冬春交替期沱江流域水質(zhì)評價及差異分析

稅永紅，盧永洪，羅 靖，羅永軍，毛紅梅，彭黎帆

(1.成都紡織高等專科學(xué)校 輕工與材料學(xué)院，成都 611731； 2.四川新聞網(wǎng)傳媒(集團)股份有限公司，成都 610031；3.四川省環(huán)境科學(xué)學(xué)會,成都 610030)

1 研究背景

沱江是長江及三峽庫區(qū)上游的重要一級支流，全長636 km。沱江流域跨成都、德陽、綿陽、內(nèi)江、瀘州、自貢、樂山、眉山、宜賓、資陽10個市36個縣(市、區(qū))[1]，是長江上游生態(tài)屏障的腹心地帶和重要組成部分，其水質(zhì)對長江上游、三峽庫區(qū)水質(zhì)有著重要的影響。長期以來，沱江以僅占四川省3.5%的水資源，支撐著全省30%的經(jīng)濟總量和26.2%的人口生活生產(chǎn)，嚴重“超載”導(dǎo)致沱江“久治難清”，成為四川省水污染最為嚴重的流域。隨著“長江大保護”攻堅戰(zhàn)的打響，在習(xí)近平總書記生態(tài)文明思想的指引下，沱江迎來污染治理的新時代，沱江成為了四川省委、省政府在全省水污染防治攻堅的“主戰(zhàn)場”。

流域水環(huán)境質(zhì)量評價作為水資源保護的一項重要基礎(chǔ)性工作, 是進行水資源系統(tǒng)管理的一項重要依據(jù)，是進行流域管理重要而有效的技術(shù)手段。研究者們從不同層次對沱江流域水質(zhì)進行了評價[2-5]，評價方法主要有單因素評價法、模糊數(shù)學(xué)法、生物評價法、綜合水質(zhì)指數(shù)法、最少指標水質(zhì)指數(shù)法等[6]。

最少指標水質(zhì)指數(shù)(WQImin)是基于國際普遍采用水質(zhì)指數(shù)(WQI)，選擇具有代表性的最少參數(shù)測試結(jié)果，計算其標準化值及WQImin值后進行評價的，該方法具有成本低、速度快的優(yōu)點，越來越多地被應(yīng)用于流域水質(zhì)評價中。Wu等[7]、Naveedullah(納維德)[8]在流域尺度上進行水質(zhì)評價時，WQImin表現(xiàn)出了良好的可行性與準確性。但這種評價方法是基于給定的權(quán)重進行標準化計算，不能充分體現(xiàn)參評因子的污染貢獻情況，而綜合水質(zhì)指數(shù)法能基于水體功能標準對污染因子的污染貢獻進行評價，可以彌補最少指標水質(zhì)指數(shù)在快速評價過程水體綜合水質(zhì)信息表達不完整的不足[9]。

長江流域大部分江段水質(zhì)枯季達標率相對較差[10]，沱江流域流量受季節(jié)因素影響顯著[11]，從沱江流域季節(jié)水質(zhì)變化來看，每年2—5月份是沱江流域農(nóng)業(yè)用水高峰期，再加上處于枯季，用水量大而補給少，因而水質(zhì)差[12]。每年2月份又處于冬春交替之際，是沱江流域水質(zhì)變差的一個轉(zhuǎn)折期。因此，本文將WQImin與綜合水質(zhì)指數(shù)法相結(jié)合，選擇沱江流域16個國控斷面和1個對照省控斷面，對2016—2019年2月份水質(zhì)進行評價，分析了冬春交替之際流域不同斷面水質(zhì)差異及變化，并對2019年各斷面參評因子污染貢獻率作了分析，以期為檢驗“四大治理機制”“五大重點領(lǐng)域”“三大預(yù)警能力”“三大督查手段”綜合施策成效[13]，為沱江后續(xù)污染治理、 打贏“長江大保護”攻堅戰(zhàn)和保護長江上游生態(tài)屏障提供科學(xué)決策依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域

沱江有3個源頭，主源為發(fā)源于茂縣九頂山南麓的綿遠河，源頭—金堂縣趙鎮(zhèn)三江口134 km為沱江上游；三江口—內(nèi)江椑木鎮(zhèn)300 km為沱江中游；椑木鎮(zhèn)—沱江匯入長江202 km為沱江下游[14]。河道總落差4 756.7 m，平均比為7.58%[15-16]。

研究區(qū)域以沱江主源綿遠河發(fā)源地清平鄉(xiāng)起，沿沱江經(jīng)德陽、成都、資陽、內(nèi)江、自貢、瀘州及眉山，至瀘州管驛嘴匯入長江止，布設(shè)點位包括了1個作為對照的背景省控斷面及全流域16個國考斷面。各斷面位置及基本信息如圖1和表1所示。

圖1 沱江流域各斷面位置示意圖Fig.1 Sketch of location ofsampling points

表1 沱江流域各斷面基本信息Table 1 Basic information of investigated sectionsin Tuojiang River Basin

2.2 數(shù)據(jù)來源與指標測試

本文中2016—2018年數(shù)據(jù)來源于四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，2019年數(shù)據(jù)自主采樣分析測試。測試指標根據(jù)歷年沱江水質(zhì)污染狀況[17]，參考“基于多參數(shù)指標的河流水質(zhì)評價方法”中WQImin參數(shù)，選取pH值、溶解氧(Dissolved oxygen，DO)、總磷(Total Phosphorus，TP)、總氮(Total Nitrogen，TN)、氨氮(Ammonia-nitrogen，NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(Permanganate index，CODMn)、電導(dǎo)率(Electricalcon ductivity，EC)7個指標，測試方法按《水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版)》進行。

2.3 評價參數(shù)與標準

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)》(環(huán)辦〔2011〕22號)、《城市地表水環(huán)境質(zhì)量排名技術(shù)規(guī)定》及各斷面功能規(guī)劃，背景斷面和各國考斷面分別選取地表水Ⅰ類、Ⅲ類標準限值作評價，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)及《地表水資源質(zhì)量標準》(SL 63—94)確定評價參數(shù)Ⅲ類標準值(表2)。

表2 評價參數(shù)標準值Table 2 Standard values of evaluation parameters

2.4 數(shù)學(xué)模型

2.4.1 WQImin

河流最少指標水質(zhì)指數(shù)(WQImin)計算與數(shù)學(xué)模型參考文獻[18]，其公式為

(1)

式中：Mi是第i參數(shù)的標準化值；Fi是第i參數(shù)的權(quán)重。

各標準化值及權(quán)重按參考文獻[3]、文獻[4]、文獻[19]進行計算。WQImin評分值范圍為0～100，分值標準分別為優(yōu)(91～100)、良(71～90)、中(51～70)、差(26～50)、極差(0～25)[20]，分值越高水質(zhì)越好。

2.4.2 綜合水質(zhì)指數(shù)Pw

綜合水質(zhì)指數(shù)評價模型參照相關(guān)文獻[5]進行，相關(guān)計算按式(2)—式(5)進行，分級與定性評價根據(jù)文獻[21]進行，即優(yōu)(Pw≤0.62)、良(0.622.18)。綜合水質(zhì)指數(shù)計算如下所述。

(1)河流綜合水質(zhì)指數(shù)Pw按式(2)計算，即

(2)

式中：Pi為單項水質(zhì)指數(shù)；Ci為污染物實測濃度；Si為相應(yīng)功能類別標準值；n為參與評價的水質(zhì)項目。

(2)溶解氧PDO、pH值水質(zhì)指數(shù)PpH按《城市地表水環(huán)境質(zhì)量排名技術(shù)規(guī)定》(試行)中公式進行計算，分別為：

(3)

(4)

(3)污染貢獻率Ki反映不同指標對水體的污染貢獻，單位為%,計算公式為

(5)

數(shù)據(jù)統(tǒng)計及Kruskal-Wallis檢驗采用SPSS15.0進行。

3 結(jié)果及分析

3.1 冬春交替期沱江流域水質(zhì)特征

表3列出了冬春交替期沱江流域17個斷面的7個參數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計以2016—2019年2月份平均值及標準偏差表示，同時列出了各斷面間及不同年份采用Kruskal-Wallis檢驗結(jié)果。從表3可看出：

表3 2016—2019年冬春交替期沱江流域水質(zhì)特征統(tǒng)計Table 3 Statistics of water quality characteristics of Tuojiang River Basin in WSA from 2016 to 2019

(1)在冬春交替之際時空上沱江流域水質(zhì)都存在一定的差異。2016—2019年2月同期水質(zhì)差異主要表現(xiàn)在pH值、DO、CODMn、TP 4個方面，K檢驗P值均<0.05，年份差異顯著，特別是DO和TP，差異極顯著；2016—2019年不同斷面水質(zhì)差異主要表現(xiàn)在CODMn、NH3-N、TN、TP 4個方面， K檢驗P值均<0.05，差異顯著，特別是TN，P=0.000 1，差異極顯著。

(2)冬春交替期沱江流域水質(zhì)的特征為，電導(dǎo)率最大值出現(xiàn)在廖家堰斷面(1 079.50±351.14)μs/cm，其次是炭研所斷面(1 028.33±304.31)μs/cm，顯著高于其他斷面； pH值最高點在沱江大橋(8.09±0.12)，最低在碳研所(7.66±0.08), 碳研所斷面溶解氧(5.85±1.93)，顯著低于其他各斷面，而CODMn(5.60±3.00)、NH3-N(2.43±1.35)、TN(6.34±1.31)均顯著高于其他各斷面；TP最大值出現(xiàn)在球溪河口(0.47±0.12)。除鐵索橋外在16個國考斷面中，電導(dǎo)率最低點(324.00±72.55)、NH3-N最低點(0.38±0.16)、TN最低點(1.49±1.04)和TP最低點(0.08±0.01)均出現(xiàn)在三邑大橋。

3.2 WQImin評價結(jié)果

圖2為2016—2019年沱江流域背景斷面和16個國考斷面冬春交替期2月份水質(zhì)同期對比?？傮w來看，這4 a冬春交替期沱江流域71.6%斷面水質(zhì)等級處于中等，10.3%斷面水質(zhì)為良，僅鐵索橋(2016—2017年)水質(zhì)為優(yōu)，11.8%斷面水質(zhì)較差，特別是碳研所(2016—2018年)和廖家堰(2016年)水質(zhì)極差，2019年冬春交替期沱江流域無極差水質(zhì)。

圖2 2016—2019年2月沱江流域WQImin評價對比Fig.2 Comparison of WQImin in Tuojiang RiverBasin in Februrary from 2016 to 2019

3.3 污染貢獻評價

表4列出了2019年2月份沱江流域各斷面(評價標準除鐵索橋按Ⅰ類外，其余斷面均按Ⅲ類水質(zhì)標準)綜合水質(zhì)指數(shù)法得到的評價結(jié)果及參評因子的貢獻率。

從表4可以看出，鐵索橋斷面綜合水質(zhì)指數(shù)Pw為0.67，定性結(jié)果為良，評價結(jié)果與WQImin結(jié)果一致，最大污染因子為TP，其次為NH3-N。其他16個國考斷面綜合水質(zhì)指數(shù)Pw變化范圍為0.48～1.67之間，優(yōu)良好水體占比37.5%，56.3%水體受輕度污染，6.2%水體受中度污染。2019年冬春交替期無受重度污染水體，與WQImin評價無極差水質(zhì)結(jié)果一致。

表4 2019年2月沱江流域國考斷面污染因子貢獻率Table 4 Pollution load rates of national control sections in Tuojiang River Basin in Februrary 2019

從污染貢獻率來看，16個國考斷面的KTP、KTN、KNH3-N、KCODMn、KEC、KDO、KpH污染貢獻率分別介于1.53%～23.51%、25.95%～64.23%、5.55%～25.17%、1.03%～8.67%、1.94%～6.86%、4.32%～17.487%、4.27%～11.73%。第1污染因子為TN，最高出現(xiàn)在碳研所，占7項參評因子的64.23%，第2污染因子分別為NH3-N和TP，最高分別出現(xiàn)在胡市大橋和201醫(yī)院斷面。沱江流域污染表現(xiàn)為全流域國考斷面TN污染，且呈現(xiàn)上游NH3-N、中游TP、下游NH3-N污染為主的分布特征。

4 討 論

4.1 沱江流域水質(zhì)總體變化

由于冬春交替期流域水質(zhì)較差，從2016—2019年2月份沱江流域WQImin評價結(jié)果可以看出，綜合施策有較好的成效，16個國考斷面水質(zhì)總體呈現(xiàn)向好趨勢，水質(zhì)差的斷面由2016年的5個逐年下降到2017年3個，2018年1個和2019年1個，且2019年消除了極差水質(zhì)斷面。但同時應(yīng)該看到，沱江流域源頭水質(zhì)正在變差，鐵索橋斷面由2016—2017年水質(zhì)優(yōu)，下降為2018—2019年水質(zhì)良。引起沱江流域源頭水質(zhì)下降的主要原因為TP，其次為NH3-N。

通過現(xiàn)場調(diào)研(圖2)，分析其原因主要有3方面:一方面鐵索橋斷面位于綿竹市西北部山區(qū)清平鄉(xiāng)，平均海拔高于1 000 m，鄉(xiāng)內(nèi)磷礦石資源豐富，當?shù)亓资V的開采是導(dǎo)致源頭TP污染的原因之一；另一方面與地質(zhì)災(zāi)害密切相關(guān)，雖然山里的眾多磷石礦廠已基本關(guān)閉，但在經(jīng)歷過“5·12”和“8·13” 特大山洪泥石流兩次自然災(zāi)害后，鐵索橋背景斷面一帶河床已抬高5～8 m，地表水水量明顯減少，河灘裸露，滑坡時有發(fā)生，也加劇了源頭水體磷的污染；第三是小水電廠運行及人為活動干擾，不經(jīng)處理的污水排放，有部分水體嚴重污染呈現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象。

4.2 沱江流域氮污染

沱江流域氮污染特別是TN污染非常突出，16個國考斷面最大污染因子均為TN(表4)，這與符東等[5]采用模糊綜合評價法對2018—2019年10月沱江水質(zhì)評價結(jié)果一致。沱江TN污染治理不容忽視。

圖3為2019年2月份沱江流域TN和NH3-N污染貢獻率變化趨勢。從圖3(a)可以看出，支流的TN污染較干流高，特別是在下游。這一方面可能與河道沉積物污染冬季向水體釋放向下游遷移有關(guān)。有研究表明，沱江上游沉積物綿遠河中TN含量平均值為0.535%，石亭江中TN含量平均值為0.027%，這與調(diào)研結(jié)果“八角(綿遠河)總氨污染指數(shù)高于雙江橋(石亭江)”是一致的；另一方面與經(jīng)濟的快速發(fā)展、生產(chǎn)生活污染排放有關(guān)，截至2015年，流域境內(nèi)總?cè)丝?.7×107人，人均GDP達4.12×104元/人，較2000年增長近8倍[22]。從TN貢獻率最高的碳研所斷面也進一步得以證實。該斷面TN污染貢獻率達到64.23%，這與釜溪河穿自貢城區(qū)而過接納城區(qū)生活污染，城市發(fā)展與污染的排放導(dǎo)致該河流長期以來污染嚴重，底質(zhì)發(fā)黑。

圖3 沱江流域TN、NH3-N污染貢獻率變化趨勢Fig.3 Change trends of contribution rates of TN andNH3-N pollutions in Tuojiang River Basin

結(jié)合NH3-N污染貢獻率(表4),從圖3(b)可看出，若不考慮TN污染，16個國考斷面中第1污染因子為NH3-N的有9個斷面(表4)，88.9%集中在上游和下游。上游除雙江橋、三川污染貢獻率<10%外，其余斷面NH3-N貢獻率均>10%，下游自李家灣開始，NH3-N污染指數(shù)貢獻率呈上升趨勢，且干流NH3-N污染高于支流(圖3(b))。下游NH3-N污染突出，大磨子、胡市大橋和沱江大橋NH3-N污染貢獻率均>20%，特別是胡市大橋達到25.17%。有研究表明，2014年沱江流域成都段NH3-N最高超標倍數(shù)為3.69倍[16]，生活污水排放造成的污染貢獻率最大，農(nóng)業(yè)面源排放污染貢獻率次之，因此，今后在生活污水和農(nóng)業(yè)面源排放污染的防控與治理上，源沱江流域特別是下游是重點。

4.3 沱江流域磷污染

磷礦開發(fā)是沱江流域TP長期成為主要污染物的主要原因，圖4是沱江干流及支流TP污染變化趨勢，從圖4可看出，支流的TP污染較干流高，這與占全省磷總產(chǎn)量95%以上的金河、清平和什邡三大磷礦山處于支流[23]且分布著全國磷礦石開采量最大的10家企業(yè)中的 4 家相關(guān)[24]。

圖4 沱江流域TP污染貢獻率變化趨勢Fig.4 Change trend of contribution rate of TP pollutionin Tuojiang River Basin

資料顯示沱江上游沿岸附近與表層沉積物TP濃度超出四川省土壤背景值2～6倍，沱江流域超過80%的監(jiān)測斷面受TP 污染水質(zhì)劣于Ⅳ類[25]，2014年沱江流域成都段總磷最高超標倍數(shù)1.5倍[26]。若不考慮TN因素，16個國考斷面中第1污染因子為TP的有7個斷面(表4)，85.7%處于中下游，結(jié)合圖4、表4可看出，上游除三邑大橋和201醫(yī)院外，貢獻率均在5%以內(nèi)；從201醫(yī)院到碳研所，總磷污染貢獻率>10%；這表明沱江流域總磷污染在上游已經(jīng)得到了有效控制，但進入中游后磷污染又有所升高，可能與沿江磷廠和底泥沉積污染釋放有關(guān)。楊耿等[24]研究表明，水體鹽度越高，越有利于磷釋放，而沱江流域磷石膏TP濃度達3.70 mg/g，這與本次調(diào)研沱江流域17個斷面總磷與電導(dǎo)率測試結(jié)果呈顯著正相關(guān)(r=0.798)是一致的。

5 結(jié) 論

(1)沱江流域水質(zhì)不斷改善，攻堅戰(zhàn)的成效在不斷顯現(xiàn)，流域水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)的同時，流域污染治理仍面臨嚴峻挑戰(zhàn)，背景斷面水質(zhì)污染問題已呈現(xiàn)。

(2)沱江流域TN污染突出，16個國考斷面最大污染因子均為TN，貢獻率最大達到64.23%，TN污染治理不容忽視。

(3)沱江流域總磷污染在上游已經(jīng)得到了有效的控制，中、下游磷污染是沱江流域治理的重點，沱江流域特別是下游治理重點應(yīng)在生活污水和農(nóng)業(yè)面源的控制上。