淠河水質時空變化特征及驅動因素分析

收稿日期：2023-11-23；接受日期：2024-04-03

基金項目：引江濟淮工程（安徽段）輸水沿線水源保護區劃分、重大突發性水污染事件預警系統和水源地保護規劃等課題研究項目（YJJH-ZT-ZX-20230706545）；國家水體污染控制與治理科技重大專項（2017X07603-005）

作者簡介：朱沉靜，女，助理工程師，碩士，研究方向為水資源開發利用與保護。E-mail：chenj_zhu@cug.edu.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2024） 06-0030-07

引用本文：朱沉靜，譚茜，郭志陽，等.

淠河水質時空變化特征及驅動因素分析

［J］.人民長江，2024，55（6）：30-36.

摘要：為全面了解近年來淠河流域水質污染狀況及時空變化規律，基于2018～2022年淠河干流水質考核斷面pH、溶解氧（DO）、化學需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）及總磷（TP）監測數據，利用水質指數（WQI）法對河流水質進行綜合評價，并結合相關性分析識別影響水質變化的關鍵水質指標。結果表明：① 淠河干流水質總體較好，WQI均值為（75.94±7.47），處于“良好”水平，但非汛期氨氮濃度為0.020～1.480 mg/L，負荷較高。② 空間分布上水質優劣排序為橫排頭＞大店崗＞窯崗嘴＞新安渡口。③ 在時間上干流汛期（6～9月）水質明顯優于非汛期（1～5月和10～12月）。④ 結合相關性分析得出，研究區內主要污染指標為NH3-N、TN和COD；橫排頭—窯崗嘴段及新安渡口—大店崗段流域土地利用類型耕地占比高，水體受化肥施用和畜禽養殖業產生的COD、TN和NH3-N污染；窯崗嘴—新安渡口段水質受城鎮生活污水直排和污水廠尾水排放影響，NH3-N污染嚴重；汛期污染程度伴隨集中降雨強度逐步減弱。為保護淠河水生態環境，建議從增強流域自凈能力、加強農業面源污染防控、完善污水截污管網系統等方面加強措施。

關" 鍵" 詞：水質； WQI法； 變化趨勢； 影響因素； 淠河

中圖法分類號： X824

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.06.005

0" 引 言

河流是孕育城市文明的搖籃，其水質安全與否直接關系到居民的生存發展。隨著城市擴張和人口增長，各類水體污染源帶來的威脅日益嚴峻［1-3］。針對河流開展水質評估有助于了解水質污染狀況以及時空變化規律，對河流的保護及管理工作具有重要意義。利用水質指標定量評價水質可以采用多種方法，包括主成分分析法、人工神經網絡評價法、單因子評價法以及水質指數（Water Quality Index，WQI）法等。上述方法中，水質指數法不僅能夠將大量復雜的水質指標轉變為一個反映水質整體狀況的WQI評分，還能客觀顯示污染因子對水體污染的貢獻程度。相較其他方法，WQI法具有計算過程簡單、評價結果直觀等優點，因而被廣泛應用于評估地表水水質，尤其是在確定水質時空變化趨勢方面［4-6］。

淠河是淮河中游南岸的一條較大支流，承擔著重要的區域供水及灌溉功能。近年來受強烈人類活動影響，僅2019年淠河下游新安渡口斷面水質就有8次超標［7］，這給當地城鄉生活和工農業生產帶來極大不便。由于淠河水質受到污染物入河量、降水頻率、降水強度、水流交換速度及水體周邊環境等諸多因素的影

響，其在空間和時間尺度上均呈現較強的特異性，難以制定針對性的水質保障措施。目前，針對淠河水質水期變化趨勢［8-9］和淠河城區段污染物入河結構［7］已有一定的研究，但這些研究中使用的評價方法多為GB 3838-2002《地表水環境質量標準》中的單因子評價方法，因其“單項否決”的特點，難以識別不同污染因子對水質的影響。此外，針對多因素驅動下的淠河水質演變機制的研究也較少。

因此，本研究在探明淠河重要水質指標時空分布特征的基礎上，利用WQI法對干流水質整體狀況進行評價，并結合相關性分析識別不同時空條件下影響WQI指數的主要參數，以期豐富對淠河水質演變規律及主要驅動因素的認識，為當地水質保障和水污染治理提供科學依據。

1" 研究區概況

淠河發源于岳西和金寨縣境內的大別山北麓，由南向北流經岳西、霍山、金寨、六安、霍邱、壽縣等縣（市）后，在正陽關匯入淮河，全長253 km，流域總面積6 000 km2。本研究淠河河段范圍為干流橫排頭樞紐到大店崗國考斷面，長度約為118 km。其中淠河橫排頭—窯崗嘴斷面為上游農村段，河道長度約29 km；窯崗嘴—新安渡口斷面為城區段，河道長度約19 km；新安渡口—大店崗斷面為下游農村段，河道長度約70 km（圖1）。

淠河流域屬亞熱帶北部邊緣的東亞季風氣候，年平均氣溫14.2～15.4 ℃，夏季高溫多雨，冬季低溫干燥。多年平均降雨量1 334 mm，且具有明顯的季節性，降雨主要集中分布在6～9月，約占全年的67%［10］，其中6～7月多為渦切變型暴雨（俗稱梅雨）形成主汛期，8～9月為臺風型暴雨形成伏汛。流域暴雨中心多發生在佛子嶺、響洪甸水庫上游。

2" 數據來源和研究方法

2.1" 數據來源

以6～9月作為汛期，10月至次年5月作為非汛期。淠河水質數據來自六安市生態環境局，包含橫排頭、窯崗嘴2個省級考核斷面及新安渡口、大店崗2個國家級考核斷面（斷面位置如圖1所示）。2018年1月至2022年12月逐月實測酸堿度（pH）、溶解氧（DO）、化學需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、總氮（TN），共7項指標，監測頻次為每月1次。研究中涉及的降雨量數據來源于2019～2023年《安徽統計年鑒》。

2.2" 研究方法

2.2.1" 水質評價方法

采用Pesce等提出的水質指數（WQI）計算方法［11］，如公式（1）所示：WQI=ni=1CiPini=1Pi

（1）

式中：n為水質評價過程中所有指標的數量；Ci為指標i實測濃度的標準化賦分數值，參考GB 3838-2002《地表水環境質量標準》，從0～100劃分為11個級別，根據水質指標的濃度進行賦值；Pi為指標i的權重，參考水質指標對水生生物的重要性進行劃分，其中最大權重為4，最小值為1［12-15］，如表1所列。

WQI的取值范圍為0～100，值越高代表水質越好。根據WQI得分，將水質分為5個等級：優秀（90～100）、良好（70～90）、中等（50～70）、一般（25～ 50）和差（0～25）［16］。

2.2.2" 相關性分析

相關性分析是一種統計分析方法，用于衡量兩個或多個變量之間的關系強度和方向。這種關系可以用相關系數來量化，最常見的是Pearson相關系數（線性相關），其值介于-1與1之間，負值表示負相關，正值表示正相關。在顯著性的前提下，絕對值越大，相關性越強。本研究利用SPSS 26.0軟件計算淠河考核斷面水質指標和WQI指數之間的Pearson相關系數。

3" 結果與討論

3.1" 水質指標時空變化特征

3.1.1" 水質指標空間差異特征

如表2所列，2018～2022年，各監測斷面COD年均濃度值從大到小依次為窯崗嘴gt;新安渡口gt;大店崗gt;橫排頭。各斷面BOD5、TN及NH3-N年均濃度值從大到小則均表現為新安渡口gt;大店崗gt;窯崗嘴gt;橫排頭。已有研究表明，河流水質與流域土地利用方式密切相關［17］。根據《六安市十四五水土保持規劃》，2020年六安市縣（區）耕地占土地總面積比例分別為霍山縣（8.16%）、金安區（49.97%）、裕安區（46.27%）、霍邱縣（67.39%）。橫排頭—窯崗嘴屬金安、裕安區境內，流域范圍內分布有大量耕地。土壤中未被吸收的殘留無機物和農藥等，易隨降雨形成的徑流進入附近水體；此外，耕地灌溉也增加了土壤水分，易于土壤氮及化肥進入地表水體，最終導致窯崗嘴斷面COD濃度較高。窯崗嘴—新安渡口段兩岸為六安主城區，該段沿線布有多個入河排污口，水體承接了大量的生活生產廢水及城鎮地表徑流，故新安渡口斷面TN及NH3-N濃度偏高。TP濃度平均值各斷面則無明顯變化。已有研究結果表明，磷和其他磷離子均與泥沙具有較強的親和力［18］。橫排頭以下河道進入丘陵和平原區，河面變寬，比降變緩，水流速度較小，利于懸移質泥沙沉淀，進而提升了河道吸附和固定磷的能力，因此整體上淠河干流總磷濃度波動幅度小。

3.1.2" 水質指標時間變化特征

由于淠河流域降水年內分布不均勻，汛期與非汛期水質指標存在明顯差異，根據統計，六安市2020年汛期降雨量占年降雨總量的70.46%，因此，需對水質變化情況以年內時間尺度加以分析。

從圖2（a）可以看出，汛期（6～9月）DO相較非汛期（10月至次年5月）呈下降趨勢，推測可能是由于汛期水溫偏高，導致溶解氧飽和值下降；同時，汛期較大的徑流量和降雨量易于有機物等還原性物質進入水體，隨著溫度的升高，微生物降解有機質消耗溶解氧的活動更加劇烈。前人研究結果指出大氣入滲和水生植物光合作用釋放是水體DO的主要來源［19］。汛期COD濃度普遍高于非汛期，呈現出與DO相反的變化趨勢（圖2（c）），進一步佐證：相較非汛期，汛期水體受有機物污染和還原性無機物污染程度更為嚴重。

水體NH3-N、TN、TP及BOD5濃度則普遍表現為非汛期高于汛期，且非汛期氨氮指標負荷較高（圖2（b）～（f）），表明非汛期硝化細菌作用下的水中含氮類有機物的分解活躍。這可能是由于橫排頭樞紐等攔河構筑物的建成攔截了大部分上游來水，使得水體流動性變小，不利于營養鹽類的輸出。此外，汛期集中降水產生的大量地表徑流注入水體，在稀釋污染物的同時，也在一定程度上改善了河道的水動力條件，加快水體更新，抑制了富營養化。

3.2" WQI水質評價

研究區2018～2022年各監測斷面WQI水質指數評價結果如圖3所示。

總體而言，淠河WQI值處于“良好”（70～90）及“中等”（50～70）兩個等級區間，多年WQI均值為（75.94±7.47）。由圖3（a）可知，2019年1～12月各考核斷面WQI“良好” 占比相較其余年份最低。近兩年來，淠河水質持續提升，2022年WQI“良好”占比相較前4 a最高。

從時間層面上看（圖3（b）），汛期各斷面WQI等級“良好”占比，相較非汛期有所上升。由于部分非汛期時段存在WQI等級為“中等”的情況，因此若以WQI等級“良好”作為判斷該監測斷面水質是否達標的依據，則汛期的水質達標率要明顯高于非汛期。這可能是由于汛期伴隨的大量雨水的稀釋作用，使得水體中污染因子濃度降低。從空間層面上看（圖3（b）），各考核斷面WQI值由高到低依次為橫排頭＞大店崗＞窯崗嘴＞新安渡口。橫排頭斷面WQI

值相較其他斷面最高。這是由于橫排頭斷面以上為東西淠河交匯口，承接上游佛子嶺水庫及響洪甸水庫來水，水庫水質常年保持Ⅱ類標準，因此該斷面水質較好。而新安渡口斷面WQI值為4個斷面中最低，推測是由于城鎮污水處理廠尾水排放及大雁河、鳳凰河、蘇大堰河等5條水質較差的支流匯入，使大量污染物進入窯崗嘴—新安渡口段；加之區段內新安橡膠壩和城

北橡膠壩的設立，使得壩體之間水流速變小，對污染物稀釋作用較弱。上述多種因素共同作用最終導致新安渡口斷面水質較差。

3.3" 水質時空變化驅動因素分析

由前文分析可知，淠河干流橫排頭、窯崗嘴、新安渡口及大店崗斷面的水質指標及WQI指數具有較大的差異性。因此，將2018年1月至2022年12月上述各考核斷面WQI值與7項水質指標進行Pearson相關性分析很有必要。通過比較其相關系數值大小，以查明影響水質的主要污染因子。

結果如圖4所示：總體來看，氮磷營養鹽指標（TN、NH3-N、TP）及有機化合物指標（COD、BOD5）與WQI之間呈現顯著性負相關（Plt;0.05）；溶解氧指標與WQI呈顯著性正相關（Plt;0.05）。故影響淠河水質的污染物類型可大致分為2大類：營養鹽及有機物質。

淠河橫排頭—窯崗嘴段內建有安徽省六安市淠河國家濕地公園，濕地系統中的水生植物及微生物對氮磷等營養物質具有良好的去除作用［20-21］，因此水質與其他段相比整體偏好。如圖4（a）～（b）所示，NH3-N和COD與WQI指數之間呈現顯著負相關性，說明該段影響水質的主要污染指標為NH3-N及COD。前人研究結果證實，農村化肥施用和畜禽糞便，是淮河流域氮污染的主要來源［22］。根據《安徽統計年鑒》，2020年六安市化肥施用共計為162 547 t，其中氮肥46 248 t，磷肥14 962 t。橫排頭—窯崗嘴段耕地居多，且沿河分布有少量的排污口（圖1），由此推測除內源輸入外，COD、NH3-N主要來源為隨地表徑流進入水體的化肥、畜禽糞便及農田中殘留有機肥升溫發酵形成有機質，其次為管網排水。

相關研究表明，面源污染物濃度受降水量和降水強度影響，在相同的污染物累積量條件下，表現出隨降雨量及降雨強度的增強，徑流中污染物濃度逐漸降低的趨勢［23］。從降雨量與WQI的關系圖（圖5）可以發現，汛期水質考核斷面WQI指數值較高的點通常伴隨較大的降雨量，而非汛期存在部分時段WQI值較低且降雨量少，說明汛期降雨在一定程度上改善了淠河水質。

淠河窯崗嘴—新安渡口段內共設置有5座污水處理廠及多處生活污水入河排污口（圖1），水質較差。2020年六安市淠河水環境綜合治理項目在該河段范圍內啟動，包含灘岸整治、濱岸帶植被修復及支流水環境治理等工程措施，水質整體呈現回升向好趨勢。如圖4（c）所示，新安渡口斷面NH3-N和TN與WQI指數之間呈現顯著負相關性，說明該段影響水質的主要污染指標為NH3-N及TN。已有研究結果表明，窯崗嘴—新安渡口段水體氮的主要來源為污水廠尾水及城鎮污水，其直接入河的NH3-N含量約為275.06 t/a，約占77.10%［7］。因此，城區污水入河量的控制是改善該段水環境質量的重要任務。

如圖4（d）所示，大店崗斷面NH3-N、TN和COD與WQI指數之間呈現顯著負相關性，說明NH3-N、TN和COD為影響新安渡口—大店崗段的主要水質指標。淠河新安渡口—大店崗段屬霍邱及壽縣境內，河勢平坦，其中霍邱縣2020年土地利用類型耕地占比約為67.39%；淮南市2019年耕地33.37萬hm2（500.56萬畝）（第三次全國國土調查），約88.34%的耕地分布于壽縣、鳳臺縣、潘集區，與上游橫排頭—窯崗嘴段相似流域內耕地占比高。該段沿線也布置有入河排污口（圖1），因此農業面源污染和城鎮管網點源污染是該段水體污染物的主要外源輸入。

4" 結論與建議

本文重點分析了2018～2022年淠河干流各考核斷面水質指標和WQI值的時空變化特征，以及它們之間的相關性。研究表明：① 近年淠河干流WQI均值為（75.94±7.47），水質處于“良好”水平，各水質指標總體較好。② 研究區WQI指數時空變異性大，時間上汛期（6～9月）水質明顯優于非汛期（1～5月和10月至次年12月），空間上水質優劣排序為橫排頭＞大店崗＞窯崗嘴＞新安渡口。③ 結合相關性分析，各考核斷面NH3-N、TN和COD與WQI指數之間呈現顯著負相關性，表明研究區內主要污染指標為NH3-N、TN和COD。④ 橫排頭—窯崗嘴段及新安渡口—大店崗段流域土地利用類型耕地占比高，水體主要受化肥施用和畜禽養殖業產生的NH3-N、TN和COD污染；窯崗嘴—新安渡口段水質受城鎮生活污水直排和污水廠尾水排放影響，NH3-N污染嚴重；汛期污染程度伴隨集中降雨強度逐步減弱。

因此，為保障淠河流域水生態環境，建議從以下幾個方面加強措施：① 加強濕地保護修復，增強流域自凈能力。針對窯崗嘴—新安渡口段氨氮高負荷問題，建議因地制宜，在充分依托淠河現有濕地資源的同時，對受河道采砂等活動破壞的濕地植被區進行恢復；在支流入干流處等關鍵區域建設生態濕地。利用水生植物修復污染水體。② 加強農業面源污染防控。首先，應科學確定高效施肥方式，推進有機肥替代化肥，指導農民科學合理、科學使用農藥；其次，要連通農田內部溝、塘，優化布設生態溝、生態塘和植被過濾帶，提高對徑流污染的攔截能力。③ 完善污水截污管網系統。加強對沿河排口、暗涵內排口、沿河截留干管的監管，嚴厲打擊偷排漏排；在重點入河排污口實現數字化自動監控，推進雨污分流改造。

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（編輯：劉 媛）

Spatial and temporal variation characteristics of water quality and its influencing factors in Pihe River

ZHU Chenjing，TAN Qian，GUO Zhiyang，WANG Kexin，WU Shi

（Anhui Survey amp; Design Institute of Water Resources amp; Hydropower Co.，Ltd.，Hefei 230088，China）

Abstract：

To comprehensively reveal water quality pollution and the spatiotemporal variation characteristics of the Pihe River Basin in recent years，the water quality index （WQI） method was adopted to evaluate the river water quality based on monitoring data of pH，dissolved oxygen （DO），chemical oxygen demand （COD），5-day biochemical oxygen demand （BOD5），ammonia nitrogen （NH3-N），total nitrogen （TN），and total phosphorus （TP） from the mainstream of the Pihe River from 2018 to 2022.Additionally，correlation analysis was considered to identify key water quality indicators influencing water quality.The results were as follows：① The mainstream of the Pihe River has generally favorable water quality，with WQI averaging at （75.94±7.47），ranking in the “good” range.However，during non-flood seasons，the concentration of NH3-N ranged from 0.020～1.480 mg/L，signifying a relatively high load.②The spatial distribution of water quality ranked as follows：Hengpaitougt;Dadianganggt;Yaogangzuigt;Xin′an Ferry.③ At the time level，the water quality of mainstream during the flood season （June to September） was markedly superior to that during the non-flood season （January to May and October to December）.④ The correlation analysis showed that the water was mainly polluted by NH3-N，TN，and COD in the study area.In the Hengpaitou-Yaogangzui section and Xin′an Ferry-Dadiangang section with arable land as a major land use type，the water was mainly affected by COD，TN，and NH3-N generated from fertilizer application and livestock farming.In the Yaogangzui-Xin′an Ferry section，the water quality was severely impacted by the direct discharge of urban domestic sewage and effluent from sewage treatment plants，causing serious NH3-N pollution.During the flood season，water pollution gradually alleviates as concentrated rainfalls happen.From the perspective of protecting the ecological environment of the Pihe River，this study proposed to boost the self-purification capacity of the watershed，strengthen the prevention of agricultural non-point source pollution，and improve the intercepting and treating sewage systems.

Key words：

water quality; WQI; variation trend; influencing factors; Pihe River