2016—2021年石家莊市洨河水質(zhì)變化趨勢分析

羅 毅，李秋芳，路 娜，李治國，宋利娜，徐 娜

(1.石家莊市環(huán)境監(jiān)控中心，河北石家莊 050022；2.河北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，河北石家莊 050000)

洨河發(fā)源于鹿泉區(qū)五峰山腳下，在石家莊市境內(nèi)全長62.3 km，流經(jīng)鹿泉、欒城和趙縣后進(jìn)入邢臺市[1-3]。自上世紀(jì)六十年代開始，隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人口大量聚集，城鎮(zhèn)地區(qū)生活污水和工業(yè)廢水大量排放，農(nóng)村地區(qū)農(nóng)藥化肥過度施用，給地表水環(huán)境帶來污染負(fù)擔(dān)[4-6]，橫跨石家莊多個縣區(qū)的洨河多年來一直承擔(dān)著省會的排污功能，水污染問題不僅嚴(yán)重影響了沿岸群眾的生產(chǎn)生活，也嚴(yán)重影響了省會的城市形象和發(fā)展質(zhì)量，洨河水環(huán)境質(zhì)量急需改善。2012年6月，石家莊市通過實(shí)施洨河兩岸面源環(huán)境綜合整治、城區(qū)民心河二期管網(wǎng)建設(shè)和雨污管網(wǎng)改造、沿線污水處理廠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)工程、沿線城鎮(zhèn)村莊污水收集管網(wǎng)工程、入河排水預(yù)處理工程、生態(tài)濕地建設(shè)、環(huán)保監(jiān)管能力提升等綜合整治工程，使污染了幾十年的洨河得到了有效治理。

近年來，國內(nèi)學(xué)者先后對中國一些河流、水庫的水體環(huán)境進(jìn)行了研究，研究對象主要以氨氮、總磷(TP)、生化需氧量(BOD)為對象，其中，氨氮、總磷(TP)已成為中國地表水體的主要污染物[7-9]，氨氮濃度是反映水體受無機(jī)可氧化物污染的常用指標(biāo)，也是與主要污染物總量減排約束性指標(biāo)相關(guān)聯(lián)的環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)，數(shù)值越高，說明水體污染越嚴(yán)重。TP是水體中較常見的一種形態(tài)磷，是藻類生長重要的因素，也是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化最常見的原因[10-11]。

基于環(huán)境系統(tǒng)的復(fù)雜性，目前應(yīng)用較多的水質(zhì)綜合評價方法有灰色評價法[12]，模糊綜合評價法[13]，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法[14-15]等。針對不同的水質(zhì)采用適宜的評價標(biāo)準(zhǔn)能夠更精準(zhǔn)地描述目標(biāo)水體的污染狀況。綜合水質(zhì)指數(shù)(WQI)法能綜合考量各類污染指標(biāo)，避免個別水質(zhì)指標(biāo)較差而否定綜合水體質(zhì)量[16]。王珺博[17]采用WQI法評價了永定河石景山段水質(zhì)狀況，魯照等[18]采用WQI法評價了鄱陽湖水質(zhì)狀況。

本文以洨河為研究對象，采用水質(zhì)指數(shù)法(WQI法)評價水質(zhì)污染特征，確定主要污染指標(biāo)，對氨氮、總磷(TP)、五日生化需氧量(BOD5)等主要污染物的空間分布特征及污染現(xiàn)狀進(jìn)行評價。

1 研究方法

1.1 監(jiān)測點(diǎn)位

在洨河上、中、下游3個不同流域設(shè)置監(jiān)測斷面，分別為總退水口、石板橋、大石橋，其中2021年因監(jiān)測計劃調(diào)整，監(jiān)測斷面有所變動，總退水口、石板橋斷面取消監(jiān)測，因龍門橋斷面(E 114.653 0°,N 37.796 7°)與石板橋斷面(E 114.632 5°,N 37.824 3°)位置較為接近，水質(zhì)狀況較為一致，故2021年采用大石橋和龍門橋斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)對洨河水質(zhì)進(jìn)行評價。洨河監(jiān)測斷面分布情況如圖1所示。

圖1 石家莊市洨河監(jiān)測斷面分布

1.2 監(jiān)測指標(biāo)及方法

監(jiān)測指標(biāo)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[19]表1中除水溫、糞大腸菌群和總氮以外的21項(xiàng)指標(biāo)，包括：pH值、溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮、石油類、揮發(fā)酚、汞、鉛、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(CODCr)、銅、鋅、氟化物、硒、砷、鎘、六價鉻、氰化物、陰離子表面活性劑和硫化物。監(jiān)測方法均按照《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002)[20-21]執(zhí)行。

1.3 數(shù)據(jù)來源

水質(zhì)污染特征評價采用的監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于2016—2021年國家和省級地表水監(jiān)測網(wǎng)組織開展的例行監(jiān)測，監(jiān)測時間為每月上旬。

1.4 水質(zhì)特征評價方法

采用綜合水質(zhì)指數(shù)法(WQI河流法)[22]評價洨河水質(zhì)狀況，WQI值越小說明地表水環(huán)境質(zhì)量越好。水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。先計算單項(xiàng)指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù)，再取其加和值計算河流的水質(zhì)指數(shù)(WQI河流)。低于檢出限的項(xiàng)目，按照1/2檢出限值參加計算各單項(xiàng)指標(biāo)濃度的算術(shù)平均值。

1.4.1 單項(xiàng)指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù)

用各單項(xiàng)指標(biāo)的濃度值除以該指標(biāo)對應(yīng)的地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值，計算單項(xiàng)指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù)，如式(1)所示，DO的水質(zhì)指數(shù)計算公式見式(2)，pH值的水質(zhì)指數(shù)計算公式見式(3)—式(4)。

(1)

式中：C(i)為第i個水質(zhì)指標(biāo)的濃度值，mg/L；Cs(i)為第i個水質(zhì)指標(biāo)地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值，mg/L；WQI(i)為第i個水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù)。

(2)

式中：C(DO)為溶解氧的濃度值，mg/L；Cs(DO)為溶解氧的地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值,mg/L；WQI(DO)為溶解氧的水質(zhì)指數(shù)。

如果pH≤7.0時，計算公式為式(3)；如果pH>7.0時，計算公式為式(4)。

(3)

(4)

式中：pHsd為GB 3838—2002中的pH下限值；pHsu為GB 3838—2002中的pH上限值；WQI(pH)為pH值的水質(zhì)指數(shù)。

1.4.2 河流水質(zhì)指數(shù)

根據(jù)各單項(xiàng)指標(biāo)的WQI，取其加和值即為河流的WQI值，計算如式(5)所示：

(5)

式中：WQI河流為綜合水質(zhì)指數(shù)；WQI(i)為第i個水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù)；n為水質(zhì)指標(biāo)個數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)現(xiàn)狀

基于2016—2021年例行監(jiān)測數(shù)據(jù)，洨河水質(zhì)狀況總體為重度污染，但呈現(xiàn)出逐年好轉(zhuǎn)趨勢，自2019年起部分?jǐn)嗝孢_(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。2016—2021年河流及斷面水質(zhì)類別統(tǒng)計見表1。

表1 洨河監(jiān)測斷面水質(zhì)類別

2016—2018年洨河總退水口、石板橋、大石橋3個斷面水質(zhì)長期均為劣Ⅴ類，2019年水質(zhì)類別有所好轉(zhuǎn)，石板橋?yàn)棰纛愃|(zhì)，2020年各斷面水質(zhì)進(jìn)一步變好，總退水口為Ⅴ類水質(zhì)，為中度污染；石板橋?yàn)棰躅愃|(zhì)，為中度污染；大石橋?yàn)棰纛愃|(zhì)，為輕度污染。2021年各斷面水質(zhì)保持較好，石板橋?yàn)棰躅愃|(zhì)，為中度污染；大石橋?yàn)棰纛愃|(zhì)，為輕度污染?？傮w上來看，2016—2021年期間，洨河各個監(jiān)測斷面及河流水質(zhì)較差，污染較嚴(yán)重。

2.1.1 水質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)2016—2021年洨河水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合WQI指數(shù)測算方法，計算出21項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)年均值，各單項(xiàng)指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù)及大小排序見圖2。由圖2可見，氨氮，TP，BOD5，CODCr和CODMn的水質(zhì)指數(shù)均超過1.0，明顯高出其他16項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)。其中，氨氮水質(zhì)指數(shù)為2.388，TP水質(zhì)指數(shù)為2.345，BOD5水質(zhì)指數(shù)是1.615，是影響2016—2021年洨河水質(zhì)的主要污染指標(biāo)。根據(jù)2016—2021年洨河水質(zhì)污染特點(diǎn)，確定氨氮，TP，BOD5為主要分析評價指標(biāo)。

圖2 2016—2021年洨河21項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù)

結(jié)合2016—2021年洨河流經(jīng)區(qū)域的實(shí)際情況，初步推測氨氮和TP 2項(xiàng)污染指標(biāo)主要受生活污水和農(nóng)田施肥的影響[23]。

2.1.2 逐年水質(zhì)變化趨勢

2016—2021年洨河逐年水質(zhì)指數(shù)計算結(jié)果分別為24.412 1，17.625 2，12.225 7，11.364 4，8.697 5，8.098 2，見圖3。由圖3可見，2016—2021年洨河水質(zhì)指數(shù)WQI值總體呈逐年下降趨勢，年際降幅較大，水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)。2016—2021年水質(zhì)指數(shù)降幅ΔWQI值為16.313 9，特別是2016—2018年ΔWQI值為12.186 4，下降明顯；2018—2021年ΔWQI值為4.127 5，降幅收窄。6年間洨河環(huán)境質(zhì)量的顯著改善，充分說明近年來洨河綜合整治水質(zhì)提升工作成效明顯，特別是通過城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)建設(shè)工程、兩岸面源環(huán)境綜合整治工程，洨河下游的欒城、趙縣段的村莊污水入網(wǎng)收集處理率不低于6成，農(nóng)村生活垃圾和畜禽養(yǎng)殖污廢清運(yùn)率達(dá)到100%，整體水環(huán)境質(zhì)量大幅提升，洨河河流生態(tài)功能得到了充分恢復(fù)。同時值得注意的是，2018年后洨河水質(zhì)改善進(jìn)度趨緩，顯示前一階段水質(zhì)提升工作已進(jìn)入瓶頸期，需進(jìn)行針對性的調(diào)整和改良。

圖3 2016—2021年洨河水質(zhì)指數(shù)變化

2.1.3 逐月水質(zhì)變化趨勢

2016—2021年洨河逐月水質(zhì)指數(shù)變化存在一定的波動性。但由圖4可見，總體上每年6—7月份水質(zhì)指數(shù)都會顯著升高，6月份水質(zhì)指數(shù)平均值為32.059 5，7月份水質(zhì)指數(shù)平均值為27.274 4，8月和9月水質(zhì)指數(shù)持續(xù)好轉(zhuǎn)并回歸至年度平均值，其余月份水質(zhì)指數(shù)及波動變化相對較小。綜合分析，每年6—7月洨河流經(jīng)區(qū)域進(jìn)入汛期，地表徑流大于其他時期，降水將農(nóng)田退水和養(yǎng)殖排水連同大量平時淤積在河道底部和沿岸地表污染物沖刷進(jìn)入河流，是導(dǎo)致洨河汛期水質(zhì)顯著下降的重要因素，也符合洨河6—7月水質(zhì)指數(shù)居高不下的分析結(jié)果。

圖4 2016—2021年洨河逐月水質(zhì)指數(shù)變化

2.2 污染狀況分析

根據(jù)2016—2021年洨河監(jiān)測數(shù)據(jù)的水質(zhì)指數(shù)評價分析結(jié)果，選取影響最大的3項(xiàng)指標(biāo)(氨氮、總磷和生化需氧量)從時間和空間上進(jìn)行污染成因分析。

2.2.1 時間變化分析

從年度變化看，2016—2021年洨河氨氮、總磷和五日生化需氧量年均濃度總體呈下降趨勢，見圖5。

圖5 2016—2021年洨河主要水質(zhì)指標(biāo)濃度變化

氨氮濃度(質(zhì)量濃度，下同)年均值最高出現(xiàn)在2016年，濃度最低值出現(xiàn)在2020年，在2016—2017年均大于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)限值，2020年低于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值；2021年洨河氨氮濃度年均值為0.906 mg/L，與2016年相比，濃度下降86.1%。

總磷濃度(質(zhì)量濃度，下同)年均值最高值出現(xiàn)在2016年，最低出現(xiàn)在2020年，在2016—2018年均大于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)限值，2021年接近于但高于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值；2021年總磷濃度年均值為0.287 mg/L，與2016年相比，濃度下降69.5%。

五日生化需氧量濃度(質(zhì)量濃度，下同)年均值最高出現(xiàn)在2016年，且大于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)限值，最低出現(xiàn)在2018年，且2018—2021年處于Ⅲ類～Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)限值。2021年五日生化需氧量濃度年均值為3.1 mg/L，與2016年相比，濃度下降76.0%。

2.2.2 各監(jiān)測點(diǎn)位氨氮、總磷、五日生化需氧量變化趨勢

各斷面氨氮、總磷和五日生化需氧量濃度年均值變化趨勢見圖6。從2016—2021年例行監(jiān)測數(shù)據(jù)來看：

圖6 不同監(jiān)測點(diǎn)位2016—2021年水質(zhì)指標(biāo)的濃度變化

1)氨氮濃度在總退水口和石板橋2個斷面整體上波動下降，在大石橋斷面呈逐年下降趨勢；

2)TP濃度在總退水口斷面呈波動下降，在石板橋和大石橋斷面呈逐年下降趨勢；

3)BOD5濃度在總退水口和石板橋斷面呈現(xiàn)先下降后回升趨勢，在大石橋斷面總體呈逐年下降趨勢。

總體上看，上述3個監(jiān)測斷面氨氮、TP和BOD5濃度年均最高值均出現(xiàn)在2016年。監(jiān)測期間，氨氮濃度年均值：大石橋(3.50 mg/L)>石板橋(2.00 mg/L)>總退水口(1.81 mg/L)；TP濃度年均值：總退水口(0.51 mg/L)>大石橋(0.48 mg/L)>石板橋(0.45 mg/L)；BOD5濃度年均值：大石橋(7.25 mg/L)>總退水口(6.33 mg/L)>石板橋(6.30 mg/L)，這可能是由于大石橋位于洨河下游，接納生活污水和農(nóng)田地表徑流較多，而持續(xù)開展的洨河整治提升工程，又使得3個監(jiān)測斷面的水質(zhì)差距逐年縮小，甚至有時下游斷面水質(zhì)會優(yōu)于上游斷面水質(zhì)，2016—2021年總退水口斷面由劣Ⅴ類水質(zhì)變?yōu)棰躅愃|(zhì)，石板橋斷面則經(jīng)歷了劣Ⅴ類—Ⅳ類—Ⅴ類的水質(zhì)變化過程，大石橋斷面由劣Ⅴ類水質(zhì)變?yōu)棰纛愃|(zhì)。

3 結(jié) 語

本文通過水質(zhì)指數(shù)法對2016—2021年期間石家莊市洨河水質(zhì)變化趨勢進(jìn)行了分析，并針對“十四五”期間的洨河水質(zhì)提升提出了一些意見和建議。

1)采用水質(zhì)指數(shù)法評價2016—2021年洨河水質(zhì)污染特征，結(jié)果顯示2016—2021年洨河氨氮、TP和BOD5年均濃度下降趨勢明顯，下降幅度分別為86.1%，69.5%，76.0%。水質(zhì)指數(shù)法的優(yōu)勢在于河流水質(zhì)時間變化或河流水質(zhì)管理效果的評價上，對監(jiān)測河流水質(zhì)長期變化以及核驗(yàn)河流管理成效有重要作用。洨河水質(zhì)雖有較大改善，但仍處于污染狀態(tài)，需進(jìn)一步加強(qiáng)治理。

2)從時間上來看，2016—2021年期間洨河水質(zhì)總體呈逐年改良趨勢；每年汛期前期(主要是6月和7月)污染物指標(biāo)最高，水質(zhì)相對較差。跟生活污水和農(nóng)田地表徑流密切相關(guān)的氨氮、TP和BOD5仍是影響洨河水質(zhì)的主要污染指標(biāo)。

3)從空間上來看，氨氮、TP和BOD5等主要污染物指標(biāo)自上游至下游呈遞增趨勢。近年來3個監(jiān)測斷面的水質(zhì)差距逐年縮小(特別是下游大石橋斷面水質(zhì))，均呈逐漸改善的趨勢。

4)2016—2021年期間洨河流域的污染狀況總體上有所改善但仍有較大提升空間。水利、環(huán)保部門加大了水環(huán)境監(jiān)督治理力度并取得了明顯成效，以生活污水和農(nóng)田地表徑流為主的污染源，以及每年6—7月份的水污染高峰期帶來的管控壓力仍然存在，地表水環(huán)境質(zhì)量不容樂觀。

5)即使收集了大量數(shù)據(jù)，總體上洨河水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)仍顯不足。對水質(zhì)變化趨勢進(jìn)行分析，若能同時擁有流量數(shù)據(jù)和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)果會更加精確。洨河流量相關(guān)數(shù)據(jù)的缺乏，在一定程度上影響了汛期水質(zhì)變化趨勢的準(zhǔn)確性。

6)“十四五”期間，更為準(zhǔn)確地分析水質(zhì)變化趨勢，需要更多的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，水利、環(huán)保部門應(yīng)在水質(zhì)監(jiān)測及數(shù)據(jù)收集上加大投入力度，在污染源精準(zhǔn)管控、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式調(diào)整、生活污水綜合治理等方面加大統(tǒng)籌協(xié)調(diào)力度，綜合施策，實(shí)現(xiàn)總量減排、科學(xué)減排。