煤炭型城市城區(qū)河流水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)與分析
——以宿州市沱河為例

孟祥嵩，李致春,，桂和榮，余 浩，江雅琪，余銘明，李前偉，成開峰

(1.宿州學(xué)院 環(huán)境與測(cè)繪工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；2.國(guó)家煤礦水害防治工程研究中心，安徽 宿州 234000；3.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 引言

城市水環(huán)境污染調(diào)查與評(píng)價(jià)是當(dāng)前環(huán)境研究的熱點(diǎn)問題。目前，各國(guó)政府及相關(guān)科研單位都對(duì)城市河流污染評(píng)價(jià)進(jìn)行了大量研究，常用的水質(zhì)分析與評(píng)價(jià)方法主要有單因子評(píng)價(jià)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、河流綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、灰色聚類法、主成分分析法等[1～4]，且國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量研究與改進(jìn)。然而，現(xiàn)有的研究主要集中在于大中城市河流，但對(duì)于三四線城市城區(qū)河流城市水質(zhì)評(píng)價(jià)關(guān)注較少，尤其是對(duì)于煤炭型城市。煤炭型城市指主要依靠煤炭資源開發(fā)而發(fā)展起來的，并且煤炭采選業(yè)在城市工業(yè)結(jié)構(gòu)中占重要地位的城市[5]。煤炭開采過程中，排出的礦井廢水常含有酸性污水、氮磷污染物和重金屬等污染物，致使城區(qū)河流水質(zhì)污染。同時(shí)，農(nóng)業(yè)排放和城市居民用水產(chǎn)生的廢水會(huì)加重城區(qū)河流污染。因而，三四線煤炭型城市城區(qū)河流水質(zhì)評(píng)價(jià)工作亟需開展。

宿州市擁有豐富的煤炭資源，擁有皖北礦業(yè)集團(tuán)大型煤炭企業(yè)，是典型的煤炭型城市。沱河是宿州市主要的城區(qū)河流，其水質(zhì)受煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展影響較大。因而，本文以宿州市沱河為例，在水質(zhì)污染系統(tǒng)調(diào)查基礎(chǔ)上，對(duì)水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，為當(dāng)?shù)厮廴局卫砗蜕鷳B(tài)文明建設(shè)以及三四線煤炭型城市的城區(qū)河流水質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià)提供參考信息。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

宿州市地處安徽省北部，位于東經(jīng)116°09′～118°10′、北緯33°18′～34°38′之間，總面積9787 km2，屬淮河流域，水系發(fā)達(dá)，主要的城市河流有澮河、沱河、新汴河等(圖1)。宿州市的煤炭資源豐富，主要礦區(qū)有埔橋礦區(qū)、碭山煤田、義安山煤田以及張大屯煤田[6]。

沱河是宿州市主要的城區(qū)河流，是淮河流域重要水系，發(fā)源于河南省商丘市東北，在五河縣城南匯入沱湖，最終與淮河支流相連，全長(zhǎng)203 km，流域面4500 km2，河面寬 20～60 m，河底寬7～45 m，深2.0～4.0 m。最高洪水位標(biāo)高26.20 m，多年平均最大流量412 m3/s，多年平均最小流量164 m3/s。由于近些年河道重新規(guī)劃和改造，沱河上游部分匯入新汴河，導(dǎo)致沱河下游水量減少[7]。

2.2 樣品采集

本次實(shí)驗(yàn)沿沱河自西向東依次選取了28個(gè)采樣點(diǎn)(T1～T28)，但T1采樣點(diǎn)的部分?jǐn)?shù)據(jù)不足，無法分析，故只列出T2～T28號(hào)采樣點(diǎn)，分布如圖1。利用手持GPS經(jīng)緯度定位儀器測(cè)定采樣點(diǎn)地理坐標(biāo)。利用采樣裝置進(jìn)行水體采集，取采樣點(diǎn)的河水潤(rùn)洗采樣器和2.5 L潔凈聚乙烯瓶后將樣品放入2.5 L潔凈聚乙烯瓶中，每個(gè)樣品采取兩桶，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定相關(guān)水質(zhì)理化指標(biāo)，包括：濁度(TUB)，透明度(SD)、氧化還原電位(ORP)、pH值、電導(dǎo)率(Ec)和總?cè)芙庑怨腆w(TDS)。

2.3 樣品測(cè)試及分析方法

將采集的樣品存于用河水潤(rùn)洗兩遍后存于2.5 L聚乙烯水桶中快速運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室在24 h內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)分析工作，測(cè)定相關(guān)污染物指標(biāo)濃度。利用上海連華科技5B-6C型(v8)四參數(shù)水質(zhì)快速測(cè)定儀分別運(yùn)用過硫酸鉀紫外分光光度法測(cè)定TN，鉬銻鈧比色法測(cè)定TP，比色法測(cè)定CODMn，納式試劑光度法測(cè)定NH3-N,光電比色法測(cè)定TUB。

圖1 沱河研究區(qū)域概況

2.4 評(píng)價(jià)方法

本文運(yùn)用水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法從單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法和綜合因子標(biāo)識(shí)指數(shù)法對(duì)沱河的水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，運(yùn)用水質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)法進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化分析。

2.4.1 單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法

單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)可以完整標(biāo)識(shí)水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的類別、水質(zhì)數(shù)據(jù)、功能區(qū)目標(biāo)值等重要信息，既能定量地判別水體屬于哪一類別水質(zhì)，又能定性地分析不同水質(zhì)指標(biāo)在屬于同一類別水質(zhì)中的優(yōu)劣[8]。單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)(Pi)由一位整數(shù)和小數(shù)點(diǎn)后2～3位有效數(shù)字組成，其形式為：

Pi=X1X2X3

(1)

(2)

式(1)、(2)中：X1為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別；X2為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在X1類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下限值與X1類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)上限值變化區(qū)間中所處的位置，按四舍五入的原則計(jì)算，取一位整數(shù)確定；X3為水質(zhì)類別與功能區(qū)劃設(shè)定類別的比較結(jié)果，視評(píng)價(jià)指標(biāo)的污染程度，為一位或兩位有效數(shù)字[8, 9]。

當(dāng)水質(zhì)類別介于Ⅰ類水和Ⅴ類水之間時(shí)，可直接根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和國(guó)家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比確定X1。當(dāng)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)值劣于或等于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)上限值時(shí),X1X2的確定公式如下：

(3)

式(3)中：Pi5上為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)V類水標(biāo)準(zhǔn)濃度值的上限。從式中可以看出，當(dāng)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)值正好等于Ⅴ類水上限值時(shí)，X1.X2的數(shù)值為6.0，當(dāng)Pi>6時(shí)，說明水質(zhì)處于劣Ⅴ類水，數(shù)值越大，水質(zhì)越差，污染越嚴(yán)重。

2.4.2 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)(WQI)是以單因子水質(zhì)指標(biāo)Pi為基礎(chǔ)的河流水質(zhì)綜合分析評(píng)價(jià),由整數(shù)位和小數(shù)點(diǎn)后3位或4位有效數(shù)字組成[10, 11]，其公式為：

WQI=X1.X2X3X4

(4)

式(4)中X1.X2為單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法總和的平均值

(5)

式(5)中m為參加水質(zhì)評(píng)價(jià)因子個(gè)數(shù)；X3為參與綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)的水質(zhì)指標(biāo)中，劣于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的單項(xiàng)指標(biāo)個(gè)數(shù)，X4為綜合水質(zhì)類別與水體功能區(qū)類別的比較結(jié)果,用以判定綜合水質(zhì)類別是否劣于水環(huán)境功能區(qū)類別。如果綜合水質(zhì)類別好于或達(dá)到功能區(qū)類別,則有

X4=0

(6)

若水質(zhì)類別差于水環(huán)境功能區(qū)類別且綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)中X2不為0,則

X4=X1-f

(7)

若水質(zhì)類別差于水環(huán)境功能區(qū)類別且綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)中X2為0,則

X4=X1-f-1

(8)

水質(zhì)級(jí)別的判定：基于綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的水質(zhì)級(jí)別的判定標(biāo)準(zhǔn)見表1，通過WQI值的整數(shù)位和小數(shù)點(diǎn)后第1位即X1.X2，可以判綜合水質(zhì)級(jí)別，X1.X2數(shù)值越大，說明水質(zhì)越差。污染等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1[12]。

表1 基于綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的綜合水質(zhì)級(jí)別判定

表2 沱河理化指標(biāo)的變化

3 結(jié)果與討論

3.1 理化指標(biāo)變化特征

沱河理化指標(biāo)變化見表2。通過對(duì)沱河水樣的采集和對(duì)理化指標(biāo)進(jìn)行分析可知，各采樣點(diǎn)的氧化還原電位(ORP)數(shù)值在61～129 mV之間,平均值為93 mV，變差系數(shù)為0.17，各采樣點(diǎn)之間指標(biāo)變化較大。水體環(huán)境呈現(xiàn)一定的氧化性。pH值在8.24～9.14之間，平均值為8.77，變差系數(shù)0.03，各采樣點(diǎn)差異非常小，偏堿性。導(dǎo)電率(Ec)在1023～1458 mS/cm之間,平均值為1270 mS/cm?？?cè)芙夤腆w(TDS)指水中溶解性物質(zhì)的濃度，TDS值越高代表水中雜質(zhì)越多[13]，由表3得出，沱河水中TDS范圍在598～715 mg/L遠(yuǎn)超出直飲水標(biāo)準(zhǔn)(≤450 mg/L)。沱河水Ec值和TDS值較高，但各采樣點(diǎn)指標(biāo)變化不大，變差系數(shù)小，說明水體中溶解性物質(zhì)較多。濁度在10.23～91.60之間，平均值為24.88，變差系數(shù)大，不同采樣點(diǎn)之間數(shù)值波動(dòng)大，最大值和最小值分別出現(xiàn)在6號(hào)和25號(hào)采樣點(diǎn)，不符合我國(guó)生活衛(wèi)生飲用水(GN5749～2006)[21]中1～3NTU的標(biāo)準(zhǔn)，不適宜飲用。同時(shí)，水體平均透明度為0.24 m，數(shù)值較低，表明水體較為渾濁。

3.2 污染物指標(biāo)變化特征

表3為沱河污染物指標(biāo)變化，圖2為各污染指標(biāo)不同采樣點(diǎn)的具體數(shù)值變化。通過實(shí)驗(yàn)分析對(duì)照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》[15]得出沱河水中TN含量在1.219～8.490 mg/L之間，平均值為3.219 mg/L，最大值出現(xiàn)在T21號(hào)點(diǎn)位，最大值最小值差值較大，但變差系數(shù)較小其余采樣點(diǎn)變化為平均，處在Ⅳ類～劣于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)之間。NH3-N含量在0.165～0.866 mg/L之間，最大值出現(xiàn)在T21號(hào)點(diǎn)位，平均值為0.337 mg/L，變差系數(shù)較大，處于Ⅱ類水～Ⅲ類水之間。TP含量在0.060～0.116 mg/L之間，最大值位于T3點(diǎn)位，平均值為0.082 mg/L，變差系數(shù)較小，各采樣點(diǎn)變化幅度較小，處在Ⅳ類水～Ⅴ類水之間。CODMn在2.83～11.21 mg//L之間，最大值在T22點(diǎn)位，平均值為4.54 mg/L，處在Ⅱ類水～Ⅴ類水之間。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，T21和T22點(diǎn)位的TN、NH3-N和CODMn含量較高(圖2)?？赡茉?yàn)槊禾抗I(yè)產(chǎn)生的垃圾，酸性廢水和重金屬進(jìn)入水體。而且此兩個(gè)采樣點(diǎn)位于宿州市運(yùn)站附近，旁邊有G206國(guó)道和沱河路兩條交通要道，周圍集中分布了數(shù)家汽車租賃行和汽車電器行和其他各種小商戶。汽車尾氣中也含有大量碳氮化合物等污染物氣體和顆粒從而導(dǎo)致此兩個(gè)采樣點(diǎn)的河水中各類污染物含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他采樣點(diǎn)。

表3 沱河污染物指標(biāo)變化

3.3 水質(zhì)污染綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)《安徽省水環(huán)境功能區(qū)劃》[16]，沱河的目標(biāo)水質(zhì)為Ⅳ類水，以TN、NH3-N、TP、CODMn為主要污染物指標(biāo)運(yùn)用單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法和綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法做水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。圖3為沱河采樣點(diǎn)總體水質(zhì)分布情況。

圖2 沱河水體TN、NH3-N、TP、CODMn變化特征

由單因子指標(biāo)指數(shù)的計(jì)算結(jié)果可知，參評(píng)水質(zhì)指標(biāo)中，TN超標(biāo)最為嚴(yán)重，只有T24號(hào)一個(gè)采樣點(diǎn)的水質(zhì)合格，其余采樣點(diǎn)水質(zhì)總體類別處劣Ⅴ類但不黑臭。其中T12、T21、T22、T27點(diǎn)位水質(zhì)污染尤為嚴(yán)重。T12點(diǎn)位位于港利錦繡江南小區(qū)附近，屬于居民集中區(qū)伴有大量生活污水排放，容易造成水水污染。采樣點(diǎn)T21、T22位于宿州市火車站附近，周圍道路眾多，商戶林立。交通業(yè)帶來的垃圾和商戶排出的生活廢水對(duì)水質(zhì)影響較大。T27點(diǎn)位位于303省道下方，旁邊有加油站和農(nóng)田，汽車尾氣中有大量碳氮污染物，加油站所排出的污水和農(nóng)田化肥的使用也是造成水中TN超標(biāo)的重要原因。

沱河中NH3-N指標(biāo)平均處于Ⅱ類水，優(yōu)于目標(biāo)水質(zhì)。其原因沱河水的為氧化還原電位高，水體不是處于缺氧狀態(tài)，導(dǎo)致水中游離態(tài)的氨含量不高。同時(shí)，相關(guān)部門定期對(duì)河道垃圾和藻類的清理，工具擾動(dòng)使水-氧氣交換頻繁，也使河水中厭氧微生物活性處于較低水平，降低了微生物的反硝化作用。

沱河中TP指標(biāo)有T2、T3、T6號(hào)3個(gè)采樣點(diǎn)水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，其余采樣點(diǎn)均達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)。超標(biāo)采樣點(diǎn)皆地處宿州市三角洲公園附近，附近分布一定數(shù)量農(nóng)田，且生活小區(qū)密集，居民使用含磷洗衣粉污水和農(nóng)藥溶液會(huì)部分流入河，引起TP濃度升高。

沱河中CODMn指標(biāo)只有T22號(hào)一個(gè)采樣點(diǎn)水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，其余采樣點(diǎn)均優(yōu)于或達(dá)到Ⅳ類目標(biāo)水質(zhì)。根據(jù)周圍居民區(qū)工業(yè)區(qū)和道路分析，T22號(hào)采樣點(diǎn)造成水質(zhì)變差的原因與TN超標(biāo)原因類似，可能是未經(jīng)處理的生活和工業(yè)廢水的排放以及未經(jīng)處理的工業(yè)廢物和生活垃圾的堆積。

根據(jù)綜合指數(shù)標(biāo)識(shí)法進(jìn)行水質(zhì)綜合分析，沱河水質(zhì)平均等級(jí)為Ⅳ類水，達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)，處于良好水平。28個(gè)采樣點(diǎn)中，有22個(gè)采樣點(diǎn)達(dá)到Ⅳ類目標(biāo)水質(zhì)，水質(zhì)處于良好水平；有3個(gè)采樣點(diǎn)優(yōu)于Ⅳ類目標(biāo)水質(zhì)，水質(zhì)達(dá)到優(yōu)秀水平；有2個(gè)采樣點(diǎn)為Ⅴ類水，劣于目標(biāo)水質(zhì)，水質(zhì)處于輕度污染水平；另有1點(diǎn)因數(shù)據(jù)不足未做評(píng)價(jià)。結(jié)合圖3可知，沱河水絕大部分區(qū)域水質(zhì)達(dá)到或優(yōu)于目標(biāo)水質(zhì)，只有T21號(hào)和T22號(hào)點(diǎn)位不達(dá)標(biāo)，且TN、NH3-N、CODMn指標(biāo)和綜合指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù)峰值均出現(xiàn)在T21號(hào)和T22點(diǎn)位，有關(guān)部門需要引起重視，加強(qiáng)這一區(qū)域管理監(jiān)控。

表4 沱河單因子(Pi)及綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

圖3 沱河采樣點(diǎn)總體水質(zhì)分布情況

4 結(jié)語

(1)作為典型煤炭型城市，沱河的水質(zhì)總體達(dá)到Ⅳ類目標(biāo)水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)偏堿性，Ec、TDS和TUB偏高，SD偏低，不適宜灌溉和飲用；沱河的單因子指標(biāo)中TP、CODMn指標(biāo)達(dá)到Ⅳ類目標(biāo)水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，但CODMn在T22點(diǎn)位處于Ⅴ類水；TN濃度超標(biāo)嚴(yán)重，指標(biāo)高于目標(biāo)水質(zhì)Ⅳ類水的標(biāo)準(zhǔn)；NH3-N含量處于Ⅱ類水～Ⅲ類水，達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)期望標(biāo)準(zhǔn)。

(2)綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)顯示，沱河水體4種污染指標(biāo)總體處于Ⅳ類水，水質(zhì)良好，達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)。但T21、T22號(hào)點(diǎn)位地處宿州市火車站周圍，污染物多，水質(zhì)處于Ⅴ類，與目標(biāo)水質(zhì)對(duì)比，并呈現(xiàn)輕度污染狀態(tài)，有關(guān)部門應(yīng)該引起重視。