基于GIS的地表水水質(zhì)污染成因研究

摘要：黃河陜西府谷段流經(jīng)毛鳥素沙漠邊緣，生態(tài)環(huán)境脆弱，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能。準(zhǔn)確了解地表水中污染物的污染狀況和來源是解決環(huán)境問題的關(guān)鍵。研究結(jié)合現(xiàn)場勘查和監(jiān)測斷面布置，開展常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測，將水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)與排污口和工業(yè)污染源、農(nóng)業(yè)污染源和生活污染源數(shù)據(jù)充分耦合，進(jìn)行水體中的污染物的溯源。結(jié)果表明，化學(xué)需氧量、生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)三項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)超標(biāo)的點(diǎn)位與人類生活區(qū)密切相關(guān)。地理信息系統(tǒng)調(diào)查對黃河中游水質(zhì)改善和河流規(guī)劃目標(biāo)具有良好的支撐作用。

關(guān)鍵詞：黃河府谷段；水質(zhì)評價；地理信息系統(tǒng)；污染源

中圖分類號：X82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1研究背景

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測是推進(jìn)國家生態(tài)環(huán)境治理體系和治理能力現(xiàn)代化的重要支撐。黨中央、國務(wù)院高度重視監(jiān)測事業(yè)發(fā)展，將生態(tài)環(huán)境監(jiān)測納人生態(tài)文明改革的大局統(tǒng)籌推進(jìn)。黃河中游流經(jīng)內(nèi)蒙、陜西、山西省份的能源化工區(qū)域，是環(huán)境污染物的主要受納水體。十三五期間經(jīng)過多方舉措與治理，黃河水環(huán)境質(zhì)量不斷提升，但水污染防治與水生態(tài)環(huán)境問題依然突出，進(jìn)一步加強(qiáng)該流域的水質(zhì)監(jiān)測與水環(huán)境管理工作十分重要。

黃河興神大橋斷面（E：ll0 916 26，N：38.532 16）位于神木市馬鎮(zhèn)東南角，該匯水范圍內(nèi)水域主要為黃河干流，黃河沿興神大橋控制單元東南側(cè)邊界蜿蜒流過，控制單元內(nèi)流域面積為636.21 km2。黃河府谷水文站多年天然平均徑流量為235.4×10 m3。匯水范圍在榆林市內(nèi)涉及府谷縣武家莊鎮(zhèn)、田家寨鎮(zhèn)和神木市馬鎮(zhèn)，3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

黃河蜿蜒于府谷縣境東部，縣內(nèi)流程107 km，占黃河全長5 463.6 km的1.9%。根據(jù)《榆林市水資源綜合規(guī)劃》（榆政函[2018]51號），皇甫川皇甫水文站，孤山川高石崖水文站多年天然平均徑流量分別為1.68×10 m3和0.89×10 m3。黃河府谷水文站多年天然平均徑流量為235.4×10 m3。興神大橋斷面所代表水功能區(qū)是黃河天橋農(nóng)業(yè)用水區(qū)／黃河府谷、保德排污控制區(qū)／黃河府谷，是“十四五”期間新增的國考斷面。

2材料與方法

2.1監(jiān)測斷面的布設(shè)

根據(jù)《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（HJ/T 91-2002）》中監(jiān)測斷面的布設(shè)原則，結(jié)合控制斷面匯水范圍內(nèi)的區(qū)域環(huán)境污染特征，在磧塄控制斷面至黃河興神大橋控制斷面黃河干流段，共布設(shè)6個水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)，在嵐漪河支流人黃河前布設(shè)1個水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)，采樣點(diǎn)空間分布見圖1，各采樣點(diǎn)周圍環(huán)境見表1。

2.2分析項(xiàng)目

根據(jù)榆林市生態(tài)環(huán)境局在黃河興神大橋控制單元內(nèi)設(shè)置的磧塄省控監(jiān)測斷面2015年-2021年地表水水質(zhì)數(shù)據(jù)，21項(xiàng)檢測指標(biāo)中部分月份出現(xiàn)超標(biāo)，出現(xiàn)超標(biāo)的指標(biāo)包括：氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量（COD）、石油類、汞，且現(xiàn)有興神大橋國考監(jiān)測斷面的水質(zhì)優(yōu)于磧塄斷面水質(zhì)，結(jié)合控制單元內(nèi)的污染源特征確定監(jiān)測指標(biāo)為pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BODs）、氨氮、總磷、氟化物、礦化度（全鹽量）、石油類、揮發(fā)酚共11個指標(biāo)。

采樣現(xiàn)場測定pH、水溫、溶解氧指標(biāo)，其余指標(biāo)參考《水質(zhì)樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定（HJ 493-2009）》標(biāo)準(zhǔn)，保存水樣運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）》基本項(xiàng)目分析方法進(jìn)行檢測。分析每批水樣時均做10%的平行雙樣。

2.3評價標(biāo)準(zhǔn)

各斷面執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《陜西省“十四五”國考斷面“一斷一策”水體達(dá)標(biāo)方案編制大綱》控制斷面的考核要求確定，黃河興神大橋斷面水質(zhì)類別要求符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.4評價方法

斷面水質(zhì)超過Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)時，選擇水質(zhì)類別最差的前三項(xiàng)指標(biāo)作為主要污染指標(biāo)；當(dāng)不同指標(biāo)對應(yīng)的水質(zhì)類別相同時，取超標(biāo)倍數(shù)最大的前三項(xiàng)為主要污染指標(biāo)。確定了主要污染指標(biāo)的同時，應(yīng)在指標(biāo)后標(biāo)注該指標(biāo)濃度超過Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的倍數(shù)，即超標(biāo)倍數(shù)。

3結(jié)果與討論

3.1監(jiān)測結(jié)果評價

磧塄斷面和興神大橋斷面均執(zhí)行Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此本期監(jiān)測的7個斷面參考水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)均選擇Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。檢測的11項(xiàng)指標(biāo)中，只有高錳酸鹽指數(shù)、BODs、COD三項(xiàng)出現(xiàn)超標(biāo)，其余指標(biāo)在各斷面全部符合Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，見圖2和表2。

由圖3可知，磧塄斷面的高錳酸鹽指數(shù)（0.63）、BODs（0.85）、COD（0.75）三項(xiàng)指標(biāo)均出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，且全部高于其他斷面處的指標(biāo)。COD和BODs兩項(xiàng)指標(biāo)在石馬川、葛富村、嵐漪河下游均出現(xiàn)超標(biāo)，雖然興神大橋斷面此三項(xiàng)指標(biāo)未出現(xiàn)超標(biāo)，但是上游出現(xiàn)超標(biāo)，因此需要關(guān)注此三項(xiàng)指標(biāo)的污染來源。

各斷面的pH范圍在6-9，符合Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，pH值均大于8，偏堿性。磧塄斷面、石馬川斷面、嵐漪河下游斷面的溶解氧濃度較低，此三個斷面的BODs也均超標(biāo)，微生物大量分解有機(jī)物，消耗氧氣，導(dǎo)致水體當(dāng)中的溶解氧濃度降低。

各斷面的氨氮和總磷也均符合Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中葛富村斷面和嵐漪河下游斷面的氨氮較高，嵐漪河支流（裴家川斷面）的總磷較高，該區(qū)域水土流失較嚴(yán)重，斷面附近的農(nóng)田施肥后，通過地表徑流將氮、磷引入黃河中，導(dǎo)致斷面監(jiān)測指標(biāo)濃度較高。

各斷面氟化物均符合Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中嵐漪河支流（裴家川斷面）的氟化物較高，引發(fā)嵐漪河入黃后的嵐漪河下游斷面及興神大橋斷面氟化物濃度上升。礦化度均低于1 000 mg/L，參照灌溉水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，滿足農(nóng)田灌溉要求。

各斷面石油類和揮發(fā)酚的濃度值，均符合Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，除嵐漪河支流（裴家川斷面）的石油類濃度值為0.02 mg／L，其余斷面均低于檢測限0.01 mg／L，各斷面的揮發(fā)酚濃度值均低于檢測限0.000 3 mg/L。

3.2水環(huán)境問題識別與研判

3.2.1工業(yè)污染

興神大橋控制單元內(nèi)的工業(yè)污染源分布如圖1所示，工業(yè)行業(yè)類別主要為煙煤和無煙煤開采洗選和煤制品制造，且均位于石馬川流域，一旦煤礦企業(yè)存在廢污水事故排放現(xiàn)象，污染物進(jìn)入石馬川支流，匯入黃河后，會導(dǎo)致石馬川下游斷面水質(zhì)超標(biāo)，石馬川斷面（布設(shè)于黃河干流）COD、BODs均出現(xiàn)超標(biāo)可能與此有關(guān)。黃河干流無排污口，匯水范圍內(nèi)的人河排污口主要分布在石馬川河流兩側(cè)，且6個排污口類型均為雨洪排口。然而，磧塄斷面上游有眾多排污口，且靠近城鎮(zhèn)生活區(qū)，由此導(dǎo)致磧塄斷面高錳酸鹽指數(shù)、COD、BODs三項(xiàng)指標(biāo)都出現(xiàn)超標(biāo)，對下游興神大橋造成極大威脅。

3.2.2城鎮(zhèn)農(nóng)村污染

目前，興神大橋控制斷面城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)水平相對落后、重點(diǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)廢水處理設(shè)施不完整、配套管網(wǎng)建設(shè)不完善、雨污管網(wǎng)未完全分流等問題造成污水直排環(huán)境，增加了環(huán)境污染負(fù)荷。城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)實(shí)力薄弱，污水處理設(shè)施建設(shè)及后續(xù)運(yùn)行資金缺乏，會對河流水體造成嚴(yán)重污染。

目前，該區(qū)域黃河干流沿河規(guī)模較大村莊有4個（如圖3所示），農(nóng)村生活污水處理、收集設(shè)施幾乎處于空白，生活污水以生活面源形式排放或簡單收集后直排地表水體，直接影響下游地表水體水質(zhì)環(huán)境。流域內(nèi)農(nóng)村生活垃圾處理水平普遍較低，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村設(shè)置了簡易垃圾填埋點(diǎn)，多數(shù)區(qū)域缺乏垃圾收集系統(tǒng)和處置場地，部分垃圾填埋設(shè)施的防滲和污水處理設(shè)施不足，生活垃圾在田間地頭、房前屋后隨意堆置，以地表徑流形式轉(zhuǎn)移到河流，導(dǎo)致斷面BODs、高錳酸鹽指數(shù)、COD超標(biāo)，造成水體污染。

依據(jù)2019年榆林市排污口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其中農(nóng)業(yè)農(nóng)村生產(chǎn)生活和城鎮(zhèn)生活排口以及雨洪排污口水質(zhì)的BODs、COD、氨氮等指標(biāo)濃度普遍較高，尤其農(nóng)村生活排污口，COD濃度為地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水體的5%-3 580%，氨氮為25.6%-3 430%，總磷為10%-1 335%。所以城鎮(zhèn)農(nóng)村面源污染是造成黃河干流斷面水質(zhì)超標(biāo)的關(guān)鍵原因之一。

3.2.3農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染

黃河沿岸分布較多農(nóng)田，尤其胡橋溝至嵐漪河匯入后的干流段，其中葛富村斷面至嵐漪河下游斷面沿黃河分布較多耕地（如圖4所示），較大面積的耕地分別為2.7 km2、243 809 m2和583 137.47 m2。胡橋溝斷面至葛富村斷面沿黃河分布較多耕地，其中較大面積的耕地分別為1.3 km2、1.0 km2、720 027 m2、50 572 m2、495 978 m2和219 421 m2，氮、磷通過地表徑流進(jìn)入黃河，使得富村斷面和嵐漪河下游斷面的氨氮、總磷較高。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式相對落后的情況下，通常采用引水漫灌的方式，農(nóng)田退水過程將攜帶大量流失的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入河道，加速河流的耗氧污染。黃河兩岸溝壑區(qū)水土流失嚴(yán)重，也會加劇耕地土壤氮、磷流失，所以大面積的沿黃河農(nóng)田面源污染也是造成黃河干流斷面水質(zhì)惡化的原因之一。

4結(jié)論

綜上，興神大橋控制單元涵蓋田家寨鎮(zhèn)、武家莊鎮(zhèn)、馬鎮(zhèn)三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，主要污染來源為沿河農(nóng)田退水徑流、農(nóng)村生活污水的直排以及磧塄斷面上游的生活污染源，斷面水質(zhì)超標(biāo)因子主要是高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、生化需氧量等常規(guī)因子，其中化學(xué)需氧量和生化需氧量超標(biāo)倍數(shù)普遍較高，問題較為突出。因此黃河興神大橋斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵是面源污染的阻截和處理以及城鎮(zhèn)污水的廣覆蓋收集及達(dá)標(biāo)處理。在此基礎(chǔ)上貫徹“治、用、保”的總體思路，開展人工濕地建設(shè)、河道綜合整治和河濱岸帶建設(shè)等生態(tài)保護(hù)措施。