汀江主干流上杭段水質(zhì)評價(jià)與變化趨勢分析

吳坤宗

（龍巖市上杭生態(tài)環(huán)境局 福建龍巖 364200）

1 研究背景

水環(huán)境質(zhì)量（以下稱水質(zhì)）一直是人民群眾廣泛關(guān)注的話題，直接關(guān)系當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會(huì)能否可持續(xù)發(fā)展。對水質(zhì)進(jìn)行科學(xué)的評價(jià)以及對其變化趨勢的分析，可以充分了解河流、湖泊的健康狀況和污染情況，提供水質(zhì)預(yù)警，為提前防范和相關(guān)政府決策提供重要依據(jù)。因此對解決水體污染、保護(hù)水資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

汀江是上杭的母親河，發(fā)源于武夷山南段東南一側(cè)的寧化縣治平鄉(xiāng)境內(nèi)木馬山北坡，流經(jīng)長汀、武平、上杭、永定4 縣（區(qū)），在永定區(qū)峰市鎮(zhèn)出境后匯入廣東韓江。上杭縣位于汀江中段，汀江主干流上杭段河長112 km，集水面積1 091 km2。自長汀縣羊牯鄉(xiāng)流入上杭境內(nèi)，流經(jīng)上杭縣10 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，是上杭沿河群眾賴以生存的重要水域。近年來，隨著汀江兩岸生活的人口增加以及人們對環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高，汀江水質(zhì)的好壞及其變化趨勢已經(jīng)成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。本文圍繞這一熱點(diǎn)問題，基于汀江主干流上杭段近10 年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用單因子評價(jià)法結(jié)合內(nèi)梅羅指數(shù)法進(jìn)行水質(zhì)分析，通過研究汀江主干流上杭段水質(zhì)發(fā)展規(guī)律，為保護(hù)汀江提供依據(jù)，對未來汀江污染控制和綜合治理具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

2 研究方法、數(shù)據(jù)來源及處理

2.1 研究方法

目前地表水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法有主成分分析法、聚類分析法、污染指數(shù)評價(jià)法、模糊評價(jià)法、灰色系統(tǒng)法、層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等［1］。這些水質(zhì)評價(jià)方法都各有其實(shí)用性及優(yōu)缺點(diǎn)，污染指數(shù)評價(jià)法中單因子評價(jià)法具有簡單、直觀的特點(diǎn)，而內(nèi)梅羅指數(shù)法是進(jìn)行綜合污染指數(shù)計(jì)算最常用的方法之一。

（1）單因子評價(jià)法。單因子評價(jià)法是用最差的單項(xiàng)指標(biāo)所屬類別來確定水體綜合水質(zhì)類別，即用水體各評價(jià)因子的監(jiān)測結(jié)果對照該項(xiàng)目的分類標(biāo)準(zhǔn)確定其水質(zhì)類別［2］。使用該方法可直接了解水質(zhì)狀況與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系。

單因子污染指數(shù)計(jì)算公式如式（1）：

式中：Ci為第i 種因子污染指數(shù)；Cip為在第P 監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)際檢測值；Li為第i 種污染因子的標(biāo)準(zhǔn)值（溶解氧根據(jù)金士博修正式計(jì)算）［3］。

（2）內(nèi)梅羅指數(shù)法。作為典型方法之一，內(nèi)梅羅指數(shù)法是一種兼顧最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的評價(jià)方法。它的優(yōu)點(diǎn)是在指數(shù)計(jì)算過程考慮了污染最嚴(yán)重的因子，在加權(quán)過程中避免了主觀因素的影響。

內(nèi)梅羅指數(shù)計(jì)算公式如式（2）：

式中：PIp為P 監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)境綜合污染指數(shù)；Cipmax為P 監(jiān)測點(diǎn)的最大單項(xiàng)因子污染指數(shù)；Cipave為P 監(jiān)測點(diǎn)的各單項(xiàng)污染指數(shù)的平均值。

內(nèi)梅羅指數(shù)評價(jià)法根據(jù)所計(jì)算出的環(huán)境綜合污染指數(shù)PIp 進(jìn)行水質(zhì)類別劃分。當(dāng)某監(jiān)測點(diǎn)P 所得到的PIp＜0.739 時(shí)，說明水質(zhì)未受到污染，狀況較好；當(dāng)0.739≤PIp＜1 時(shí)，水質(zhì)狀況可能受到輕微污染；當(dāng)1≤PIp＜7.280 時(shí)，說明水質(zhì)已經(jīng)受到中度污染；當(dāng)PIp≥7.280 時(shí)，說明水質(zhì)受到了嚴(yán)重污染［4］。

2.2 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)珠江流域水污染防治規(guī)劃和福建省有關(guān)水污染防治規(guī)劃的目標(biāo)要求,汀江干流上杭段（除上游橫灘飲用水源保護(hù)區(qū)）水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅲ類；2016 年11 月原福建省環(huán)保廳將上杭縣李家坪列入國控監(jiān)測斷面，水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅱ類。

2.3 數(shù)據(jù)來源與處理

本文研究引用的水質(zhì)數(shù)據(jù)主要來源于汀江主干流上杭段國控監(jiān)測斷面1 個(gè)（李家坪）、省控監(jiān)測斷面3 個(gè)（澗頭自動(dòng)站、水西大橋、南蛇渡大橋）2010—2019 年水質(zhì)監(jiān)測月數(shù)據(jù)。這4 個(gè)斷面覆蓋整個(gè)上杭段水域，數(shù)據(jù)具有完備性和水質(zhì)代表性，因此選擇這4 個(gè)監(jiān)測斷面作為汀江主干流上杭段水質(zhì)監(jiān)測代表斷面，監(jiān)測點(diǎn)位分布見圖1。

圖1 汀江主干流上杭段國、省控?cái)嗝姹O(jiān)測點(diǎn)位分布圖

李家坪、澗頭自動(dòng)站、水西大橋、南蛇渡大橋監(jiān)測斷面2010—2019 年水質(zhì)監(jiān)測月數(shù)據(jù)常規(guī)監(jiān)測因子為水溫、pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、生化需氧量、氨氮、總磷、總氮、銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鎘、六價(jià)鉻、鉛、氰化物、揮發(fā)酚、石油類、陰離子表面活性劑、硫化物、糞大腸菌群24 個(gè)（2019年開始增加電導(dǎo)率），經(jīng)常未檢出的因子有銅、鋅、硒、砷、汞、鎘、六價(jià)鉻、鉛、氰化物、揮發(fā)酚、石油類、陰離子表面活性劑、硫化物等13 個(gè)。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)辦法（試行）》，對4個(gè)監(jiān)測斷面月監(jiān)測數(shù)據(jù)按年度算術(shù)平均處理，評價(jià)李家坪、澗頭自動(dòng)站、水西大橋、南蛇渡大橋監(jiān)測斷面水質(zhì)年度結(jié)果及年際變化特征。

3 汀江主干流上杭段水質(zhì)分析與評價(jià)

3.1 汀江主干流上杭段年際變化特征

根據(jù)4 個(gè)監(jiān)測斷面2010—2019 年水質(zhì)監(jiān)測年平均數(shù)據(jù)，采用單因子評價(jià)法對2010—2019 年4 個(gè)斷面水質(zhì)進(jìn)行年度評價(jià)，評價(jià)結(jié)果見表1。

表1 2010—2019 年汀江主干流上杭段水質(zhì)單因子評價(jià)結(jié)果

評價(jià)結(jié)果表明：4 個(gè)斷面2010 年Ⅱ類水占比25%；Ⅲ類水占比75%；2019 年Ⅱ類水占比100%，水質(zhì)狀況于2018—2019年穩(wěn)定為Ⅱ類。其中，澗頭自動(dòng)站斷面水質(zhì)2010 年、2013—2017 年間為Ⅲ類，總體趨勢好轉(zhuǎn)，于2018—2019 年穩(wěn)定為Ⅱ類；水西大橋斷面水質(zhì)10 年間除2014 年變?yōu)棰箢?，其余年間均穩(wěn)定在Ⅱ類；李家坪斷面水質(zhì)在2010 年為Ⅲ類，2011 年轉(zhuǎn)為Ⅱ類后趨于穩(wěn)定；南蛇渡大橋斷面水質(zhì)情況較為復(fù)雜，2010年和2015 年為Ⅲ類，2012 年出現(xiàn)一次Ⅳ類水質(zhì)，其余年份均為Ⅱ類?？傮w而言，汀江主干流上杭段除2010 年、2014 年、2015 年為良好外，其他年份水質(zhì)狀況為優(yōu)。

10 年來4 個(gè)斷面總體水質(zhì)趨于向好，僅出現(xiàn)一次Ⅳ類水質(zhì)，即為2012 年南蛇渡大橋斷面，主要原因是2012 年9 月生化需氧量20.5 mg/L，年平均5.1 mg/L，排查的主要原因是水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化。澗頭水質(zhì)自動(dòng)站斷面出現(xiàn)Ⅲ類水質(zhì)6 次，影響水質(zhì)類別的因子為總磷、氨氮、化學(xué)需氧量（總磷影響5 次）。水西大橋斷面出現(xiàn)Ⅲ類水質(zhì)1 次，影響水質(zhì)類別的因子為總磷、化學(xué)需氧量。李家坪斷面出現(xiàn)Ⅲ類水質(zhì)1 次，影響水質(zhì)類別的因子為氨氮。南蛇渡大橋出現(xiàn)Ⅲ類水質(zhì)2 次，Ⅳ類水質(zhì)1次，影響水質(zhì)類別的因子為總磷、生化需氧量、化學(xué)需氧量。

3.2 汀江主干流上杭段銅因子分析

紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司紫金山銅礦濕法廠位于汀江上游，其產(chǎn)生的含銅廢水對汀江造成一定影響，尤其紫金礦業(yè)“7.3”事件（2010 年）汀江局部水域受到嚴(yán)重污染，水質(zhì)情況受各方關(guān)注。本文重點(diǎn)對銅礦濕法廠廢水中主要污染物因子銅因子采用原子吸收分光光度法（石墨爐）進(jìn)行分析，采用的分光光度法2010—2018 年檢出限為0.010 mg/L，2019 年5 月在更換檢測設(shè)備后檢出限為0.001 mg/L。對2010—2019 年汀江主干流上杭段4 個(gè)斷面銅監(jiān)測因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（2010 年未采用應(yīng)急監(jiān)測數(shù)據(jù)），結(jié)果見表2。

由表2 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果的變化趨勢表明：10 年中4 個(gè)斷面銅檢 測 因 子2011 年、2013 年、2014 年、2015 年、2016 年、2017年、2018 年等7 年均未檢出（≤0.010 mg/L），只有2010 年、2012 年、2019 年存在檢出情況；2010 年、2012 年銅出現(xiàn)檢出年均最高濃度為0.014 mg/L，2019 年4 個(gè)斷面銅年均濃度均為0.003 mg/L；4 個(gè)斷面的銅在2013 年之后呈下降趨勢，盡管在2019 年設(shè)備檢出限提升為0.001 mg/L 后，銅因子的濃度仍然處于低值水平。綜上所述，紫金礦業(yè)“7.3”事件（2010 年）后汀江主干流上杭段銅濃度處于低水平，基本能達(dá)到I 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，未出現(xiàn)濃度上升情況。

表2 2010—2019 年汀江主干流上杭段4 個(gè)斷面銅檢測情況 單位：mg／L

3.3 汀江主干流上杭段水質(zhì)污染指數(shù)

評價(jià)指標(biāo)過多，不僅增加評價(jià)工作量，也會(huì)掩蓋重要水質(zhì)特征。在計(jì)算污染指數(shù)前，首先要對因子進(jìn)行篩選。單因子污染指數(shù)直觀體現(xiàn)出造成水質(zhì)污染的主要因子［5］，除水溫、總氮（河流）、糞大腸菌群（無標(biāo)準(zhǔn)）外，對存在可檢出的8 個(gè)因子計(jì)算2019 年汀江主干流上杭段4 個(gè)斷面單因子污染指數(shù)（Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)），結(jié)果見表3。從表3 可以看出：4 個(gè)斷面污染指數(shù)排名前三因子均為總磷、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù),表明當(dāng)前汀江主干流上杭段主要污染因子為總磷、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)。

表3 2019 年汀江主干流上杭段4 個(gè)斷面單因子污染指數(shù)

水質(zhì)評價(jià)因子選取遵循3 個(gè)原則［6］：①選取相對污染程度較高的因子，污染程度以污染指數(shù)大小確定;②選取因子應(yīng)包括超標(biāo)因子和最差因子;③選取因子間不應(yīng)存在強(qiáng)相關(guān)性，以避免反映信息的重疊。上述水質(zhì)分析中存在超標(biāo)的因子有總磷、氨氮、化學(xué)需氧量、生化需氧量?？紤]到比較清潔的水體高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量之間相關(guān)性比較顯著［7］以及高錳酸鹽指數(shù)無超標(biāo)情況，選擇化學(xué)需氧量為評價(jià)因子后剔除高錳酸鹽指數(shù)。結(jié)合汀江主干流上杭段氟化物濃度近幾年來有所增加的特點(diǎn)，選擇化學(xué)需氧量、生化需氧量、氨氮、總磷、氟化物5 個(gè)代表性污染因子計(jì)算內(nèi)梅羅指數(shù)。用內(nèi)梅羅指數(shù)法（Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)）計(jì)算的2010—2019 年汀江主干流上杭段環(huán)境綜合污染指數(shù)結(jié)果見表4。對應(yīng)的圖2 為環(huán)境綜合污染指數(shù)趨勢圖。

表4 2010—2019 年汀江主干流上杭段環(huán)境綜合污染指數(shù)

圖2 汀江主干流上杭段環(huán)境綜合污染指數(shù)趨勢圖

分析表明：澗頭自動(dòng)站、水西大橋、李家坪3 個(gè)斷面內(nèi)環(huán)境綜合污染指數(shù)10 年均小于0.739，說明水質(zhì)未受到污染，狀況較好。南蛇渡大橋斷面2010 年、2012 年、2015 年環(huán)境綜合污染指數(shù)大于0.739 但小于1，水質(zhì)可能受到輕微污染；其他年度水質(zhì)未受到污染，狀況較好。4 個(gè)斷面環(huán)境綜合污染指數(shù)2014 年、2015 年達(dá)到波峰后出現(xiàn)下降趨勢。上杭縣政府2013年開始大力開展流域水環(huán)境綜合整治工作，成效明顯。

4 汀江主干流上杭段水質(zhì)污染變化趨勢分析

4.1 污染變化趨勢分析方法簡介

（1）秩相關(guān)系數(shù)法。使用《地表水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)辦法（試行）》 污染變化趨勢的定量分析方法秩相關(guān)系數(shù)法，用Daniel的趨勢檢驗(yàn)衡量環(huán)境污染變化。

統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)用的秩相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如式（3）和式（4）：式中：di為變量Xi與Yi的差值；Xi為周期I 到周期N 按濃度值從小到大排列的序號；Yi為按時(shí)間排列的序號。將秩相關(guān)系數(shù)rs的絕對值同spearman 秩相關(guān)系數(shù)的臨界值Wp進(jìn)行比較。當(dāng)|rs|＞W(wǎng)p表明變化趨勢有顯著意義；如果rs是負(fù)值，表明在評價(jià)時(shí)段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計(jì)量指標(biāo)變化呈下降趨勢或好轉(zhuǎn)趨勢；如果rs為正值，表明在評價(jià)時(shí)段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計(jì)量指標(biāo)變化呈上升趨勢或加重趨勢。當(dāng)|rs|≤Wp表明變化趨勢沒有顯著意義,說明在評價(jià)時(shí)段內(nèi)水質(zhì)變化穩(wěn)定或平穩(wěn)。查spearman 秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表，在0.05 的顯著水平(單側(cè)檢驗(yàn))下，N=5 時(shí)，臨界值Wp為0.900；N=6 時(shí)，臨界值Wp為0.829；N=10 時(shí)，臨 界值Wp為0.564。

（2）Excel 編程計(jì)算秩相關(guān)系數(shù)法。根據(jù)黃衛(wèi)［8］、劉宏燕［9］介紹的Excel 編程計(jì)算秩相關(guān)系數(shù)法，將原始數(shù)據(jù)列入Excel中，在Excel 中利用數(shù)據(jù)重新排列函數(shù)SMALL，數(shù)據(jù)位置排位函數(shù)RANK，找到變量Xi與Yi，計(jì)算di，進(jìn)而計(jì)算出秩相關(guān)系數(shù)rs。

4.2 汀江主干流上杭段環(huán)境綜合污染指數(shù)變化趨勢

采用秩相關(guān)系數(shù)法分析2010—2019 年（N=10）汀江主干流上杭段環(huán)境綜合污染指數(shù)變化趨勢，計(jì)算結(jié)果見表5。從表5 中可以看出：4 個(gè)斷面環(huán)境綜合污染指數(shù)秩相關(guān)系數(shù)rs均為負(fù)值，說明污染指數(shù)呈下降趨勢，只有李家坪呈現(xiàn)顯著意義，李家坪斷面水質(zhì)改善明顯；南蛇渡大橋秩相關(guān)系數(shù)rs接近臨界值Wp。由此可見，下游2 個(gè)斷面水質(zhì)改善情況明顯好于上游2 個(gè)斷面。

表5 汀江主干流上杭段環(huán)境綜合污染指數(shù)秩相關(guān)系數(shù)

4.3 汀江主干流上杭段監(jiān)測因子測值變化趨勢

采用秩相關(guān)系數(shù)法分析汀江主干流上杭段4 個(gè)斷面11個(gè)檢出監(jiān)測因子，2010—2019 年年均測值變化趨勢計(jì)算結(jié)果見表6。從表6 中可以看出：4 個(gè)斷面化學(xué)需氧量、生化需氧量、氨氮、糞大腸菌群年均測值秩相關(guān)系數(shù)rs均為負(fù)值，4 項(xiàng)因子年均濃度呈下降趨勢，但只有李家坪斷面化學(xué)需氧量、氨氮以及澗頭自動(dòng)站糞大腸菌群下降趨勢有顯著意義；另外南蛇渡大橋斷面總磷下降趨勢有顯著意義。

表6 汀江主干流上杭段4 個(gè)斷面監(jiān)測因子測值秩相關(guān)系數(shù)

綜上，4 個(gè)斷面pH、總氮、氟化物年均測值秩相關(guān)系數(shù)rs均為正值，pH、總氮、氟化物3 項(xiàng)監(jiān)測因子年均濃度呈上升趨勢，但pH、總氮上升趨勢無顯著意義；除李家坪外其他3 個(gè)斷面氟化物上升趨勢均有顯著意義。

5 結(jié)論

本文采用單因子評價(jià)法結(jié)合內(nèi)梅羅指數(shù)法對福建省境內(nèi)汀江主干流上杭段2010—2019 年水質(zhì)進(jìn)行分析、評價(jià)，并采用秩相關(guān)系數(shù)法分析環(huán)境綜合污染指數(shù)及監(jiān)測因子變化趨勢，研究結(jié)果表明：

（1）汀江主干流上杭段除2010 年、2014 年、2015 年為良好外，其他年份水質(zhì)狀況為優(yōu)。汀江主干流上杭段4 個(gè)斷面除南蛇渡大橋2010 年、2012 年、2015 年水質(zhì)可能受到輕微污染外，其他斷面、其他年度水質(zhì)狀況較好。

（2）紫金礦業(yè)“7.3”事件（2010 年）后汀江主干流上杭段銅濃度處于低水平，基本能達(dá)到I 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，未出現(xiàn)濃度上升情況。

（3）當(dāng)前汀江主干流上杭段主要污染因子為總磷、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)。澗頭自動(dòng)站、水西大橋、李家坪3 個(gè)斷面內(nèi)水質(zhì)未受到污染，狀況較好。南蛇渡大橋斷面在2010 年、2012 年、2015 年期間水質(zhì)可能受到輕微污染，其他年度水質(zhì)未受到污染，狀況較好。

（4）4 個(gè)斷面環(huán)境綜合污染指數(shù)呈下降趨勢，但只有李家坪斷面水質(zhì)改善明顯，下游2 個(gè)斷面（李家坪、南蛇渡大橋）水質(zhì)改善情況明顯好于上游2 個(gè)斷面（澗頭自動(dòng)站、水西大橋）。

（5）汀江主干流上杭段氟化物年均濃度呈上升趨勢，而且澗頭自動(dòng)站、水西大橋斷面、南蛇渡大橋斷面3 個(gè)斷面氟化物上升趨勢有顯著意義，需要引起警惕，待進(jìn)一步調(diào)查和研究，查找相關(guān)原因。