岷江干流水質狀況及變化趨勢分析

吳 瑤，段 慧，范 力

(四川省生態環境監測總站，四川 成都 610091)

0 引 言

岷江流域位于四川省境內，流域面積135 881 km2，全長735 km，流經阿壩、成都、眉山、樂山、宜賓等地，在宜賓匯入長江。岷江流域以都江堰為界，都江堰以上為上游，以下至樂山為中游，樂山以下為下游，岷江是長江上游重要的支流之一，是長江上游生態屏障的重要組成部分及成都平原重要的水源生命線[1]。2015年12月，四川省制定了《＜水十條＞四川省工作方案》，對岷江流域強化控源減排，以強力控制和削減總磷污染為主攻方向，并要求到2020年岷江流域納入國家考核的監測斷面水質優良（達到或優于Ⅲ類）比例達到 81.61%以上，干流及一級支流基本消除劣Ⅴ類水體[2]。為加快改善岷沱江流域水環境質量，四川省制定了《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》（DB51/2311—2016）[3]，2017年1月1日起，岷江、沱江流域新建排污單位必須嚴格執行；2020年1月1日起，現有排污單位排放污染物都必須執行該標準。

近年來，有關岷江流域水質變化情況及成因分析，受到相關領域研究者的關注。劉騫等[4]依據《地表水環境質量評價方法》（試行）（環辦〔2011〕22號）[5]對岷江流域國、省考斷面水質類別和主要污染物變化情況進行分析，評估了《＜水十條＞ 四川省工作方案》實施后岷江流域地表水環境質量改善及年度目標完成情況。陳雨艷等[6]采用內梅羅污染指數法和Spearman 秩相關系數法對岷江流域水質變化及時空分布進行分析并提出相應污染防治建議。不同分析方法均有自身的優缺點[7]，本文采用單因子評價法[8]、內梅羅綜合污染指數法[9]和主成分分析法[10-11]對“十三五”期間岷江干流13個斷面（7個國控斷面和6個省控斷面）進行水質變化分析，確定主要污染物及其來源，并從高時間分辨率剖析水質變化情況，明確重點管控的區域和時段；同時分析了流域水質情況與經濟、人口的關系，綜合反映水質保護措施對水環境質量的影響。

1 研究方法

1.1 數據來源

研究采用的數據包括手工監測數據和水質自動監測數據，具體情況如下：

1）手工監測由斷面所在行政區環境監測站進行監測，在2017年10月以前，由各地生態環境部門組織監測；自2017年10月起，由生態環境部開展采測分離，監測頻次為每月一次。監測指標為《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）[12]表1中的有21個項目，包括：pH、溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮、總磷（以p計）、銅、鋅、氟化物（以F-計）、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（LAS）和硫化物。

表1 監測斷面信息1）

2）水質自動監測站（以下簡稱水站）由國家和地方組織建設，監測指標包括：pH、溶解氧、水溫、電導率、濁度、高錳酸鹽指數、氨氮、總磷和總氮9個項目。因部分水站是2018年以來逐漸布設完善的，所以表1中部分水站斷面無2019年前的監測數據，后續分析采用2019-2020年的水站監測數據。

1.2 研究區域

選取岷江干流7個國控斷面，6個四川省控斷面，共13個斷面進行研究，涉及阿壩州、成都市、眉山市、樂山市、宜賓市5個地市（州），相關監測斷面信息見表1。

1.3 研究方法

數據處理主要采用了三種方法，單因子評價法、內梅羅綜合污染指數法和主成分分析法。

1）單因子評價法：評價方法依據《地表水環境質量評價辦法（試行）》（環辦〔2011〕22號）對斷面水質評價的方法，即根據評價時段內該斷面參評的指標中類別最高的一項來確定。

2）內梅羅綜合污染指數法：

式中：Ii——第i項目的污染指數；

ρi——第i項目的實測濃度值，mg/L；

si——第i項目的標準限值（依據GB3838—2002 Ⅲ類標準限值），mg/L；

——污染指數平均值；

Imax——污染指數最大值；

p——內梅羅綜合污染指數。

其中，溶解氧和pH的判定與其他項目不同。溶解氧的限值要求是不低于規定濃度。為了使數據具有可比性，上式(1)中的IDO修正為：

式中：IDO——溶解氧的污染指數；

ρDO— —溶解氧的實測濃度值，mg/L；

SDO—— 溶解氧在GB 3838—2002的Ⅲ類限值，為5 mg/L。

GB 3838—2002中，所有類別水體的pH標準限值均為6～9范圍值，水質類別之間無數值的差異。因此，在此數值區間內的pH值無法反映水體是否受到污染，更無法反映受污染的程度。因pH的監測結果均在6～9范圍內，故未對pH進行內梅羅污染指數統計。

3）主成分分析法：利用SPSS統計軟件進行主成分分析，利用數學降維的思想，將系統中的多個影響指標轉換為少數影響指標，用較少的指標反映出原始指標的信息，減少系統多指標分析的復雜性，提高系統運算的可靠性[13-14]。

如上所述，溶解氧是濃度值越高越好，限值要求是不低于規定濃度。基于主成分分析法原理，需對溶解氧的濃度值以GB 3838—2002的Ⅲ類限值（5 mg/L）為中點進行對稱轉化，其轉化濃度值的數值越高，表示水質情況越差，并以此值參與主成分分析。公式為：

ρDO——溶解氧的實測濃度值，mg/L。

上述分析方法中，單因子評價法用于水質定類，簡單且使用廣泛，可確定超標項目（按GB 3838—2002的Ⅲ類限值），但它需要輔以超標倍數才能較準確量化，且難以衡量多種因子的綜合影響情況[15-16]；內梅羅污染指數法由單因子指數法發展而來，能夠全面地反映出各種污染物對環境受污染程度的貢獻，是一種計權型多因子環境質量指數，能夠兼顧極值或突出最大值，具有較高的客觀性，不僅用于土壤中重金屬的評價[17]，近年來在環境水質狀況研究中也得到廣泛應用[6,18-19]，但該方法最大值對所得結果的影響很大，可能會過于突出某些項目的影響作用[8]；主成分分析法可在損失很少信息的前提下，反映各項目對水質的綜合影響程度，得到主要項目，但它難以直觀反映不同項目在不同時空對水質的影響程度[20-21]。根據各評估方法的優缺點，本文由單因子評價法進行水質定類，并確定超標項目；由內梅羅綜合污染指數法對水質變化情況進行定量性綜合分析，將其較為直觀的體現，并得到主要污染項目；主成分分析法確定影響水質的主要項目，并對內梅羅綜合污染指數法得到的結果進行印證，以保證主要污染項目的確定是準確可靠的，可以此作為后續分析的基礎。

2 結果與討論

2.1 岷江干流斷面水質變化情況分析

2.1.1 單因子評價法評估水質類別變化

根據單因子評價結果，2016-2020年岷江干流上游渭門橋、映秀、黎明村（界牌）、都江堰水文站和岷江干流下游馬鞍山、河口渡口、月波和涼姜溝8個斷面各監測項目均未超過GB 3838—2002的Ⅲ類標準限值，其上游各斷面水質類別為Ⅰ-Ⅱ類，下游為Ⅱ-Ⅲ類。

2016年岷江干流中游各斷面均出現超標，超標因子及最大超標倍數分別為岳店子下（岳店子）（總磷，超標0.07倍）、彭山縣岷江大橋（總磷，超標0.27倍）、眉山白糖廠（總磷，超標0.50倍）（溶解氧不達標，其年均值為4.77 mg/L）、青神羅波渡（總磷，超標0.28倍）、悅來渡口（總磷，超標0.36倍），水質類別均為Ⅳ類。2017年岷江干流中游3個斷面出現超標，超標因子及最大超標倍數分別為彭山縣岷江大橋(總磷，超標0.09倍）、青神羅波渡(總磷，超標0.07倍)、悅來渡口(總磷，超標0.18倍），水質類別均為Ⅳ類；2017年岷江干流中游岳店子下（岳店子）和眉山白糖廠2個斷面未出現超標，水質類別均為Ⅲ類。2018-2020年岷江干流中游各斷面均未出現超標，水質類別為Ⅱ-Ⅲ類。各斷面2016年至2020年水質類別變化如圖1所示。

圖1 岷江干流各斷面2016～2020年水質類別變化圖

由上述評價結果可知，2016年間，岷江流至岳店子下斷面（成都市境內），水質下降明顯；待流至馬鞍山斷面（樂山市境內），才顯著好轉。2017年間，成都境內的斷面基本維持在Ⅱ類和Ⅲ類，流至彭山岷江大橋斷面（眉山市境內），水質類別變為Ⅳ類。上述斷面中引發水質定類變差的項目主要為總磷，其中2016年春季至夏季期間，眉山白糖廠（眉山市境內）斷面除了總磷超標外，還有溶解氧不達標?？傮w而言，在2016-2017年，岷江干流基本呈現“上游好、中游較差、下游中等”的情況；2018-2020年，經流域各市大力整頓，此現象已不明顯。

從每個斷面的時間變化看，2016-2020年間，岷江干流大部分斷面水質類別呈變優趨勢。渭門橋、都江堰水文站兩個斷面的水質，在2020年達到了Ⅰ類。2018-2020年，所有監測斷面均達到Ⅰ～Ⅲ類及水質。

2.1.2 采用內梅羅綜合污染指數法分析

由圖2可知，大部分斷面的內梅羅綜合污染指數（以p表示）在2016-2018年期間，逐年下降；2018-2020年，大部分斷面p略有波動、整體趨于平穩。從降幅看，都江堰水文站斷面（成都市境內）、岳店子下斷面（成都市境內）、彭山縣岷江大橋斷面（眉山市境內）、眉山白糖廠斷面（眉山市境內）和悅來渡口斷面（樂山市境內）降幅最大，2020年與2016年相比，p降幅分別為62%、56%、53%、57%和57%；映秀斷面（阿壩州境內），各年p變化幅度較小，未見明顯規律。

圖2 各斷面綜合污染情況變化圖

2016年，p則從黎明村斷面（成都市境內）即開始增加；2020年，p整體已經明顯小于2016年，其從映秀斷面（阿壩州境內）略微增加，然后逐漸下降，至岳店子下斷面（成都市境內）再次增加。根據2016-2020年p均值看，岷江流至岳店子下斷面（成都市境內），p開始增加，在眉山白糖廠斷面（眉山市境內）達到峰值，待流至馬鞍山斷面（樂山境內）銳減，在其下游斷面略有抬升并趨于平穩。

將2016-2020年期間每月p值超過0.5的項目列出，項目排序依p值由高到低、頻次由多到少列出，詳見表2。從地理位置分析，表2列舉的項目也是成都、眉山境內斷面歷年主要影響水質的項目。

表2 歷年來內梅羅污染指數高值項目

2.1.3 采用主成分分析法分析影響水質的主要項目

使用SPSS進行主成分分析法。為消除各項目量綱所帶來的影響，對原始數據進行了Zscore標準化處理，提升數據的可比性。

由圖3可知，前3個主成分的方差貢獻率已經超過了76%，特別是第一個主成分，其方差貢獻率約50%。成分矩陣情況如表3所示。

圖3 碎石圖

表3 成分矩陣

從第一個主成分分析，系數大于0.85的項目是高錳酸鹽指數、BOD5、溶解氧、總磷、鉛、氨氮和COD。此結果與單因子評估法的結果大體一致，岷江流域的水質受總磷和溶解氧的影響較大，但除此之外，也受到高錳酸鹽指數、BOD5、COD等項目的影響。

綜合三種處理方法的結果，總磷、溶解氧、COD和BOD5至少是兩種分析方法確定的影響水質的主要項目。針對此四個主要項目進行分析，它們之間均有強相關性，如表4所示。

表4 相關系數矩陣（標準化處理數據）1）

2016年春季和夏季，溶解氧在成都、眉山段出現不達標情況，同時也出現了總磷超標情況；2017年相近時段，雖然溶解氧達標，但濃度偏低。溶解氧偏低除了受到水溫影響外，該段岷江中的耗氧有機物較高也是重要原因[21]。2018-2020年，溶解氧均比2016年、2017年同時段高。

2016-2018年，岷江中有機物對水質影響較為顯著，但濃度逐年下降，且呈現BOD5降幅高于COD趨勢；2019-2020年，有機物已經不是影響水質的主要污染物。由于水體中有機污染物主要來自于點源（各排污單位）[22-23]，因此可知在2017年1月1日DB51/2311—2016正式生效后，點源加強控制得到了良好的效果。

雖然總磷呈逐年下降趨勢，五年期間部分斷面降幅可達50%。但由于其他項目降幅更大，自2019年起，總磷已經成為影響岷江水質最主要的項目。由上可知，對點源的管控已經達到了較好的水平，點源并非影響總磷的超標的主要因素，由此可知總磷主要來自農業面源（特別是磷肥）[24]。

2.2 從高時間分辨率剖析水質變化情況

據上述章節可知，岷江水質在2016-2020年期間的變化情況，以及主要影響項目及來源。但對于精準治理和管控來說，需要結合高時間分辨率的監測結果進一步剖析。根據《地表水環境質量評價辦法》中有關地表水水質評價指標要求，河流總氮項目不參與地表水水質評價，本文選取2019-2020年岷江干流8個水站總磷、高錳酸鹽指數、氨氮3個項目自動監測數據的月均值，對水質進行高時間分辨率的變化分析，其變化趨勢情況詳見圖4。

圖4 2019-2020年岷江干流水站年內逐月均值變化

通過對岷江流域歷史資料和河流水質分析文獻調查，劃分豐、平、枯三個水期，豐水期為6、7、8月，平水期為4、5、9、10月，枯水期為1、2、3、11、12 月。由圖4可見，2019-2020年岷江干流水站高錳酸鹽指數、氨氮月均濃度基本滿足Ⅲ類水質標準，而2019年1月岷江中游岳店子下和2019年4月岷江中游彭山岷江大橋、眉山白糖廠、悅來渡口及岷江下游涼姜溝以及2019年5月岷江中游岳店子下、眉山白糖廠及岷江下游涼姜溝均出現總磷超標現象。

究其總磷超標原因，可能是枯水期1月降水量少，上游來水不足，河流水體稀釋能力弱，加之岳店子下水站位于成都出境至眉山的交界，受農業農村、生活污水及工業企業污染等影響相對顯著[25]。而平水期4月、5月降水量不足，水體稀釋及自凈能力較弱，但此期間屬于農灌季節，農田徑流進入水中，將磷肥最終帶入岷江，造成中下游多個斷面水體總磷超標[26]。2020年，由于區域內各相關部門的大力整頓，岷江中游污染物得到有效管控，流域生態環境用水得到進一步保障，使地表水水環境質量得到有效改善。

從本節內容可知，需要重點管控的區域為岷江成都段與眉山段，重點管控的時段是冬季與農灌期，重點管控的源為農業磷肥。

2.3 水質情況與經濟、人口的關系

水質情況用內梅羅綜合污染指數（以p表示）代表，結合斷面上游縣級行政區域的經濟（用GDP代表）和人口，分析水質污染情況與經濟、人口的關系，統計時間為2016-2020年。其中，各縣級行政區域的GDP和人口查自國家統計局官方網絡公開數據。

如圖5所示，在岷江上游（入成都境以前）和下游（樂山、宜賓段），污染情況與人口的相關性較弱，R在±0.6以內；悅來渡口（樂山市境內）、河口渡口（樂山市境內）和月波（宜賓市境內）3個斷面水質污染情況與人口為較強的正相關，其原因可能是這幾個斷面對應縣級行政區域水質情況呈改善趨勢而人口呈微弱減少趨勢；其余斷面一般呈現不同程度的負相關。在多個斷面，特別是成都市和眉山市境內斷面，水質污染情況與經濟、人口呈顯著負相關性，這可能是流域所在區域在發展的同時，注重水環境的保護，著力貫徹廢水治理、雨污分流等措施，積極推進產業升級轉型，并通過地方標準來強化管控[27-28]。

圖5 水質情況與經濟、人口的關系（紅框中，|R|≥0.8）

從水質情況與經濟、人口關系看，“十三五”時期，四川省基本構建了全新的綠色發展格局，在發展的同時，使水質情況顯著改善，為筑牢長江上游生態屏障貢獻了力量。

3 結束語

通過進一步分析2016-2020年數據，“十三五”期間，岷江干流從2016年5個Ⅳ類斷面，好轉為2017年3個Ⅳ類斷面，2018-2020年進一步好轉為斷面全為優良水質；優良水質斷面比例2020年相比2016年，上升38.5%。2016-2020年，內梅羅綜合污染指數逐年降低，2020年與2016年相比下降45%。

總體來看，由于我省各級政府對岷江流域水環境污染物的有效管控以及生態流量進一步增大，區域內城鎮生活污水、工業廢水、農田徑流等污染得到進一步控制，岷江中下游生態環境得到有效改善，水質變優趨勢明顯。當前的主要污染物是總磷，其主要源為農業磷肥，需從磷肥的配方、施肥與灌溉方法、農灌水治理與再利用等方面努力，進一步降低總磷的輸入。