基于綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的九洲江水質(zhì)演變趨勢和相關(guān)性分析

藍月存，林 卉，黃伯當(dāng)，李昆明，滕云梅，許桂蘋

(1.廣西壯族自治區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，廣西 南寧 530028; 2.廣西壯族自治區(qū)生態(tài)環(huán)境廳，廣西 南寧 530028)

1 引言

九洲江流域地跨桂粵兩省區(qū)三市，是廣西玉林市沿江鄉(xiāng)鎮(zhèn)和廣東省湛江市的重要供水水源[1]。九洲江流域上游是廣西陸川、博白兩縣社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)安全的重要屏障，鶴地水庫是廣東省湛江市主要飲用水源地，九洲江水質(zhì)的好壞直接關(guān)系到流域的社會經(jīng)濟發(fā)展大局和關(guān)系人民群眾的飲用水安全。近年來，由于流域上游地區(qū)經(jīng)濟社會的發(fā)展變化及庫區(qū)面源污染等因素，九洲江水質(zhì)難以穩(wěn)定達標(biāo)，鶴地水庫水質(zhì)明顯下降，嚴重影響湛江市的飲用水安全。因此，研究近年九洲江干流的水質(zhì)狀況及其變化情況，判定當(dāng)前水質(zhì)情況及變化，對提出應(yīng)對策略、保障九洲江干流水質(zhì)安全具有重要意義。

水質(zhì)評價通過建立數(shù)學(xué)模型，對水環(huán)境質(zhì)量的好壞進行定性或定量描述，國內(nèi)常用的水質(zhì)評價方法有單因子指數(shù)法[2,3]、綜合污染指數(shù)法[4,5]、內(nèi)梅羅指數(shù)法[6～8]、模糊數(shù)學(xué)法[9～11]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[12,13]、灰色關(guān)聯(lián)度法[14,15]、層次分析法[16]、模糊綜合評判法[17～19]、主成分分析法[20,21]、物元分析法[22]等。這些評價方法都存在各自的優(yōu)缺點。單因子指數(shù)法計算簡單、方便,但評價結(jié)果過于片面；綜合污染指數(shù)法計算原理與過程簡單，結(jié)果表達簡潔，但缺乏比較完善和統(tǒng)一的環(huán)境質(zhì)量分級系統(tǒng)；模糊數(shù)學(xué)法、層次分析法、主成分分析法、物元分析法是基于矩陣運算的評價方法，評價結(jié)果較符合實際，但在隸屬度矩陣、權(quán)重選擇方面存在不足；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是基于樣本訓(xùn)練的評價方法，能夠很好地反映評價因子與水質(zhì)類別間的非線性關(guān)系，但是評價指標(biāo)的選擇不確定、計算復(fù)雜、定性評價結(jié)果不直觀，在理論和方法上還不成熟。

本研究以2014～2018年九洲江干流8個斷面5個水質(zhì)指標(biāo)的年均值為基礎(chǔ)，采用單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法、綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法以及綜合污染指數(shù)法分別評價各斷面的水質(zhì)，分析九洲江干流的水質(zhì)空間分布情況，在此基礎(chǔ)上采用Spearman相關(guān)系數(shù)法研究九洲江干流各水質(zhì)參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系，以期為九洲江流域水污染治理及水污染防治工作提供技術(shù)依據(jù)。

2 水質(zhì)監(jiān)測與分析方法

2.1 水質(zhì)監(jiān)測

2.1.1 采樣點布設(shè)

本研究在九洲江干流上選取陸川污水處理廠下游、大橋壩、灘面橋、良田壩、飛蛾嶺、文車橋、溫水浪和石角8個監(jiān)測斷面，具體位置見圖1。從2014年1月至2018年12月每月采樣一次，2014至2018年的監(jiān)測數(shù)據(jù)由玉林市環(huán)境監(jiān)測站提供。

2.1.2 監(jiān)測方法

監(jiān)測項目包括：溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮和總磷5項，采用各項水質(zhì)指標(biāo)的年均值進行水質(zhì)評價和相關(guān)性分析。

溶解氧采用便攜式儀器法現(xiàn)場測定；其余項目采集后在保存期內(nèi)采用國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析方法進行測定(圖1)。

圖1 監(jiān)測點位示意

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

采用EXCEL 2016軟件對所有數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算和分析，采用SPSS19.0的Spearman相關(guān)系數(shù)法探討各水質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性。

2.3 分析方法原理

綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法[24]是一種相對簡單且能綜合反映河流水質(zhì)整體水平的評價方法，適用于一條河流不同斷面以及不同河流水質(zhì)的評價比較。該方法既考慮了污染最嚴重的指標(biāo)，又綜合考慮了所有單項指標(biāo)以全面反映水體的水質(zhì)狀況，可以對河道綜合水質(zhì)進行全面、科學(xué)合理的定性與定量評價。評價結(jié)果可反映水質(zhì)的達標(biāo)情況和水環(huán)境整治的效果。

其主要計算步驟[23,24]如下：①計算各單項水質(zhì)參數(shù)的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)Pi；②計算各斷面的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)P；③根據(jù)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的整數(shù)位和小數(shù)點后第一位X1.X2判定綜合水質(zhì)類別及污染程度：當(dāng)1.0≤P≤2.0時，水質(zhì)狀況為Ⅰ類；當(dāng)2.06.0時，水質(zhì)狀況為劣V類；④通過描述綜合水質(zhì)指數(shù)X1.X2的定量變化幅度△P，評價綜合水質(zhì)隨時間和空間變化情況：當(dāng)|△P|≤10%時，綜合水質(zhì)基本不變；當(dāng)10%<|△P|≤20%時，綜合水質(zhì)輕微改善(惡化)；當(dāng)|△P|>30%時，綜合水質(zhì)顯著改善(惡化)。

綜合污染指數(shù)法是通過統(tǒng)計各個污染指標(biāo)的相對污染指數(shù)，進而得出參評水體污染程度的數(shù)值，該方法既可直觀反映水質(zhì)污染程度又可綜合判斷水質(zhì)污染情況。

3 河流水質(zhì)評價及相關(guān)性分析

3.1 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價結(jié)果

3.1.1 單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價結(jié)果

單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)可以完整識別水質(zhì)評價指標(biāo)的類別和水質(zhì)數(shù)據(jù)；既可以比較同一水質(zhì)指標(biāo)在同一水質(zhì)類別中的差異，又能比較不同水質(zhì)指標(biāo)的污染程度[22]。九洲江干流各斷面單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價結(jié)果見表1。結(jié)合九洲江干流各斷面的水功能區(qū)劃類別，參與水質(zhì)評價的5項水質(zhì)指標(biāo)在5年里均達標(biāo)的斷面為石角斷面，其余7個斷面均存在不同程度的超標(biāo)，超標(biāo)最嚴重的3個斷面分別是陸川污水處理廠下游、大橋壩和灘面橋，超標(biāo)因子分別為氨氮、總磷和5日生化需氧量。分析各超標(biāo)項頻次表明，2014～2018年間，氨氮和總磷在九洲江水質(zhì)中超標(biāo)頻次較高，超標(biāo)程度較深，是影響九洲江水質(zhì)的主要污染物。從時間分布上，除了上游的陸川污水處理廠下游和大橋壩2個斷面外，其余6個斷面的氨氮和總磷自2016年起均達到相應(yīng)的水功能區(qū)區(qū)劃類別，表明九洲江上游的污染防治措施有待加強；從空間分布上，氨氮和總磷空間分布表現(xiàn)基本一致，上游的陸川污水處理廠下游和大橋壩2個斷面水質(zhì)要明顯劣于中下游6個斷面。 因此，應(yīng)加強對九洲江上游來水以及周邊生活污水、畜禽養(yǎng)殖廢水的治理。

表1 2014～2018年各斷面單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)

續(xù)表1

3.1.2 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價結(jié)果

九洲江干流各斷面綜合標(biāo)識指數(shù)評價結(jié)果詳見表2和表3。結(jié)果表明，在2014～2018年間，除大橋壩斷面外，其余7個斷面在各個時間的水質(zhì)都能滿足各自的水功能區(qū)劃類別標(biāo)準(zhǔn)。從綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的數(shù)值特征(圖2)來看，2014～2018年九洲江干流各斷面5年平均綜合水質(zhì)均能滿足各自的水功能區(qū)劃類別標(biāo)準(zhǔn)，九洲江干流的水質(zhì)從上游到下游存在好轉(zhuǎn)趨勢，上游斷面的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)較大，水質(zhì)較差；中下游斷面的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)均<4，水質(zhì)較好，其中石角斷面的水質(zhì)最好，陸川污水處理廠下游斷面的水質(zhì)最差。九洲江干流8個斷面水質(zhì)從優(yōu)到劣排序依次為石角>飛蛾嶺>文車橋>良田壩>溫水浪>灘面橋>大橋壩>陸川污水處理廠下游。

圖2 各斷面綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)均值

表3 2014～2018年各斷面綜合水質(zhì)類別

表2 2014～2018年各斷面綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)

2014～2018年九洲江干流各斷面綜合水質(zhì)隨時間變化評價結(jié)果如圖3和表4所示。由圖3可知，5年間九洲江干流各斷面綜合水質(zhì)總體呈現(xiàn)先改善后惡化的趨勢，2014年至2016年九洲江各斷面綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)有所降低，水質(zhì)改善；2016年至2018年九洲江有7個斷面綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)有所升高，水質(zhì)惡化，因此，選擇兩個時間段進行評價：①2014～2016年，九洲江有2個斷面綜合水質(zhì)基本不變，4個斷面綜合水質(zhì)輕微改善，變化幅度為13%～18%，2個斷面綜合水質(zhì)顯著改善，變化幅度為22%～24%；九洲江上游2個斷面水質(zhì)基本不變，中下游6個斷面水質(zhì)有所改善，水質(zhì)改善顯著的斷面為良田壩和飛蛾嶺；②2016～2018年，有2個斷面綜合水質(zhì)基本不變，3個斷面綜合水質(zhì)輕微惡化，變化幅度為12%～17%，2個斷面綜合水質(zhì)顯著惡化，變化幅度為21%～24%，1個斷面綜合水質(zhì)輕微改善，變化幅度為15%；九洲江上游3個斷面水質(zhì)輕微惡化，中游的良田壩斷面和飛蛾嶺斷面受上游來水的影響水質(zhì)顯著惡化。

圖3 各斷面綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)時空變化

表4 綜合水質(zhì)隨時間變化評價結(jié)果

選取2014年和2018年2個年份進行綜合水質(zhì)隨空間變化評價。2014年，九洲江干流綜合水質(zhì)改善31%，水質(zhì)顯著改善；2018年，九洲江干流綜合水質(zhì)改善52%，水質(zhì)顯著改善。

2014～2018年各斷面的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)隨空間變化趨勢如圖4所示。5年間九洲江干流綜合水質(zhì)從上游至下游總體呈現(xiàn)改善趨勢，上游陸川污水處理廠下游斷面綜合水質(zhì)最差，下游石角斷面綜合水質(zhì)最好。陸川污水處理廠下游和大橋壩指數(shù)較高，水質(zhì)較差，主要是受上游來水及周邊生活污水和畜禽養(yǎng)殖污水影響所致；灘面橋、良田壩和飛蛾嶺3個斷面與上游相比，指數(shù)下降，水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)；文車橋和溫水浪兩個斷面指數(shù)略有升高，水質(zhì)有所下降，主要受寧潭河、圭地河等支流沿岸的生活污水和畜禽養(yǎng)殖污水影響所致；石角斷面指數(shù)下降，水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)。

圖4 各斷面綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)變化曲線

3.2 九洲江干流水質(zhì)相關(guān)性分析

正態(tài)性檢驗顯示，氨氮不符合正態(tài)分布，故采用Spearman相關(guān)系數(shù)法對九洲江干流各水質(zhì)指標(biāo)之間進行相關(guān)性分析。如表5所示，九洲江干流溶解氧與五日生化需氧量呈顯著負相關(guān)；高錳酸鹽指數(shù)與五日生化需氧量、氨氮呈顯著正相關(guān)；五日生化需氧量與氨氮、總磷呈極顯著正相關(guān)，顯著性水平為P<0.01；氨氮和總磷呈極顯著正相關(guān)，顯著性水平為P<0.01。

表5 不同水質(zhì)指標(biāo)之間的Spearman相關(guān)系數(shù)

圖5為3組極顯著相關(guān)的水質(zhì)參數(shù)回歸分析結(jié)果。由圖可知：五日生化需氧量與氨氮、總磷之間的相關(guān)性相對較好，其線性擬合相關(guān)系數(shù)R2分別達到0.712和0.742；氨氮與總磷間的線性回歸方程為ρ(NH3-N)= 12.57ρ(TP)- 1.255，線性擬合相關(guān)系數(shù)R2達到0.965，與二者相似的空間分布規(guī)律一致。

圖5 3組極顯著相關(guān)水質(zhì)參數(shù)的回歸分析結(jié)果

3.3 污染原因分析與相應(yīng)的防治措施

九洲江流域人口速增、養(yǎng)殖業(yè)快速無序發(fā)展，但污染治理滯后、水資源環(huán)境容量小，是造成九洲江流域水質(zhì)污染的直接原因。

(1)畜禽養(yǎng)殖廢水是首要污染源。九洲江流域畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達，養(yǎng)殖數(shù)量大，養(yǎng)殖模式粗放，加之養(yǎng)殖場缺乏規(guī)劃，布置和選址不合理，污染治理設(shè)施基礎(chǔ)薄弱，養(yǎng)殖廢棄物綜合利用水平低，導(dǎo)致大量畜禽養(yǎng)殖廢棄物未得到合理利用或處理，直接或間接進入九洲江，嚴重污染九洲江水質(zhì)。

(2)生活污水是第二大污染源。九洲江流域人口眾多且密度較大，城鎮(zhèn)化率低，城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施配套管網(wǎng)建設(shè)滯后，流域內(nèi)生活污水收集處理水平低，部分干支流沿江城鎮(zhèn)居民生活污水直排入河；農(nóng)村生活污水處理設(shè)施覆蓋率低，大多數(shù)生活污水未經(jīng)處理直接排放，嚴重污染江河水質(zhì)。

(3)九洲江流域農(nóng)業(yè)較發(fā)達，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用化肥、農(nóng)藥、家畜糞便等隨著地表徑流進入九洲江，使水體中氮、磷濃度增加，水體受到污染。

(4)九洲江流域容量小、負荷重是水質(zhì)惡化的直接原因。九洲江廣西段屬源頭河段，水資源量小，加之河段閘壩多，半封閉式水域多，水環(huán)境容量小，與此同時，流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)廢污水和生活污水大量排入，造成水質(zhì)污染、水環(huán)境惡化。

針對九洲江目前污染現(xiàn)狀及特點提出如下防治措施：

(1)加強九洲江上游來水及周邊污廢水治理，完善污水管網(wǎng)建設(shè)，提高陸川污水處理廠治污排污管理，同時，建立生態(tài)修復(fù)長效機制，確保九洲江水質(zhì)長期穩(wěn)定達標(biāo)。

(2)對流域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖直排口攔截堵排，建立糞便資源利用項目，保證當(dāng)?shù)亟?jīng)濟和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

(3)加快推進圭地河、下垌河、寧潭河三大支流水體治理和修復(fù)，加大監(jiān)管力度，確保各支流治污設(shè)施穩(wěn)定運行，發(fā)揮治污效用。

(4)對流域周邊村莊建立不同規(guī)模的生態(tài)工程，將人、畜、禽糞便及生活垃圾進行資源化處理。

3.4 不同水質(zhì)評價方法評價結(jié)果比較

采用綜合污染指數(shù)評價法[4]對九洲江干流8個斷面進行評價，并與綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價法結(jié)果進行對比，詳見表6。結(jié)果顯示，除陸川污水處理廠下游(2016年)和良田壩(2015年)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價結(jié)果劣于綜合污染指數(shù)法外，其余斷面在各個時段的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價結(jié)果均優(yōu)于或接近綜合污染指數(shù)法。這表明，綜合污染指數(shù)評價法能夠直觀判斷綜合水質(zhì)類別的范圍，但是不能明確水質(zhì)類別；而綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價法，既能判斷綜合水質(zhì)類別、細分類別的污染程度，還能識別單因子水質(zhì)達標(biāo)個數(shù)，更進一步反映水質(zhì)的污染狀況。

表6 兩種評價方法評價結(jié)果比較

4 結(jié)論

借助于綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對九洲江干流水質(zhì)進行分析，根據(jù)結(jié)果得出以下結(jié)論。

(1)該方法在九洲江干流水質(zhì)評價中具有較好的適用性，能在同類水中進行水質(zhì)優(yōu)劣比較，比較完整地標(biāo)識水質(zhì)類別和水質(zhì)狀況。

(2)從評價結(jié)果分析可知，氨氮和總磷是影響九洲江水質(zhì)的主要污染物，氨氮和總磷呈極顯著正相關(guān)性；2014～2018年間，九洲江干流有7個斷面在各個時間的水質(zhì)都能滿足各自的水功能區(qū)劃類別標(biāo)準(zhǔn)；九洲江干流沿程綜合水質(zhì)從上游至下游總體呈現(xiàn)改善趨勢，說明近幾年九洲江流域在經(jīng)過綜合整治后，水質(zhì)得到一定程度的改善。為進一步改善九洲江流域水質(zhì)，應(yīng)將陸川污水處理廠上游來水及流域內(nèi)生活污水和畜禽養(yǎng)殖廢水作為重點治理對象。