平原河網水系水質分布變化評價及其影響因素分析

張開鑫，吳德安，孫 健，易邵林，黃國芳，唐紹富

(1.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311100 3.云南省水利水電工程有限公司，云南 昆明 650500)

0 引言

海寧市洛塘河圩區平原河網水系發達，河道縱橫交錯，呈網狀分布，河道水流流向復雜。在河網內部存在著塘壩以及水閘、涵洞等水工建筑物。這些水工建筑物通過對河流水位高度控制和閘門啟閉及引排水的操作，使河網的水文條件更加復雜。由于平原河網地勢平坦且水位落差不大，流速小，以及河流底部的淤泥吸附污染物，這些多重作用加重水環境的污染，增加開發利用水資源的難度[1]。通過引調水，科學地調度河網水流，提高水體的流動性，在一定程度上可緩解區域水質惡化[2]。為了整治杭嘉湖平原生態環境，改善杭嘉湖平原河網水環境，太湖流域管理局與浙江省防汛抗旱指揮部辦公室先后于2005-02-06至2005-03-06與2007-10-18至2007-12-15進行兩次南排調水實踐。通過同步監測水質水量并與排水實踐前的水質水量對比，兩次南排調水使Ⅳ類水體大量增加Ⅴ類與劣Ⅴ類水體減少，河網干流斷面的水質與調水前期相比，有了較為明顯改善[3]。

為響應《中共嘉興市委辦公室嘉興市人民政府辦公室關于印發〈夯實生態綠色基底建設碧水嘉興行動方案(2021—2025年)〉的通知》、海寧市政府《擦亮河湖生態底色、建設碧水海寧行動方案(2021—2025年)》文件精神，海寧市全面開啟碧水河道建設，鞏固“污水零直排區”建設成果，提升城鄉污水治理能力，推進農業面源污染治理，實施節水行動和河湖綜合整治。

為實現上述平原河網水系綜合整治目的，高效解決海寧市水系流動性、水質等方面存在的問題[4-5]，需要在水質數據系統測量的基礎上，先期開展該河網水系水質現狀評價及其影響因素分析研究。結合洛塘河圩區內平原河網水系概況，并參考GB 3838—2002《地表水環境質量標準》，本文的研究選用單因子、多因子評價法結合內梅羅污染指數評價法對圩區水系水質進行評價。進而對2018—2020年月度的氨氮、總磷和高錳酸鹽3項指標進行月度變化分析，同時對2020年12月的氨氮、總磷和高錳酸鹽3項指標進行空間特征分析。

1 數據與研究方法

1.1 研究區概況及數據監測收集

本文所研究的范圍為海寧市中心城區中的洛塘河圩區，主要涉及硤石街道、海昌街道、海洲街道3個街道。洛塘河圩區南以洛溪河為界，西至西連接河，北至長山河，總面積72.1km2。根據洛塘河圩區內平原河網水系現狀，結合海寧市水質監測站點分布情況，海寧市水質監測站分布如圖1所示。收集得到圩區內貨運中轉站、雙喜橋、松木漾橋和由拳橋4個站點2018—2020年度逐月的五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總氮、總磷(以P計)和高錳酸鹽指數監測數據。采用單因子、多因子評價法對4個站點的五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(以P計)和高錳酸鹽指數這4項指標進行評價，同時選用內梅羅污染指數評價法對各站點進行年度水質綜合評價。

圖1 海寧市水質監測站分布圖

1.2 水環境質量評價方法

1.2.1單因子指數

最簡單的環境質量指數是單因子環境質量指數，單因子環境質量指數的定義為[6]：

Ii=Ci/Si

(1)

式中，Ci—第i種污染物在環境中的濃度；Si—第i種污染物在環境中的評價標準。環境質量指數是無量綱數，表示污染物在環境中實際濃度超過評價標準的程度，即超標倍數。Ii的數值越大表示該單項的環境質量越差。

環境質量指數Ii的數值是相對于某一個環境質量標準而言的，當選取的環境質量標準變化時，盡管某種污染物的濃度并未變化，環境質量指數Ii的取值也會不同；在進行橫向比較時需注意各自采用的標準。環境質量標準是根據一個地區或城市的功能來確定的，同時受到社會、經濟等因素的制約。單因子環境質量指數只能代表某一種污染物的環境質量狀況，不能反映環境質量的全貌，但它是其他環境質量指數、環境質量分級和綜合評價的基礎。

1.2.2多因子環境質量分指數

對每個待評價的環境要素，通常需要對該要素中的多個因子的單因子評價指數進行綜合，將多因子目標值組合成一個單指數，這就是該環境要素的多因子環境質量分指數[7]。

(1)均值型多因子環境質量分指數

均值型多因子環境質量指數的計算式為：

(2)

式中，n—參與評價的因子數；其余符號含義同單因子環境質量指數。

均值型多因子環境質量指數的基本出發點是認為各種環境因子數對環境的影響是等價的。

(2)計權型多因子環境質量分指數

計權型多因子環境質量指數的基本出發點是認為各種環境因子對環境的影響是不等權的，其影響應該計入各環境因子的權系數。計權型多因子環境質量指數的計算式為：

(3)

(4)

式中，Wi—第i個環境因子的權系數。

1.2.3內梅羅指數

內梅羅指數是一種兼顧極值或稱突出最大值的計權型多因子環境質量指數。內梅羅指數的基本計算式為[8]：

(5)

式中，I—監測點的河水環境綜合污染指數；MaxIi—各單因子環境質量指數中最大者，AveIi—各單因子環境質量指數的平均值。

內梅羅指數特別考慮了污染最嚴重的因子，內梅羅環境質量指數在加權過程中避免了權系數中主觀因素的影響，是目前仍然應用較多的一種環境質量指數。

用環境質量指數評價法可以判斷環境質量與評價標準之間的關系，一般說來：

I>1，說明環境質量已不能滿足評價標準的要求；

I=1，說明環境質量處于臨界狀態；

I<1，說明環境質量較評價標準的要求為好。

1.2.4污染等級劃分

對于單因子評級法而言，如果一個參加評價項目不達標某類水標準，則該水質不達標[9]。對于內梅羅污染指數法，其污染等級見表1內梅羅污染指數法水質更細劃分表[10]所示。

表1 內梅羅污染指數法水質劃分表

2 結果

2.1 單因子、多因子評價法結果

選取2018—2020年貨運中轉站、雙喜橋、松木漾橋和由拳橋4個站點的水質監測數據，根據GB 3838—2002中地表水環境質量標準基本項目標準限值Ⅲ類的標準，確定標準值Si，通過數據匯總和列式計算，得出相對污染指數Ii，結果見表2所示。

表2 2018—2020年各站點單因子、多因子水質指數

2018—2020年間，貨運中轉站的超標污染物為總磷，其單項相對污染指數最大可達到1.113。對于雙喜橋站點，其周邊水環境的超標污染物為總磷，其單項相對污染指數最大值為2018年的1.288。而松木漾橋站點的超標污染物總磷，其單項相對污染指數最大值分別為1.175。由拳橋站點的超標污染物為氨氮和總磷，其單項相對污染指數最大值分別為2018年的1.056和1.129。4個站點的五日生化需氧量和高錳酸鹽指數指標均符合標準，其單項相對污染指數最優值為2020年雙喜橋五日生化需氧量的0.900和2020年貨運中轉站高錳酸鹽指數的0.732。均值型多因子環境質量指數評價結果來看，只有由拳橋站2018年水質指數超過1，為1.012.

綜合來看，氨氮和總磷是海寧市洛塘河圩區內水系中的主要污染因子，其來源于域內未被收集處理的城鎮生活污染源、農田面源污染以及城市地表徑流。從年度變化來看，4個站點的4項檢測指標總體上呈下降趨勢。海寧市于2016年出臺《城鄉環境綜合整治提升三年行動計劃(2016—2018年)》[11]，2018年開始實施“污水零直排”建設工作等治理污染政策和工程，海寧市洛塘河圩區內水系水環境質量得到了提升，各項水質指標基本好轉，海寧市洛塘河圩區內4個站點的各項監測指標均有所改善，其各單項相對污染指數均小于1。其中4個檢測站點的總磷濃度從2018年的1.113、1.288、1.175和1.129不達標狀態降至2020年的0.963、0.988、0.954和0.983均符合標準，水質狀況明顯改善，治理效果成效顯著。

2.2 內梅羅污染指數評價法結果

結合式(5)內梅羅污染指數算法，本研究計算了海寧市洛塘河圩區內4個站點的2018—2020年3年的水系內梅羅污染指數，計算結果見表1所示。

由表3可知，圩區內4個站點的水環境在2018年度處于中度污染程度，內梅羅污染指數最大值出現在2018年的雙喜橋站點，其值為1.135。檢測站點所在的河流具有通航的功能，船舶通航造成的污染以及農田面源污染是造成洛塘河圩區水環境污染的主要原因。隨著海寧市一系列的整治行動的貫徹落實，從2018年到2020年，圩區內水環境明顯有所改善，貨運中轉站、雙喜橋、松木漾橋、由拳橋的內梅羅污染指數分別由1.041、1.135、1.066和1.072的中度污染降至0.878、0.914、0.889和0.931的輕度污染，圩區內站點水質均符合要求，處于輕微污染程度，水環境整治取得了明顯的成效。

表3 2018—2020年各站點內梅羅污染指數

上述可見，不同的污染指數評價方法，各有其側重性，評價結果具有一定的差異性，若以內梅羅污染指數評價標準，可以細化單因子指數的水質評價劃分。

2.3 海寧市洛塘河圩區內水質時空變化規律及其影響因素

海寧市洛塘河圩區內水質的優劣關系到海寧市居民的生活質量，為了研究洛塘河圩區內水質實際狀況和變化規律，本文對2018—2020年月度的氨氮、總磷和高錳酸鹽3項指標進行月度變化分析，同時對2020年12月的氨氮、總磷和高錳酸鹽3三項指標進行空間特征分析。

2.3.1氨氮

(1)圩區監測站點歷年月度變化特征

利用2018—2020年期間海寧市長山河、洛塘河、麻涇港和平陽堰港監測站點斷面的水質逐月監測結果，對海寧市4條主要河流水體氨氮的時間變化情況進行分析，結果如圖2所示。2018—2020年間麻涇港、洛塘河、平陽堰港、長山河的氨氮年度均值分別在0.54～0.95mg/L、0.54～1.06mg/L、0.55～0.93mg/L、0.50～0.77mg/L之間，整體在地表水Ⅲ類水上下波動。

圖2 2018—2020年海寧市主要河流監測站點水體氨氮濃度變化

2019—2020年期間，相對于2018年，監測的4條河流的氨氮濃度呈現出輕微下降趨勢。這一趨勢表現為劣于Ⅲ類水質標準的氨氮濃度出現頻率有所下降，且在大多數時間段內，氨氮濃度處于Ⅱ至Ⅲ類水平之間。月度變化分析表明，4個河流監測站點所在水體中氨氮濃度呈現出相似的波動趨勢，高濃度主要出現在12月至次年1月期間，另外在夏季6—7月之間也有高濃度出現，在其余時間段內，氨氮濃度相對較低。總之，圩區內水系氨氮濃度的變化受到季節因素的顯著影響。

(2)圩區監測站點氮的空間特征

根據2020年1月圩區內監測站的監測數據，圩區水體氨氮濃度在0.96～2.06mg/L之間，圩區內氨氮均值為1.52mg/L，整體處于Ⅲ—Ⅴ類水平。其空間分布如圖3所示。不難看出，氨氮高值主要分布在洛塘河中段、麻涇港與洛塘河南側平陽堰港與硤石市河附近區域，局部河段水體氨氮濃度遠超出Ⅴ類水水質標準。該區域位于城鎮核心城區，是人口密集的區域，人類頻繁活動造成的生活污水以及城鎮地表徑流的輸入，這可能造成較為顯著的外源氮污染。

圖3 2020年1月洛塘河圩區水體氨氮空間分布示意圖

2.3.2總磷

(1)圩區監測站點歷年月度變化特征

采用2018—2020年期間海寧市長山河、洛塘河、麻涇港和平陽堰港監測站點斷面的水質逐月監測結果，對海寧市4條主要河流水體總磷的歷史變化情況進行分析，結果如圖4所示。2018—2020年間長山河、洛塘河、麻涇港和平陽堰港的總磷年度均值分別在0.10～0.37、0.09～0.35、0.10～0.29、0.10～0.33mg/L之間，各年均值基本在地表水Ⅲ類水標準上下波動。

圖4 2018—2020年海寧市主要河流監測站點水體總磷濃度變化

從年際變化來看，2018—2019年間除洛塘河外，其他3條主要河流的水體總磷濃度波動較小。且除長山河、洛塘河以外，麻涇港和平陽堰港的總磷濃度基本維持在Ⅲ類水平；2020年間，長山河的總磷濃度與2018—2019年間相比則呈現微弱下降趨勢，但仍基本處于Ⅳ類水的水平。麻涇港與平陽堰港的總磷濃度較前兩年均有所上升，部分時段劣于Ⅲ類水甚至Ⅳ類水的水平，表明水質出現惡化趨勢，其中平陽堰港總磷濃度的上升幅度相對最大，自2018年的0.10mg/L上升至2020年的0.33mg/L。從月度變化來看，4條河流斷面水體總磷濃度呈現相似的波動趨勢，總磷濃度大體從春季3、4月開始呈上升趨勢，到夏季7月前后達到全年高值，隨后在秋、冬季逐漸下降，低值多出現在冬季12月至次年2月。從春季3、4月份開始，降水量逐增大，地表中含磷的營養物質和化肥經過雨水沖刷通過徑流輸入水體；同時氣溫逐漸上升，光照強度逐漸增大，水體環境條件利于藻類等微生物的生長繁殖，甚至爆發性增長，導致水體總磷濃度增大。總的來說，除長山河以外，其余3條河流近年來總磷濃度均有上升趨勢，超過Ⅲ類水頻次明顯增加。

(2)圩區監測站點磷的空間特征

根據洛塘河圩區內河網水體總磷的監測結果，可得如圖5所示的2020年1月洛塘河圩區水體總磷空間分布。2021年12月圩區水體總磷濃度在0.13～0.23mg/L之間，平均值為0.17mg/L；河網水體總磷濃度整體處于Ⅱ—Ⅲ類水平。從空間分布上來看，圩區水體總磷濃度呈現中部較高、東西部較低的趨勢，中部主城區洛塘河周邊水體總磷在0.15～0.23mg/L之間，處于Ⅲ—Ⅳ類水平。主城區城鎮人口較多，生活污水以及地表徑流的輸入可能造成水系水體總磷超標。

圖5 2020年1月洛塘河圩區水體總磷空間分布示意圖

2.3.3高錳酸鹽指數

(1)圩區監測站點歷年月度變化特征

根據2018—2020年期間海寧市長山河、洛塘河、麻涇港和平陽堰港監測站點斷面的水質逐月監測結果，對海寧市4條主要河流水體高錳酸鹽指數濃度的歷史變化情況進行分析，得到2018～2020年海寧市主要河流監測站點水體高錳酸鹽指數濃度變化結果如圖6所示：上述4條主要河流的高錳酸鹽指數年際均值分別在3.80～8.57、3.36～6.56、3.42～7.12、3.44～6.58mg/L之間，各年均值均維持在地表水Ⅲ類水平。

圖6 2018—2020年海寧市主要河流監測站點水體高錳酸鹽指數濃度變化

從年際變化來看，2018—2020年間4條主要河流的水體高錳酸鹽濃度變化不大，且大多數時段均滿足地表水Ⅲ類水質標準，小部分時段符合地表水Ⅱ類水質標準。從月度變化來看，4條河流斷面水體高錳酸鹽濃度呈現相似的波動趨勢，即在全年內大體為先增后降，全年高值多集中在夏季7月前后，而低值則多出現在冬季12月至翌年2月之間。夏季溫度升高促進微生物生長和代謝活動，從而增加有機質的分解以及營養鹽的釋放，導致高錳酸鹽指數升高；溫度的下降，高錳酸鹽指數濃度也有一定回落。綜上，2018—2020年來海寧市洛塘河圩區內4條主要河流的高錳酸鹽指數均處于較好水質水平。

(2)圩區監測站點高錳酸鹽的空間特征

2020年1月對洛塘河圩區內河網水體高錳酸鹽指數濃度的監測結果如圖7的2020年1月洛塘河圩區水體高錳酸鹽指數空間分布所示，2020年1月圩區水體總磷濃度在3.68～4.86mg/L之間，平均值為4.356mg/L；河網水體高錳酸鹽指數濃度整體處于Ⅱ—Ⅲ類水平。從空間分布上來看，水體中高錳酸鹽指數濃度呈現東部高西部低的趨勢，圩區河網水系水體的高錳酸鹽指數均符合GB 3838—2002中Ⅲ類水標準。

圖7 2020年1月洛塘河圩區水體高錳酸鹽指數空間分布示意圖

3 討論

3.1 水質存在的主要問題

3.1.1部分河段水質差，不穩定

近年來，隨著海寧市水環境綜合整治工作的推進，圩區內平原河網水系的水質逐步改善，主要污染物如氨氮、磷等含量整體呈逐年下降趨勢。然而，在圩區內部分時段仍存在總磷及氨氮超標的情況，尤其是麻涇港中段北部和洛塘河中段的水體氨氮濃度較高。

3.1.2水生植物少，水體自凈能力弱

根據現場實地考察，區域城市化和污染排放等因素對河網水體生態環境造成了嚴重影響，導致水生生物群落多樣性普遍衰退[12]。特別是沉水植物的減少，對于水體中的營養鹽吸收、浮游植物生長和底泥再懸浮的防止等方面帶來不利影響，從而加劇了水環境的污染程度。

3.2 原因分析

3.2.1外源輸入及水體擾動導致污染物處于較高水平，內源污染物易釋放

海寧市位于杭嘉湖平原，該地區普遍存在細顆粒粘土，這種土壤成分為當地河道中的懸浮物提供了天然來源。這些細小的泥沙粒子在河道中通過上游水流或地表徑流進入，由于其粒徑較小，難以通過重力沉降，因此可能導致河道懸浮物濃度升高。此外，海寧市洛塘河圩區的麻涇港和洛塘河是重要的航道，大量的航運活動造成水體擾動，使得表層底泥處于再懸浮狀態。懸浮物濃度升高，其表面吸附的氮、磷等營養物質可能會再次進入水體，加劇水質惡化。

3.2.2污水零直排效果顯著，但污染仍在

自2018年以來，隨著“污水零直排”建設工作的推進，城市生活污染逐漸減少。然而，一些老舊小區排水單元仍采用雨污合流制，且排水管網存在損壞和淤積現象，造成局部區域依然存在生活污染[13]。此外，一些雨污分流制小區同樣存在合流現象，加劇了生活污染問題。城市化進程的加快導致城區不透水下墊面比例逐漸增加，成為污染物排放的“關鍵源區”，同時，面源污染比重也在逐漸上升。在降雨期間，地表細顆粒物可以作為載體，將大量的污染物帶入雨水管道或漫流進入河道，從而導致夏季豐水期河道水體中的磷濃度升高。此外，園林綠化施肥也會對水體產生不容忽視的影響。

3.2.3區域生境條件差，濁水狀態占主導

對于淺水水體而言，存在兩種相對穩定的水質狀態：清水穩態和濁水穩態[14-15]。清水穩態下，湖泊底部覆蓋著大量沉水植物，水質清澈透明；而在濁水穩態下，沉水植物覆蓋度較低或消失，浮游植物占據優勢地位，水質渾濁。水體的穩態類型由水體中沉水植物的存在與否所決定，在一定的營養水平下，營養鹽濃度的增加會促使水體從清水穩態轉變為濁水穩態。當營養鹽濃度達到一個臨界點時，水體濁度會迅速增加，沉水植物數量驟減，這個臨界點被稱為“災變點”[16]。反之，當營養鹽濃度開始下降，達到另一個臨界點時，浮游植物濃度減少，沉水植物開始增加，這個臨界點被稱為“恢復點”。災變點與恢復點是兩個分離的點，它們之間存在著清水穩態和濁水穩態兩種可選擇的狀態[17]。

盡管近年來海寧市洛塘河圩區水體中氨氮濃度出現下降趨勢，但部分地區總磷濃度呈現上升趨勢。此外，大部分以河道為主的水體沉水植物生長不足，未能有效抑制底泥再懸浮以及降低水體營養鹽濃度，導致多數水體處于濁水穩態。

4 結論

通過介紹水質單、多因子評價法和內梅羅指數評價法，并采用其對2018—2020年期間海寧市洛塘河圩區水系內水質監測站(如貨運中轉站、雙喜橋、松木漾橋、由拳橋)的水質數據(如五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(以P計)和高錳酸鹽指數)進行水質評價。

(1)根據單因子評價法和內梅羅污染指數評價法結果，氨氮和總磷是海寧市洛塘河圩區水系和主要污染因子。自2018年以來，各項污染物指標總體呈下降趨勢。圩區水系氨氮濃度的變化受到季節因素的顯著影響，氨氮在12月至次年1月期間，夏季6至7月期間的濃度較高；總磷濃度大體從春季開始呈上升趨勢，到夏季后達到全年高值，隨后濃度下降，其低值多出現在冬季；高錳酸鹽指數在2018—2020年均處于較好水質水平；圩區水體水質濃度呈現中部城鎮核心城區域較高、東西部較低的趨勢。

(2)洛塘河圩區河網水系部分河段水質差，不穩定；水生植物少，水體自凈能力弱，外源輸入及水體擾動導致污染物處于較高水平，內源污染物易釋放；污水零直排效果顯著，但污染仍然存在；區域生境條件差，濁水狀態占主導。