2013-2017年延河水質(zhì)變化及其影響因素

裴曉龍, 丁 強(qiáng), 楊玉珍, 程俊俠, 郭 琦

(陜西省環(huán)境監(jiān)測中心站 水環(huán)境監(jiān)測室, 陜西 西安 710054)

延河發(fā)源于陜西省靖邊縣天賜灣鄉(xiāng)周山，由西北向東南，流經(jīng)志丹、安塞、延安，于延長縣南河溝附近匯入黃河，全長286.9 km，流域面積7 687 km2，落差938 m，平均比降3.3‰，主要有杏子河、西川河、蟠龍川等14條支流，是陜北第2大河。延河多年平均年降雨量520 mm，多年平均年水面蒸發(fā)量980 mm，干旱指數(shù)在1.57～1.92[1]。隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，特別是陜北油氣煤等資源的開發(fā)，以及人們生產(chǎn)生活方式的改變，人類活動(dòng)的影響使得延河的水質(zhì)發(fā)生變化，而針對延河水質(zhì)的變化趨勢鮮有研究。因此，本研究應(yīng)用Pearson相關(guān)性原理[2]，建立適用于延河水質(zhì)評價(jià)的指標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上對2013—2017年延河水質(zhì)狀況進(jìn)行分析，分析水質(zhì)變化趨勢，研究各指標(biāo)污染貢獻(xiàn)程度及影響延河水質(zhì)的因素，以期為延河水質(zhì)狀況評估和治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 評價(jià)方法

選擇內(nèi)梅羅指數(shù)法進(jìn)行水質(zhì)定量評價(jià)，用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行水質(zhì)變化趨勢分析，用污染分擔(dān)率研究指標(biāo)體系中各項(xiàng)污染因子的貢獻(xiàn)程度。

1.1 內(nèi)梅羅指數(shù)法[3]

內(nèi)梅羅指數(shù)是當(dāng)前國內(nèi)外進(jìn)行綜合污染指數(shù)計(jì)算最常用的方法之一，是一種兼顧極值或稱突出最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。該方法先求出各因子的分指數(shù)，然后求出各分指數(shù)的平均值，取最大分指數(shù)和平均值計(jì)算。

1.1.1 單因子指數(shù) 通過單因子評價(jià)，可以確定主要污染物及其危害程度。一般以污染指數(shù)來表示，其表達(dá)式為：

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi——i因子的污染指數(shù)；Ci——i因子實(shí)測值；Si——i因子環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值(地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值[4])。

1.1.2 綜合指數(shù) 綜合污染指數(shù)兼顧了單因子污染指數(shù)平均值和最高值，可以突出污染最重因子的作用。其表達(dá)式為：

(2)

式中：P綜——斷面(或河流)的內(nèi)梅羅指數(shù)； maxPi——該斷面(或河流)單因子指數(shù)中的最大值； avgPi——該斷面(或河流)單因子指數(shù)平均值。

1.2 Spearman秩相關(guān)系數(shù)法[5]

采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法分析斷面(或河流)污染狀況隨時(shí)間變化的趨勢，其計(jì)算公式為：

(3)

di=Xi-Yi

(4)

式中：Xi——周期i到周期N按濃度值從小到大排列的序號(hào)；Yi——按時(shí)間排列的序號(hào)；N——周期次數(shù)；rs——秩相關(guān)系數(shù)。

1.3 污染分擔(dān)率[6]

污染分擔(dān)率是指各項(xiàng)污染因子的分指數(shù)在綜合污染指數(shù)中的比例，是反映污染構(gòu)成的一個(gè)指標(biāo)。其計(jì)算公式為：

(5)

式中：Fi——第i項(xiàng)污染因子的污染分擔(dān)率；Pi——第i項(xiàng)污染因子的污染指數(shù)；n——污染因子的總個(gè)數(shù)。

2 指標(biāo)體系

水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)體系[7]是用來全面衡量水質(zhì)的尺度，是綜合水中各因子的標(biāo)識(shí)。從水質(zhì)評價(jià)過程以及相關(guān)評價(jià)實(shí)例來看，單個(gè)指標(biāo)存在不能準(zhǔn)確、合理的表征水質(zhì)實(shí)際狀況的可能性，卻能直接影響評價(jià)結(jié)果。由此基于評價(jià)結(jié)果來篩選指標(biāo)進(jìn)而構(gòu)建針對一條河流的評價(jià)指標(biāo)體系成為一個(gè)新的思路。為了能夠更直觀、更清晰地分析延河水質(zhì)變化的情況，在滿足科學(xué)性、合理性的前提下，設(shè)計(jì)了3個(gè)指標(biāo)體系方案。①方案1：地表水河流評價(jià)指標(biāo)，即《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》中除水溫、總氮、糞大腸菌群以外的21項(xiàng)指標(biāo)。②方案2：省政府考核指標(biāo)化學(xué)需氧量、氨氮，同時(shí)兼顧特征污染物石油類和總磷，合計(jì)4項(xiàng)指標(biāo)。③方案3：用地表水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)辦法評價(jià)，對延河2013—2017年共計(jì)283條監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，樣品超標(biāo)率大于10%的指標(biāo)有化學(xué)需氧量、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、5 d生化需氧量、總磷、石油類，結(jié)合自動(dòng)站監(jiān)測指標(biāo)，增加溶解氧，確定以上7項(xiàng)指標(biāo)。應(yīng)用內(nèi)梅羅指數(shù)法，采用以上3種方案分別對陜西省環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中延河上5個(gè)斷面2013—2017年每月監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評價(jià)，結(jié)果詳見表1。

表1 不同指標(biāo)體系方案年均值內(nèi)梅羅指數(shù)評價(jià)結(jié)果

將每種方案評價(jià)結(jié)果作為變量，導(dǎo)入SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行定量相關(guān)性分析，采用雙側(cè)顯著性檢驗(yàn)，計(jì)算Pearson相關(guān)系數(shù)r(r>0時(shí)正相關(guān)，r<0時(shí)負(fù)相關(guān)，其絕對值大小反映變量相關(guān)程度高低)詳見表2。按照Pearson相關(guān)性原理，若某兩個(gè)變量的r絕對值接近1，顯著性p<0.01，可以認(rèn)為兩個(gè)變量具有普遍相似性，兩個(gè)變量可以相互替代。

表2 水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)體系不同方案相關(guān)性分析結(jié)果

注：N表示每組變量的數(shù)據(jù)量。

表2顯示，在0.01的顯著水平下，方案2，方案3與方案1的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.978和0.993，大于0.9，呈現(xiàn)高度顯著正相關(guān)。根據(jù)SPSS統(tǒng)計(jì)軟件Pearson相關(guān)性原理，可以推出方案2，方案3均可以替代方案1。方案1中指標(biāo)全，能全面、綜合地反映水質(zhì)狀況，但評價(jià)參數(shù)較多，評價(jià)的計(jì)算量較大，且不能突出重點(diǎn)因子；方案2，3與方案1的相關(guān)程度都很高，參數(shù)量小，操作性較強(qiáng)。根據(jù)評價(jià)指標(biāo)體系篩選原則，在滿足科學(xué)性、合理性和可操作性的前提下，可以盡量選擇參數(shù)少，代表性強(qiáng)的指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)。因此確定方案2為延河水質(zhì)評價(jià)中的優(yōu)選評價(jià)指標(biāo)體系。

3 延河水質(zhì)變化趨勢及影響因素分析

3.1 水質(zhì)變化情況

采用方案2中的指標(biāo)體系對延河2013—2017年水質(zhì)狀況進(jìn)行評價(jià)(表3)。2013—2017年延河內(nèi)梅羅指數(shù)的Spearman秩相關(guān)系數(shù)是1，有著顯著的上升意義。由此可見5 a間延河水質(zhì)狀況呈明顯下降趨勢。從表3還可看出，氨氮的污染指數(shù)、污染分擔(dān)率均呈現(xiàn)與延河總體內(nèi)梅羅指數(shù)相同的變化趨勢，表明延河水質(zhì)變化主要受氨影響。另外，氨氮的污染指數(shù)5 a間增長了168.7%，污染分擔(dān)率增長了60.8%，延河氨氮污染的典型特征愈發(fā)明顯。

3.2 影響因素分析

為了研究延河水質(zhì)變化的原因，引入以下數(shù)據(jù)： ①水質(zhì)內(nèi)梅羅指數(shù)，用來表征水質(zhì)污染狀況； ②河流年徑流量，用來表征河流的自然來水量； ③地區(qū)生產(chǎn)總值，用來表征人類生產(chǎn)生活強(qiáng)度。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。沿延河各縣區(qū)生產(chǎn)總值在2013—2014年經(jīng)歷小幅上升后，呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，而這一時(shí)間段內(nèi)的延河水質(zhì)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，可以推斷經(jīng)濟(jì)增長不是造成延河水質(zhì)持續(xù)下降的主要原因；延河年徑流量從2013年開始有明顯的下降趨勢，特別是2015年的年徑流量僅為1.39×108m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于延河的多年平均徑流量2.82×108m3，2014—2015年延河內(nèi)梅羅指數(shù)增長率33.55%也遠(yuǎn)超其他年份，由此可見，延河徑流量的多少對延河水質(zhì)的影響較大。

圖1 延河水質(zhì)變化多重因素分析

4 結(jié) 論

(1) 針對延河水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)研究，在滿足科學(xué)性、合理性的前提下，使用由氨氮、總磷、石油類、化學(xué)需氧量這4個(gè)因子組成指標(biāo)體系，可以將評價(jià)工作簡化，操作性更強(qiáng)。

(2) 2013—2017年中，延河水質(zhì)的內(nèi)梅羅指數(shù)逐年上升，水質(zhì)狀況逐年下降。

(3) 延河水質(zhì)變化中，氨氮在評價(jià)指標(biāo)體系中的貢獻(xiàn)率逐年增大，2017年已經(jīng)達(dá)到38.7%，遠(yuǎn)超其他污染物。改善延河水質(zhì)，應(yīng)該主要控制氨氮的總量。

(4) 延河生態(tài)水量是影響延河水質(zhì)的主要因素，改善河流的生態(tài)水補(bǔ)給狀況同時(shí)控制入河污染物總量是延河水質(zhì)健康的保障。