對涇河水質時空分布的分析與評價

張 翔

(黃河流域生態環境監督管理局生態環境監測與科學研究中心，河南 鄭州 450004)

涇河是渭河的最大支流，發源于寧夏涇源縣，依次流經寧夏、甘肅、陜西三省(區)，在西安市陳家灘匯入渭河。涇河流域主要位于黃土高原溝壑區，水土流失較為嚴重[1]。根據2019年《黃河泥沙公報》的資料顯示，涇河多年輸沙量均值為2.09億t，占黃河流域重要支流輸沙量的21%[2]。隨著工業發展和城鎮化推進，涇河水體水質的優劣不僅關系到沿岸百姓的日常用水安全，還直接影響著渭河的水質。

文章通過對涇河近10年來水文、水質監測資料進行分析，從泥沙徑流的變化趨勢、水功能區水質達標情況、主要污染物相關性分析等三個方面出發，對涇河10年來水質狀況進行全面的梳理，為“十四五”期間更好地推進涇河流域生態環境保護和經濟社會高質量發展提供基礎支持。

1 評價范圍與方法

1.1 水質評價范圍

涇河彬縣工業、農業用水區彬縣斷面以上有馬蓮河、蒲河、汭河等支流匯入，為了更加科學、全面地評價涇河水質狀況，文章依據《全國重要江河湖泊水功能區劃(2011—2030年)》，選取彬縣斷面下游7.3km的景村斷面和涇河涇陽農業、工業用水區代表斷面張家山作為評價對象。

依據水功能區限制納污紅線評價技術要求，結合近10年以來的涇河水質監測成果與GB 3838—2002《地表水環境質量標準》進行對比，從中篩選出5項主要評價指標，分別為溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數、化學需氧量(COD)、氨氮和總磷(TP)作為本次調查評價的監測因子[3-4]。

1.2 水質評價方法

1.2.1模糊綜合評價法

河流水質污染程度的高低是一個相對模糊的概念，通過特定的分級標準去衡量水污染程度是不夠準確的。模糊綜合評價法在數學原理的基礎上，通過確定隸屬函數搭建模糊關系矩陣，對水體水質的不確定性和模糊性進行量化處理，從而客觀地分析評價河流水質狀況[5-6]。

首先將涇河景村和張家山斷面的DO、COD、TP等5項指標建立評價因子集合，然后依據GB 3838—2002中相關指標的標準限值，分別確定各指標所占權重。利用隸屬函數法計算景村和張家山斷面各指標的隸屬度，搭建模糊關系矩陣[7]。

隸屬函數公式：

(1)

式中，r—隸屬度值；C—某監測指標的實測濃度；C0—某監測指標所屬水質標準限值的上限值；C1—某監測指標所屬水質標準限值的下限值。

模糊關系矩陣：

(2)

式中，m—評價指標數；n—其水質類別；rmn—第m種污染物的指標數值被評價為第n類水質類別的百分比。

將模糊關系矩陣與評價指標的權重矢量進行復合運算，依據最大隸屬度原則確定涇河景村和張家山斷面的綜合水質類別。

1.2.2水質標識指數法

單因子水質標識指數計算相對簡單，與傳統的評價方法相比，可以對相同類別的同一監測因子進行定量評價[8]，文章應用單因子水質標識指數，判斷涇河中下游河段的主要污染項目。

單因子水質標識指數由一位整數和兩位小數組成，其計算公式如下[9]：

I=X1.X2X3

(3)

式中，I—單因子水質標識指數；X1—評價指標的水質類別；X2—監測指標在X1區間內所處的位置；X3—參與評價的監測指標中劣于水功能區目標的個數。水質標識指數分級標準見表1。

表1 綜合水質標識指數分級標準

2 結果與分析

2.1 泥沙徑流變化

自2011年以來，涇河年徑流量和輸沙總量均值分別為11.6億m3和0.53億t。根據表2可知，近10年來涇河徑流量與輸沙量間呈現明顯的年際變化，2011—2019年涇河輸沙量極值比與徑流量的極值比分別為5.5和2.5，涇河輸沙量變異系數為0.68大于徑流量變異系數0.30；通過變異系數從側面驗證了涇河輸沙量年際變化率大于徑流量年際變化率[10]。

表2 2011—2019年涇河年徑流量和輸沙總量統計表

近10年間，涇河輸沙量每隔3年會出現一個峰值，分別是2013年的1.3億t、2016年的0.58億t、2018年的0.96億t。徑流量只在2013年和2018年出現峰值，受降水減少和農田灌溉用水增加的影響，2016年涇河徑流量為建站以來的最小實測年徑流量，說明涇河徑流量與輸沙量之間的正相關性不顯著。

為了準確地探求徑流量和輸沙量之間隨時間變化的相關關系，利用Excel分別計算出涇河徑流量和輸沙量的線性回歸方程[11]，如圖1和圖2所示。雖然徑流量時空分布上有著明顯的上下波動趨勢，但是通過其線性回歸斜率可知，自2011年以來，涇河徑流量總體呈小幅上升的趨勢，平均每年增加0.2429億m3。雖然輸沙量時空分布上同樣有著明顯的起伏波動，但是其線性斜率幾乎為零，2019年輸沙總量與2012年相比，基本保持穩定。

圖1 2011—2019年涇河年徑流量變化趨勢

圖2 2011—2019年涇河年輸沙量變化趨勢

2.2 模糊綜合評價結果

由表3可知，2018年之前涇河景村段水體污染程度較嚴重，2011—2017年Ⅳ類水占42.9%；Ⅴ類水占57.1%。通過計算由Ⅰ～Ⅴ類水各自的最大隸屬度可知，涇河景村段Ⅳ～Ⅴ類水所占權重從2016年的0.72降至2018年的0，自2016年以來，景村段水體水質得到逐步改善。2018年之后，景村段水體水質均符合地表水Ⅲ類水質要求。

表3 涇河景村斷面水質模糊綜合評價結果

涇河下游張家山斷面水質明顯優于中游景村斷面，由表4可知，自2013年以來下游河段水質均滿足水功能區Ⅲ類水質目標。這說明下游河段兩岸污染物輸入較少，涇河景村段輸入的污染物通過沿途物理、生物等作用不斷轉化降解。

表4 涇河張家山斷面水質模糊綜合評價結果

2.3 主要污染因子

通過單因子水質標識指數法，對涇河主要污染指標進行判斷，其結果見表5。從各評價項目的標識指數計算結果可以看出，2011—2017年涇河COD的水質標識指數最大，說明COD是造成涇河水質不達標的主要因素。2017年之后涇河COD濃度呈顯著好轉趨勢，其2019年水質標識指數1.60相比2011年的峰值5.62，降幅達71.5%。

表5 涇河單因子水質標識指數評價結果

衡量監測數據所在其水質類別區間中的位置是水質標識指數法的優勢。雖然2016年之前涇河氨氮濃度達到Ⅲ類水功能區要求，但是其值大多在Ⅲ類水區間距下限值60%～80%的位置，水質存在超標風險。2016年至今，涇河水質逐漸改善，氨氮水質標識指數基本穩定在Ⅱ類區間。涇河DO、高錳酸鹽指數和TP三項指標的水質標識指數基本在2.00到2.80區間內上下波動，說明這三項指標最優，基本穩定在Ⅱ類水平。

以往的研究表明，河道水體污染程度與泥沙徑流量有著密切關系。一方面，河道水體的自凈和稀釋能力隨著徑流總量的增大而變強；另一方面，由于涇河水體pH值基本呈弱堿性，在這種條件下，泥沙顆粒等具有較強的吸附和解吸能力，可以把水體中的有毒有機物質吸附到顆粒物表面，降低水體中污染物含量[12-15]。為了進一步研究涇河水污染與泥沙徑流之間的關系，通過相關系數法對其相關性進行評價，結果見表6。

表6 COD和氨氮與泥沙徑流相關性系數表

涇河COD濃度與徑流量、輸沙量呈負相關，其相關系數分別為-0.399和-0.261，相關性不顯著。徑流量與氨氮濃度的相關系數為-0.644，呈現弱負相關，徑流量越大，氨氮濃度越低。輸沙量與氨氮濃度的相關系數-0.339，顯示輸沙量與氨氮濃度呈負相關，相關性不顯著。

3 結語

從時空分布上看，近10年來涇河輸沙量年際變化率大于徑流量年際變化率。從趨勢變化上看，涇河徑流量總體呈小幅上升的趨勢，輸沙總量基本保持穩定。2017年之前涇河景村斷面基本為Ⅳ～Ⅴ類水，COD是主要污染物。通過截污減排等措施，2018年之后景村斷面水質得到逐步改善，達到Ⅲ類水水平；自2013年以來，涇河下游張家山斷面基本滿足水功能區Ⅲ類水質目標。涇河輸沙量與COD、氨氮濃度呈負相關，相關性不顯著；徑流量與氨氮濃度呈弱相關性，徑流量越大，氨氮濃度越低，徑流量與COD濃度相關性不顯著。