對涇河水質時空分布的分析與評價

張 翔

(黃河流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科學研究中心，河南 鄭州 450004)

涇河是渭河的最大支流，發(fā)源于寧夏涇源縣，依次流經(jīng)寧夏、甘肅、陜西三省(區(qū))，在西安市陳家灘匯入渭河。涇河流域主要位于黃土高原溝壑區(qū)，水土流失較為嚴重[1]。根據(jù)2019年《黃河泥沙公報》的資料顯示，涇河多年輸沙量均值為2.09億t，占黃河流域重要支流輸沙量的21%[2]。隨著工業(yè)發(fā)展和城鎮(zhèn)化推進，涇河水體水質的優(yōu)劣不僅關系到沿岸百姓的日常用水安全，還直接影響著渭河的水質。

文章通過對涇河近10年來水文、水質監(jiān)測資料進行分析，從泥沙徑流的變化趨勢、水功能區(qū)水質達標情況、主要污染物相關性分析等三個方面出發(fā)，對涇河10年來水質狀況進行全面的梳理，為“十四五”期間更好地推進涇河流域生態(tài)環(huán)境保護和經(jīng)濟社會高質量發(fā)展提供基礎支持。

1 評價范圍與方法

1.1 水質評價范圍

涇河彬縣工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)彬縣斷面以上有馬蓮河、蒲河、汭河等支流匯入，為了更加科學、全面地評價涇河水質狀況，文章依據(jù)《全國重要江河湖泊水功能區(qū)劃(2011—2030年)》，選取彬縣斷面下游7.3km的景村斷面和涇河涇陽農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水區(qū)代表斷面張家山作為評價對象。

依據(jù)水功能區(qū)限制納污紅線評價技術要求，結合近10年以來的涇河水質監(jiān)測成果與GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》進行對比，從中篩選出5項主要評價指標，分別為溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)、化學需氧量(COD)、氨氮和總磷(TP)作為本次調查評價的監(jiān)測因子[3-4]。

1.2 水質評價方法

1.2.1模糊綜合評價法

河流水質污染程度的高低是一個相對模糊的概念，通過特定的分級標準去衡量水污染程度是不夠準確的。模糊綜合評價法在數(shù)學原理的基礎上，通過確定隸屬函數(shù)搭建模糊關系矩陣，對水體水質的不確定性和模糊性進行量化處理，從而客觀地分析評價河流水質狀況[5-6]。

首先將涇河景村和張家山斷面的DO、COD、TP等5項指標建立評價因子集合，然后依據(jù)GB 3838—2002中相關指標的標準限值，分別確定各指標所占權重。利用隸屬函數(shù)法計算景村和張家山斷面各指標的隸屬度，搭建模糊關系矩陣[7]。

隸屬函數(shù)公式：

(1)

式中，r—隸屬度值；C—某監(jiān)測指標的實測濃度；C0—某監(jiān)測指標所屬水質標準限值的上限值；C1—某監(jiān)測指標所屬水質標準限值的下限值。

模糊關系矩陣：

(2)

式中，m—評價指標數(shù)；n—其水質類別；rmn—第m種污染物的指標數(shù)值被評價為第n類水質類別的百分比。

將模糊關系矩陣與評價指標的權重矢量進行復合運算，依據(jù)最大隸屬度原則確定涇河景村和張家山斷面的綜合水質類別。

1.2.2水質標識指數(shù)法

單因子水質標識指數(shù)計算相對簡單，與傳統(tǒng)的評價方法相比，可以對相同類別的同一監(jiān)測因子進行定量評價[8]，文章應用單因子水質標識指數(shù)，判斷涇河中下游河段的主要污染項目。

單因子水質標識指數(shù)由一位整數(shù)和兩位小數(shù)組成，其計算公式如下[9]：

I=X1.X2X3

(3)

式中，I—單因子水質標識指數(shù)；X1—評價指標的水質類別；X2—監(jiān)測指標在X1區(qū)間內所處的位置；X3—參與評價的監(jiān)測指標中劣于水功能區(qū)目標的個數(shù)。水質標識指數(shù)分級標準見表1。

表1 綜合水質標識指數(shù)分級標準

2 結果與分析

2.1 泥沙徑流變化

自2011年以來，涇河年徑流量和輸沙總量均值分別為11.6億m3和0.53億t。根據(jù)表2可知，近10年來涇河徑流量與輸沙量間呈現(xiàn)明顯的年際變化，2011—2019年涇河輸沙量極值比與徑流量的極值比分別為5.5和2.5，涇河輸沙量變異系數(shù)為0.68大于徑流量變異系數(shù)0.30；通過變異系數(shù)從側面驗證了涇河輸沙量年際變化率大于徑流量年際變化率[10]。

表2 2011—2019年涇河年徑流量和輸沙總量統(tǒng)計表

近10年間，涇河輸沙量每隔3年會出現(xiàn)一個峰值，分別是2013年的1.3億t、2016年的0.58億t、2018年的0.96億t。徑流量只在2013年和2018年出現(xiàn)峰值，受降水減少和農(nóng)田灌溉用水增加的影響，2016年涇河徑流量為建站以來的最小實測年徑流量，說明涇河徑流量與輸沙量之間的正相關性不顯著。

為了準確地探求徑流量和輸沙量之間隨時間變化的相關關系，利用Excel分別計算出涇河徑流量和輸沙量的線性回歸方程[11]，如圖1和圖2所示。雖然徑流量時空分布上有著明顯的上下波動趨勢，但是通過其線性回歸斜率可知，自2011年以來，涇河徑流量總體呈小幅上升的趨勢，平均每年增加0.2429億m3。雖然輸沙量時空分布上同樣有著明顯的起伏波動，但是其線性斜率幾乎為零，2019年輸沙總量與2012年相比，基本保持穩(wěn)定。

圖1 2011—2019年涇河年徑流量變化趨勢

圖2 2011—2019年涇河年輸沙量變化趨勢

2.2 模糊綜合評價結果

由表3可知，2018年之前涇河景村段水體污染程度較嚴重，2011—2017年Ⅳ類水占42.9%；Ⅴ類水占57.1%。通過計算由Ⅰ～Ⅴ類水各自的最大隸屬度可知，涇河景村段Ⅳ～Ⅴ類水所占權重從2016年的0.72降至2018年的0，自2016年以來，景村段水體水質得到逐步改善。2018年之后，景村段水體水質均符合地表水Ⅲ類水質要求。

表3 涇河景村斷面水質模糊綜合評價結果

涇河下游張家山斷面水質明顯優(yōu)于中游景村斷面，由表4可知，自2013年以來下游河段水質均滿足水功能區(qū)Ⅲ類水質目標。這說明下游河段兩岸污染物輸入較少，涇河景村段輸入的污染物通過沿途物理、生物等作用不斷轉化降解。

表4 涇河張家山斷面水質模糊綜合評價結果

2.3 主要污染因子

通過單因子水質標識指數(shù)法，對涇河主要污染指標進行判斷，其結果見表5。從各評價項目的標識指數(shù)計算結果可以看出，2011—2017年涇河COD的水質標識指數(shù)最大，說明COD是造成涇河水質不達標的主要因素。2017年之后涇河COD濃度呈顯著好轉趨勢，其2019年水質標識指數(shù)1.60相比2011年的峰值5.62，降幅達71.5%。

表5 涇河單因子水質標識指數(shù)評價結果

衡量監(jiān)測數(shù)據(jù)所在其水質類別區(qū)間中的位置是水質標識指數(shù)法的優(yōu)勢。雖然2016年之前涇河氨氮濃度達到Ⅲ類水功能區(qū)要求，但是其值大多在Ⅲ類水區(qū)間距下限值60%～80%的位置，水質存在超標風險。2016年至今，涇河水質逐漸改善，氨氮水質標識指數(shù)基本穩(wěn)定在Ⅱ類區(qū)間。涇河DO、高錳酸鹽指數(shù)和TP三項指標的水質標識指數(shù)基本在2.00到2.80區(qū)間內上下波動，說明這三項指標最優(yōu)，基本穩(wěn)定在Ⅱ類水平。

以往的研究表明，河道水體污染程度與泥沙徑流量有著密切關系。一方面，河道水體的自凈和稀釋能力隨著徑流總量的增大而變強；另一方面，由于涇河水體pH值基本呈弱堿性，在這種條件下，泥沙顆粒等具有較強的吸附和解吸能力，可以把水體中的有毒有機物質吸附到顆粒物表面，降低水體中污染物含量[12-15]。為了進一步研究涇河水污染與泥沙徑流之間的關系，通過相關系數(shù)法對其相關性進行評價，結果見表6。

表6 COD和氨氮與泥沙徑流相關性系數(shù)表

涇河COD濃度與徑流量、輸沙量呈負相關，其相關系數(shù)分別為-0.399和-0.261，相關性不顯著。徑流量與氨氮濃度的相關系數(shù)為-0.644，呈現(xiàn)弱負相關，徑流量越大，氨氮濃度越低。輸沙量與氨氮濃度的相關系數(shù)-0.339，顯示輸沙量與氨氮濃度呈負相關，相關性不顯著。

3 結語

從時空分布上看，近10年來涇河輸沙量年際變化率大于徑流量年際變化率。從趨勢變化上看，涇河徑流量總體呈小幅上升的趨勢，輸沙總量基本保持穩(wěn)定。2017年之前涇河景村斷面基本為Ⅳ～Ⅴ類水，COD是主要污染物。通過截污減排等措施，2018年之后景村斷面水質得到逐步改善，達到Ⅲ類水水平；自2013年以來，涇河下游張家山斷面基本滿足水功能區(qū)Ⅲ類水質目標。涇河輸沙量與COD、氨氮濃度呈負相關，相關性不顯著；徑流量與氨氮濃度呈弱相關性，徑流量越大，氨氮濃度越低，徑流量與COD濃度相關性不顯著。