沮漳河流域水質(zhì)的時空變化與評價(jià)

高伊培 黃永文 陳芳清

摘要 [目的]科學(xué)研究與評價(jià)沮漳河流域污染物排放與水質(zhì)的時空變化規(guī)律。[方法]沿沮漳河流向選取6個斷面，于2015—2016年分別進(jìn)行取樣與樣品分析，并分別采用單因子污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法對水質(zhì)進(jìn)行分析與評價(jià)。[結(jié)果]沮漳河流域主要污染物排放在時間分布上沒有顯著差異，但在空間分布上呈顯著差異，其中下游的TN 和CODCr顯著高于中上游。單因子污染指數(shù)評價(jià)表明，沮漳河主要污染物為TN，其次是TP。綜合污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果表明，沮漳河宜昌河段水質(zhì)整體較好，但荊州河口斷面水質(zhì)污染嚴(yán)重，水質(zhì)評價(jià)結(jié)果達(dá)到Ⅳ類，其他斷面水質(zhì)則符合Ⅲ類。[結(jié)論]沮漳河流域的水質(zhì)呈現(xiàn)枯水期劣于豐水期和平水期、下游地區(qū)劣于上游地區(qū)的特征。

關(guān)鍵詞 污染物；水質(zhì)；時空變化；環(huán)境評價(jià)；沮漳河流域

中圖分類號 X824 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）09-0079-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.09.023

Abstract [Objective] The research aimed to investigate and evaluate the spatiotemporal variation of pollutants and water quality in Juzhang River area.[Method] Six river sections were set up along the river，and water samples were collected and tested from 2015 to 2016.Methods of the single factor pollution index and the comprehensive pollution index were employed to evaluate the water quality.[Result]The difference of monitoring pollutant distribution was significant among different sections，but not significant among times.The assessment of the single factor pollution index indicated that total nitrogen ranked the major pollutant of the river，following by total phosphorus.The assessment of the comprehensive pollution index suggested that the water quality of the total area kept good level.However，water pollution was serious at Jingzhou section （Ⅳ level of water quality standard ）.[Conclusion]The water quality in low water period was worse than that in high water period，so was worse at downstream than that at upstream.

Key words Pollutants；Water quality；Spatialtemporal variation；Environmental evaluation；Juzhang River area

河流是陸地可利用淡水資源的主要組成部分。近年來，隨著我國工業(yè)化與農(nóng)業(yè)集約化進(jìn)程，全國范圍內(nèi)眾多河流遭到不同程度的污染。據(jù)報(bào)道，我國有50%的河道受到污染[1-2]。加強(qiáng)河流污染的監(jiān)測與治理對保障人民的生命安全和促進(jìn)社會與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。河流水質(zhì)的綜合評價(jià)是水環(huán)境治理的重要基礎(chǔ)性工作。通過對水質(zhì)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)開展客觀科學(xué)的分析與評價(jià)，能揭示水質(zhì)的主要污染因子及水質(zhì)的時空變化規(guī)律，為河流污染的治理提供客觀的依據(jù)[3-5]。目前，最常用河流水質(zhì)的評價(jià)方法包括單因子指數(shù)評價(jià)法、綜合指數(shù)評價(jià)法等[6-8]。其中單因子指數(shù)評價(jià)法是將評價(jià)因子與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，確定各個評價(jià)因子的水質(zhì)類別，在所有項(xiàng)目的水質(zhì)類別中選取水質(zhì)最差類別作為水體的水質(zhì)類別，該方法可確定水體中的主要污染因子，是目前使用最多的水質(zhì)評價(jià)法[9]；而綜合污染指數(shù)評價(jià)法是將各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)際值分別除以各項(xiàng)指標(biāo)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，得出各項(xiàng)指標(biāo)的評價(jià)指數(shù)，再對各項(xiàng)指標(biāo)評價(jià)指數(shù)進(jìn)行加權(quán)算術(shù)平均，得出綜合評價(jià)值[10]。綜合污染指數(shù)評價(jià)法能綜合反映出河流的水污染狀態(tài)，有利于比較各監(jiān)測斷面之間的污染程度的差異，得到較為廣泛的應(yīng)用。Vega等[11]、Sundaray[12]和Han等[13]分別用該方法對西班牙Pisuerga河、印度Brahmani河、韓國Nakdong河的水質(zhì)時空變化進(jìn)行了分析與評價(jià)。龔清蓮等[14]和?；蓰惖萚15]也利用該方案分別對長江宜賓段和濁漳河流域水質(zhì)的時空變化特征進(jìn)行了分析與評價(jià)。

沮漳河為長江中游北岸一條支流，該河流主要流經(jīng)湖北省宜昌市的遠(yuǎn)安縣、當(dāng)陽市、枝江市以及荊州市部分地區(qū)。沮漳河流域土壤肥沃、資源豐富，在宜昌市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位。該流域總面積約413 831 hm2，總?cè)丝?7.26萬人（其中鎮(zhèn)區(qū)人口19.82萬人），耕地面積73 141 hm2，糧食總產(chǎn)量631 139 t/a，流域沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)生產(chǎn)總值717 365萬元，占全市地區(qū)生產(chǎn)總值（1 547.32億元）的4.64%，農(nóng)民人均純收入7 389元。沮漳河水質(zhì)事關(guān)遠(yuǎn)安縣、當(dāng)陽市以及枝江市的飲用水安全以及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展。近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，沮漳河流域承載的環(huán)境壓力日益增大[16]?？陀^了解沮漳河的水質(zhì)及其變化對該流域的水環(huán)境管理顯得尤為重要。黃永文等[17]對該流域當(dāng)陽段的水環(huán)境狀況進(jìn)行了初步報(bào)道，但是關(guān)于該流域水體的總體情況目前仍缺乏系統(tǒng)的分析與評價(jià)。筆者在2015年12月—2016年12月對沮漳河宜昌河段的6個監(jiān)測斷面進(jìn)行表層水樣的采集與分析，采用單因子指數(shù)評價(jià)法和綜合污染指數(shù)對水質(zhì)類別進(jìn)行評價(jià)，以識別該河流的主要污染因子，并對水質(zhì)的時空變化進(jìn)行分析與評價(jià)，以期為沮漳河流域的水污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 流域環(huán)境概況及采樣斷面設(shè)置

沮漳河在宜昌市境內(nèi)河長221 km，集水面積3 480 km2，占該河集水面積的47.4%，占全市面積的16.3%，是全市僅次于清江的第二大河流[17]。流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，雨量充沛。年平均降雨量為1 050 mm左右，四季雨量分布不均，多集中在夏季，其中4—10月多年平均降雨量占全年的88.3%。

該研究共設(shè)置了6個采樣點(diǎn)，各采樣點(diǎn)自上游支流至下游干流分布于沮河（馬渡河斷面、鐵路大橋斷面）、漳河（白石港斷面、淯溪橋斷面）、沮漳河（兩河口斷面、荊州河口斷面），采樣點(diǎn)的分布與該流域省控監(jiān)測斷面保持一致（圖1）。

1.2 水樣采集與分析

分別于2015年12月（枯水期）、2016年3月（平水期）、2016年6月（豐水期）、2016年9月（豐水期）、2016年12月（枯水期）在沮漳河流域宜昌河段所設(shè)置的6個斷面各采樣1次。用柱狀采水器采集各斷面表層水（深度為50 cm）500 mL，用聚乙烯樣品瓶密封，并按照《水質(zhì)樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》（HJ 493—2009）要求保存，帶回實(shí)驗(yàn)室后進(jìn)行分析檢測。主要檢測指標(biāo)包括高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、總磷、總氮和砷的含量，各指標(biāo)參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）[18]進(jìn)行測定（表1）。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

分別以樣品取樣的斷面和時間為自變量，以樣品所測水質(zhì)指標(biāo)為因變量進(jìn)行單因子方差分析，揭示河流污染物排放的時空變化特征。然后采用單因子指數(shù)評價(jià)法，對比各水質(zhì)測定值和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，判斷水體的主要污染指標(biāo)。再以各指標(biāo)的測定值除以評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，得出單因子污染指數(shù)，并計(jì)算出綜合污染指數(shù)，評價(jià)水體的綜合水質(zhì)類別[19-20]。水質(zhì)評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）[21]中Ⅲ類水體。相應(yīng)的水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)：P≤0.422，Ⅰ 類水體；0.422

數(shù)據(jù)處理中的方差分析采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行，單因子污染指數(shù)評價(jià)和綜合污染指數(shù)評價(jià)采用Excel 2010軟件進(jìn)行，圖采用AutoCAD 2010和Origin 10.0進(jìn)行制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 河流主要污染物的時空變化

從表2可看出，沮漳河流域CODCr、TP、TN、NH3-N等4類污染物的排放量在空間分布有顯著差異（Sig.<0.05），而CODMn、As在空間分布上沒有顯著差異（Sig.>0.05）。其中CODCr為8.90～25.60 mg/L，荊州河口斷面CODCr污染物濃度顯著高于鐵路大橋、馬渡河、白石港、淯溪橋和兩河口等5個斷面；TP為0.03～0.28 mg/L， 馬渡河和荊州河口斷面TP濃度顯著高于鐵路大橋、白石港、淯溪橋和兩河口等斷面；TN的濃度為1.05～2.30 mg/L，荊州河口斷面TN濃度顯著高于鐵路大橋、馬渡河、白石港、淯溪橋、兩河口等斷面；NH3-N的濃度為0.23～0.82 mg/L，白石港和兩河口斷面NH3-N的濃度顯著高于鐵路大橋、馬渡河、荊州河口等斷面。總體上河流下游的污染物高于上游，沮河的高于漳河。

沮漳河流域所有污染物的濃度在時間上雖然有所變化，但是其差異沒有達(dá)到顯著水平（Sig.>0.05）（表3）。河流的CODCr、CODMn、TP、TN、NH3-N和As分別為2.30～4.14、8.30～15.28、0.04～0.19、1.10～1.87、0.30～0.64和0.01～0.04 mg/L。

2.2 河流污染物的單因子分析

沮漳河流域宜昌段所有監(jiān)測斷面的pH均在6～9，符合我國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中I類水體的標(biāo)準(zhǔn)；CODMn的超標(biāo)率為7%；CODCr的超標(biāo)率為10%，以荊州河口斷面為最高；TP超標(biāo)率為23%，以馬渡河和荊州河口斷面最高；TN超標(biāo)率為90%，NH3-N超標(biāo)率為13%，均以白石港和兩河口斷面為較高；As則未超標(biāo)。因此，該流域污染最嚴(yán)重的監(jiān)測因子為TN。各監(jiān)測斷面檢測指標(biāo)的單因子污染指數(shù)分析顯示（表4），TN單因子污染指數(shù)為0.723～4.350，均值為1.472，屬Ⅳ類水體，其中TN的最高濃度值出現(xiàn)在荊州河口斷面，是Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值的4.3倍，可見TN超標(biāo)最為嚴(yán)重的監(jiān)測斷面是荊州河口。整個流域監(jiān)測因子的污染排序?yàn)門N>TP>NH3-N>CODCr>CODMn>As。

2.3 河流水質(zhì)的綜合評價(jià)

綜合指數(shù)分析顯示（表4），2015—2016年沮漳河流域各監(jiān)測斷面的綜合污染指數(shù)的平均值為0.633，整個流域水質(zhì)在時間和空間序列上呈現(xiàn)較大的變化（圖2）。從空間上看，監(jiān)測斷面平均綜合污染指數(shù)大小排序?yàn)榍G州河口（0.954）>馬渡河（0.623）>兩河口（0.622）>白石港（0.574）>鐵路大橋（0.531）>淯溪橋（0.491）。6個水質(zhì)監(jiān)測斷面中，荊州河口的水質(zhì)最差。水質(zhì)污染狀況在空間分布上呈現(xiàn)沮漳河>沮河>漳河的規(guī)律，流域污染程度沿河流的走向呈變重趨勢，表現(xiàn)出下游高于上游的特征。這主要是由于上游農(nóng)業(yè)區(qū)的污染較輕，而中下游分布有城鎮(zhèn)及工業(yè)園區(qū)。同時由于河流的自凈能力有限，上游所排放污染物的累積，使得下游污染情況加重。現(xiàn)場調(diào)查資料顯示，沮漳河流域沿線19個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中生活廢水源排放至沮河的有11個，排放至漳河的有3個，因此沮河水體的污染情況比漳河嚴(yán)重。

從時間分布上看，平均綜合污染指數(shù)在豐水期最低，而在枯水期最高，水質(zhì)污染狀況呈現(xiàn)枯水期高于豐水期和平水期的特征。這是由于河流在豐水期或平水期水流量大，有效降低了水體污染物的濃度，一定程度降低了污染程度。

3 結(jié)論

（1）沮漳河流域主要污染物的排放量在時間分布上均沒有顯著差異，但在空間分布上CODCr、TP、TN、NH3-N等4類污染物的排放量具有顯著差異，其中CODCr污染物以荊州河口斷面為最高，TP以馬渡河和荊州河口斷面較高，TN和NH3-N均以白石港和兩河口斷面為較高。

（2）沮漳河流域大部分監(jiān)測指標(biāo)的單因子指數(shù)最低值均出現(xiàn)在豐水期或平水期，而最高值則出現(xiàn)在枯水期。河流的主要污染因子為TN，其中TN超標(biāo)最為嚴(yán)重的監(jiān)測斷面是荊州河口。

（3）綜合污染指數(shù)評價(jià)顯示，沮漳河荊州河口斷面水質(zhì)最差，屬于國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的Ⅳ類水體。其他斷面水質(zhì)較好，屬國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的 Ⅱ 或 Ⅲ 類標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了《湖北省水污染防治行動計(jì)劃工作方案》（鄂政發(fā)[2016]3號）中對沮漳河宜昌市控制單元的水質(zhì)目標(biāo)要求。水質(zhì)污染狀況呈現(xiàn)枯水期高于豐水期和平水期、下游高于上游的特征，這主要與不同河段社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與污染物的排放狀況有關(guān)。

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