渾太河流域水環(huán)境質(zhì)量綜合分析與評價

李艷利, 李艷粉, 徐宗學(xué)

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 河南 焦作 4540000; 2.北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院水沙科學(xué)教育部重點實驗室, 北京 100875; 3.焦作大學(xué) 化工與環(huán)境工程學(xué)院, 河南 焦作 454000)

渾太河流域水環(huán)境質(zhì)量綜合分析與評價

李艷利1,2, 李艷粉3, 徐宗學(xué)2

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 河南 焦作 4540000; 2.北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院水沙科學(xué)教育部重點實驗室, 北京 100875; 3.焦作大學(xué) 化工與環(huán)境工程學(xué)院, 河南 焦作 454000)

以渾太河流域為研究對象，選取流域88個監(jiān)測站點，在2009，2010，2012年對河流高錳酸鹽指數(shù)、總氮、氨氮、總磷等9項指標(biāo)進行監(jiān)測，并對河流水質(zhì)的時空異質(zhì)性進行了分析。選擇高錳酸鹽指數(shù)、總氮、氨氮和總磷作為主要評價因子，采用單因子和綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對該地區(qū)主要河流水污染特征進行分析及評價。結(jié)果表明，水質(zhì)因子具有明顯的時空異質(zhì)性。單因子評價結(jié)果表明，非汛期總氮和氨氮為主要污染物，汛期總磷和總氮為主要污染物，非汛期的水質(zhì)狀況較汛期好，說明非點源是造成其污染的主要原因。河流水質(zhì)綜合評價中，小湯河上游、太子河南支、太子河北支所有點位的水質(zhì)評價結(jié)果均為最好。所有站點中，海城河的支流(五道里河、運梁河、南沙河下游)區(qū)域的水質(zhì)最差，達到劣Ⅴ類水質(zhì)，且出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象。研究結(jié)果對指導(dǎo)渾太河流域水污染防治及水資源管理具有重要意義。

渾太河流域; 水質(zhì)評價; 水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法; 水環(huán)境質(zhì)量

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速推進，越來越多的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污染排放物伴隨著地表徑流過程進入到河流中，引起地表水質(zhì)不斷惡化[1-2]。世界上幾乎所有的江河湖泊均遭受氮、磷以及泥沙污染的嚴重影響。因此，對河流水質(zhì)進行評價對于水環(huán)境污染治理具有重要的指導(dǎo)意義，且可通過水質(zhì)評價識別某些影響水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵因子。典型的水質(zhì)評價方法包括模糊數(shù)學(xué)評價法[3-6]、灰色系統(tǒng)評價法[7-8]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法[9-11]、物元分析法[12-14]、單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法[15]、綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法[16]等。其中單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法和綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法是由同濟大學(xué)徐祖信提出的，在中國水污染評價方面應(yīng)用效果良好。其不僅能實現(xiàn)對水質(zhì)的定性評價，也能對水質(zhì)進行定量評價，實現(xiàn)對同類的劣Ⅴ類水質(zhì)進行評價，并判斷河流水體是否黑臭，還可根據(jù)水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)判斷其水質(zhì)是否達標(biāo)。

渾太河是遼河流域的子流域，位于遼寧省中南部，流域周邊超標(biāo)污廢水任意排放，引起河流水環(huán)境質(zhì)量的惡化。2001—2006年，太子河各年度均為劣Ⅴ類水質(zhì)，氨氮濃度為2.15～2.73 mg/L，化學(xué)耗氧量為21.9～25.5 mg/L。渾河為劣Ⅴ類水質(zhì)，氨氮濃度超標(biāo)了2.0倍。2007年流域COD，NH3-N，TP，TN污染物入河量分別達2.55×105，2.7×104，3.0×104，3.9×104t。全河段NH3-N年均濃度為2.96～5.04 mg/L，超過Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的0.5～1.5倍[17]。因此，水環(huán)境污染依然是制約渾太河流域目前所面臨的主要問題，目前關(guān)于渾太河全流域的水質(zhì)評價研究極少，因此，本文以渾太河流域為研究對象，基于2009年8月，2010年6月和2012年6月3 a不同季節(jié)的實地監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于二級水生態(tài)分區(qū)對水質(zhì)的差異性進行分析[18]，在此基礎(chǔ)上，采用單因子和綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對河流水質(zhì)狀況進行評價，了解河流的污染特征，以期為渾太河流域水環(huán)境治理提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

渾太河流域是遼河的子流域(40.45°—42.30°N，122.00°—125.30°E)，面積為2.73×104km2，其水系發(fā)源于長白山脈，形成渾河和太子河兩條河流。兩條河流在三岔河附近交匯，稱為大遼河。大遼河長96 km，在遼寧營口市入渤海。渾河發(fā)源于遼寧省清源縣滾馬嶺西南麓，流經(jīng)清源縣中部、新賓縣北部、撫順、沈陽市區(qū)、燈塔、遼中、遼陽三縣邊界，渾河全長368 km，流域面積1.15×104km2。渾河多年平均降水量為680.3 mm，降水在年內(nèi)分配很不均勻，其中7—8月降水量占全年降水量的47%。太子河發(fā)源于撫順新賓縣紅石砬子，向西流經(jīng)新賓縣、本溪縣、本溪市、遼陽縣、遼陽市、海城市，河長464 km[19]，年平均徑流量26.86億m3，流域面積1.39×104km2，太子河流域的降水量為655～954 mm，呈現(xiàn)東高西低的趨勢。在本溪上游有觀音閣水庫，在遼陽市上游有葠窩水庫。根據(jù)遼河流域的地貌特征(高程、坡度)、年均降水量空間分布、土地利用類型、NDVI和水系分布情況將遼河流域分為8個水生態(tài)二級區(qū)[20]。其中渾太河流域劃分為2個二級水生態(tài)區(qū)，分別定義為Ⅳ—1和Ⅳ—2區(qū)。其中Ⅳ—2區(qū)是高海拔區(qū)域，屬于林地為主的區(qū)域，而Ⅳ—1區(qū)是中低海拔區(qū)域，屬城市農(nóng)業(yè)用地為主的區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)收集與分析

1.3水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法

綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)是由1位整數(shù)和3～4位小數(shù)組成，它完整標(biāo)識了綜合水質(zhì)類別、水質(zhì)情況以及與是否達到水環(huán)境功能區(qū)類別的判別等信息[15]。它的優(yōu)點是既參照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水質(zhì)類別進行比較，又考慮了對水質(zhì)污染程度的比較，可以對河道綜合水質(zhì)進行定性和定量的綜合評價。水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)方法主要包括單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的計算[16]，綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)(Iwq)計算及水質(zhì)等級確定三個步驟。首先，進行單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的計算；第二步進行綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)(Iwq)計算；最后是水質(zhì)等級的確定。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)時間變異趨勢分析

從Kruskal-Wallis非參數(shù)檢驗法的結(jié)果(見表1)可以看出：pH(p=0)，SS(p=0)，NO3-N(p=0)，TP(p=0)，TDS(p=0.001)在汛期和非汛期具有顯著的時間差異。除DO外，濃度最高值均出現(xiàn)在非汛期。可能是因為汛期期間的采樣點位遠遠少于非汛期。

表1 水質(zhì)時空變異顯著性結(jié)果

2.2 水質(zhì)空間變異趨勢

圖2 水質(zhì)指標(biāo)的空間分布特征

2.3 水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的分布特征

2.3.1 主要污染物分析 通過計算汛期和非汛期4個評價指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)平均值，可以得出這些平均值的變化趨勢(圖3)。非汛期總氮和氨氮為主要污染物，總磷和高錳酸鹽次之。這種情況屬于富營養(yǎng)化，總氮的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)(Pi)的范圍是2.30～17.31 mg/L，平均值為6.07 mg/L。氨氮的Pi值范圍是1.2～16.31 mg/L，平均值為3.90 mg/L。在所有監(jiān)測點中，總氮和氨氮濃度最高的3個采樣點分布在五道里河，運梁河和南沙河。總氮的濃度分別超出《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)中Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(2.0 mg/L)的9.78，12.39，7.16倍。氨氮的濃度值分別超出Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(2.0 mg/L) 4，3.09，5.07倍。

汛期總氮和總磷為主要污染物，氨氮和高錳酸鹽指數(shù)次之。總氮的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)(Pi)的范圍是3.06～6.51 mg/L，平均值為5.17 mg/L。總磷的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)(Pi)的范圍是2.21～8.66 mg/L。平均值為6.18 mg/L。在所有監(jiān)測點中，總磷濃度最高的2個采樣點是清原縣門坎啃村和新賓縣穆家河北村，總磷的濃度值分別超出Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(0.4 mg/L)的3.66，2.58倍。總氮的濃度值分別超Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(2 mg/L)的1.51，1.2倍。

非汛期以總氮為評價指標(biāo)計算的單項水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)略高于汛期，非汛期總氮評價的水質(zhì)類別屬于劣Ⅴ類的點位占所有采樣點的50%，而汛期水質(zhì)類別屬于劣Ⅴ類的點位占所有采樣點的26.67%，且以城鎮(zhèn)和農(nóng)業(yè)為主要用地類型的區(qū)域總氮均屬于劣Ⅴ類水質(zhì)。汛期以總磷為評價指標(biāo)計算的單項水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)遠高于非汛期，汛期總磷水質(zhì)類別屬于劣Ⅴ類的點位占所有采樣點的78.57%。說明總氮和總磷具有典型的非點源污染特征。綜上，總氮、總磷是渾太河流域水環(huán)境的主要污染因子，污染來源可能是流域農(nóng)藥，化肥的過度施用，導(dǎo)致未被吸收利用的氮磷等隨著農(nóng)業(yè)徑流進入水體。

圖3 非汛期及汛期單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)

2.3.2 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)分布特征 根據(jù)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)(Iwq)和等級判別標(biāo)準(zhǔn)，不同水文期各站點的水質(zhì)等級已經(jīng)確定(圖4)。非汛期的Iwq平均值是3.950，汛期的Iwq平均值是4.188，總體來說非汛期的水質(zhì)狀況較汛期好。

圖4 不同季節(jié)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)變化

注：T1—T43，L1—L5表示非汛期太子河流域的采樣點位；H1—H24表示非汛期渾河流域的采樣點位；S38—S50，表示汛期渾太河流域的采樣點位。

從全流域的綜合水質(zhì)狀況來看(圖5)，非汛期，Ⅰ類水質(zhì)有4個點位，Ⅱ類水質(zhì)共有28個點位，Ⅲ類水質(zhì)共有28個點位，Ⅳ類水質(zhì)共有6個點位，Ⅴ類水質(zhì)共有9個點位，劣Ⅴ類水質(zhì)有13個點位，分別占采樣點的4.55%，31.82%，31.82%，6.82%，10.23%，14.77%。其中，屬于劣Ⅴ類且黑臭的點位有5個，分布在海城河的支流(五道里河、運梁河、南沙河下游)。屬于劣Ⅴ類但不黑臭的點位有7個，分布在沈陽段的蒲河以及渾河、鞍山段的太子河干流下游區(qū)域。這些采樣點的共同特征是屬于城市農(nóng)業(yè)河段，接收了大量的工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)徑流。而Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ類水質(zhì)主要分布于渾河的源頭區(qū)域(撫順清原和新賓縣境內(nèi)的蘇子河和洪河)，太子河南支、北支、湯河、小湯河、細河、蘭河的上游區(qū)域，這些區(qū)域位于山區(qū)，人口密度較低，污染可能主要來自生活污水和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)均分布在城市農(nóng)業(yè)河段，主要位于鞍山、海城、沈陽境內(nèi)的河段。綜上，Ⅳ—2區(qū)采樣點水質(zhì)明顯好于Ⅳ—1區(qū)。

汛期，采樣結(jié)果最好的為Ⅲ類水質(zhì)，包括了4個采樣點，分別位于渾河源頭區(qū)的新賓蘇子河和太子河小湯河、二道河。Ⅳ類和Ⅴ類水質(zhì)的采樣點分別有9個和1個，Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類水質(zhì)分別占采樣點的28.57%、64.29%和7.14%，水質(zhì)評價結(jié)果沒有明顯的空間差異性。

圖5 綜合水質(zhì)評價類別分布

除了T21點位的河流健康狀況較差外，小湯河上游、太子河南支、太子河北支所有點位的水質(zhì)評價結(jié)果均為最好的。因為該區(qū)域海拔相對較高，人為干擾程度相對較輕，水質(zhì)狀況和棲息地環(huán)境質(zhì)量狀況也較好。太子河流域從觀音閣水庫往下游，隨著農(nóng)業(yè)和城市用地面積比例的增加，點位的水質(zhì)狀況也逐漸下降。渾河流域源頭區(qū)域的水質(zhì)狀況多為一般，有個別點位較差，而渾河流域從大伙房水庫往下游的點位的健康狀況大多劣于Ⅴ類，這個區(qū)域河流水環(huán)境質(zhì)量也是全流域最差的。整體上看出渾河的支流健康狀況要好于干流。

3 討 論

水環(huán)境質(zhì)量綜合分析與評價表明，氮、磷等水質(zhì)指標(biāo)具有較顯著的空間差異性，且氮素空間差異性較磷素更為顯著。說明地形地貌等自然因素和土地利用的差異等人類活動對水環(huán)境質(zhì)量影響顯著。高海拔山區(qū)，人口密度較低、工業(yè)企業(yè)較少、且林地比例較高，水環(huán)境質(zhì)量相對較好。單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法分析表明，非汛期總氮和氨氮是主要污染物，且其高濃度值主要集中在渾河和太子河干流的中下游區(qū)域。可能是干流中下游區(qū)域主要受人類活動影響，城市生活污水和工業(yè)企業(yè)點源排放量均顯著增加，也充分說明了氨氮主要受人類活動影響。汛期總氮和總磷是主要污染物，且汛期總磷濃度值顯著高于非汛期。說明磷素具有典型的非點源污染特征，污染來源可能是流域農(nóng)藥、化肥的過度施用，導(dǎo)致未被吸收利用的磷素隨著農(nóng)業(yè)徑流進入水體。

從全流域的綜合水質(zhì)狀況來看，水質(zhì)一般，且非汛期的水質(zhì)狀況較汛期好。太子河流域從觀音閣水庫往下游，隨著農(nóng)業(yè)和城市用地面積比例的增加，點位的水質(zhì)狀況呈逐漸下降的趨勢。渾河流域源頭區(qū)域的水質(zhì)狀況多為一般，有個別點位為較差，而渾河流域從大伙房水庫往下游的點位大多屬于劣Ⅴ類，這個區(qū)域河流水環(huán)境質(zhì)量也是全流域最差的。整體上說渾河的支流健康狀況要好于干流。渾太河干流中下游區(qū)域的水質(zhì)狀況要差于支流，也充分說明人類活動(城市生活污水和工業(yè)點源)對水環(huán)境質(zhì)量的影響顯著。土地利用的合理配置對水環(huán)境質(zhì)量的改善也發(fā)揮著重要作用，林地為主導(dǎo)用地類型的Ⅳ—2區(qū)水質(zhì)狀況明顯好于農(nóng)田和城鎮(zhèn)用地為主導(dǎo)用地類型的Ⅳ—1區(qū)。

總之，渾太河中下游干流和支流受城市化的影響非常明顯。對氨氮而言，應(yīng)以重點防止點源污染為主，對總磷應(yīng)以非點源污染控制為主，支流的水肥合理利用應(yīng)得到推廣。且關(guān)于點源和非點源污染區(qū)的界定和來源識別與負荷量是流域N源污染的研究重點。

4 結(jié) 論

(1) 對水環(huán)境質(zhì)量因子的時空變異性分析，pH，SS，NO3—N，TP，TDS濃度在汛期和非汛期具有顯著的時間差異。除了pH與DO外，所有水質(zhì)因子濃度空間變異性均較顯著。說明水體理化因子易受人類活動影響，人類活動對不同河流影響的差異性導(dǎo)致了水質(zhì)因子的空間差異性。

(2) 根據(jù)單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法的評價結(jié)果，非汛期總氮和氨氮為主要污染物，總磷和高錳酸鹽次之。汛期總磷和總氮為主要污染物，氨氮和高錳酸鹽次之。

(3) 根據(jù)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法的評價結(jié)果，非汛期的水質(zhì)狀況較汛期好。且小湯河上游、太子河南支、太子河北支所有點位的水質(zhì)評價結(jié)果均為最好。海城河的支流(五道里河、運梁河、南沙河下游)區(qū)域的水質(zhì)評價結(jié)果最差。

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AnalysisandAssessmentofWaterQualityinHuntaiRiverBasin

LI Yan-li1,2, LI Yan-fen3, XU Zong-xue2

(1.CollegeofResources&Environment,He′nanPolytechnicUniversity,Jiaozuo,He′nan454000,China;2.CollegeofWaterSciences,BeijingNormalUniversity,KeyLaboratoryofWaterandSedimentSciences,MinistryofEducation,Beijing100875,China; 3.CollegeofChemicalandEnvironmentEngineering,JiaozuoCollege,Jiaozuo,He′nan454000,China)

Huntai River basin; water quality assessment; water quality identification index; water quality

2014-01-03

：2014-02-09

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目(14B170015);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2008ZX07526-001-001);河南理工大學(xué)博士基金項目(72103/001/009)

李艷利(1979—),女,河南省焦作市人,講師,博士,主要研究方向為生態(tài)水文。E-mail:liyanli@hpu.edu.cn

X824

：A

：1005-3409(2014)04-0173-06