丹江口水庫(kù)及入庫(kù)支流水質(zhì)評(píng)價(jià)

仇茂龍， 王亞芹， 蘇 博

(1.浙江省錢塘江管理局勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310000；2.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311200；3.南陽(yáng)師范學(xué)院 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473061)

南水北調(diào)是我國(guó)一項(xiàng)重大的跨流域調(diào)水工程，其中線工程從湖北省丹江口水庫(kù)開始，一路向北途經(jīng)河南、河北、天津、北京四地14座大、中城市，最后到達(dá)北京頤和園的團(tuán)城湖，全長(zhǎng)1277 km，總調(diào)水量將達(dá)到130億m3/年.丹江口水庫(kù)作為中線工程的水源地向沿線各城市供給生活用水和工業(yè)用水，其水質(zhì)優(yōu)劣直接關(guān)系到取水城市居民的飲用水安全[1].丹江口水庫(kù)規(guī)模巨大，上游匯水區(qū)河流枝杈交錯(cuò)，水體流態(tài)復(fù)雜，水質(zhì)狀況受眾多因素影響.為全面系統(tǒng)地掌握丹江口庫(kù)區(qū)水質(zhì)狀況，為南水北調(diào)中線工程提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)支撐，國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)總站制定了《南水北調(diào)中線工程丹江口水庫(kù)庫(kù)區(qū)及其上游水質(zhì)監(jiān)測(cè)方案》，對(duì)庫(kù)區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià).本文探索建立一種全新的水質(zhì)綜合指數(shù)，對(duì)丹江口水庫(kù)庫(kù)區(qū)及入庫(kù)支流水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算分析，評(píng)價(jià)其水質(zhì)優(yōu)劣，并確定主要污染河流與污染指標(biāo)，對(duì)庫(kù)區(qū)的水質(zhì)條件和污染源狀況的研究工作起到一定的參考作用.

1 評(píng)價(jià)區(qū)域和材料

1.1 研究區(qū)域

本文以南水北調(diào)中線工程水源地丹江口水庫(kù)為研究對(duì)象，選取丹江口水庫(kù)庫(kù)區(qū)及入庫(kù)支流19個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，以2012年6月—2013年5月一個(gè)完整的豐平枯水期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，評(píng)價(jià)丹江口水源地水質(zhì)狀況.監(jiān)測(cè)站點(diǎn)中的庫(kù)區(qū)站點(diǎn)包括壩上、陶岔、臺(tái)子山站點(diǎn)；漢江干流站點(diǎn)包括白河站點(diǎn)；漢江支流站點(diǎn)包括將軍河河口、淘溝河河口、天河河口、曲遠(yuǎn)河河口、堵河河口、犟河河口、神定河河口、泗河河口、官山河河口、劍河河口、浪河河口站點(diǎn)；丹江干流站點(diǎn)包括丹江荊紫關(guān)站點(diǎn)；丹江支流站點(diǎn)包括淇河大橋、滔河河口、老鸛河河口站點(diǎn).

1.2 評(píng)價(jià)項(xiàng)目和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[2]，評(píng)價(jià)指標(biāo)29項(xiàng)，包括地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目24項(xiàng)、集中式生活飲用水地表水源地補(bǔ)充項(xiàng)目5項(xiàng)，溫度作為參考指標(biāo)，其中總氮指標(biāo)由于河流無(wú)標(biāo)準(zhǔn)值，湖庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)限值太低[3]，不參與評(píng)價(jià)，最終確定評(píng)價(jià)指標(biāo)27項(xiàng).

水源地水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考現(xiàn)行的GB 3838—2002和《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)[4].水質(zhì)指標(biāo)限值的確定主要依據(jù)GB 3838—2002，該標(biāo)準(zhǔn)不是專門的水源地水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，不僅考慮了人體健康，同時(shí)兼顧水生生物的保護(hù)，導(dǎo)致部分指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值設(shè)置過(guò)于嚴(yán)格[5].因此，同時(shí)參考GB 5749—2006，適當(dāng)調(diào)整汞、石油類指標(biāo)的限值，詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)限值見表1.

表1 常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值

2 評(píng)價(jià)方法

水質(zhì)指數(shù)法[6-9]在國(guó)內(nèi)外均有專家學(xué)者研究應(yīng)用，本文在水質(zhì)指數(shù)理論的基礎(chǔ)上，建立一種新的水質(zhì)綜合指數(shù)，對(duì)水源地丹江口水庫(kù)庫(kù)區(qū)及入庫(kù)支流各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，即參照水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)限值對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行數(shù)學(xué)歸納和統(tǒng)計(jì)，得出一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)值，代表水體的質(zhì)量狀況，據(jù)此判定水質(zhì)優(yōu)劣程度.

建立水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將27項(xiàng)參與評(píng)價(jià)指標(biāo)分為三類：第一類為毒性指標(biāo)，共9項(xiàng)，該項(xiàng)為常規(guī)水處理工藝不能去除，且對(duì)人體健康存在嚴(yán)重危害，有致癌、致畸、致突變?nèi)滦?yīng)的指標(biāo)；第二類為感官類指標(biāo)，共12項(xiàng)，該項(xiàng)指標(biāo)的變化會(huì)影響水的外觀、色、臭和味變化，引起人體眼、鼻、口等感官不快；第三類為綜合類指標(biāo)，共6項(xiàng)，該項(xiàng)指標(biāo)能夠反映水體的有機(jī)污染狀況、富營(yíng)養(yǎng)化狀況以及畜禽糞便污染狀況. 指標(biāo)分類見表2，分別計(jì)算每一類指標(biāo)的水質(zhì)單項(xiàng)指數(shù)值和分類指數(shù)值，最終得到水質(zhì)綜合指數(shù)(WQI)值表征水質(zhì)優(yōu)劣狀況.

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的分類

水質(zhì)綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)水體水質(zhì)狀況從單項(xiàng)指數(shù)、分類指數(shù)和綜合指數(shù)3個(gè)層次開展.

(1) 單項(xiàng)指數(shù)

當(dāng)實(shí)測(cè)值Ci處于Ci≤Ci,1時(shí)：

(1)

當(dāng)實(shí)測(cè)值Ci處于Ci,k

(2)

當(dāng)實(shí)測(cè)值Ci處于Ci>Ci,5時(shí)：

(3)

對(duì)于溶解氧，當(dāng)實(shí)測(cè)值Ci處于Ci>Ci,1時(shí)：

Ii=0

(4)

對(duì)于溶解氧，當(dāng)實(shí)測(cè)值Ci處于Ci,k≥Ci>Ci,k+1時(shí)：

(5)

對(duì)于溶解氧，當(dāng)實(shí)測(cè)值Ci處于Ci≤Ci,5時(shí)：

(6)

式中，Ci為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的實(shí)測(cè)結(jié)果；Ci, k為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的k級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度；Ci, k+1為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的k+1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度；Ii, k為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的k級(jí)指數(shù)值，見表3.單項(xiàng)指數(shù)值大于60的確定為超標(biāo)項(xiàng)目，即主要污染因子.

表3 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

(2)特殊參數(shù)處理

單一標(biāo)準(zhǔn)限值計(jì)算公式為：

Ii=Ci/C0×60(C0為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值)

(7)

對(duì)于pH，當(dāng)6≤pH≤9時(shí)，I=0；否則I=100.

未檢出值項(xiàng)目的指數(shù)以0計(jì).

(3)分類指數(shù)

第一類評(píng)價(jià)指標(biāo)：

CI(Ⅰ)=max (Ii)

(8)

第二類和第三類評(píng)價(jià)指標(biāo)：

(9)

(4) 水質(zhì)綜合指數(shù)(WQI)

WQI=max(CI(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ))

(10)

得到水質(zhì)綜合指數(shù)即可判定水質(zhì)質(zhì)量狀況，見表4.

表4 WQI值及對(duì)應(yīng)水質(zhì)狀況

3 結(jié)果與討論

3.1 庫(kù)區(qū)及入庫(kù)河流水質(zhì)狀況

3.1.1 庫(kù)區(qū)水質(zhì)狀況分析

分析庫(kù)區(qū)站點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，水質(zhì)變化趨勢(shì)如圖1所示，壩上和臺(tái)子山(涼水河)水質(zhì)狀況穩(wěn)定，水質(zhì)綜合指數(shù)值在20至30之間，水質(zhì)級(jí)別為優(yōu)和良；陶岔站點(diǎn)2012年9月份水質(zhì)指數(shù)偏高，由于毒性指標(biāo)鉛的監(jiān)測(cè)值為0.011 mg/L，單項(xiàng)指數(shù)達(dá)到40.5，水質(zhì)級(jí)別為尚好，其他月份水質(zhì)級(jí)別為優(yōu).綜上，庫(kù)區(qū)整體水質(zhì)較好，滿足飲用水水源地的水質(zhì)要求.

3.1.2 干流水質(zhì)狀況

漢江干流站點(diǎn)白河與丹江干流站點(diǎn)荊紫關(guān)的水質(zhì)變化趨勢(shì)如圖2所示.白河站水質(zhì)綜合指數(shù)穩(wěn)定，基本低于30以下，2012年7月水質(zhì)綜合指數(shù)值達(dá)到46，主要由于其毒性指標(biāo)鉛的監(jiān)測(cè)值為0.015mg/L；荊紫關(guān)站2012年12月水質(zhì)指數(shù)值為63，水質(zhì)級(jí)別為較差，主要由于氟化物監(jiān)測(cè)值1.08 mg/L，超出Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值1 mg/L；其他月份水質(zhì)指數(shù)值均在40以下，水質(zhì)級(jí)別為優(yōu)或良.綜上，除個(gè)別月份水質(zhì)指數(shù)值偏高，干流兩個(gè)站點(diǎn)的水質(zhì)狀況總體較好.

圖1 2012年6月至2013年5月庫(kù)區(qū)站點(diǎn)水質(zhì)變化趨勢(shì)圖

圖2 2012年6月至2013年5月干流站點(diǎn)水質(zhì)變化趨勢(shì)圖

3.1.3 支流水質(zhì)狀況

丹江支流站點(diǎn)的水質(zhì)變化趨勢(shì)如圖3所示.淇河、滔河水質(zhì)綜合指數(shù)值在20至30之間，水質(zhì)級(jí)別為優(yōu)或良，水質(zhì)狀況穩(wěn)定.老鸛河站點(diǎn)水質(zhì)指數(shù)值偏高，且波動(dòng)較大，2013年2月水質(zhì)綜合指數(shù)值為72，其他多數(shù)月份指數(shù)值超出40，主要由于老鸛河兩岸大量未經(jīng)處理的生活污水直接排入，致使氨氮和糞大腸菌群嚴(yán)重超標(biāo)，多數(shù)月份單項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到80以上.

漢江支流共11個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，污染嚴(yán)重的支流為神定河、泗河、犟河、劍河、天河，水質(zhì)變化趨勢(shì)如圖4所示.

神定河的水質(zhì)綜合指數(shù)值居高不下，且呈現(xiàn)出一定的上升趨勢(shì).1月、4月、5月水質(zhì)指數(shù)值在80～100之間，水質(zhì)級(jí)別為差，嚴(yán)重污染，其他9個(gè)月份水質(zhì)指數(shù)值在100至120之間，水質(zhì)級(jí)別為極差，極嚴(yán)重污染.分析主要污染指標(biāo)：綜合類指標(biāo)氨氮、糞大腸菌群、COD、BOD5、總磷的單項(xiàng)指數(shù)值基本位于100至120之間，CODMn的單項(xiàng)指數(shù)值個(gè)別月份大于100，其余均在60至100之間；感官類指標(biāo)中，溶解氧、陰離子表面活性劑指標(biāo)污染嚴(yán)重，單項(xiàng)指數(shù)值部分超出100，石油類3個(gè)月份超標(biāo)，指數(shù)值分別為104、91、69.

泗河水質(zhì)綜合指數(shù)值基本在80以上，水質(zhì)級(jí)別為差或極差，污染嚴(yán)重.分析主要污染指標(biāo)：氨氮、總磷單項(xiàng)指數(shù)均在100以上；糞大腸菌群2013年4月、5月小于60，其他月份均在60以上，且多數(shù)大于100；COD基本介于60至80之間；CODMn有半數(shù)位于60至80之間；BOD5，溶解氧，陰離子表面活性劑部分超標(biāo).

犟河12月、1月水質(zhì)綜合指數(shù)值分別為47、57，其他月份均超出60，污染較嚴(yán)重.分析主要污染指標(biāo)：氨氮、糞大腸菌群、總磷單項(xiàng)指數(shù)值基本在60以上，其中糞大腸菌群超出100，COD、BOD5、CODMn部分月超出60.

劍河6月、7月、9月水質(zhì)綜合指數(shù)值偏高，分別為74、96、62，其他月份均保持在60以下，水質(zhì)狀況有所好轉(zhuǎn).分析主要污染指標(biāo)：6月、7月氨氮、糞大腸菌群等綜合類指標(biāo)單項(xiàng)指數(shù)值均在60以上，9月COD、BOD5、CODMn指標(biāo)單項(xiàng)指數(shù)值分別為86、94、75，其他指標(biāo)單項(xiàng)指數(shù)值均在60以下.

天河水質(zhì)綜合指數(shù)值在60以下，水質(zhì)穩(wěn)定.分析主要污染指標(biāo)：糞大腸菌群指除10月單項(xiàng)指數(shù)為43，其他月份均超出100，另氨氮、BOD5、總磷有個(gè)別月份超標(biāo). 漢江其他支流站點(diǎn)(曲遠(yuǎn)河、堵河、官山河、浪河、將軍河、淘溝河)水質(zhì)狀況較好，水質(zhì)級(jí)別位于優(yōu)或良之間.

圖3 2012年6月至2013年5月丹江支流站點(diǎn)水質(zhì)變化趨勢(shì)圖

圖4 2012年6月至2013年5月漢江支流5個(gè)站點(diǎn)水質(zhì)變化趨勢(shì)圖

3.2 主要污染河流及污染指標(biāo)

3.2.1 主要污染河流

上述計(jì)算分析得到丹江口庫(kù)區(qū)及入庫(kù)支流各站點(diǎn)的水質(zhì)狀況及變化趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出19個(gè)站點(diǎn)全年的平均水質(zhì)綜合指數(shù)值，如圖5所示.比較各站點(diǎn)水質(zhì)優(yōu)劣，水質(zhì)綜合指數(shù)值排名靠前(即污染最為嚴(yán)重)的河流為：神定河、泗河、犟河、劍河、老鸛河、天河，其他斷面水質(zhì)綜合指數(shù)值基本小于30，水質(zhì)狀況良好.

分析發(fā)現(xiàn)，排名靠前的神定河、泗河、犟河、劍河均屬于漢江入庫(kù)支流，漢江部分支流污染較為嚴(yán)重；丹江支流中老鸛河也受到一定程度的污染，其他站點(diǎn)水質(zhì)狀況較好.

圖5 丹江口庫(kù)區(qū)及入庫(kù)河流年均水質(zhì)綜合指數(shù)值

3.2.2 主要污染指標(biāo)

計(jì)算得到各水質(zhì)指標(biāo)的單項(xiàng)指數(shù)值，超出60即判定為主要污染指標(biāo).分別對(duì)庫(kù)區(qū)、漢江支流、丹江支流進(jìn)行分析，丹江支流中老灌河主要污染指標(biāo)為糞大腸菌群、氨氮.漢江支流較多，不同支流的主要污染指標(biāo)也存在差異，主要污染河流神定河、犟河、泗河、劍河的主要污染指標(biāo)較多，包括溶解氧、氨氮、CODMn、BOD5、糞大腸菌群、總磷等；堵河、官山河主要污染指標(biāo)有糞大腸菌群、總磷；天河、曲遠(yuǎn)河、將軍河主要污染指標(biāo)為糞大腸菌群.

3.3 污染指標(biāo)相關(guān)性分析

分析確定主要污染河流及污染指標(biāo)后，利用主成分分析法分析污染指標(biāo)的相關(guān)性[10-12]，并對(duì)主要污染源進(jìn)行識(shí)別.運(yùn)用SPSS軟件對(duì)19個(gè)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中超標(biāo)的8個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)月平均值進(jìn)行主成分分析，得出主要污染指標(biāo)的相關(guān)矩陣，見表5.觀察相關(guān)矩陣中超標(biāo)因子之間的相關(guān)系數(shù)，得出：

①表示自凈作用的溶解氧指標(biāo)值越大水質(zhì)狀況越優(yōu)，與其他指標(biāo)相反，溶解氧和其他水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)均為負(fù)數(shù)，成負(fù)相關(guān)關(guān)系，由表5第一列可以看出；

②除溶解氧外，其他主要污染指標(biāo)兩兩之間呈現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，表明這些污染指標(biāo)關(guān)系密切，很可能是來(lái)自同一污染源.

表5 主要污染指標(biāo)相關(guān)矩陣

4 小結(jié)

本文采用水質(zhì)綜合指數(shù)法分析丹江口水庫(kù)及入庫(kù)支流站點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出庫(kù)區(qū)及主要支流的水質(zhì)狀況，并判定主要污染河流與主要污染指標(biāo)，得出以下結(jié)論：

(1)庫(kù)區(qū)壩上、陶岔、臺(tái)子山(涼水河)3個(gè)站點(diǎn)水質(zhì)良好，且保持穩(wěn)定.陶岔站點(diǎn)9月份水質(zhì)指數(shù)值偏高，主要由于鉛指標(biāo)的監(jiān)測(cè)值高于Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，庫(kù)區(qū)整體水質(zhì)狀況滿足飲用水水源地安全的要求.

(2)漢江支流較多，水質(zhì)情況復(fù)雜. 天河、曲遠(yuǎn)河、將軍河、淘溝河、堵河、浪河水質(zhì)綜合指數(shù)均為20或略高，水質(zhì)良好；白河由于7月份綜合類指標(biāo)值較高，水質(zhì)綜合指數(shù)達(dá)到46；官山河水質(zhì)綜合指數(shù)值多數(shù)月份介于20～40之間，少數(shù)月份略超出40；神定河、泗河、犟河、劍河水質(zhì)綜合指數(shù)值偏高，水質(zhì)較差.

(3)丹江荊紫關(guān)、淇河、滔河水質(zhì)良好，水質(zhì)指數(shù)值為20或略高，保持穩(wěn)定；老鸛河水質(zhì)指數(shù)值相對(duì)偏高，平均值為43，水質(zhì)狀況有所波動(dòng)，2月份水質(zhì)指數(shù)達(dá)到72，老鸛河氨氮和糞大腸菌群嚴(yán)重超標(biāo)，主要由于大量生活污水未經(jīng)處理直接排入導(dǎo)致.

(4)丹江口入庫(kù)支流中主要污染河流為神定河、泗河、犟河、劍河、老鸛河，主要污染指標(biāo)為糞大腸菌群、氨氮、總磷、溶解氧等.

(5)通過(guò)主要污染指標(biāo)主成分分析，溶解氧與其他污染指標(biāo)呈較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其他主要污染指標(biāo)間的兩兩相關(guān)性較好，說(shuō)明這些污染指標(biāo)關(guān)系密切，很可能是來(lái)自同一污染源.