烏坎河年際水質(zhì)評價及變化趨勢分析

甘秀梅

(廣東華南環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司， 廣東 廣州 510000)

1 引言

河流水資源是一種寶貴的自然資源，與人類的生存、發(fā)展息息相關(guān)[1]。近年來，隨著城市經(jīng)濟的快速發(fā)展，河流流域生活污水及工業(yè)廢水的排放對河流水體水質(zhì)造成了一定程度的污染[2]。開展河流水體水質(zhì)評價、識別水質(zhì)變化趨勢是水生態(tài)環(huán)境治理中的重要基礎(chǔ)性工作。因此，通過對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分析和評價，有利于掌握河流的水環(huán)境污染特征，進(jìn)而為河流水資源的合理開發(fā)利用和污染防治提供科學(xué)的技術(shù)支撐[1～4]。

國內(nèi)外關(guān)于河流水質(zhì)評價的方法有多種，如單因子評價法[5]、內(nèi)梅羅指數(shù)法、污染指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)分析、模糊綜合評價法[6]、水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法[7]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]等。其中，單因子評價法操作方便，但不能反映水體的總體污染狀況，且評價方式過于保守，存在一定的局限性[8]。模糊綜合評價法能夠體現(xiàn)水環(huán)境的復(fù)雜性和模糊性，但確定評價指標(biāo)權(quán)重存在一定的難度[9]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法能夠?qū)λ|(zhì)進(jìn)行連續(xù)性評價，但對于劣Ⅴ類水體，其評價結(jié)果不具備確定性[10]。綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法是一種新興的指數(shù)評價法，通過選取具有代表性的水質(zhì)指標(biāo)，結(jié)合水體環(huán)境功能區(qū)劃類別，得出一個綜合水質(zhì)系數(shù)；該系數(shù)既能定性判定河流水體綜合水質(zhì)類別，又能定量描述同一水質(zhì)類別中綜合水質(zhì)的污染程度及連續(xù)性，此外還能夠用于黑臭水體的判定分析[11～14]。喬俊等[15]、趙海生等[16]、解瑩等[17]、王敦球等[18]分別利用綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對松花江黑龍江段、丹河晉城段、灤河、湘江永州流域進(jìn)行水質(zhì)評價，闡明了河流水環(huán)境質(zhì)量時空變化規(guī)律，并取得了滿意的評價結(jié)果。

本文采用水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對烏坎河2017～2021年的水質(zhì)進(jìn)行評價，并根據(jù)Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法分析了烏坎河干流烏坎水閘國考斷面這5年間的綜合水質(zhì)變化趨勢，以期為烏坎河流域水環(huán)境污染防治工作提供技術(shù)依據(jù)。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

烏坎河發(fā)源于陸豐市境內(nèi)羅徑嶂，全長約48 km，流徑八萬、陂洋、博美、內(nèi)湖、南塘、橋沖、城東、金廂、銅鑼湖等場鎮(zhèn)，經(jīng)烏坎港匯入南海碣石灣，沿途有陂溝河、長山河等19條支流匯入。烏坎河流域東臨鰲江流域、西臨螺河流域、南以西山山脈與沿海諸小河流分界、北以隆江上游龍?zhí)逗佣螢榻纾噬刃畏植?，流域面積約610.48 km2，土地利用類型主要為耕地、林地和灘地。

流域地處南亞熱帶，氣候溫和、雨量充沛，大量降水以鋒面雨和臺風(fēng)雨為主，暴雨多發(fā)生于每年的5～7月份，流域多年平均雨量為1933 mm。因地形關(guān)系，西南氣流對流域影響較大，造成流域降雨時空分布不均，河流北岸雨量充沛，八萬雙沛站多年平均雨量2301 mm，歷史最大年雨量高達(dá)3041 mm；而河流南岸雨量稀少，烏坎水閘多年平均雨量1561 mm，歷史最小年雨量僅673 mm[19]。

“十三五”期間，烏坎河干流烏坎水閘斷面被列入國家入海河流控制斷面(以下簡稱烏坎水閘國考斷面)，執(zhí)行的水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)[20]。

2.2 數(shù)據(jù)來源

為保證評價分析的可靠性，本文收集了廣東省汕尾生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站提供的烏坎水閘國考斷面2017～2021年逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)區(qū)域水質(zhì)特點，選取溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(CODCr)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮( NH3-N)及總磷(TP)6個常見水質(zhì)指標(biāo)作為評價因子，得出評價指標(biāo)的年均監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 2017～2021年烏坎水閘國考斷面年均監(jiān)測數(shù)據(jù) mg/L

3 研究方法

3.1 水質(zhì)評價方法

綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法是建立在單因子水質(zhì)指數(shù)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)水質(zhì)指標(biāo)的單因子水質(zhì)指數(shù)計算

得出綜合水質(zhì)指數(shù)，該指數(shù)能夠用于判別水體污染程度、水質(zhì)類別以及是否能達(dá)到水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)等，具有定性、定量評價的特點，可對河流水質(zhì)做出較為合理的評價[21，22]。

3.1.1 單因子水質(zhì)指數(shù)

單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)Pi由 1 位整數(shù)、小數(shù)點后 2 位有效數(shù)字組成，可用式(1)表示：

Pi=X1X2X3

(1)

式(1)中X1為第i項水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別，數(shù)值越大，則表示該項監(jiān)測指標(biāo)的水質(zhì)污染越嚴(yán)重；X2為指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間中所處的位置，取值越大，則表示在同一類別水質(zhì)中監(jiān)測指標(biāo)的水質(zhì)污染越嚴(yán)重；X3為水質(zhì)類別與功能區(qū)劃設(shè)定類別的比較結(jié)果。

3.1.2 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)

綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)Iwq由整數(shù)位、小數(shù)點后3位或4位有效數(shù)字組成，可用下式表示：

Iwq=X1.X2X3X4

(2)

式(2)中：X1.X2為綜合水質(zhì)指數(shù)(單因子水質(zhì)指數(shù)均值的前兩位)；X3為水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)識碼；X4為綜合水質(zhì)類別標(biāo)識碼。

式(2)中的X1.X2通過計算獲得，X3、X4根據(jù)比較結(jié)果得到,具體計算方法詳見文獻(xiàn)[21]、[22]。其中,X1為河流總體的綜合水質(zhì)類別；X2為綜合水質(zhì)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處位置，體現(xiàn)同類水中進(jìn)行水質(zhì)優(yōu)劣比較；X3為參與綜合水質(zhì)評價的水質(zhì)指標(biāo)中，劣于水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)的單項指標(biāo)個數(shù)；X4為綜合水質(zhì)類別與水體功能區(qū)類別的比較結(jié)果，視綜合水質(zhì)的污染程度，X4為1位或2位有效數(shù)字。

總體而言，綜合水質(zhì)指數(shù)X1.X2數(shù)值越大，水質(zhì)越差。采用綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)Iwq中的綜合水質(zhì)指數(shù)X1.X2，可判定綜合水質(zhì)級別，判定關(guān)系如表2，具體判別方法詳見文獻(xiàn)[21]。

表2 基于綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的綜合水質(zhì)級別判定

3.2 水質(zhì)變化趨勢分析方法

根據(jù)生態(tài)環(huán)境部頒布的《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法》(試行)的規(guī)定[23]，河流水質(zhì)變化趨勢分析采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法，判斷在評價時期內(nèi)河流水質(zhì)是呈好轉(zhuǎn)、惡化或平穩(wěn)變化趨勢，秩相關(guān)系數(shù)rs按下式計算[23，24]：

(3)

di=Xi-Yi

(4)

式(3)、(4)中：di為變量Xi與Yi差值；Xi為周期1到周期N按綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)從小到大排列的序號；Yi為按時間排列的序號；N為周期次數(shù)；rs為秩相關(guān)系數(shù)。

經(jīng)計算得秩相關(guān)系數(shù)rs，若計算結(jié)果為負(fù)值，則表明斷面處綜合水質(zhì)好轉(zhuǎn)，若為正值，表明綜合水質(zhì)變差；同時，結(jié)合顯著性檢驗與統(tǒng)計表中臨界值Wp進(jìn)行定量比較，可判斷在評價時期內(nèi)河流水質(zhì)的變化趨勢，具體判別方法詳見文獻(xiàn)[23]。

rs的絕對值|rs|>WP時為顯著，|rs|

表3 不分秩相關(guān)系數(shù)的臨界值顯著性水平(單測檢驗)

4 結(jié)果與分析

4.1 烏坎河水質(zhì)分析

4.1.1 計算結(jié)果

依據(jù)上述理論計算方法計算得出的烏坎水閘國考斷面2017～2021年的DO、CODCr、CODMn、BOD5、NH3-N及TP 6個常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測濃度年平均值的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)Pi及綜合水質(zhì)因子指數(shù)Iwq結(jié)果，詳見表4。

表4 水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)計算結(jié)果

4.1.2 水質(zhì)評價結(jié)果

4.1.2.1 單因子水質(zhì)指數(shù)評價結(jié)果

根據(jù)表4烏坎水閘國考斷面2017～2021年各評價指標(biāo)五年的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)可得圖1。

圖1 2017～2021年烏坎水閘國考斷面單因子水質(zhì)指數(shù)

分析2017～2021 年烏坎水閘國考斷面6個評價指標(biāo)的單因子水質(zhì)指標(biāo)Pi值可發(fā)現(xiàn)，BOD5和TP的單因子水質(zhì)指數(shù)為該斷面6個參與評價指標(biāo)中的較優(yōu)項，且變化趨勢不明顯。而NH3-N的單因子水質(zhì)指數(shù)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，DO的單因子水質(zhì)指數(shù)波動性最大，最高為2020年的2.91，最低為2021年的1.4，相差1.5個數(shù)值。CODcr及CODMn兩項指標(biāo)的單因子水質(zhì)指數(shù)也存在一定的波動性，但波動范圍較DO水質(zhì)指數(shù)小，其中CODcr整體呈波動性上升，而CODMn整體呈現(xiàn)波動性下降趨勢。6個評價指標(biāo)整體單因子水質(zhì)指數(shù)符合國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838～2002)中Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，滿足“十三五”期間該斷面的水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)；而個別年份，如2017年及2021年，部分指標(biāo)處于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，超出其水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)一個標(biāo)準(zhǔn)級別。

從水質(zhì)指數(shù)計算結(jié)果來看，2017年 NH3-N的Pi值為3.19，處于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)范圍，劣于該斷面“十三五”期間水環(huán)境功能區(qū)劃1個標(biāo)準(zhǔn)級別，也是2017～2021年參與評價的6個指標(biāo)中單因子水質(zhì)指數(shù)最高的，但是由于其X2值不高，表明污染程度不大。除此之外，CODCr單因子水質(zhì)指數(shù)在2017年和2021年均為3.00，也是處于國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，超出水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)1個級別。其余4個指標(biāo)在2017～2021年水質(zhì)指數(shù)均在2.8以下，處于Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，符合該斷面水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)。DO的單因子水質(zhì)指數(shù)在2021年為1.4 ，處于Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，且X2值不高，進(jìn)一步被污染的風(fēng)險不大；TP及BOD5的X2值在2021年達(dá)到6，表明存在進(jìn)一步被污染的風(fēng)險?？傮w來說，參與評價的6個指標(biāo)在2018～2020年間均達(dá)到其水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)。

4.1.2.2 綜合水質(zhì)指數(shù)評價結(jié)果

運用綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法計算2017～2021年烏坎水閘國考斷面綜合水質(zhì)指數(shù)的結(jié)果見表4。由表中數(shù)據(jù)分析可知，2017～2021年烏坎水閘國考斷面的綜合水質(zhì)類別均為Ⅱ類，能夠達(dá)到該斷面的水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)。參與本次評價年份的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)第3位小數(shù)X4均為0，說明評價年份綜合水質(zhì)類別均能達(dá)到其水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)。同時2018～2020年綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的第 2 位小數(shù)X3均為0，表明這三年該斷面參與評價的水質(zhì)指標(biāo)均未超標(biāo)。斷面2017年綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的X3為2，說明這一年參與評價的水質(zhì)指標(biāo)有2項超標(biāo)，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)超標(biāo)項目為CODCr和NH3-N；2021年綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的X3為1，說明這一年參與評價的水質(zhì)指標(biāo)有1項超標(biāo)，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)超標(biāo)項目為CODCr。

4.2 烏坎河水質(zhì)變化趨勢分析

根據(jù)2017～2021年監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制烏坎水閘國考斷面各指標(biāo)濃度變化過程，如圖2所示，其中DO和CODMn呈現(xiàn)波動性上升趨勢，而BOD5呈波動性下降趨勢，其余指標(biāo)變化不明顯。

圖2 2017～2021年烏坎水閘國考斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

分析結(jié)果表明，參與評價的各指標(biāo)變化趨勢不同，無法直接判斷歷年綜合水質(zhì)的變化趨勢。因此，研究應(yīng)用Speraman秩相關(guān)分析法對2017～2021年間參與評價的6項水質(zhì)指標(biāo)綜合污染指數(shù)進(jìn)行計算，計算結(jié)果rs= -0.9 < 0，表明該斷面處水體的綜合水質(zhì)有好轉(zhuǎn)的趨勢。查表可知，當(dāng)n為5時，秩相關(guān)系數(shù)rs的臨界值WP為0.9，結(jié)合顯著性檢驗結(jié)果表明，該斷面的水質(zhì)綜合污染指數(shù)的rs絕對值|rs|≤Wp0.05(0.9)，表明斷面在近5年間變化趨勢不明顯，水質(zhì)較穩(wěn)定。

5 結(jié)論

(1)烏坎河干流地表水中CODCr和氨氮在參與水質(zhì)評價的6項水質(zhì)指標(biāo)中，年際超標(biāo)頻次較高，是影響水質(zhì)的主要污染物質(zhì)。

(2)應(yīng)用綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對烏坎河干流烏坎水閘國考斷面水質(zhì)進(jìn)行評價，結(jié)果可知，2017～2021年間該斷面水質(zhì)均能夠達(dá)到“十三五”期間水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)要求。

(3)各個評價方法比較結(jié)果基本一致，單因子指數(shù)法能夠較清晰地發(fā)現(xiàn)超標(biāo)因子，綜合指數(shù)法含有信息量更大，能充分表述每個斷面的超標(biāo)項個數(shù)以及污染程度。

(4)根據(jù)Spearman秩相關(guān)系數(shù)，得到2017～2021年間烏坎水閘國考斷面水質(zhì)較為穩(wěn)定，總體上有好轉(zhuǎn)趨勢。