沋河城區段水質指標及離子變化特征研究

崔國屹 王康振 呂海波

摘要? ? 為探究沋河城區段水質指標空間變化，對渭南市沋河水庫至沋河公園河段進行采樣，測定樣品的離子指標和總可溶解固體（TDS）、pH值、溶解氧、電導率，并利用相關性分析和聚類分析的方法分析其空間分布特征。結果表明，各離子空間差異度較大，其中K+、NH4+、Na+、Cl-之間成顯著正相關;在沋河各段中，由河流上游至下游，NH4、Cl-呈先增后降的趨勢，SO42-呈增加趨勢，NO3-呈下降趨勢。沋河城區段主要受K+、NH4+、Na+、Cl-、SO42-的影響，其中K+、NH4+、Na+、Cl-均可被水體凈化;SO42-含量雖然符合國家標準，但是該離子在研究河段呈上升趨勢，應重視對SO42-人為來源的控制。

關鍵詞? ? 水質;離子來源;空間變化;沋河

中圖分類號? ? X824;X524? ? ? ? 文獻標識碼? ? A? ? ? ? 文章編號? ?1007-5739（2019）01-0161-03

Abstract? ? In order to explore the spatial variation of water quality index in Youhe River，the samples were collected from Youhe River Reservoir to Youhe River Park in Weinan City，ions and total soluble solids（TDS），pH value，dissolved oxygen and conductivity of the sample were measured，and the spatial distribution characteristics were analyzed by correlation analysis and cluster analysis.The results showed that the spatial difference degree of the ions was great，among which K+，NH4+，Na+ and Cl- were positively correlated.In the Youhe River，from upstream to downstream，NH4+ and Cl- showed the trend of first increasing and then decreasing，SO42- showed an increasing trend，NO3- showed a decreasing trend.Youhe River was mainly affected by K+，NH4+，Na+，Cl-，SO42-，while the K+，NH4+，Na+，Cl- could be purified by water body.SO42- content met the national standard，but it showed the increasing trend in the researched reach.Therefore，the control of artificial source of SO42- should be paid attention to.

Key words? ? water quality;ion source;spatial variation;Youhe River

由于河流水質化學指標受到巖石風化、地下水、大氣降水以及人類活動等的影響，并且與流域內的氣候、巖性、坡度、土壤、地勢起伏、植被等自然因素和人類活動聯系密切[1]，探究河流水質化學指標特征可以說明流域水體的環境質量狀況、水體元素分布分配情況[2]，從而對河流尤其是城市水景的水質管理提供理論依據。隨著城市化的發展，人類工農業生產與生活對河水的干擾作用越來越顯著，不同的人類活動方式成為影響河水化學組成的重要因素[3]。城市河流的水質化學指標不僅可以體現周邊的自然狀況，也反映了城市人類活動狀況。因此，通過對城市河流水化學組成的分析，探究河水中離子的主要來源及其成因，對城市河流水化學變化、水質特征以及城市水資源的管理和保護具有重要意義[4]。

目前，國內外學者對河流的離子來源和水化學類型已有一些研究。于? 淼等[5]發現，北京市社會經濟發展對溫榆河水中K+、Cl-、Ca2+和SO42-的濃度變化影響顯著。聞欣然等[6]發現，金華江城區段河水電導率的變化范圍較大，人類活動對該河的水化學指標產生了很大影響。沋河作為一條流經渭南市的河流，其水質情況關系到城市環境和市民的生活質量。因此，對沋河的水質保護和研究就顯得尤為重要。然而，目前對于沋河水化學離子所受的人為影響的研究并不多，本研究通過測定沋河的水化學指標，得出離子、TDS、pH值等指標的相關性和空間分布，推測分析其來源，為沋河的水質治理提供參考。

1? ? 研究區概況與研究方法

1.1? ? 研究區概況

沋河發源于秦嶺北麓，地理坐標為北緯34°13′～35°52′、東經108°50′～110°38′，是渭河下游的一條支流，自南向北流經渭南市臨渭區最后匯入渭河。流域屬暖溫帶大陸性季風型半濕潤氣候，夏季炎熱多雨，冬季晴冷干燥，年降水量約600 mm，年均溫11.3～13.6 ℃。

本次研究的水樣采集于沋河水庫至沋河公園河段，沋河水庫是渭南市的重要水源地，沋河公園是渭南市民休閑娛樂的場所。其采樣點北至勝利大街以南的沋河公園，南至沋河水庫大壩以北的李家坡，該河段由沋河水庫向沋河公園方向流經村落有李家坡、南張村、蔣家村以及灰堆村。沋河于灰堆村之后流入臨渭區城區，城區公園內共設有3道橡膠壩攔蓄河水形成水景，此段水域西鄰渭花路、東臨濱河大道，途經老城街。沋河在臨渭區程家鄉附近匯入渭河。

1.2? ? 布點采樣

2017年11月，根據沋河從南向北的流向，沿沋河水庫的李家坡至渭南市臨渭區沋河公園一帶，共選取13個采樣點（圖1）。樣點1位于沋河水庫的李家坡，樣點2和樣點3位于沋河水庫與沋河公園之間的河段，樣點4位于李家堡村的排污渠附近，樣點5～13位于沋河公園以及附近的朝陽大街。

1.3? ? 樣品分析

采集沋河表層河水裝入100 mL聚乙烯瓶，樣品置于冰箱中保存直至分析。樣品測定的主要指標有Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-、NH4+、SO42-、NO3-、NO2-、F-以及pH值、TDS、電導率、溶解氧。使用PHJS-4A（0.001）測試水樣的pH值;電導率（EC）和TDS由DDS-308A（0.001）電導率儀測定;溶解氧利用多功能便攜式溶解氧測定儀（雷磁JPBJ-608）測定;Ca2+、Mg2+、Na+、K+、NH4+、Cl-、NO3-、SO42-和F-的濃度通過DX320型離子色譜儀進行測定。

1.4? ? 數據分析方法

采用Excel 2010和SPSS 25.0軟件進行數據分析。數據的平均值、標準差、變異系數使用Excel的公式計算。離子的相關性分析使用SPSS中的Person法，利用SPSS軟件進行各樣點數據的系統聚類分析。

2? ? 分析與結果

2.1? ? 水質化學指標特征分析

2.1.1? ? 各樣點陰離子總和與陽離子總和變化特點。將離子分成陰離子和陽離子2類并分別求和作圖（圖2）。可以看出，整個采樣河段陰離子與陽離子的變化趨勢大致具有相似性。樣點1—4，陽離子與陰離子波動上升;樣點4—8，陽離子與陰離子波動下降;樣點9—13陽離子和陰離子變化較小，趨勢穩定。沋河水庫（樣點1）的離子質量濃度總和最低，李家堡村排污口附近（樣點4）離子質量濃度總和最高。對于小流域河流來說，離子的自然來源往往較為單一，河流離子質量濃度總和變化較小。離子質量濃度總和的波動說明其離子空間分布不均勻，可能存在人為活動的干擾。

2.1.2? ? 水質化學指標的統計參數特點。平均值可以反映整個河段的水質指標情況，變異系數和標準差可以反映水質指標的離散程度，故使用Excel 2010軟件對所測數據進行相應處理（表1）。

從各指標的統計特征來看，沋河河水的整體pH>7，屬于弱堿性水;EC（電導率）的平均值為620.53 μS/cm，電導率的標準差最大，說明采樣河段水中的導電物質的含量差異大，空間分布不均勻;TDS值高于世界河流的平均值（115 mg/L）[7]，但小于1 000 mg/L，屬于淡水且礦化度較低。溶解氧標準差較小說明整體上空間變化不大，但是最低值出現在樣點4，僅為1.3 mg/L，小于2 mg/L，屬于國家Ⅴ類水標準，其余各樣點均符合國家地表水質量標準GB 3838—2002的Ⅲ類水以上的標準。F-標準差極小，說明該離子空間變化不顯著，其來源單一，且含量<1.0 mg/L，符合國家地表水質量標準GB 3838—2002的Ⅲ類水以上的標準。Cl-和SO42-均低于250 mg/L，符合國家地表水質量標準GB 3838—2002的集中式生活用水地表水源地補充項目的標準限值[8];但K+、NH4+、Cl-、SO42-的變異系數較大，說明其空間分布存在較大差異，存在人為影響。

2.2? ? 河水的離子相關性分析

為探究各離子指標之間的共性，對其來源進行分析。使用SPSS 25.0軟件對沋河水庫及沋河公園一帶河段所測離子數據進行雙變量相關性處理，分析結果見表2。

相關性分析結果表明，Cl-與NO2-、Na+與Cl-、F-與Ca2+、NH4+與Cl-、NH4+與NO2-、K+與Cl-、K+與NO2-、K+與NH4+、Mg2+與SO42-成顯著的正相關;Na+與NO2-、Na+與SO42-成中度的正相關;Ca2+與Mg2+成中度的負相關。結合表1可發現，K+與NH4+正相關性大且兩者變異系數較高（分別為0.91和2.32），NH4+與Cl-呈正相關性大且兩者變異系數較高（分別為2.32和0.52），說明其離子來源具有共性且空間變化大，受人為干擾顯著。

2.3? ? 樣點聚類分析

2.3.1? ? 研究區河段樣點聚類結果。為了便于分析現將研究區劃分不同河段，根據聚類分析的結果和實際情況，將研究區河段分為A（水庫段）、B（排污口及公園上游段）、C（沋河公園段）、D（公園下游鬧市區段）段。其中，A段樣點編號為1、2，B段樣點編號為3、4，C段樣點編號為5、6、7、8，D段樣點編號為9、10、11，然后對A、B、C、D段進行對比分析。

2.3.2? ? 研究區各河段間水質化學指標空間分布差異。選取各離子中變異系數較大和相關性顯著的離子（Cl-、NH4+、NO3-、SO42-），分別求取平均值（圖3）。

由圖3可以看出，NH4+和Cl-質量濃度的空間分布趨勢具有相似性且空間變化較大，兩者形成的NH4Cl在B段排污口處最高，說明排污口所排出的污水中含有NH4Cl，之后NH4Cl的質量濃度向下游逐漸遞減。NO3-質量濃度空間變化較小，由A段至D段呈下降趨勢，該離子受河流自凈作用較明顯。SO42-質量濃度空間變化較大，由A段至D段呈上升趨勢，河流對其自凈能力較小，在公園下游鬧市區（D段）達到最大值。

3? ? 討論

3.1? ? 各水質污染物的來源

河水中離子的來源往往是多樣的，主要與該地區的大氣降水、水汽輸送、地殼風化物的礦物成分以及人類活動有關[9-10]。本文主要討論各離子指標的人為來源，根據表1和表2的結果，分析各指標的變異系數大小和相關性，發現NH4+、K+、Cl-、NO2-、NO3-、Na+空間變異程度較大且相關性顯著，說明這些離子在一定程度上受人類活動影響干擾。其中，NH4+、K+、Cl-、NO2-、SO42-之間具有顯著的正相關性，這些離子所形成的NH4Cl、KCl、NH4NO2、KNO2為研究區河段的主要污染物，其人為來源很可能是農業施肥。Na+、SO42-、Cl-、NO2-也具有正相關性，說明這些離子具有相同的來源，所形成的化學物質是NaCl、Na2SO4、NaNO2。由于沋河附近工廠較少，采樣河段流經鄉村居民點和市區，因而可以推斷NaCl、NaNO2、Na2SO4的來源與鄉村居民和市區餐館的生活污水排放有關[11]。雖然Mg2+與SO42-存在正相關性，但是Mg2+的變異系數較小，受人類活動干擾不明顯，故其化合物MgSO4的來源應該與該流域巖石的礦物質成分有關。

針對以上情況，建議對整個沋河附近的村民進行宣傳，減少化肥的使用，從而減少NH4+、K+的輸入。同時禁止將未經處理的生活污水直接排放于附近的水體中，以減少Na+、SO42-、Cl-的輸入。

3.2? ? 沋河城區水質主要污染指標空間分布特征討論

根據圖3可發現，NH4+和Cl-同時在排污口河段達到最大值。NH4Cl的空間變化較大，在沋河水庫段處于最低值，這可反映庫區管理部門對水質的管理和監測工作較為有效。在李家堡排污口及公園上游河段處于最大值，說明該河段附近的農田和排污口為NH4Cl的主要來源。NH4Cl由B段至D段呈下降趨勢，這是因為河水中的微生物和C段分布的蘆葦、蒲草群落對NH4Cl有一定的吸收作用[12]。

從A段至D段，NO3-逐漸減少，說明河流對該離子的自凈作用較強。NO3-在水庫段處于最大值，這是由于水庫的出水口附近存在小塊農田，所用的化肥隨降水進入河流，造成出水口處NO3-增高。沋河公園上游及公園河段NO3-較高，原因是該河段流經農田和市區，受化肥施用、工業活動和汽車尾氣所產生的氮氧化合物等物質的影響[13-14]。

從A段至D段，SO42-呈上升趨勢，說明河流對該離子的自凈作用較弱，水庫段為最低值，鬧市區段為最大值，說明沋河的SO42-含量與人類活動的密集程度有關，即人類活動越密集，SO42-含量越高。SO42-是自然水體中較常見的陰離子，自然來源包括微生物的化學降解產生的硫化物以及該地區的地質化學成分等因素;而人為來源主要是人類的工業生產活動和酸沉降[15]，例如煙囪所排放的硫化物經過大氣降水進入河流或生產污水的排放。

根據各河段水質指標的空間分布，發現李家堡排污口及公園上游河段的NH4Cl濃度較高，說明排污口的污水以農業和生活廢水為主。該河段是主要的水質突變處，在以后的水質治理中，可以在排污口處使用景觀復氧技術或營造人工濕地，減少該處的NH4Cl濃度。

4? ? 結論

通過統計特征分析，K+、NH4+、Cl-、SO42-的變異系數較大，說明其人為影響較大。其中，NH4+、K+、Cl-、NO2-成顯著正相關，說明NH4Cl、KCL、NH4NO2、KNO2為研究區河段的主要污染物。空間分析發現，NH4Cl在上游至下游河段，呈現低—高—低趨勢，說明其能被河流自凈。SO42-在城區河段呈現上升趨勢，不易被河流自凈。盡管SO42-含量符合國家地表水標準，但由其空間分布特征可以發現，其含量與人類活動的密集程度有關，在以后的水質治理中應有所防范和采取針對性措施。

5? ? 參考文獻

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