寧夏引黃灌區排水溝水環境質量及其影響因素

鄭 燦, 楊子超, 邱小琮, 尹 亮, 李延林

(1.寧夏大學 土木與水利工程學院, 寧夏 銀川 750021; 2.寧夏大學 生命科學學院, 寧夏 銀川 750021)

寧夏引黃灌區是中國4大自流古老灌區之一，該區段引黃灌溉已有約2 000 a的歷史[1]。在灌區內部，大小排水溝近200條，主要排水干溝有32條，每年排入黃河約2.50×109m2的水量[2]。寧夏引黃灌區各排水溝最初主要用于農田灌排水或降低淺層地下水位，但最近幾年許多排水溝同時變成了排污溝，接納了大量生活污水以及工農業廢水，在匯入溝內污水量增加的同時，污染物的種類和濃度也逐漸增加[2-3]。由于排水溝地處引黃灌區，又是農田灌溉排水的主要輸送廊道，同時也是農業非點源污染物運輸和遷移主要途徑，因此，農業面源污染也成為了影響排水溝的重要污染源[4]。寧夏引黃灌區主要排水溝的排水情況詳見表1。目前，劉國強等[2]對寧夏引黃灌區農田退水污染、農業生產污染源頭和污染負荷結構及現狀進行了分析；張愛平等[3]分析了黃河寧夏段監測斷面和引黃灌區典型排水溝的水質情況；邱小琮等[5]分析了寧夏農業面源污染的主要影響因子；張學軍等[6]對寧夏引黃灌區特定時期氮和磷的流失進行了研究。然而關于社會經濟指標對引黃灌區排水溝影響程度還未進行深入研究。排水溝是城市地表水環境的重要組成，水質好壞直接影響著城市形象和黃河寧夏段水質，進行綜合治理，勢在必行[7]。本研究在搜集排水溝2009—2015年水環境因子指標基礎上，運用綜合污染指數、相關分析和灰關聯法，以地級市為單位研究排水溝綜合污染指數與社會經濟指標之間的相關性以及影響水質的主要指標，旨在為排水溝水體污染綜合整治提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 數據采集

按照引黃灌區排水溝在寧夏回族自治區的位置，分別收集中衛市、吳忠市、銀川市、石嘴山市的各項社會經濟指標的原始數據，數據來源于2009—2015年寧夏各類統計年鑒、水資源公報；水質評價因子數據取自《寧夏回族自治區環境狀況公報》。由于四二干溝、銀新干溝、靈武東溝、吳忠南干溝、吳忠清水溝、第3和5排水溝匯入黃河口、第1排水溝、第4排水溝、銀川中干溝、銀川永二干溝、吳忠羅家河為寧夏入黃13條重點排水溝，也能代表其他排水溝的特性，因此，選擇這些主要的排水溝作為研究對象(表1)。

表1 寧夏引黃灌區主要排水溝的排水情況

注：排水結構為農耕退水、工業廢水和城鎮生活污水混合；排水特點為季節性排水，時間集中在4與11月份。

1.2 水環境因子數據選取和預處理

由于水質各個指標的類型和量綱不同，各個指標之間不具有可比性，因此在評價的時候要對水質評價的分級標準和待評價水質監測數據進行無量綱化處理[8]。本文采用極差變換方法[9]對數據進行無量綱化處理及消除數值數量級差別，再將原始數據進行處理。為了得出更為準確的綜合污染指數，以便更好得進行相關性和灰關聯分析，則選取高錳酸鹽指數、化學需氧量、氨氮、生化需氧量、揮發酚、總磷、氟化物、氰化物、硫化物作為評價因子。

1.3 社會經濟指標的選取

社會經濟指標選擇與水質密切相關的農業耗水量、農業人口、化肥使用量、農業總產值、林業產值、牧業產值、漁業產值、工業總產值、工業廢水排放總量、城鎮生活污水排放量作為影響排水溝水質的因素。

1.4 綜合污染指數法

綜合污染指數法是對各污染指標的相對污染指數進行統計，得出代表水體污染程度的數值，來確定研究水體的污染程度[10]。求綜合污染指數需要先對單項污染指數進行求解。

水質單項污染指數(pij)計算方法為[11]：

Pij=Cij/Sij

(1)

對于pH值，

Pij=(Cij-7.0)/(8.5-7.0) (pH≥7.0)

(2)

或，Pij=(7.0-Cji)/(7.0-6.5) (pH≤7.0)

(3)

當Pij<1時，表示水體未污染；當Pij>1時，表示水體污染。具體數值直接反映污染物超標程度[12]。

綜合污染指數法的計算公式為：

(4)

綜合污染指標評價分級詳見表2。

表2 綜合污染指標評價分級

1.5 相關分析

計算社會經濟指標與排水溝綜合污染指數之間的相關系數，并進行分析討論。

1.6 灰關聯法

灰關聯法就是以各排水溝為母序列，影響因子為子序列，計算各排水溝與影響因子的關聯度，根據關聯度的大小確定影響因子的作用大小[13-14]。

1.7 數據處理

數據處理采用DPS統計軟件進行。

2 結果與分析

2.1 寧夏引黃灌區主要排水溝水質狀況

寧夏引黃灌區主要排水溝水質類別(2009—2015主要的水質類別)及主要污染指標詳見表3。排水溝的水質類別主要以劣Ⅴ類為主，主要污染指標為氨氮、總磷、化學需氧量、生化需氧量等。由于第1排水溝和羅家河的治理效果突出，水質好轉，水質類別分別為Ⅲ類和Ⅳ類，且羅家河的污染指標主要以氨氮為主。

表3 寧夏引黃灌區主要排水溝的水質狀況

2.2 水質綜合污染指數

水質綜合污染指數的高低直接反映水體質量的好壞，當綜合污染指數越高，水質越差；綜合污染指數越低，水質越好。從圖1可以看出，吳忠南干溝水質總體上呈逐年轉好趨勢，2010—2011年為好轉的最快時期；吳忠清水溝水質總體上也呈好轉趨勢，僅在2009—2010年突然惡化，且在2010年達到污染最嚴重時期；銀新干溝水質在2009—2012年呈穩步轉好趨勢，卻在2012—2013年突然惡化，在2013年到達污染最嚴重時期，之后又呈轉好趨勢。其他排水溝水質變化趨勢較平穩，沒有明顯的變化。

圖1 綜合污染指數變化趨勢

2.3 排水溝綜合污染指數與社會經濟指標的相關分析

2.3.1 銀川市排水溝綜合污染指數與社會經濟指標的相關分析 由表4可以看出，四二干溝、銀新干溝和永二干溝與社會經濟指標之間相關關系不顯著。靈武東溝與農業總產值和工業總產值之間呈極顯著正相關；與牧業產值和漁業產值之間呈顯著正相關；與農業耗水量之間呈顯著負相關；與其他指標相關關系不顯著。中干溝與化肥使用量、林業產值和工業廢水排放總量之間呈極顯著正相關；與漁業產值和工業產值之間呈極顯著負相關；與農業耗水量和城鎮生活污水排放量之間呈顯著正相關；與農業總產值之間呈顯著負相關；其他指標相關關系不顯著。

表4 銀川市的排水溝綜合污染指數與其社會經濟指標相關系數矩陣

注：*,**分別表示顯著相關和極顯著相關。下同。

2.3.2 吳忠市排水溝綜合污染指數與社會經濟指標的相關分析 由表5可知，南干溝與工業廢水排放總量之間呈極顯著正相關；與農業總產值、林業產值、漁業產值、工業總產值之間呈極顯著負相關；與其他指標相關關系不顯著。清水溝與工業廢水排放總量之間呈極顯著正相關；與工業總產值之間呈極顯著負相關；與農業總產值、林業產值和漁業產值之間呈顯著負相關；與其他指標相關關系不顯著。羅家河與農業耗水量之間呈極顯著正相關；與其他指標相關關系不顯著。

表5 吳忠市的排水溝綜合污染指數與其社會經濟指標相關系數矩陣

2.3.3 中衛市排水溝綜合污染指數與社會經濟指標的相關分析 由表6可知，第1排水溝與農業總產值之間呈極顯著正相關；與工業總產值之間呈極顯著負相關；與其他社會經濟指標之間相關關系不顯著。第4排水溝與農業人口、化肥使用量、林業產值、牧業產值、城鎮生活污水排放量之間呈極顯著負相關；與漁業產值之間呈顯著相關。

表6 中衛市的排水溝綜合污染指數與其社會經濟指標的相關系數矩陣

2.3.4 石嘴山市排水溝綜合污染指數與社會經濟指標的相關分析 由表7可知，第3,5排水溝匯入黃河口綜合污染指數與經濟社會指標相關關系不顯著。

表7 石嘴山市的排水溝綜合污染指數與其社會經濟指標相關系數矩陣

2.4 排水溝綜合污染指數與影響因子的灰關聯分析

灰色關聯法分析中，關聯度越高，表明排水溝水質受社會經濟指標的影響程度越高，以此來判定其主要影響因子。

2.4.1 銀川市排水溝綜合污染指數與影響因子的灰關聯分析 銀川市的排水溝綜合污染指數與影響因子的關聯度和排列順序詳見表8。影響四二干溝水質主要影響因子依次為漁業產值、工業總產值等；影響銀新干溝水質主要影響因子依次為農業耗水量、化肥使用量等；影響靈武東溝水質主要影響因子依次為漁業產值、農業總產值；影響永二干溝水質主要影響因子依次為農業耗水量、工業廢水排放總量等。由于中干溝的數據過少，因此不能用DPS進行關聯度的計算。

表8 銀川市的排水溝綜合污染指數與影響因子的關聯度和排列順序

2.4.2 吳忠市排水溝綜合污染指數與影響因子的灰關聯分析 吳忠市的排水溝綜合污染指數與影響因子的關聯度和排列順序詳見表9。由表9可知，影響吳忠南干溝和吳忠清水溝水質主要影響因子依次為工業廢水排放總量、農業人口等；影響吳忠羅家河水質主要影響因子依次為農業人口、牧業產值等。

表9 吳忠市的排水溝綜合污染指數與影響因子的關聯度和排列順序

2.4.3 中衛市排水溝綜合污染指數與影響因子的灰關聯分析 中衛市的排水溝綜合污染指數與影響因子的關聯度和排列順序詳見表10。

表10 中衛市的排水溝綜合污染指數與影響因子的關聯度和排列順序

從表10可以看出，影響第1排水溝水質主要影響因子依次為牧業產值、工業廢水排放總量等；影響第4排水溝水質主要影響因子依次為工業廢水排放總、城鎮生活污水排放量等。

2.4.4 石嘴山市排水溝綜合污染指數與影響因子的灰關聯分析 石嘴山市的排水溝綜合污染指數與影響因子的關聯度和排列順序詳見表11。由表11可知，影響第3，5排水溝匯入黃河口水質主要影響因子依次為農業耗水量、工業廢水排放總量等。

3 討論與結論

從綜合污染指數、相關性及關聯度分析結果來看，吳忠南干溝水質呈現逐年好轉趨勢，可能主要由于對造紙廠、包裝廠等工廠的廢水排放總量進行了控制，強化對企業主要污染物控制。銀新干溝水質急劇惡化，可能主要由于農田退水和化肥使用量急劇增加，大多數畜禽養殖固廢和污水沒有處理設施，大量營養物質和殘留農藥隨農田退水進入排水溝。因此，控制因農業面源污染引起的排水污染對保障銀新干溝水質有現實迫切性。由于造紙廠等工廠排入清水溝的工業廢水增多，工業廢水排放總量增加，導致吳忠清水溝水質急劇惡化。其他排水溝的綜合污染指數變化趨勢較平穩，且水質總體狀況較好。總體上，排水溝的水質變化趨勢受農業生產和工業生產的影響較大。

表11 石嘴山市的排水溝綜合污染指數與影響因子的關聯度和排列順序

在銀川市排水溝中，中干溝較其他排水溝與社會經濟指標相關性較高，其中與化肥使用量的相關系數高達0.998。在吳忠市排水溝中，南干溝和清水溝與社會經濟指標的相關性比羅家河較高。在中衛市排水溝中，第4排水溝與社會經濟指標相關性較高。石嘴山市的排水溝與社會經濟指標的相關性都普遍較低，與漁業產值的相關性最高，僅達到0.666。以地級市為單位，綜合污染指數與社會經濟指標相關性大小排序依次為吳忠市、銀川市、中衛市、石嘴山市。

原因解析上，根據分析結果來看，可能由于中干溝途經人口較密集區，接納了銀川市大量的工農業廢水和生活污水；南干溝與第4排水溝分別沿途接納了其所在地級市的大量的工業廢水和生活污水。因此，這幾個排水溝與所在地級市經濟社會指標的相關性比其他排水溝較高。從區域的角度來看，銀川市、吳忠市和中衛市污染物排放量較高，而石嘴山市人口較少，農業人口也較少，工業相對落后，因此，排水溝水質與經濟社會指標相關性不高。

相關分析與灰關聯分析結果有較好的一致性。在銀川市排水溝中，四二干溝與漁業產值和工業總產值的關聯度最高，同時相關性也較高；靈武東溝與農業總產值和漁業產值的關聯度最高，相關系數也分別高達0.947，0.813。在吳忠市排水溝中，南干溝和清水溝與工業廢水排放總量的關聯度分別高達0.755 69和0.619 264，相關系數也分別高達0.983，0.965；在中衛市排水溝中，第4排水溝與工業廢水排放總量和城鎮生活排放量的關聯度最高，相關性也較高且為均反向相關。石嘴山市排水溝與經濟社會指標的相關性都較小，關聯度也較小，且相關系數與關聯度聯系也較小。總體上，各市的相關分析與灰關聯分析結果之間一致性大小依次為吳忠市、中衛市、銀川市、石嘴山市。

原因解析上，相關分析是對兩者之間的相關聯系做一個具體數值和相關方向的研究，而灰關聯分析是通過一定方法清理系統中各因素間的主要關系，找出系統中最大的影響因素，二者之間相互聯系、相輔相成。當關聯度較高時，相關系數也較高。因此，以相關性為輔，關聯度為主來確定各排水溝最主要的影響因子。

影響四二干溝的最主要影響因子為漁業產值和工業總產值；影響銀新干溝的最主要影響因子為農業耗水量和化肥使用量；影響靈武東溝的最主要影響因子為農業總產值和漁業產值；影響永二干溝的最主要影響因子為農業耗水量和工業廢水排放總量；影響吳忠南干溝和吳忠清水溝的最主要影響因子為工業廢水排放總量和農業人口；影響吳忠羅家河的最主要影響因子為農業耗水量和農業人口；影響第一排水溝的最主要影響因子為工業廢水排放總量和牧業產值；影響第4排水溝最主要影響因子為工業廢水排放總量和城鎮生活污水；影響第三、五排水溝匯入黃河口最主要影響因子為工業廢水排放總量和農業耗水量；影響中干溝的最主要影響因子僅從相關性分析，則為化肥施用量、工業廢水排放總量和林業產值。通過控制這些最主要的影響因子，對排水溝水環境治理具有現實的迫切性和長遠戰略意義。

根據分析結果，綜合比較判斷，總體上引黃灌區排水溝水質狀況主要以劣Ⅴ類為主。各市的影響因素不一樣，主要是因為各市排水溝主要承載的退水的類型及水量各不相同。銀川市和石嘴山市的排水溝主要承載農田退水，主要污染物為氨氮、總磷等，因此，農業生產對銀川市和石嘴山市排水溝水質影響較大；吳忠市和中衛市的排水溝主要承載工業退水，主要污染物為生化需氧量、氨氮等，因此，工業生產對吳忠市和中衛市排水溝的影響較大。總體上，農業生產導致的農業面源污染比工業生產產生的工業廢水對排水溝水質狀況影響程度大。由于條件所限沒有對排水溝的污染來源進行深入分析，后續需要再加強研究。