汀江主干流上杭段水質評價與變化趨勢分析

吳坤宗

（龍巖市上杭生態環境局 福建龍巖 364200）

1 研究背景

水環境質量（以下稱水質）一直是人民群眾廣泛關注的話題，直接關系當地經濟、社會能否可持續發展。對水質進行科學的評價以及對其變化趨勢的分析，可以充分了解河流、湖泊的健康狀況和污染情況，提供水質預警，為提前防范和相關政府決策提供重要依據。因此對解決水體污染、保護水資源和社會經濟發展具有重要的現實意義。

汀江是上杭的母親河，發源于武夷山南段東南一側的寧化縣治平鄉境內木馬山北坡，流經長汀、武平、上杭、永定4 縣（區），在永定區峰市鎮出境后匯入廣東韓江。上杭縣位于汀江中段，汀江主干流上杭段河長112 km，集水面積1 091 km2。自長汀縣羊牯鄉流入上杭境內，流經上杭縣10 個鄉鎮，是上杭沿河群眾賴以生存的重要水域。近年來，隨著汀江兩岸生活的人口增加以及人們對環境質量的要求越來越高，汀江水質的好壞及其變化趨勢已經成為社會關注的熱點問題之一。本文圍繞這一熱點問題，基于汀江主干流上杭段近10 年水質監測數據，利用單因子評價法結合內梅羅指數法進行水質分析，通過研究汀江主干流上杭段水質發展規律，為保護汀江提供依據，對未來汀江污染控制和綜合治理具有一定現實意義。

2 研究方法、數據來源及處理

2.1 研究方法

目前地表水環境質量評價方法有主成分分析法、聚類分析法、污染指數評價法、模糊評價法、灰色系統法、層次分析法、人工神經網絡法等［1］。這些水質評價方法都各有其實用性及優缺點，污染指數評價法中單因子評價法具有簡單、直觀的特點，而內梅羅指數法是進行綜合污染指數計算最常用的方法之一。

（1）單因子評價法。單因子評價法是用最差的單項指標所屬類別來確定水體綜合水質類別，即用水體各評價因子的監測結果對照該項目的分類標準確定其水質類別［2］。使用該方法可直接了解水質狀況與評價標準之間的關系。

單因子污染指數計算公式如式（1）：

式中：Ci為第i 種因子污染指數；Cip為在第P 監測點的實際檢測值；Li為第i 種污染因子的標準值（溶解氧根據金士博修正式計算）［3］。

（2）內梅羅指數法。作為典型方法之一，內梅羅指數法是一種兼顧最大值的計權型多因子環境質量指數的評價方法。它的優點是在指數計算過程考慮了污染最嚴重的因子，在加權過程中避免了主觀因素的影響。

內梅羅指數計算公式如式（2）：

式中：PIp為P 監測點的環境綜合污染指數；Cipmax為P 監測點的最大單項因子污染指數；Cipave為P 監測點的各單項污染指數的平均值。

內梅羅指數評價法根據所計算出的環境綜合污染指數PIp 進行水質類別劃分。當某監測點P 所得到的PIp＜0.739 時，說明水質未受到污染，狀況較好；當0.739≤PIp＜1 時，水質狀況可能受到輕微污染；當1≤PIp＜7.280 時，說明水質已經受到中度污染；當PIp≥7.280 時，說明水質受到了嚴重污染［4］。

2.2 評價標準

根據珠江流域水污染防治規劃和福建省有關水污染防治規劃的目標要求,汀江干流上杭段（除上游橫灘飲用水源保護區）水質管理目標為Ⅲ類；2016 年11 月原福建省環保廳將上杭縣李家坪列入國控監測斷面，水質管理目標為Ⅱ類。

2.3 數據來源與處理

本文研究引用的水質數據主要來源于汀江主干流上杭段國控監測斷面1 個（李家坪）、省控監測斷面3 個（澗頭自動站、水西大橋、南蛇渡大橋）2010—2019 年水質監測月數據。這4 個斷面覆蓋整個上杭段水域，數據具有完備性和水質代表性，因此選擇這4 個監測斷面作為汀江主干流上杭段水質監測代表斷面，監測點位分布見圖1。

圖1 汀江主干流上杭段國、省控斷面監測點位分布圖

李家坪、澗頭自動站、水西大橋、南蛇渡大橋監測斷面2010—2019 年水質監測月數據常規監測因子為水溫、pH、溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量、生化需氧量、氨氮、總磷、總氮、銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鎘、六價鉻、鉛、氰化物、揮發酚、石油類、陰離子表面活性劑、硫化物、糞大腸菌群24 個（2019年開始增加電導率），經常未檢出的因子有銅、鋅、硒、砷、汞、鎘、六價鉻、鉛、氰化物、揮發酚、石油類、陰離子表面活性劑、硫化物等13 個。根據《地表水環境質量評價辦法（試行）》，對4個監測斷面月監測數據按年度算術平均處理，評價李家坪、澗頭自動站、水西大橋、南蛇渡大橋監測斷面水質年度結果及年際變化特征。

3 汀江主干流上杭段水質分析與評價

3.1 汀江主干流上杭段年際變化特征

根據4 個監測斷面2010—2019 年水質監測年平均數據，采用單因子評價法對2010—2019 年4 個斷面水質進行年度評價，評價結果見表1。

表1 2010—2019 年汀江主干流上杭段水質單因子評價結果

評價結果表明：4 個斷面2010 年Ⅱ類水占比25%；Ⅲ類水占比75%；2019 年Ⅱ類水占比100%，水質狀況于2018—2019年穩定為Ⅱ類。其中，澗頭自動站斷面水質2010 年、2013—2017 年間為Ⅲ類，總體趨勢好轉，于2018—2019 年穩定為Ⅱ類；水西大橋斷面水質10 年間除2014 年變為Ⅲ類，其余年間均穩定在Ⅱ類；李家坪斷面水質在2010 年為Ⅲ類，2011 年轉為Ⅱ類后趨于穩定；南蛇渡大橋斷面水質情況較為復雜，2010年和2015 年為Ⅲ類，2012 年出現一次Ⅳ類水質，其余年份均為Ⅱ類?？傮w而言，汀江主干流上杭段除2010 年、2014 年、2015 年為良好外，其他年份水質狀況為優。

10 年來4 個斷面總體水質趨于向好，僅出現一次Ⅳ類水質，即為2012 年南蛇渡大橋斷面，主要原因是2012 年9 月生化需氧量20.5 mg/L，年平均5.1 mg/L，排查的主要原因是水體出現富營養化。澗頭水質自動站斷面出現Ⅲ類水質6 次，影響水質類別的因子為總磷、氨氮、化學需氧量（總磷影響5 次）。水西大橋斷面出現Ⅲ類水質1 次，影響水質類別的因子為總磷、化學需氧量。李家坪斷面出現Ⅲ類水質1 次，影響水質類別的因子為氨氮。南蛇渡大橋出現Ⅲ類水質2 次，Ⅳ類水質1次，影響水質類別的因子為總磷、生化需氧量、化學需氧量。

3.2 汀江主干流上杭段銅因子分析

紫金礦業集團股份有限公司紫金山銅礦濕法廠位于汀江上游，其產生的含銅廢水對汀江造成一定影響，尤其紫金礦業“7.3”事件（2010 年）汀江局部水域受到嚴重污染，水質情況受各方關注。本文重點對銅礦濕法廠廢水中主要污染物因子銅因子采用原子吸收分光光度法（石墨爐）進行分析，采用的分光光度法2010—2018 年檢出限為0.010 mg/L，2019 年5 月在更換檢測設備后檢出限為0.001 mg/L。對2010—2019 年汀江主干流上杭段4 個斷面銅監測因子進行統計（2010 年未采用應急監測數據），結果見表2。

由表2 的統計結果的變化趨勢表明：10 年中4 個斷面銅檢 測 因 子2011 年、2013 年、2014 年、2015 年、2016 年、2017年、2018 年等7 年均未檢出（≤0.010 mg/L），只有2010 年、2012 年、2019 年存在檢出情況；2010 年、2012 年銅出現檢出年均最高濃度為0.014 mg/L，2019 年4 個斷面銅年均濃度均為0.003 mg/L；4 個斷面的銅在2013 年之后呈下降趨勢，盡管在2019 年設備檢出限提升為0.001 mg/L 后，銅因子的濃度仍然處于低值水平。綜上所述，紫金礦業“7.3”事件（2010 年）后汀江主干流上杭段銅濃度處于低水平，基本能達到I 類水質標準，未出現濃度上升情況。

表2 2010—2019 年汀江主干流上杭段4 個斷面銅檢測情況 單位：mg／L

3.3 汀江主干流上杭段水質污染指數

評價指標過多，不僅增加評價工作量，也會掩蓋重要水質特征。在計算污染指數前，首先要對因子進行篩選。單因子污染指數直觀體現出造成水質污染的主要因子［5］，除水溫、總氮（河流）、糞大腸菌群（無標準）外，對存在可檢出的8 個因子計算2019 年汀江主干流上杭段4 個斷面單因子污染指數（Ⅱ類水標準），結果見表3。從表3 可以看出：4 個斷面污染指數排名前三因子均為總磷、化學需氧量、高錳酸鹽指數,表明當前汀江主干流上杭段主要污染因子為總磷、化學需氧量、高錳酸鹽指數。

表3 2019 年汀江主干流上杭段4 個斷面單因子污染指數

水質評價因子選取遵循3 個原則［6］：①選取相對污染程度較高的因子，污染程度以污染指數大小確定;②選取因子應包括超標因子和最差因子;③選取因子間不應存在強相關性，以避免反映信息的重疊。上述水質分析中存在超標的因子有總磷、氨氮、化學需氧量、生化需氧量?？紤]到比較清潔的水體高錳酸鹽指數和化學需氧量之間相關性比較顯著［7］以及高錳酸鹽指數無超標情況，選擇化學需氧量為評價因子后剔除高錳酸鹽指數。結合汀江主干流上杭段氟化物濃度近幾年來有所增加的特點，選擇化學需氧量、生化需氧量、氨氮、總磷、氟化物5 個代表性污染因子計算內梅羅指數。用內梅羅指數法（Ⅲ類水標準）計算的2010—2019 年汀江主干流上杭段環境綜合污染指數結果見表4。對應的圖2 為環境綜合污染指數趨勢圖。

表4 2010—2019 年汀江主干流上杭段環境綜合污染指數

圖2 汀江主干流上杭段環境綜合污染指數趨勢圖

分析表明：澗頭自動站、水西大橋、李家坪3 個斷面內環境綜合污染指數10 年均小于0.739，說明水質未受到污染，狀況較好。南蛇渡大橋斷面2010 年、2012 年、2015 年環境綜合污染指數大于0.739 但小于1，水質可能受到輕微污染；其他年度水質未受到污染，狀況較好。4 個斷面環境綜合污染指數2014 年、2015 年達到波峰后出現下降趨勢。上杭縣政府2013年開始大力開展流域水環境綜合整治工作，成效明顯。

4 汀江主干流上杭段水質污染變化趨勢分析

4.1 污染變化趨勢分析方法簡介

（1）秩相關系數法。使用《地表水環境質量評價辦法（試行）》 污染變化趨勢的定量分析方法秩相關系數法，用Daniel的趨勢檢驗衡量環境污染變化。

統計檢驗用的秩相關系數計算公式如式（3）和式（4）：式中：di為變量Xi與Yi的差值；Xi為周期I 到周期N 按濃度值從小到大排列的序號；Yi為按時間排列的序號。將秩相關系數rs的絕對值同spearman 秩相關系數的臨界值Wp進行比較。當|rs|＞Wp表明變化趨勢有顯著意義；如果rs是負值，表明在評價時段內有關統計量指標變化呈下降趨勢或好轉趨勢；如果rs為正值，表明在評價時段內有關統計量指標變化呈上升趨勢或加重趨勢。當|rs|≤Wp表明變化趨勢沒有顯著意義,說明在評價時段內水質變化穩定或平穩。查spearman 秩相關系數統計表，在0.05 的顯著水平(單側檢驗)下，N=5 時，臨界值Wp為0.900；N=6 時，臨界值Wp為0.829；N=10 時，臨 界值Wp為0.564。

（2）Excel 編程計算秩相關系數法。根據黃衛［8］、劉宏燕［9］介紹的Excel 編程計算秩相關系數法，將原始數據列入Excel中，在Excel 中利用數據重新排列函數SMALL，數據位置排位函數RANK，找到變量Xi與Yi，計算di，進而計算出秩相關系數rs。

4.2 汀江主干流上杭段環境綜合污染指數變化趨勢

采用秩相關系數法分析2010—2019 年（N=10）汀江主干流上杭段環境綜合污染指數變化趨勢，計算結果見表5。從表5 中可以看出：4 個斷面環境綜合污染指數秩相關系數rs均為負值，說明污染指數呈下降趨勢，只有李家坪呈現顯著意義，李家坪斷面水質改善明顯；南蛇渡大橋秩相關系數rs接近臨界值Wp。由此可見，下游2 個斷面水質改善情況明顯好于上游2 個斷面。

表5 汀江主干流上杭段環境綜合污染指數秩相關系數

4.3 汀江主干流上杭段監測因子測值變化趨勢

采用秩相關系數法分析汀江主干流上杭段4 個斷面11個檢出監測因子，2010—2019 年年均測值變化趨勢計算結果見表6。從表6 中可以看出：4 個斷面化學需氧量、生化需氧量、氨氮、糞大腸菌群年均測值秩相關系數rs均為負值，4 項因子年均濃度呈下降趨勢，但只有李家坪斷面化學需氧量、氨氮以及澗頭自動站糞大腸菌群下降趨勢有顯著意義；另外南蛇渡大橋斷面總磷下降趨勢有顯著意義。

表6 汀江主干流上杭段4 個斷面監測因子測值秩相關系數

綜上，4 個斷面pH、總氮、氟化物年均測值秩相關系數rs均為正值，pH、總氮、氟化物3 項監測因子年均濃度呈上升趨勢，但pH、總氮上升趨勢無顯著意義；除李家坪外其他3 個斷面氟化物上升趨勢均有顯著意義。

5 結論

本文采用單因子評價法結合內梅羅指數法對福建省境內汀江主干流上杭段2010—2019 年水質進行分析、評價，并采用秩相關系數法分析環境綜合污染指數及監測因子變化趨勢，研究結果表明：

（1）汀江主干流上杭段除2010 年、2014 年、2015 年為良好外，其他年份水質狀況為優。汀江主干流上杭段4 個斷面除南蛇渡大橋2010 年、2012 年、2015 年水質可能受到輕微污染外，其他斷面、其他年度水質狀況較好。

（2）紫金礦業“7.3”事件（2010 年）后汀江主干流上杭段銅濃度處于低水平，基本能達到I 類水質標準，未出現濃度上升情況。

（3）當前汀江主干流上杭段主要污染因子為總磷、化學需氧量、高錳酸鹽指數。澗頭自動站、水西大橋、李家坪3 個斷面內水質未受到污染，狀況較好。南蛇渡大橋斷面在2010 年、2012 年、2015 年期間水質可能受到輕微污染，其他年度水質未受到污染，狀況較好。

（4）4 個斷面環境綜合污染指數呈下降趨勢，但只有李家坪斷面水質改善明顯，下游2 個斷面（李家坪、南蛇渡大橋）水質改善情況明顯好于上游2 個斷面（澗頭自動站、水西大橋）。

（5）汀江主干流上杭段氟化物年均濃度呈上升趨勢，而且澗頭自動站、水西大橋斷面、南蛇渡大橋斷面3 個斷面氟化物上升趨勢有顯著意義，需要引起警惕，待進一步調查和研究，查找相關原因。