鄭 燦, 楊子超, 邱小琮, 尹 亮, 李延林
(1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院, 寧夏 銀川 750021; 2.寧夏大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 寧夏 銀川 750021)
寧夏引黃灌區(qū)是中國4大自流古老灌區(qū)之一,該區(qū)段引黃灌溉已有約2 000 a的歷史[1]。在灌區(qū)內(nèi)部,大小排水溝近200條,主要排水干溝有32條,每年排入黃河約2.50×109m2的水量[2]。寧夏引黃灌區(qū)各排水溝最初主要用于農(nóng)田灌排水或降低淺層地下水位,但最近幾年許多排水溝同時(shí)變成了排污溝,接納了大量生活污水以及工農(nóng)業(yè)廢水,在匯入溝內(nèi)污水量增加的同時(shí),污染物的種類和濃度也逐漸增加[2-3]。由于排水溝地處引黃灌區(qū),又是農(nóng)田灌溉排水的主要輸送廊道,同時(shí)也是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物運(yùn)輸和遷移主要途徑,因此,農(nóng)業(yè)面源污染也成為了影響排水溝的重要污染源[4]。寧夏引黃灌區(qū)主要排水溝的排水情況詳見表1。目前,劉國強(qiáng)等[2]對(duì)寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)田退水污染、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染源頭和污染負(fù)荷結(jié)構(gòu)及現(xiàn)狀進(jìn)行了分析;張愛平等[3]分析了黃河寧夏段監(jiān)測斷面和引黃灌區(qū)典型排水溝的水質(zhì)情況;邱小琮等[5]分析了寧夏農(nóng)業(yè)面源污染的主要影響因子;張學(xué)軍等[6]對(duì)寧夏引黃灌區(qū)特定時(shí)期氮和磷的流失進(jìn)行了研究。然而關(guān)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)引黃灌區(qū)排水溝影響程度還未進(jìn)行深入研究。排水溝是城市地表水環(huán)境的重要組成,水質(zhì)好壞直接影響著城市形象和黃河寧夏段水質(zhì),進(jìn)行綜合治理,勢在必行[7]。本研究在搜集排水溝2009—2015年水環(huán)境因子指標(biāo)基礎(chǔ)上,運(yùn)用綜合污染指數(shù)、相關(guān)分析和灰關(guān)聯(lián)法,以地級(jí)市為單位研究排水溝綜合污染指數(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之間的相關(guān)性以及影響水質(zhì)的主要指標(biāo),旨在為排水溝水體污染綜合整治提供一定的理論依據(jù)。
按照引黃灌區(qū)排水溝在寧夏回族自治區(qū)的位置,分別收集中衛(wèi)市、吳忠市、銀川市、石嘴山市的各項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源于2009—2015年寧夏各類統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源公報(bào);水質(zhì)評(píng)價(jià)因子數(shù)據(jù)取自《寧夏回族自治區(qū)環(huán)境狀況公報(bào)》。由于四二干溝、銀新干溝、靈武東溝、吳忠南干溝、吳忠清水溝、第3和5排水溝匯入黃河口、第1排水溝、第4排水溝、銀川中干溝、銀川永二干溝、吳忠羅家河為寧夏入黃13條重點(diǎn)排水溝,也能代表其他排水溝的特性,因此,選擇這些主要的排水溝作為研究對(duì)象(表1)。
表1 寧夏引黃灌區(qū)主要排水溝的排水情況
注:排水結(jié)構(gòu)為農(nóng)耕退水、工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)生活污水混合;排水特點(diǎn)為季節(jié)性排水,時(shí)間集中在4與11月份。
由于水質(zhì)各個(gè)指標(biāo)的類型和量綱不同,各個(gè)指標(biāo)之間不具有可比性,因此在評(píng)價(jià)的時(shí)候要對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和待評(píng)價(jià)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理[8]。本文采用極差變換方法[9]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理及消除數(shù)值數(shù)量級(jí)差別,再將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為了得出更為準(zhǔn)確的綜合污染指數(shù),以便更好得進(jìn)行相關(guān)性和灰關(guān)聯(lián)分析,則選取高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、氨氮、生化需氧量、揮發(fā)酚、總磷、氟化物、氰化物、硫化物作為評(píng)價(jià)因子。
社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)選擇與水質(zhì)密切相關(guān)的農(nóng)業(yè)耗水量、農(nóng)業(yè)人口、化肥使用量、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、林業(yè)產(chǎn)值、牧業(yè)產(chǎn)值、漁業(yè)產(chǎn)值、工業(yè)總產(chǎn)值、工業(yè)廢水排放總量、城鎮(zhèn)生活污水排放量作為影響排水溝水質(zhì)的因素。
綜合污染指數(shù)法是對(duì)各污染指標(biāo)的相對(duì)污染指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得出代表水體污染程度的數(shù)值,來確定研究水體的污染程度[10]。求綜合污染指數(shù)需要先對(duì)單項(xiàng)污染指數(shù)進(jìn)行求解。
水質(zhì)單項(xiàng)污染指數(shù)(pij)計(jì)算方法為[11]:
Pij=Cij/Sij
(1)
對(duì)于pH值,
Pij=(Cij-7.0)/(8.5-7.0) (pH≥7.0)
(2)
或,Pij=(7.0-Cji)/(7.0-6.5) (pH≤7.0)
(3)
當(dāng)Pij<1時(shí),表示水體未污染;當(dāng)Pij>1時(shí),表示水體污染。具體數(shù)值直接反映污染物超標(biāo)程度[12]。
綜合污染指數(shù)法的計(jì)算公式為:
(4)
綜合污染指標(biāo)評(píng)價(jià)分級(jí)詳見表2。
表2 綜合污染指標(biāo)評(píng)價(jià)分級(jí)
計(jì)算社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與排水溝綜合污染指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù),并進(jìn)行分析討論。
灰關(guān)聯(lián)法就是以各排水溝為母序列,影響因子為子序列,計(jì)算各排水溝與影響因子的關(guān)聯(lián)度,根據(jù)關(guān)聯(lián)度的大小確定影響因子的作用大小[13-14]。
數(shù)據(jù)處理采用DPS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行。
寧夏引黃灌區(qū)主要排水溝水質(zhì)類別(2009—2015主要的水質(zhì)類別)及主要污染指標(biāo)詳見表3。排水溝的水質(zhì)類別主要以劣Ⅴ類為主,主要污染指標(biāo)為氨氮、總磷、化學(xué)需氧量、生化需氧量等。由于第1排水溝和羅家河的治理效果突出,水質(zhì)好轉(zhuǎn),水質(zhì)類別分別為Ⅲ類和Ⅳ類,且羅家河的污染指標(biāo)主要以氨氮為主。
表3 寧夏引黃灌區(qū)主要排水溝的水質(zhì)狀況
水質(zhì)綜合污染指數(shù)的高低直接反映水體質(zhì)量的好壞,當(dāng)綜合污染指數(shù)越高,水質(zhì)越差;綜合污染指數(shù)越低,水質(zhì)越好。從圖1可以看出,吳忠南干溝水質(zhì)總體上呈逐年轉(zhuǎn)好趨勢,2010—2011年為好轉(zhuǎn)的最快時(shí)期;吳忠清水溝水質(zhì)總體上也呈好轉(zhuǎn)趨勢,僅在2009—2010年突然惡化,且在2010年達(dá)到污染最嚴(yán)重時(shí)期;銀新干溝水質(zhì)在2009—2012年呈穩(wěn)步轉(zhuǎn)好趨勢,卻在2012—2013年突然惡化,在2013年到達(dá)污染最嚴(yán)重時(shí)期,之后又呈轉(zhuǎn)好趨勢。其他排水溝水質(zhì)變化趨勢較平穩(wěn),沒有明顯的變化。
圖1 綜合污染指數(shù)變化趨勢
2.3.1 銀川市排水溝綜合污染指數(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的相關(guān)分析 由表4可以看出,四二干溝、銀新干溝和永二干溝與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之間相關(guān)關(guān)系不顯著。靈武東溝與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值和工業(yè)總產(chǎn)值之間呈極顯著正相關(guān);與牧業(yè)產(chǎn)值和漁業(yè)產(chǎn)值之間呈顯著正相關(guān);與農(nóng)業(yè)耗水量之間呈顯著負(fù)相關(guān);與其他指標(biāo)相關(guān)關(guān)系不顯著。中干溝與化肥使用量、林業(yè)產(chǎn)值和工業(yè)廢水排放總量之間呈極顯著正相關(guān);與漁業(yè)產(chǎn)值和工業(yè)產(chǎn)值之間呈極顯著負(fù)相關(guān);與農(nóng)業(yè)耗水量和城鎮(zhèn)生活污水排放量之間呈顯著正相關(guān);與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值之間呈顯著負(fù)相關(guān);其他指標(biāo)相關(guān)關(guān)系不顯著。
表4 銀川市的排水溝綜合污染指數(shù)與其社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣
注:*,**分別表示顯著相關(guān)和極顯著相關(guān)。下同。
2.3.2 吳忠市排水溝綜合污染指數(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的相關(guān)分析 由表5可知,南干溝與工業(yè)廢水排放總量之間呈極顯著正相關(guān);與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、林業(yè)產(chǎn)值、漁業(yè)產(chǎn)值、工業(yè)總產(chǎn)值之間呈極顯著負(fù)相關(guān);與其他指標(biāo)相關(guān)關(guān)系不顯著。清水溝與工業(yè)廢水排放總量之間呈極顯著正相關(guān);與工業(yè)總產(chǎn)值之間呈極顯著負(fù)相關(guān);與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、林業(yè)產(chǎn)值和漁業(yè)產(chǎn)值之間呈顯著負(fù)相關(guān);與其他指標(biāo)相關(guān)關(guān)系不顯著。羅家河與農(nóng)業(yè)耗水量之間呈極顯著正相關(guān);與其他指標(biāo)相關(guān)關(guān)系不顯著。
表5 吳忠市的排水溝綜合污染指數(shù)與其社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣
2.3.3 中衛(wèi)市排水溝綜合污染指數(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的相關(guān)分析 由表6可知,第1排水溝與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值之間呈極顯著正相關(guān);與工業(yè)總產(chǎn)值之間呈極顯著負(fù)相關(guān);與其他社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之間相關(guān)關(guān)系不顯著。第4排水溝與農(nóng)業(yè)人口、化肥使用量、林業(yè)產(chǎn)值、牧業(yè)產(chǎn)值、城鎮(zhèn)生活污水排放量之間呈極顯著負(fù)相關(guān);與漁業(yè)產(chǎn)值之間呈顯著相關(guān)。
表6 中衛(wèi)市的排水溝綜合污染指數(shù)與其社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣
2.3.4 石嘴山市排水溝綜合污染指數(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的相關(guān)分析 由表7可知,第3,5排水溝匯入黃河口綜合污染指數(shù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)相關(guān)關(guān)系不顯著。
表7 石嘴山市的排水溝綜合污染指數(shù)與其社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣
灰色關(guān)聯(lián)法分析中,關(guān)聯(lián)度越高,表明排水溝水質(zhì)受社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響程度越高,以此來判定其主要影響因子。
2.4.1 銀川市排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的灰關(guān)聯(lián)分析 銀川市的排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的關(guān)聯(lián)度和排列順序詳見表8。影響四二干溝水質(zhì)主要影響因子依次為漁業(yè)產(chǎn)值、工業(yè)總產(chǎn)值等;影響銀新干溝水質(zhì)主要影響因子依次為農(nóng)業(yè)耗水量、化肥使用量等;影響靈武東溝水質(zhì)主要影響因子依次為漁業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值;影響永二干溝水質(zhì)主要影響因子依次為農(nóng)業(yè)耗水量、工業(yè)廢水排放總量等。由于中干溝的數(shù)據(jù)過少,因此不能用DPS進(jìn)行關(guān)聯(lián)度的計(jì)算。
表8 銀川市的排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的關(guān)聯(lián)度和排列順序
2.4.2 吳忠市排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的灰關(guān)聯(lián)分析 吳忠市的排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的關(guān)聯(lián)度和排列順序詳見表9。由表9可知,影響吳忠南干溝和吳忠清水溝水質(zhì)主要影響因子依次為工業(yè)廢水排放總量、農(nóng)業(yè)人口等;影響吳忠羅家河水質(zhì)主要影響因子依次為農(nóng)業(yè)人口、牧業(yè)產(chǎn)值等。
表9 吳忠市的排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的關(guān)聯(lián)度和排列順序
2.4.3 中衛(wèi)市排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的灰關(guān)聯(lián)分析 中衛(wèi)市的排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的關(guān)聯(lián)度和排列順序詳見表10。
表10 中衛(wèi)市的排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的關(guān)聯(lián)度和排列順序
從表10可以看出,影響第1排水溝水質(zhì)主要影響因子依次為牧業(yè)產(chǎn)值、工業(yè)廢水排放總量等;影響第4排水溝水質(zhì)主要影響因子依次為工業(yè)廢水排放總、城鎮(zhèn)生活污水排放量等。
2.4.4 石嘴山市排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的灰關(guān)聯(lián)分析 石嘴山市的排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的關(guān)聯(lián)度和排列順序詳見表11。由表11可知,影響第3,5排水溝匯入黃河口水質(zhì)主要影響因子依次為農(nóng)業(yè)耗水量、工業(yè)廢水排放總量等。
從綜合污染指數(shù)、相關(guān)性及關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果來看,吳忠南干溝水質(zhì)呈現(xiàn)逐年好轉(zhuǎn)趨勢,可能主要由于對(duì)造紙廠、包裝廠等工廠的廢水排放總量進(jìn)行了控制,強(qiáng)化對(duì)企業(yè)主要污染物控制。銀新干溝水質(zhì)急劇惡化,可能主要由于農(nóng)田退水和化肥使用量急劇增加,大多數(shù)畜禽養(yǎng)殖固廢和污水沒有處理設(shè)施,大量營養(yǎng)物質(zhì)和殘留農(nóng)藥隨農(nóng)田退水進(jìn)入排水溝。因此,控制因農(nóng)業(yè)面源污染引起的排水污染對(duì)保障銀新干溝水質(zhì)有現(xiàn)實(shí)迫切性。由于造紙廠等工廠排入清水溝的工業(yè)廢水增多,工業(yè)廢水排放總量增加,導(dǎo)致吳忠清水溝水質(zhì)急劇惡化。其他排水溝的綜合污染指數(shù)變化趨勢較平穩(wěn),且水質(zhì)總體狀況較好??傮w上,排水溝的水質(zhì)變化趨勢受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)的影響較大。
表11 石嘴山市的排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的關(guān)聯(lián)度和排列順序
在銀川市排水溝中,中干溝較其他排水溝與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相關(guān)性較高,其中與化肥使用量的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.998。在吳忠市排水溝中,南干溝和清水溝與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的相關(guān)性比羅家河較高。在中衛(wèi)市排水溝中,第4排水溝與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相關(guān)性較高。石嘴山市的排水溝與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的相關(guān)性都普遍較低,與漁業(yè)產(chǎn)值的相關(guān)性最高,僅達(dá)到0.666。以地級(jí)市為單位,綜合污染指數(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相關(guān)性大小排序依次為吳忠市、銀川市、中衛(wèi)市、石嘴山市。
原因解析上,根據(jù)分析結(jié)果來看,可能由于中干溝途經(jīng)人口較密集區(qū),接納了銀川市大量的工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水;南干溝與第4排水溝分別沿途接納了其所在地級(jí)市的大量的工業(yè)廢水和生活污水。因此,這幾個(gè)排水溝與所在地級(jí)市經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)的相關(guān)性比其他排水溝較高。從區(qū)域的角度來看,銀川市、吳忠市和中衛(wèi)市污染物排放量較高,而石嘴山市人口較少,農(nóng)業(yè)人口也較少,工業(yè)相對(duì)落后,因此,排水溝水質(zhì)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)相關(guān)性不高。
相關(guān)分析與灰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果有較好的一致性。在銀川市排水溝中,四二干溝與漁業(yè)產(chǎn)值和工業(yè)總產(chǎn)值的關(guān)聯(lián)度最高,同時(shí)相關(guān)性也較高;靈武東溝與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值和漁業(yè)產(chǎn)值的關(guān)聯(lián)度最高,相關(guān)系數(shù)也分別高達(dá)0.947,0.813。在吳忠市排水溝中,南干溝和清水溝與工業(yè)廢水排放總量的關(guān)聯(lián)度分別高達(dá)0.755 69和0.619 264,相關(guān)系數(shù)也分別高達(dá)0.983,0.965;在中衛(wèi)市排水溝中,第4排水溝與工業(yè)廢水排放總量和城鎮(zhèn)生活排放量的關(guān)聯(lián)度最高,相關(guān)性也較高且為均反向相關(guān)。石嘴山市排水溝與經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)的相關(guān)性都較小,關(guān)聯(lián)度也較小,且相關(guān)系數(shù)與關(guān)聯(lián)度聯(lián)系也較小??傮w上,各市的相關(guān)分析與灰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果之間一致性大小依次為吳忠市、中衛(wèi)市、銀川市、石嘴山市。
原因解析上,相關(guān)分析是對(duì)兩者之間的相關(guān)聯(lián)系做一個(gè)具體數(shù)值和相關(guān)方向的研究,而灰關(guān)聯(lián)分析是通過一定方法清理系統(tǒng)中各因素間的主要關(guān)系,找出系統(tǒng)中最大的影響因素,二者之間相互聯(lián)系、相輔相成。當(dāng)關(guān)聯(lián)度較高時(shí),相關(guān)系數(shù)也較高。因此,以相關(guān)性為輔,關(guān)聯(lián)度為主來確定各排水溝最主要的影響因子。
影響四二干溝的最主要影響因子為漁業(yè)產(chǎn)值和工業(yè)總產(chǎn)值;影響銀新干溝的最主要影響因子為農(nóng)業(yè)耗水量和化肥使用量;影響靈武東溝的最主要影響因子為農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值和漁業(yè)產(chǎn)值;影響永二干溝的最主要影響因子為農(nóng)業(yè)耗水量和工業(yè)廢水排放總量;影響吳忠南干溝和吳忠清水溝的最主要影響因子為工業(yè)廢水排放總量和農(nóng)業(yè)人口;影響吳忠羅家河的最主要影響因子為農(nóng)業(yè)耗水量和農(nóng)業(yè)人口;影響第一排水溝的最主要影響因子為工業(yè)廢水排放總量和牧業(yè)產(chǎn)值;影響第4排水溝最主要影響因子為工業(yè)廢水排放總量和城鎮(zhèn)生活污水;影響第三、五排水溝匯入黃河口最主要影響因子為工業(yè)廢水排放總量和農(nóng)業(yè)耗水量;影響中干溝的最主要影響因子僅從相關(guān)性分析,則為化肥施用量、工業(yè)廢水排放總量和林業(yè)產(chǎn)值。通過控制這些最主要的影響因子,對(duì)排水溝水環(huán)境治理具有現(xiàn)實(shí)的迫切性和長遠(yuǎn)戰(zhàn)略意義。
根據(jù)分析結(jié)果,綜合比較判斷,總體上引黃灌區(qū)排水溝水質(zhì)狀況主要以劣Ⅴ類為主。各市的影響因素不一樣,主要是因?yàn)楦魇信潘疁现饕休d的退水的類型及水量各不相同。銀川市和石嘴山市的排水溝主要承載農(nóng)田退水,主要污染物為氨氮、總磷等,因此,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)銀川市和石嘴山市排水溝水質(zhì)影響較大;吳忠市和中衛(wèi)市的排水溝主要承載工業(yè)退水,主要污染物為生化需氧量、氨氮等,因此,工業(yè)生產(chǎn)對(duì)吳忠市和中衛(wèi)市排水溝的影響較大??傮w上,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)面源污染比工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的工業(yè)廢水對(duì)排水溝水質(zhì)狀況影響程度大。由于條件所限沒有對(duì)排水溝的污染來源進(jìn)行深入分析,后續(xù)需要再加強(qiáng)研究。