煤炭型城市城區河流水質現狀評價與分析
——以宿州市沱河為例

孟祥嵩，李致春,，桂和榮，余 浩，江雅琪，余銘明，李前偉，成開峰

(1.宿州學院 環境與測繪工程學院，安徽 宿州 234000；2.國家煤礦水害防治工程研究中心，安徽 宿州 234000；3.安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南 232001)

1 引言

城市水環境污染調查與評價是當前環境研究的熱點問題。目前，各國政府及相關科研單位都對城市河流污染評價進行了大量研究，常用的水質分析與評價方法主要有單因子評價法、內梅羅指數法、河流綜合水質標識指數法、模糊綜合評價法、灰色聚類法、主成分分析法等[1～4]，且國內外學者已進行了大量研究與改進。然而，現有的研究主要集中在于大中城市河流，但對于三四線城市城區河流城市水質評價關注較少，尤其是對于煤炭型城市。煤炭型城市指主要依靠煤炭資源開發而發展起來的，并且煤炭采選業在城市工業結構中占重要地位的城市[5]。煤炭開采過程中，排出的礦井廢水常含有酸性污水、氮磷污染物和重金屬等污染物，致使城區河流水質污染。同時，農業排放和城市居民用水產生的廢水會加重城區河流污染。因而，三四線煤炭型城市城區河流水質評價工作亟需開展。

宿州市擁有豐富的煤炭資源，擁有皖北礦業集團大型煤炭企業，是典型的煤炭型城市。沱河是宿州市主要的城區河流，其水質受煤炭產業發展影響較大。因而，本文以宿州市沱河為例，在水質污染系統調查基礎上，對水質現狀進行評價，為當地水污染治理和生態文明建設以及三四線煤炭型城市的城區河流水質調查與評價提供參考信息。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

宿州市地處安徽省北部，位于東經116°09′～118°10′、北緯33°18′～34°38′之間，總面積9787 km2，屬淮河流域，水系發達，主要的城市河流有澮河、沱河、新汴河等(圖1)。宿州市的煤炭資源豐富，主要礦區有埔橋礦區、碭山煤田、義安山煤田以及張大屯煤田[6]。

沱河是宿州市主要的城區河流，是淮河流域重要水系，發源于河南省商丘市東北，在五河縣城南匯入沱湖，最終與淮河支流相連，全長203 km，流域面4500 km2，河面寬 20～60 m，河底寬7～45 m，深2.0～4.0 m。最高洪水位標高26.20 m，多年平均最大流量412 m3/s，多年平均最小流量164 m3/s。由于近些年河道重新規劃和改造，沱河上游部分匯入新汴河，導致沱河下游水量減少[7]。

2.2 樣品采集

本次實驗沿沱河自西向東依次選取了28個采樣點(T1～T28)，但T1采樣點的部分數據不足，無法分析，故只列出T2～T28號采樣點，分布如圖1。利用手持GPS經緯度定位儀器測定采樣點地理坐標。利用采樣裝置進行水體采集，取采樣點的河水潤洗采樣器和2.5 L潔凈聚乙烯瓶后將樣品放入2.5 L潔凈聚乙烯瓶中，每個樣品采取兩桶，現場測定相關水質理化指標，包括：濁度(TUB)，透明度(SD)、氧化還原電位(ORP)、pH值、電導率(Ec)和總溶解性固體(TDS)。

2.3 樣品測試及分析方法

將采集的樣品存于用河水潤洗兩遍后存于2.5 L聚乙烯水桶中快速運往實驗室在24 h內完成實驗分析工作，測定相關污染物指標濃度。利用上海連華科技5B-6C型(v8)四參數水質快速測定儀分別運用過硫酸鉀紫外分光光度法測定TN，鉬銻鈧比色法測定TP，比色法測定CODMn，納式試劑光度法測定NH3-N,光電比色法測定TUB。

圖1 沱河研究區域概況

2.4 評價方法

本文運用水質標識指數法從單因子水質標識指數法和綜合因子標識指數法對沱河的水質現狀進行分析評價，運用水質指標評價法進行富營養化分析。

2.4.1 單因子水質標識指數法

單因子水質標識指數可以完整標識水質評價指標的類別、水質數據、功能區目標值等重要信息，既能定量地判別水體屬于哪一類別水質，又能定性地分析不同水質指標在屬于同一類別水質中的優劣[8]。單因子水質標識指數(Pi)由一位整數和小數點后2～3位有效數字組成，其形式為：

Pi=X1X2X3

(1)

(2)

式(1)、(2)中：X1為第i項水質指標的水質類別；X2為監測數據在X1類水質標準下限值與X1類水質標準上限值變化區間中所處的位置，按四舍五入的原則計算，取一位整數確定；X3為水質類別與功能區劃設定類別的比較結果，視評價指標的污染程度，為一位或兩位有效數字[8, 9]。

當水質類別介于Ⅰ類水和Ⅴ類水之間時，可直接根據水質監測數據和國家水質標準對比確定X1。當水質指標監測值劣于或等于Ⅴ類水標準上限值時,X1X2的確定公式如下：

(3)

式(3)中：Pi5上為第i項水質指標V類水標準濃度值的上限。從式中可以看出，當水質指標監測值正好等于Ⅴ類水上限值時，X1.X2的數值為6.0，當Pi>6時，說明水質處于劣Ⅴ類水，數值越大，水質越差，污染越嚴重。

2.4.2 綜合水質標識指數法

綜合水質標識指數(WQI)是以單因子水質指標Pi為基礎的河流水質綜合分析評價,由整數位和小數點后3位或4位有效數字組成[10, 11]，其公式為：

WQI=X1.X2X3X4

(4)

式(4)中X1.X2為單因子水質標識指數法總和的平均值

(5)

式(5)中m為參加水質評價因子個數；X3為參與綜合水質評價的水質指標中，劣于水環境功能區目標的單項指標個數，X4為綜合水質類別與水體功能區類別的比較結果,用以判定綜合水質類別是否劣于水環境功能區類別。如果綜合水質類別好于或達到功能區類別,則有

X4=0

(6)

若水質類別差于水環境功能區類別且綜合水質標識指數中X2不為0,則

X4=X1-f

(7)

若水質類別差于水環境功能區類別且綜合水質標識指數中X2為0,則

X4=X1-f-1

(8)

水質級別的判定：基于綜合水質標識指數法的水質級別的判定標準見表1，通過WQI值的整數位和小數點后第1位即X1.X2，可以判綜合水質級別，X1.X2數值越大，說明水質越差。污染等級評價標準見表1[12]。

表1 基于綜合水質標識指數的綜合水質級別判定

表2 沱河理化指標的變化

3 結果與討論

3.1 理化指標變化特征

沱河理化指標變化見表2。通過對沱河水樣的采集和對理化指標進行分析可知，各采樣點的氧化還原電位(ORP)數值在61～129 mV之間,平均值為93 mV，變差系數為0.17，各采樣點之間指標變化較大。水體環境呈現一定的氧化性。pH值在8.24～9.14之間，平均值為8.77，變差系數0.03，各采樣點差異非常小，偏堿性。導電率(Ec)在1023～1458 mS/cm之間,平均值為1270 mS/cm。總溶解固體(TDS)指水中溶解性物質的濃度，TDS值越高代表水中雜質越多[13]，由表3得出，沱河水中TDS范圍在598～715 mg/L遠超出直飲水標準(≤450 mg/L)。沱河水Ec值和TDS值較高，但各采樣點指標變化不大，變差系數小，說明水體中溶解性物質較多。濁度在10.23～91.60之間，平均值為24.88，變差系數大，不同采樣點之間數值波動大，最大值和最小值分別出現在6號和25號采樣點，不符合我國生活衛生飲用水(GN5749～2006)[21]中1～3NTU的標準，不適宜飲用。同時，水體平均透明度為0.24 m，數值較低，表明水體較為渾濁。

3.2 污染物指標變化特征

表3為沱河污染物指標變化，圖2為各污染指標不同采樣點的具體數值變化。通過實驗分析對照《地表水環境質量標準(GB3838-2002)》[15]得出沱河水中TN含量在1.219～8.490 mg/L之間，平均值為3.219 mg/L，最大值出現在T21號點位，最大值最小值差值較大，但變差系數較小其余采樣點變化為平均，處在Ⅳ類～劣于Ⅴ類標準之間。NH3-N含量在0.165～0.866 mg/L之間，最大值出現在T21號點位，平均值為0.337 mg/L，變差系數較大，處于Ⅱ類水～Ⅲ類水之間。TP含量在0.060～0.116 mg/L之間，最大值位于T3點位，平均值為0.082 mg/L，變差系數較小，各采樣點變化幅度較小，處在Ⅳ類水～Ⅴ類水之間。CODMn在2.83～11.21 mg//L之間，最大值在T22點位，平均值為4.54 mg/L，處在Ⅱ類水～Ⅴ類水之間。通過對比發現，T21和T22點位的TN、NH3-N和CODMn含量較高(圖2)。可能原因為煤炭工業產生的垃圾，酸性廢水和重金屬進入水體。而且此兩個采樣點位于宿州市運站附近，旁邊有G206國道和沱河路兩條交通要道，周圍集中分布了數家汽車租賃行和汽車電器行和其他各種小商戶。汽車尾氣中也含有大量碳氮化合物等污染物氣體和顆粒從而導致此兩個采樣點的河水中各類污染物含量遠遠高于其他采樣點。

表3 沱河污染物指標變化

3.3 水質污染綜合評價

根據《安徽省水環境功能區劃》[16]，沱河的目標水質為Ⅳ類水，以TN、NH3-N、TP、CODMn為主要污染物指標運用單因子水質標識指數法和綜合水質標識指數法做水質現狀評價，評價結果見表4。圖3為沱河采樣點總體水質分布情況。

圖2 沱河水體TN、NH3-N、TP、CODMn變化特征

由單因子指標指數的計算結果可知，參評水質指標中，TN超標最為嚴重，只有T24號一個采樣點的水質合格，其余采樣點水質總體類別處劣Ⅴ類但不黑臭。其中T12、T21、T22、T27點位水質污染尤為嚴重。T12點位位于港利錦繡江南小區附近，屬于居民集中區伴有大量生活污水排放，容易造成水水污染。采樣點T21、T22位于宿州市火車站附近，周圍道路眾多，商戶林立。交通業帶來的垃圾和商戶排出的生活廢水對水質影響較大。T27點位位于303省道下方，旁邊有加油站和農田，汽車尾氣中有大量碳氮污染物，加油站所排出的污水和農田化肥的使用也是造成水中TN超標的重要原因。

沱河中NH3-N指標平均處于Ⅱ類水，優于目標水質。其原因沱河水的為氧化還原電位高，水體不是處于缺氧狀態，導致水中游離態的氨含量不高。同時，相關部門定期對河道垃圾和藻類的清理，工具擾動使水-氧氣交換頻繁，也使河水中厭氧微生物活性處于較低水平，降低了微生物的反硝化作用。

沱河中TP指標有T2、T3、T6號3個采樣點水質不達標，其余采樣點均達到目標水質。超標采樣點皆地處宿州市三角洲公園附近，附近分布一定數量農田，且生活小區密集，居民使用含磷洗衣粉污水和農藥溶液會部分流入河，引起TP濃度升高。

沱河中CODMn指標只有T22號一個采樣點水質不達標，其余采樣點均優于或達到Ⅳ類目標水質。根據周圍居民區工業區和道路分析，T22號采樣點造成水質變差的原因與TN超標原因類似，可能是未經處理的生活和工業廢水的排放以及未經處理的工業廢物和生活垃圾的堆積。

根據綜合指數標識法進行水質綜合分析，沱河水質平均等級為Ⅳ類水，達到目標水質，處于良好水平。28個采樣點中，有22個采樣點達到Ⅳ類目標水質，水質處于良好水平；有3個采樣點優于Ⅳ類目標水質，水質達到優秀水平；有2個采樣點為Ⅴ類水，劣于目標水質，水質處于輕度污染水平；另有1點因數據不足未做評價。結合圖3可知，沱河水絕大部分區域水質達到或優于目標水質，只有T21號和T22號點位不達標，且TN、NH3-N、CODMn指標和綜合指標的水質指數峰值均出現在T21號和T22點位，有關部門需要引起重視，加強這一區域管理監控。

表4 沱河單因子(Pi)及綜合水質標識指數評價結果

圖3 沱河采樣點總體水質分布情況

4 結語

(1)作為典型煤炭型城市，沱河的水質總體達到Ⅳ類目標水質的標準，水質偏堿性，Ec、TDS和TUB偏高，SD偏低，不適宜灌溉和飲用；沱河的單因子指標中TP、CODMn指標達到Ⅳ類目標水質的標準，但CODMn在T22點位處于Ⅴ類水；TN濃度超標嚴重，指標高于目標水質Ⅳ類水的標準；NH3-N含量處于Ⅱ類水～Ⅲ類水，達到目標水質期望標準。

(2)綜合水質標識指數顯示，沱河水體4種污染指標總體處于Ⅳ類水，水質良好，達到目標水質。但T21、T22號點位地處宿州市火車站周圍，污染物多，水質處于Ⅴ類，與目標水質對比，并呈現輕度污染狀態，有關部門應該引起重視。