賈魯河鄭州段水質評價和污染源解析

劉修英，黃功學，鄭志宏，高鏡清，朱崇梅

(1.河南水利與環境職業學院，河南 鄭州 450008； 2.河南省湖庫水生態環境保護與修復工程實驗室，河南 鄭州 450008； 3.鄭州大學生態與環境學院，河南 鄭州 450001)

水質評價和污染源解析是河流有效管理和污染防治的基礎工作[1]。在常見的水質評價方法中，單因子評價法不能反映水體綜合情況，污染指數法不能評出水質類別，模糊數學法、灰色系統評價法、層次分析法、神經網絡法對劣Ⅴ類水質評價結論偏保守[2]。綜合水質標識指數法能對Ⅰ～Ⅴ類和劣Ⅴ類水做出合理的定性和定量評價，在我國水環境研究中常用于綜合水質及水質時空變化評價[3-5]。因子分析可將多個水質指標轉化為幾個綜合因子，避免信息損失，還可根據研究區域因子載荷得分識別污染因子的空間分布規律[6]，自此廣泛應用于國內外水環境污染源解析[7-8]。

1 研究區概況

賈魯河鄭州段位于鄭州賈魯河水系(圖1)，介于東經113°34′24″～114°06′33″、北緯34°40′53″～34°41′32″之間，包括賈魯河干流、常莊水庫、索須河、七里河。賈魯河屬于淮河二級支流，發源于河南省新密市，由鄭州市西南部蜿蜒而下，從中牟縣出鄭州，至周口市匯入沙潁河。賈魯河鄭州段長137 km，流域面積2 750 km2。鄭州市城區河流皆為賈魯河支流，常莊水庫位于賈魯河支流賈峪河的中下游，七里河和索須河是賈魯河鄭州段兩個最大支流。根據

圖1 鄭州賈魯河水系及采樣點分布

《河南省水環境功能區劃》(豫環2006)，賈魯河鄭州段劃分為3段：上段為水源至尖崗水庫出口，為Ⅱ類水質；中段尖崗水庫出口至西流湖南陽壩，為Ⅲ類水質；下段南陽壩至郭辛莊，為Ⅳ類水質。賈魯河源頭泉水早已干枯，在西流湖以下沿途接收鄭州市排水為水源。2014—2016年，鄭州實施了水生態文明建設試點工程，對城區大部分河道進行了截污和清淤，并向賈魯河水系間歇式引入黃河水[18]，賈魯河的水質有所改善，但距離鄭州市規劃的“水清岸綠、鳥鳴魚戲、人水和諧”的景觀河流目標還差很遠。

2 研究方法

2.1 采樣點布設

根據SL219—2013《水環境監測規范》和《河南省水環境功能區劃》(豫環2006)，在鄭州賈魯河水系設9個采樣點(圖1)，其中，賈魯河干流設6個采樣點：尖崗水庫(S1)、西流湖南陽壩(S2)、中州大道斷面(S3)、鄭開大道斷面(S4)、中牟水文站斷面(S5)、中牟陳橋斷面(S6)；支流設3個采樣點：常莊水庫(CS)、索須河的大河路斷面(SD)和七里河的萬三公路斷面(QW)。S1、CS、S2位于賈魯河鄭州飲用水源區，S3、S4、QW位于賈魯河鄭州排污控制區，S5、S6和SD分別位于賈魯河鄭州中牟農業用水區、賈魯河中牟排污控制區、滎陽鄭州過渡區。

2.2 水樣采集與分析方法

水樣采集時間為2016年7月8—10日和9月16—18日。水樣采集后帶回實驗室立即分析，當天不能分析的置于4 ℃冰箱保存，待次日分析。7月采樣時，楊橋干渠正向賈魯河輸入黃河水。

2.3 綜合水質及其時空變化評價方法

水質評價和水質時空變化評價采用綜合水質標識指數法，該法以GB 3838—2002《地表水質量標準》和單因子標識指數為基礎，綜合評價水質級別、功能區目標達標狀況、水質時空變化程度。

2.3.1綜合水質標識指數計算方法

綜合水質標識指數(IWQ)由整數位和3位小數排列構成，結構式為：R1.R2R3R4，其中R1、R2、R3和R4分別表示綜合水質級別、水質判斷為該等級的隸屬度、未達到水環境功能區目標的單因子水質指標個數、綜合水質級別劣于水環境功能區劃目標幾個等級。綜合水質級別標識指數G的計算公式[19]為

(1)

其中

2.3.2綜合水質級別及其時空變化評價方法

綜合水質級別和水質時空變化評價按照表1進行。

表1 水質級別及其時空變化評價標準

水質隨時間和空間變化程度分別根據水質時間變化率T和空間變化率S判斷，T、S的計算公式[21]為

(4)

(5)

式中：Gt1、Gt2分別為比較時間內起始時刻和終止時刻采樣點綜合水質級別標識指數；GS1、GS2分別為比較空間內起始斷面和終止斷面采樣點綜合水質級別標識指數。

2.4 污染源解析方法

污染源解析采用因子分析法。因子分析從原始變量的相關系數矩陣出發，通過降維找出少數幾個不可觀測的隱變量(因子)，少量因子通常能揭示出隱含在原始變量之間的內部聯系和重要信息，尤其是成因上(污染源)的聯系，解釋基于獲得的旋轉因子載荷、旋轉特征值和采樣點因子得分[22]。因子分析之前原數據經過Z標準化(Z-Score)，以消除不同污染物濃度量程差異的影響[23]。

2.5 數據處理方法

數據處理采用ArcGIS10.5和IBM SPSS Statistic19軟件。

3 結果與分析

3.1 采樣點污染物質量濃度

7月和9月采樣點污染物質量濃度見表2，各污染物質量濃度為3個平行樣測定的平均值。

表2 采樣點污染物質量濃度

3.2 綜合水質級別和水質時空變化評價

3.2.1綜合水質級別評價

表3為采樣點綜合水質評價結果，7月除S1、S4綜合水質類別達到水功能區劃目標外，其余均超標；9月所有采樣點綜合水質均超標。9月水質與7月相比，S1、S4、S5分別由Ⅱ類、Ⅳ類、Ⅴ類降為Ⅲ類、Ⅴ類、劣Ⅴ類；S3水質由劣Ⅴ類變為Ⅴ類；S2、CS、S5、S6、SD、QW仍然為劣Ⅴ類，QW仍黑臭。7月采樣點綜合水質從優到劣順序為：S1、CS、S4、S2、S5、SD、S3、S6、QW;9月采樣點綜合水質從優到劣排序為：CS、S1、S2、S4、S3、S5、S6、SD、QW，除了S4外，干流水質從上游到下游逐步惡化，支流水質劣于干流。

表3 采樣點綜合水質級別評價

3.2.2水質時空變化評價

表4顯示，9月水質與7月相比，采樣點S1和S4皆明顯惡化(|T|>20%)，S3有輕微改善(10%<|T|<20%)，而CS、S2、SD、QW、S5、S6變化不明顯(|T|<10%)。尖崗水庫(S1)是鄭州市反季節調蓄備用水源，因為夏季用水高峰時庫水被調用，9月采樣時水位比7月下降，加上夏季雨水帶來的面源性污染，從而造成9月水質變差。7月采樣時賈魯河采樣點S3上游有城中村排水明渠截污施工，9月采樣時此排水口未見有水流入賈魯河，也許造成了9月采樣點S3水質比7月的稍微改善。7月采樣時位于S4上游楊橋干渠正在向賈魯河引入黃河水，而9月采樣時無此引黃補水，故9月S4水質比7月明顯惡化，說明通過楊橋干渠向賈魯河引黃補水只能當時改變最近受水河段水質。

表4 采樣點水質時空變化

選擇賈魯河干流下游采樣點S3—S6段分析水質空間變化，原因是上游湖庫(S1、S2)平常與賈魯河下游隔離，CS、SD、QW位于賈魯河支流，故這5個采樣點不參與水質空間變化分析。表4顯示，采樣點S4水質比S3在7月明顯改善(S>20%)，在9月無明顯變化(S<10%)。無論7月或9月采樣點S5水質比S4的均明顯惡化(|S|>20%)；而采樣點S6水質比S5的在7月輕微惡化(10%<|S|<20%)，在9月沒變化(S=0)。

賈魯河鄭州段為典型基流匱乏型河流，除雨季外，水源主要為6個市政污水處理廠和工業排水，間歇式引黃補水。采樣點S3～S4段位于賈魯河鄭州市污染控制區，S3的水源主要有位于鄭州市西部的五龍口污水處理廠一級B排水(約10萬m3/d)，在S3—S4段先后匯入了污染較重的索須河水、陳三橋污水處理廠一級A排水(約10萬m3/d)、馬頭崗污水處理廠水質較好的排水(約60萬m3/d)，各種水源混合后S4水質與S3水質相比一般變化不明顯(9月)，但在S3—S4之間楊橋干渠進行引黃補水時(7月)，黃河水的稀釋作用使S4比S3水質明顯改善。S4—S5段匯入大量七里河黑臭水，其中包括王新莊污水處理廠二級B排水(約40萬m3/d)和南三環污水處理廠一級A排水(約10萬m3/d)，造成S5的水質比S4的水質無論7月或9月均明顯惡化。采樣點S5—S6段匯入了中牟縣污水處理廠二級B排水(約2.0萬m3/d)和少量農村生活污水，因上游黃河引水的稀釋作用，7月采樣時采樣點S5比S6污染稍輕，9月采樣二者無明顯差別。由此說明，因大量王新莊污水處理廠出水匯入賈魯河，通過楊橋干渠對賈魯河進行引黃補水只能改善受水區一段水質，對S5和S6水質影響不明顯。

鄭州市是水源型缺水和水質型缺水并存的城市[24]，引黃補水是鄭州市水系連通不可缺的方法，根據鄭州水務局公布數據，鄭州每年向賈魯河水系引黃補水約1.2億m3。本研究發現，通過楊橋干渠引黃補水不能有效解決賈魯河出鄭州斷面的劣Ⅴ類水質問題。建議加強賈魯河受水區和黃河水源的水質、水量監測，按照賈魯河目標水質科學計算需水量，合理調配引水量，提高賈魯河引黃補水的生態效益和經濟效益。

3.3 污染來源分析

表5 污染物旋轉因子載荷

表6 采樣點因子得分

在因子2上得分為正的采樣點有SD、S6及7月的S3和QW(表6)，說明這些采樣點CODMn與CODCr質量濃度對因子2貢獻較大。一般認為CODMn和CODCr與城市化帶來的生活污水排放相關[28]。根據鄭州市環保局統計，鄭州市2016年污水排放CODCr為28 196.94 t，其中生活源、工業源、農業源CODCr分別占總排放量的80.85%、18.38%和0.72%。由于鄭州市生活污水和工業污水多經處理排放，且我國污水處理廠CODCr消除率高，推定這4個采樣點CODMn和CODCr高主要與某些未處理污水相關。采樣點QW上游的王新莊污水處理廠污水溢流入七里河，是造成QW、S6的CODMn與CODCr質量濃度高的主要原因。此外，采樣時調查發現：S3上游城中村(7月)，七里河的支流十七里河、S5—S6段中牟縣沿河農村都有生活污水直排現象。近幾年鄭州西部城市化加快，滎陽市城鎮人口和工廠增多而污水處理廠建設滯后，造成索河嚴重污染，索河入索須河口日排污水量約為1.6萬m3[29]；但索須河水源還有執行一級A標準的馬寨污水處理廠排水和上游水庫間歇式下泄，采樣點SD總體表現為CODMn和CODCr質量濃度高、TN質量濃度比賈魯河下游低(表2)，所以SD對因子2方差貢獻率最大，在因子1上得分低于平均值。以上分析說明因子2主要與未處理污水有關。

采樣點S1、CS、S2、S4在因子1、2上得分為負值(表6)，說明這4個采樣點污染物與因子1、2相關程度低于平均值。采樣點S1、CS、S2水源主要為黃河水。尖崗水庫庫形狹長，流域內馬寨鎮、白寨鎮和侯寨鄉的工業、畜禽養殖和旅游業發達，水庫上游所受面源性污染壓力大[30]。常莊水庫庫區小流域屬土質淺山丘陵區，耕地多為坡地或階田，水土流失、農業施肥和周圍村莊等給水庫帶來面源性污染。多年來，西流湖周圍城中村的生活污水直排入湖，湖底積累很深黑色淤泥，采樣時盡管已經實施截污工程，不能避免來自城中村的面源性污染隨雨水入湖，這些因素導致湖水富營養化，只因為其水源為黃河水，水質比賈魯河下游好。因此，鄭州賈魯河中上游現在主要為面源性污染和內源性污染。采樣點S4水源主要為水質較好的馬頭崗和陳三橋污水處理廠排水，故無論楊橋干渠有無引黃補水，采樣點S4污染物質量濃度在賈魯河下游最低，從而使其與因子1、2的相關程度低于平均值。

以上分析說明，賈魯河各控制單元徹底控源截污、上游庫區農業面源污染治理、河湖清淤疏浚、市政污水處理廠提標改造是賈魯河鄭州段水質改善的必要措施。

4 結 論

a. 鄭州賈魯河上游水庫綜合水質為Ⅱ類或Ⅲ類，中游湖泊Ⅳ類，干流下游一般為Ⅳ類～劣Ⅴ類；索須河和七里河水質分別為劣Ⅴ類或劣Ⅴ類并黑臭。9個采樣點兩次采樣中只有7月尖崗水庫和鄭開大道斷面達到水質規劃目標，其他全超標。

b. 在無引水情況下，賈魯河干流水質從上游到下游逐步惡化，支流水質劣于干流；通過楊橋干渠向賈魯河應急性引黃補水僅當時改善最近受水區河段水質，對賈魯河出鄭州斷面水質無明顯改變。