長沙市飲用水水源地水質(zhì)狀況評價趨勢分析

付 莉，李勐勃，劉一先，高萬超，雷 欣，蔣飛紅

（1. 長沙水文水資源勘測中心，湖南 長沙 410014； 2. 湖南省水文水資源勘測中心，湖南 長沙 410008）

引 言

飲用水水質(zhì)安全是關(guān)系到人民群眾身體健康和社會和諧穩(wěn)定的重大公共安全問題[1]。近年來，隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和城市化水平的提高，飲用水水源地污染日益加劇[2]，因此，飲用水水源地的水質(zhì)評價與趨勢分析成為近年來水資源管理與水環(huán)境保護的研究熱點之一[3]。如張璽等基于改進內(nèi)梅羅指數(shù)法對濟南飲用水功能區(qū)進行了水質(zhì)評價[4]；張季等對湖北省飲用水水源地保護存在的問題及對策進行了研究[5]；袁輝發(fā)表了山東省城市飲用水水源地水質(zhì)監(jiān)測與評價研究論文[6]，李艷紅等對江西省重要飲用水水源地安全保障達標(biāo)建設(shè)評估進行了研究[7]。

長沙是湖南省的政治、經(jīng)濟和文化中心，飲用水水質(zhì)安全直接決定著長沙市經(jīng)濟的快速發(fā)展和社會的和諧穩(wěn)定。本研究將依據(jù)《湖南省水功能區(qū)劃（修編）》，采用內(nèi)梅羅指數(shù)和Daniel 趨勢分析法對長沙市飲用水源地的水質(zhì)狀況和發(fā)展趨勢進行分析，從而為當(dāng)?shù)仫嬘盟吹氐乃Y源管理與水環(huán)境保護提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

長沙市城區(qū)目前主要飲用水水源地為湘江長沙飲用水保護區(qū)和湘江望城飲用水水源地。依據(jù)《湖南省水功能區(qū)劃（修編）》，湘江長沙飲用水保護區(qū)起于暮云鎮(zhèn)，止于傅家洲尾，全長29.1 km，長沙市的一、二、三、四、五、八水廠均在此河段，供水規(guī)模160 萬m3/d。湘江望城飲用水保護區(qū)起于望城區(qū)水廠取水口上游3 km，止于銅官水廠取水口下游1.2 km，全長16.7 km，河段內(nèi)有望城區(qū)高塘嶺水廠取水口和銅官水廠取水口，旺旺食品等企業(yè)生產(chǎn)取水口等。

根據(jù)前期調(diào)查，湘江長沙飲用水保護區(qū)和湘江望城飲用水保護區(qū)的主要污染物均為高錳酸鹽指數(shù)、5日生化需氧量、氨氮和總磷。因此，本研究選用這四項指標(biāo)進行水環(huán)境質(zhì)量評價和趨勢分析。

1.2 內(nèi)梅羅指數(shù)

內(nèi)梅羅指數(shù)是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的水質(zhì)評價模型之一，它從極值和均值兩個方面，對區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量進行綜合評價[4]。設(shè)評價指標(biāo)和監(jiān)測時刻的數(shù)量分別為m 和n，并將第i 個指標(biāo)在第j 個時刻的實測值記作xij。若指標(biāo)的容許限值為cj，xij的污染標(biāo)度pij為[4]：

內(nèi)梅羅指數(shù)將水體的污染狀況劃分為4 個等級，分別是：無污染（Qj<1）、輕度污染（1≤Qj<2）、中度污染（2≤Qj<3）和重度污染（Qj≥3）[4]。

1.3 Daniel 趨勢分析

Daniel 趨勢分析是衡量時間序列變化趨勢有無顯著性的常用方法[8～10]。該方法使用要求監(jiān)測時刻總數(shù)n不少于4，對于第i 個指標(biāo)，首先將樣本值從小到大排序，并將xij對應(yīng)的次序記作k。而后計算時間次序j 和數(shù)值次序k 的差值[8～10]：

將秩相關(guān)系數(shù)ri的絕對值同spearman 秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表中的臨界值W 進行比較[8～10]。若|ri|≤W，表明指標(biāo)i 在評價時域內(nèi)無顯著變化趨勢[8～10]。若ri<（-1）*W，表明指標(biāo)i 呈的污染程度呈下降趨勢或好轉(zhuǎn)趨勢；若ri>W，表明指標(biāo)i 呈的污染程度呈增加趨勢或惡化趨勢[8～10]。本研究的評價時域為2013—2018 年，共計6 年。經(jīng)過查閱文獻，n=6 對應(yīng)的臨界值W 為0.829。

2 評價結(jié)果

2.1 水質(zhì)評價結(jié)果

各指標(biāo)的污染標(biāo)度如表1 所示。

表1 各水功能區(qū)的污染標(biāo)度

如表1 所示，湘江長沙飲用水保護區(qū)和湘江望城飲用水保護區(qū)的污染標(biāo)度有一定區(qū)別。其中湘江長沙飲用水保護區(qū)的關(guān)鍵指標(biāo)（即污染標(biāo)度最大的指標(biāo)）年際變化較大，2014 年和2016 年的關(guān)鍵指標(biāo)為高錳酸鹽指數(shù)，2013 年和2015 年的關(guān)鍵指標(biāo)為氨氮，2017 年和2018 年的關(guān)鍵指標(biāo)為5 日生化需氧量。湘江長沙飲用水保護區(qū)的總磷污染并不突出，僅在2013 年是該水功能區(qū)的關(guān)鍵指標(biāo)。

湘江望城飲用水保護區(qū)的總磷污染標(biāo)度顯著高于其它指標(biāo)，除2015 年的關(guān)鍵指標(biāo)為氨氮外，其余年份的關(guān)鍵指標(biāo)均為總磷。除此之外，在各評價年份中，湘江望城飲用水保護區(qū)中總磷和氨氮的污染標(biāo)度均高于湘江長沙飲用水保護區(qū)。

根據(jù)式（2），計算各水功能區(qū)的內(nèi)梅羅指數(shù)見表2。

如表2 所示，湘江長沙飲用水保護區(qū)和湘江望城飲用水保護區(qū)的內(nèi)梅羅指數(shù)均小于1，屬于“無污染”等級。但在各評價年份中，湘江長沙飲用水保護區(qū)的內(nèi)梅羅指數(shù)均優(yōu)于湘江望城飲用水保護區(qū)。結(jié)合表1 的分析可知，這是由于湘江望城飲用水保護區(qū)中總磷的污染標(biāo)度比湘江長沙飲用水保護區(qū)更高所致。

表2 內(nèi)梅羅指數(shù)評價結(jié)果

由此可見，為了進一步提升飲用水水源地的水質(zhì)安全狀況，應(yīng)當(dāng)持續(xù)加強湘江望城飲用水保護區(qū)的氮磷污染治理。

2.2 水質(zhì)趨勢分析

根據(jù)Daniel 趨勢分析模型，計算各指標(biāo)的秩相關(guān)系數(shù)如表3 所示。

表3 長沙市城區(qū)水源區(qū)水質(zhì)趨勢分析結(jié)果

結(jié)合表3 可知，在湘江長沙飲用水水源地中，高錳酸鹽指數(shù)的秩相關(guān)系數(shù)r1為-0.971，小于-0.829，表明湘江長沙飲用水水源地的高錳酸鹽指數(shù)污染呈顯著好轉(zhuǎn)趨勢。在其余的3 項指標(biāo)中，氨氮和總磷的秩相關(guān)系數(shù)分別為-0.771 和-0.657，均小于0，但大于-0.829，表明湘江長沙飲用水水源地的氨氮和總磷具有下降趨勢，但該趨勢并不顯著。5 日生化需氧量的秩相關(guān)系數(shù)為0.457，大于0，但小于0.829，表明湘江長沙飲用水水源地的5 日生化需氧量具有上升趨勢，但該趨勢并不顯著。

在湘江望城飲用水水源地中，高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和總磷指標(biāo)的秩相關(guān)系數(shù)分別為-0.286、-0.771和-0.257，均小于0，但大于-0.829，表明湘江望城飲用水水源地的高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和總磷具有下降趨勢，但該趨勢并不顯著。5 日生化需氧量的秩相關(guān)系數(shù)為0.571，大于0，但小于0.829，表明湘江望城飲用水水源地的5 日生化需氧量具有上升趨勢，但該趨勢并不顯著。

3 結(jié) 論

1）湘江長沙飲用水保護區(qū)2013—2018 年的內(nèi)梅羅指數(shù)依次為0.38、0.38、0.39、0.30、0.37 和0.32，均屬于“無污染”等級。2014 年和2016 年的關(guān)鍵指標(biāo)為高錳酸鹽指數(shù)，2013 年和2015 年的關(guān)鍵指標(biāo)為氨氮，2017 年和2018 年的關(guān)鍵指標(biāo)為5 日生化需氧量。

2）湘江望城飲用水保護區(qū)2013—2018 年的內(nèi)梅羅指數(shù)依次為0.48、0.46、0.57、0.47、0.43 和0.36，均屬于“無污染”等級。除2015 年的關(guān)鍵指標(biāo)為氨氮外，其余年份的關(guān)鍵指標(biāo)均為總磷。

3）2013—2018 年，湘江長沙飲用水保護區(qū)的高錳酸鹽指數(shù)具有顯著的改善趨勢，其它指標(biāo)并無顯著變化趨勢。

4）長沙市目前飲用水總體安全，但水源地大多流經(jīng)城鎮(zhèn)，沿途排入的點污染源和農(nóng)村面源是影響水質(zhì)的主要因素，各地應(yīng)按照所轄范圍內(nèi)水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)，結(jié)合本地的實際制定相應(yīng)的措施，加強污染源控制, 關(guān)注突發(fā)性水污染事件，強化水質(zhì)實時監(jiān)測，做好水資源保護工作，保障飲用水功能區(qū)的可持續(xù)利用。