急,也是貫徹落實黨的十八大提出的大力推進生態(tài)文明建設，實現(xiàn)“八水潤西安”的重要舉措,對加強西安生態(tài)保護具有重要意義.水環(huán)境質(zhì)量評價,對于正確了解水環(huán)境現(xiàn)狀,合理利用和開發(fā)水環(huán)境資源,科學預測未來水環(huán)境變化趨勢具有重要意義[3].采用模糊綜合評價方法能夠較為客觀地反映水質(zhì)的實際狀況[4-5],它將系統(tǒng)中的不確定性通過隸屬度加以量化,并確定出各污染指標的權重,已成為當前水質(zhì)綜合評價的一種常見方法.

本文通過對灃河流域的灃峪口、秦渡鎮(zhèn)、馬王鎮(zhèn)、咸陽灃河大橋、渭河入口等5個監(jiān)測斷面的水質(zhì)進行監(jiān)測調(diào)查,采用模糊數(shù)學法對其水質(zhì)進行綜合評價,測定高錳酸鉀指數(shù)、六價鉻、氨氮含量和總硬度等4個污染因子,并對其變化趨勢進行分析,為制定區(qū)域規(guī)劃、環(huán)境管理及水環(huán)境治理提供科學依據(jù),并對流域地區(qū)的健康發(fā)展提供借鑒.

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測斷面的選擇與設置

根據(jù)地面水監(jiān)測方案的制定原則[6]進行代表斷面及分析項目的選擇:灃峪口為灃河的水山口斷面,秦渡鎮(zhèn)、馬王鎮(zhèn)都有該河的水文監(jiān)測站,咸陽大橋為重大設施,渭河入口處為與干流充分匯合處,所以確定灃峪口、秦渡鎮(zhèn)、馬王鎮(zhèn)、咸陽灃河大橋、渭河入口處等5個取樣斷面.

1.2 監(jiān)測因子的選取

考慮河流的污染來源,實驗選取河流高錳酸鉀指數(shù)、六價鉻、氨氮和總硬度等必測項目的4個常規(guī)因子進行監(jiān)測.

為了使采集的水樣具有代表性,能夠反映水質(zhì)在時間和空間上的變化規(guī)律,必須確定合理的采樣時間和采樣頻次,對于較大水系的干流中小河流全年采樣不少于6次,豐、平、枯每次至少采樣兩次.實驗在灃河的平水期(9，10，11月)、枯水期(3，4，5月)兩期采樣,取樣頻率為兩周一次,監(jiān)測水樣采用綜合水樣.對每個水樣進行4個污染因子的監(jiān)測,總共為300個監(jiān)測數(shù)據(jù),然后用每個斷面每個污染因子的平均值作為評價的最終數(shù)據(jù).

1.3 水質(zhì)監(jiān)測結果

由于灃河是常年性河流,且上游支流較多，根據(jù)5個斷面6次采樣監(jiān)測結果比較,每期各監(jiān)測數(shù)據(jù)相差不大,取其平均值進行計算比較科學合理.平水期和枯水期各斷面實驗數(shù)據(jù)(平均值)見表1.

表1 平枯兩期實驗數(shù)據(jù)

1.4 水質(zhì)模糊數(shù)學評價

在地面水質(zhì)綜合評價[7-9]中,通常采用一般型水環(huán)境指數(shù)和分級型水環(huán)境指數(shù).在實際工作中采用這些指數(shù)進行綜合評價時會造成分級不夠確切.本文采用的模糊數(shù)學法[10]能彌補它們的不足,采用隸屬函數(shù)描述水質(zhì)的分級,體現(xiàn)了實際界限的模糊性,使評價結果更接近客觀實際.權重的大小是根據(jù)超標多少確定的,也比較客觀,它考慮了各項參數(shù)在總體污染中的作用差異,而且最終結果不僅能夠反映出此水體的水質(zhì)級別,還能反映出該水體對應于各級水質(zhì)的隸屬情況.

1.5 水環(huán)境容量估算及水質(zhì)趨勢分析

水環(huán)境容量概念源于環(huán)境容量,是指某一水環(huán)境單元在特定的環(huán)境目標下所能容納污染物的量,也就是指環(huán)境依靠自身特性使本身功能不至于被破壞的前提下,能夠允許的污染物的量[11].在理論上,水環(huán)境容量是環(huán)境的自然規(guī)律參數(shù)在于社會效益參數(shù)的多變量函數(shù);它反映污染物在水體中的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律,也滿足特定功能條件下水環(huán)境對污染物的承受能力.同時,對河流縱向的污染因子作水質(zhì)趨勢分析,討論各污染因子沿河道的污染程度及可能的變化趨勢.

2 結果與討論

2.1 水質(zhì)評價結果與分析

文中水質(zhì)評價所使用GB3838—2002地表水環(huán)境質(zhì)量標準,其中總硬度的標準限值采用地表水資源質(zhì)量評價技術規(guī)程(SL395—2007)中的參考限值.由實驗計算結果可得,整個灃河平枯兩期水質(zhì)均情況較好,尤其是上游河段,達到國家Ⅲ類以上水質(zhì)標準,豐水期下游水質(zhì)較差主要是是因為夏天兩岸農(nóng)田施肥等結果所致,造成氨氮的含量較高.

平枯兩期水質(zhì)隸屬級別見表2，由表2可以看出，在灃河5個監(jiān)測斷面中,灃峪口的水質(zhì)最好,平水期、枯水期水質(zhì)級別均為Ⅰ類.咸陽大橋和渭河入口監(jiān)測斷面的水質(zhì)最差,平水期、枯水期水質(zhì)級別均為Ⅲ類.灃河水體下游水質(zhì)較上游污染嚴重,最嚴重的是咸陽斷面.為保證灃河水質(zhì)良好,必須采取有效的控制措施.另外,在影響灃河水質(zhì)的各指標中,從權重的計算過程中可以看出,污染物高錳酸鉀指數(shù)和氨氮含量對水質(zhì)的影響程度相對較大,說明水體中的4個污染因子中主要污染物是高錳酸鉀指數(shù)和氨氮.

表2 平枯兩期水質(zhì)隸屬級別

2.2 容量估算及水質(zhì)趨勢

2.2.1 水環(huán)境容量估算 計算河流的環(huán)境容量所采用的水質(zhì)標準為國家地表水環(huán)境質(zhì)量標準的Ⅲ類水質(zhì)標準值見表3.4個污染因子在5個監(jiān)測斷面的平水期，枯水期的監(jiān)測計算結果如圖1～4所示.

表3 4個監(jiān)測污染因子的Ⅲ類水質(zhì)標準值mg·L-1

參數(shù)總硬度高錳酸指數(shù)氨氮六價鉻 Ⅲ級標準值35061.00.05

從圖1～4可以看出，平水期總硬度在第一段面的容量最大,第二斷面的有所減小;第三、第五斷面趨于飽和,第四段面較第三、第五斷面的容量又有所增加.高錳酸鉀指數(shù)的容量在第一段面比較大,第二、四斷面明顯減少,第三斷面基本趨于飽和,而第五段面則沒有容量,質(zhì)量濃度高于三級水質(zhì)標準;氨氮的容量在第一段面比較大,三、四、五斷面約有0.1mg/L的容量,而第二段面則沒有容量;六價鉻和氨氮的情況基本一致.枯水期的情況大致和平水期相同,平水期和枯水期的環(huán)境容量差別不大,個別斷面的個別因子平水期的容量還小于枯水期的容量,可能是因為平水期和枯水期水量不是特別明顯,平水期排污較多,人為活動較多(比如旅游、農(nóng)業(yè)等等)的原因所致.

2.2.2 水質(zhì)趨勢分析 整條河流來看,河水的水質(zhì)較好,基本滿足國家Ⅲ類標準的要求,中間河段水質(zhì)較兩頭差,主要原因可能是因為排污比較集中,具體5個斷面各污染因子濃度趨勢如圖5～8所示.

從圖5～8可以看出,總硬度隨著河流的流向逐漸升高至咸陽斷面,甚至不能達到Ⅲ級水質(zhì)標準值,到達渭河口又稍有下降.高錳酸鉀指數(shù)從灃峪口至馬王鎮(zhèn)斷面持續(xù)升高,馬王鎮(zhèn)水質(zhì)超出Ⅲ級水質(zhì)標準,然后又下降,到咸陽斷面至渭河入口又開始升高.氨氮的濃度從灃峪口到馬王鎮(zhèn)一直持續(xù)上升,到咸陽橋略有下降,之后又迅速上升,到達渭河口時水質(zhì)超出Ⅲ級水質(zhì)標準.六價鉻由灃峪口斷面上升,灃峪口斷面濃度超出Ⅲ級水質(zhì)標準,至秦渡鎮(zhèn)斷面后略有下降,到馬王鎮(zhèn)后基本呈平緩趨勢.

圖5 總硬度濃度趨勢圖 圖6 高錳酸鉀指數(shù)趨勢圖—■—平水期；—●—枯水期；——三級水質(zhì)標準

圖7 氨氮濃度趨勢圖 圖8 六價鉻濃度趨勢圖—■—平水期；—●—枯水期；——三級水質(zhì)標準

以上各污染因子的變化趨勢與其權重值進行比較,污染程度及其超標情況基本一致,進一步說明模糊數(shù)學評價中的權重計算客觀合理.

從灃河水質(zhì)及沿線情況的調(diào)查來看灃河水質(zhì)基本趨于良好,但水質(zhì)趨勢總體存在從上游到下游水質(zhì)有所下降,尤其是從秦渡鎮(zhèn)段開始河水水質(zhì)明顯趨下降趨勢,到渭河入河口處時,水質(zhì)明顯不如上游,僅達國家Ⅲ水質(zhì)標準,特別是氨氮濃度已嚴重超出Ⅲ級標準值,并有繼續(xù)上升的趨勢;而在上游尤其是靠近水源地的地方,河水水質(zhì)良好為國家Ⅰ、Ⅱ類水基本達到飲用水標準.其原因主要是灃河上游地處深山,天然林豐富,水源地受天然林庇護良好,所以上游水質(zhì)很好,且水源豐富.

灃河水質(zhì)趨勢除沿上游至下游呈下降趨勢外,還表現(xiàn)為從無人區(qū)至生活區(qū)水質(zhì)逐漸變壞的趨勢.無人區(qū)人為活動較少,所以其受人為影響也較少,水質(zhì)較好.但在河水進入人口密集的城市后河水水質(zhì)明顯下降,由一開始的國家Ⅰ類水下降為Ⅲ類水.對于其上級河流——渭河而言將會是很嚴重的污染源.

3 結論及建議

(1) 從監(jiān)測的結果看,整個河流氨氮的含量較高,尤其是渭河入口斷面達到平、枯水期別為1.08mg/L和1.1mg/L.所以要嚴格控制引起氨氮濃度增高的行為.比如禁止在河水中洗涮裝過農(nóng)藥,化肥等容器,適量使用化肥以及農(nóng)藥,來控制氨氮含量的增高.

(2) 水質(zhì)污染程度是一個模糊概念,模糊數(shù)學法采用隸屬函數(shù)劃分水質(zhì)級別,可較好的解決水質(zhì)評價中的模糊性,避免了單因子綜合評價中撘黃狽窬鰯?shù)牟缓侠硇?結果更為合理可靠,為灃河水環(huán)境綜合治理和保護規(guī)劃提供了依據(jù).

(3) 通過估算河流的環(huán)境容量,得出河流的納污能力,高錳酸鉀指數(shù)的容量在第一段面比較大,第二、四斷面明顯減少,第三斷面基本趨于飽和,而第五段面則沒有容量,濃度高于三級水質(zhì)標準;氨氮的容量在第一段面比較大,三、四、五斷面約有0.1mg/L的容量,而第二段面則沒有容量.

(4) 從整個灃河河段的水質(zhì)變化情況來看,灃河的中下游水質(zhì)較差,尤其是馬王鎮(zhèn)斷面,平枯兩期只能達到國家三級標準,所以應該減少中下游的排污總量,同時也要嚴格控制上游的排污量,對上游旅游景點等的污水排放應該采取處理,達標以后才可排放.

參考文獻：

[1] 王莉,林啟才,胥鵬海,等.灃河水污染特征及非點源污染負荷估算分析[J].水土保持學報,2012,26(4):235-238.

[2] 王莉,胥鵬海,宋濤,等.灃河水質(zhì)變化趨勢及原因分析[J]. 西北大學學報:自然科學版,2011,41(3):503-506.

[3] 鄧勃,秦建侯,李隆弟.水環(huán)境質(zhì)量模糊綜合評價中的一些問題探討[J].環(huán)境科學學報,1990,10(2):258-262.

[4] 田景環(huán),邱 林,柴福鑫.模糊識別在水質(zhì)綜合評價中的應用[J].環(huán)境科學學報,2005,25(7):950-953.

[5] 叢鑫.模糊數(shù)學在水質(zhì)評價中的應用[J].東北水利水電,2007,25(7):55-56.

[6] 孫裕生,劉秀英.環(huán)境監(jiān)測[M].3版.北京:高等教育出版社,2004:113-115.

[7] 朱偉,夏霆,姜謀余,等.城市河流水環(huán)境綜合評價方法探討[J].水科學進展,2007,18(5):736-744.

[8] 蔣深勇.模糊矩陣法在南方某河流水質(zhì)評價中的應用[J].廣西水利水電,2012,81(2):81-86.

[9] 倪彬,李旭東.岷江下游水環(huán)境質(zhì)量評價與變化趨勢分析[J].長江流域資源與環(huán)境,2010,19(2):172-176.

[10] 諶貽勝,方菊,童禎恭.模糊數(shù)學法在給水管網(wǎng)水質(zhì)評價中的應用[J].西南給排水,2011,33(3):15-18.

[11] 謝永明.環(huán)境水質(zhì)模型概論[M].北京:中國科學技術出版社,1996:16-28.