浑太河流域水环境质量综合分析与评价

2014-09-21李艳利李艳粉徐宗学

水土保持研究 2014年4期

李艳利, 李艳粉, 徐宗学

(1.河南理工大学资源环境学院, 河南焦作 4540000; 2.北京师范大学水科学研究院水沙科学教育部重点实验室, 北京 100875; 3.焦作大学化工与环境工程学院, 河南焦作 454000)

浑太河流域水环境质量综合分析与评价

李艳利1,2, 李艳粉3, 徐宗学2

以浑太河流域为研究对象，选取流域88个监测站点，在2009，2010，2012年对河流高锰酸盐指数、总氮、氨氮、总磷等9项指标进行监测，并对河流水质的时空异质性进行了分析。选择高锰酸盐指数、总氮、氨氮和总磷作为主要评价因子，采用单因子和综合水质标识指数法对该地区主要河流水污染特征进行分析及评价。结果表明，水质因子具有明显的时空异质性。单因子评价结果表明，非汛期总氮和氨氮为主要污染物，汛期总磷和总氮为主要污染物，非汛期的水质状况较汛期好，说明非点源是造成其污染的主要原因。河流水质综合评价中，小汤河上游、太子河南支、太子河北支所有点位的水质评价结果均为最好。所有站点中，海城河的支流(五道里河、运梁河、南沙河下游)区域的水质最差，达到劣Ⅴ类水质，且出现黑臭现象。研究结果对指导浑太河流域水污染防治及水资源管理具有重要意义。

浑太河流域; 水质评价; 水质标识指数法; 水环境质量

随着工业化、城镇化的快速推进，越来越多的工业、农业和生活污染排放物伴随着地表径流过程进入到河流中，引起地表水质不断恶化[1-2]。世界上几乎所有的江河湖泊均遭受氮、磷以及泥沙污染的严重影响。因此，对河流水质进行评价对于水环境污染治理具有重要的指导意义，且可通过水质评价识别某些影响水环境质量的关键因子。典型的水质评价方法包括模糊数学评价法[3-6]、灰色系统评价法[7-8]、人工神经网络评价法[9-11]、物元分析法[12-14]、单因子水质标识指数法[15]、综合水质标识指数法[16]等。其中单因子水质标识指数法和综合水质标识指数法是由同济大学徐祖信提出的，在中国水污染评价方面应用效果良好。其不仅能实现对水质的定性评价，也能对水质进行定量评价，实现对同类的劣Ⅴ类水质进行评价，并判断河流水体是否黑臭，还可根据水环境功能区目标判断其水质是否达标。

浑太河是辽河流域的子流域，位于辽宁省中南部，流域周边超标污废水任意排放，引起河流水环境质量的恶化。2001—2006年，太子河各年度均为劣Ⅴ类水质，氨氮浓度为2.15～2.73 mg/L，化学耗氧量为21.9～25.5 mg/L。浑河为劣Ⅴ类水质，氨氮浓度超标了2.0倍。2007年流域COD，NH3-N，TP，TN污染物入河量分别达2.55×105，2.7×104，3.0×104，3.9×104t。全河段NH3-N年均浓度为2.96～5.04 mg/L，超过Ⅴ类水质标准的0.5～1.5倍[17]。因此，水环境污染依然是制约浑太河流域目前所面临的主要问题，目前关于浑太河全流域的水质评价研究极少，因此，本文以浑太河流域为研究对象，基于2009年8月，2010年6月和2012年6月3 a不同季节的实地监测数据，基于二级水生态分区对水质的差异性进行分析[18]，在此基础上，采用单因子和综合水质标识指数法对河流水质状况进行评价，了解河流的污染特征，以期为浑太河流域水环境治理提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

浑太河流域是辽河的子流域(40.45°—42.30°N，122.00°—125.30°E)，面积为2.73×104km2，其水系发源于长白山脉，形成浑河和太子河两条河流。两条河流在三岔河附近交汇，称为大辽河。大辽河长96 km，在辽宁营口市入渤海。浑河发源于辽宁省清源县滚马岭西南麓，流经清源县中部、新宾县北部、抚顺、沈阳市区、灯塔、辽中、辽阳三县边界，浑河全长368 km，流域面积1.15×104km2。浑河多年平均降水量为680.3 mm，降水在年内分配很不均匀，其中7—8月降水量占全年降水量的47%。太子河发源于抚顺新宾县红石砬子，向西流经新宾县、本溪县、本溪市、辽阳县、辽阳市、海城市，河长464 km[19]，年平均径流量26.86亿m3，流域面积1.39×104km2，太子河流域的降水量为655～954 mm，呈现东高西低的趋势。在本溪上游有观音阁水库，在辽阳市上游有葠窝水库。根据辽河流域的地貌特征(高程、坡度)、年均降水量空间分布、土地利用类型、NDVI和水系分布情况将辽河流域分为8个水生态二级区[20]。其中浑太河流域划分为2个二级水生态区，分别定义为Ⅳ—1和Ⅳ—2区。其中Ⅳ—2区是高海拔区域，属于林地为主的区域，而Ⅳ—1区是中低海拔区域，属城市农业用地为主的区域。

1.2 数据收集与分析

1.3水质标识指数法

综合水质标识指数是由1位整数和3～4位小数组成，它完整标识了综合水质类别、水质情况以及与是否达到水环境功能区类别的判别等信息[15]。它的优点是既参照国家标准规定的水质类别进行比较，又考虑了对水质污染程度的比较，可以对河道综合水质进行定性和定量的综合评价。水质标识指数方法主要包括单因子水质标识指数的计算[16]，综合水质标识指数(Iwq)计算及水质等级确定三个步骤。首先，进行单因子水质标识指数的计算；第二步进行综合水质标识指数(Iwq)计算；最后是水质等级的确定。

2 结果与分析

2.1 水质时间变异趋势分析

从Kruskal-Wallis非参数检验法的结果(见表1)可以看出：pH(p=0)，SS(p=0)，NO3-N(p=0)，TP(p=0)，TDS(p=0.001)在汛期和非汛期具有显著的时间差异。除DO外，浓度最高值均出现在非汛期。可能是因为汛期期间的采样点位远远少于非汛期。

表1 水质时空变异显著性结果

2.2 水质空间变异趋势

图2 水质指标的空间分布特征

2.3 水质标识指数的分布特征

2.3.1 主要污染物分析通过计算汛期和非汛期4个评价指标的单因子水质标识指数平均值，可以得出这些平均值的变化趋势(图3)。非汛期总氮和氨氮为主要污染物，总磷和高锰酸盐次之。这种情况属于富营养化，总氮的单因子水质标识指数(Pi)的范围是2.30～17.31 mg/L，平均值为6.07 mg/L。氨氮的Pi值范围是1.2～16.31 mg/L，平均值为3.90 mg/L。在所有监测点中，总氮和氨氮浓度最高的3个采样点分布在五道里河，运梁河和南沙河。总氮的浓度分别超出《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中Ⅴ类标准(2.0 mg/L)的9.78，12.39，7.16倍。氨氮的浓度值分别超出Ⅴ类标准(2.0 mg/L) 4，3.09，5.07倍。

汛期总氮和总磷为主要污染物，氨氮和高锰酸盐指数次之。总氮的单因子水质标识指数(Pi)的范围是3.06～6.51 mg/L，平均值为5.17 mg/L。总磷的单因子水质标识指数(Pi)的范围是2.21～8.66 mg/L。平均值为6.18 mg/L。在所有监测点中，总磷浓度最高的2个采样点是清原县门坎啃村和新宾县穆家河北村，总磷的浓度值分别超出Ⅴ类标准(0.4 mg/L)的3.66，2.58倍。总氮的浓度值分别超Ⅴ类标准(2 mg/L)的1.51，1.2倍。

非汛期以总氮为评价指标计算的单项水质标识指数略高于汛期，非汛期总氮评价的水质类别属于劣Ⅴ类的点位占所有采样点的50%，而汛期水质类别属于劣Ⅴ类的点位占所有采样点的26.67%，且以城镇和农业为主要用地类型的区域总氮均属于劣Ⅴ类水质。汛期以总磷为评价指标计算的单项水质标识指数远高于非汛期，汛期总磷水质类别属于劣Ⅴ类的点位占所有采样点的78.57%。说明总氮和总磷具有典型的非点源污染特征。综上，总氮、总磷是浑太河流域水环境的主要污染因子，污染来源可能是流域农药，化肥的过度施用，导致未被吸收利用的氮磷等随着农业径流进入水体。

图3 非汛期及汛期单因子水质标识指数

2.3.2 综合水质标识指数分布特征根据综合水质标识指数(Iwq)和等级判别标准，不同水文期各站点的水质等级已经确定(图4)。非汛期的Iwq平均值是3.950，汛期的Iwq平均值是4.188，总体来说非汛期的水质状况较汛期好。

图4 不同季节综合水质标识指数变化

注：T1—T43，L1—L5表示非汛期太子河流域的采样点位；H1—H24表示非汛期浑河流域的采样点位；S38—S50，表示汛期浑太河流域的采样点位。

从全流域的综合水质状况来看(图5)，非汛期，Ⅰ类水质有4个点位，Ⅱ类水质共有28个点位，Ⅲ类水质共有28个点位，Ⅳ类水质共有6个点位，Ⅴ类水质共有9个点位，劣Ⅴ类水质有13个点位，分别占采样点的4.55%，31.82%，31.82%，6.82%，10.23%，14.77%。其中，属于劣Ⅴ类且黑臭的点位有5个，分布在海城河的支流(五道里河、运梁河、南沙河下游)。属于劣Ⅴ类但不黑臭的点位有7个，分布在沈阳段的蒲河以及浑河、鞍山段的太子河干流下游区域。这些采样点的共同特征是属于城市农业河段，接收了大量的工业废水和农业径流。而Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ类水质主要分布于浑河的源头区域(抚顺清原和新宾县境内的苏子河和洪河)，太子河南支、北支、汤河、小汤河、细河、兰河的上游区域，这些区域位于山区，人口密度较低，污染可能主要来自生活污水和农业生产。Ⅴ类和劣Ⅴ类水质均分布在城市农业河段，主要位于鞍山、海城、沈阳境内的河段。综上，Ⅳ—2区采样点水质明显好于Ⅳ—1区。

汛期，采样结果最好的为Ⅲ类水质，包括了4个采样点，分别位于浑河源头区的新宾苏子河和太子河小汤河、二道河。Ⅳ类和Ⅴ类水质的采样点分别有9个和1个，Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ类水质分别占采样点的28.57%、64.29%和7.14%，水质评价结果没有明显的空间差异性。

图5 综合水质评价类别分布

除了T21点位的河流健康状况较差外，小汤河上游、太子河南支、太子河北支所有点位的水质评价结果均为最好的。因为该区域海拔相对较高，人为干扰程度相对较轻，水质状况和栖息地环境质量状况也较好。太子河流域从观音阁水库往下游，随着农业和城市用地面积比例的增加，点位的水质状况也逐渐下降。浑河流域源头区域的水质状况多为一般，有个别点位较差，而浑河流域从大伙房水库往下游的点位的健康状况大多劣于Ⅴ类，这个区域河流水环境质量也是全流域最差的。整体上看出浑河的支流健康状况要好于干流。

3 讨论

水环境质量综合分析与评价表明，氮、磷等水质指标具有较显著的空间差异性，且氮素空间差异性较磷素更为显著。说明地形地貌等自然因素和土地利用的差异等人类活动对水环境质量影响显著。高海拔山区，人口密度较低、工业企业较少、且林地比例较高，水环境质量相对较好。单因子水质标识指数法分析表明，非汛期总氮和氨氮是主要污染物，且其高浓度值主要集中在浑河和太子河干流的中下游区域。可能是干流中下游区域主要受人类活动影响，城市生活污水和工业企业点源排放量均显著增加，也充分说明了氨氮主要受人类活动影响。汛期总氮和总磷是主要污染物，且汛期总磷浓度值显著高于非汛期。说明磷素具有典型的非点源污染特征，污染来源可能是流域农药、化肥的过度施用，导致未被吸收利用的磷素随着农业径流进入水体。

从全流域的综合水质状况来看，水质一般，且非汛期的水质状况较汛期好。太子河流域从观音阁水库往下游，随着农业和城市用地面积比例的增加，点位的水质状况呈逐渐下降的趋势。浑河流域源头区域的水质状况多为一般，有个别点位为较差，而浑河流域从大伙房水库往下游的点位大多属于劣Ⅴ类，这个区域河流水环境质量也是全流域最差的。整体上说浑河的支流健康状况要好于干流。浑太河干流中下游区域的水质状况要差于支流，也充分说明人类活动(城市生活污水和工业点源)对水环境质量的影响显著。土地利用的合理配置对水环境质量的改善也发挥着重要作用，林地为主导用地类型的Ⅳ—2区水质状况明显好于农田和城镇用地为主导用地类型的Ⅳ—1区。

总之，浑太河中下游干流和支流受城市化的影响非常明显。对氨氮而言，应以重点防止点源污染为主，对总磷应以非点源污染控制为主，支流的水肥合理利用应得到推广。且关于点源和非点源污染区的界定和来源识别与负荷量是流域N源污染的研究重点。

4 结论

(1) 对水环境质量因子的时空变异性分析，pH，SS，NO3—N，TP，TDS浓度在汛期和非汛期具有显著的时间差异。除了pH与DO外，所有水质因子浓度空间变异性均较显著。说明水体理化因子易受人类活动影响，人类活动对不同河流影响的差异性导致了水质因子的空间差异性。

(2) 根据单因子水质标识指数法的评价结果，非汛期总氮和氨氮为主要污染物，总磷和高锰酸盐次之。汛期总磷和总氮为主要污染物，氨氮和高锰酸盐次之。

(3) 根据综合水质标识指数法的评价结果，非汛期的水质状况较汛期好。且小汤河上游、太子河南支、太子河北支所有点位的水质评价结果均为最好。海城河的支流(五道里河、运梁河、南沙河下游)区域的水质评价结果最差。

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AnalysisandAssessmentofWaterQualityinHuntaiRiverBasin

LI Yan-li1,2, LI Yan-fen3, XU Zong-xue2

(1.CollegeofResources&Environment,He′nanPolytechnicUniversity,Jiaozuo,He′nan454000,China;2.CollegeofWaterSciences,BeijingNormalUniversity,KeyLaboratoryofWaterandSedimentSciences,MinistryofEducation,Beijing100875,China; 3.CollegeofChemicalandEnvironmentEngineering,JiaozuoCollege,Jiaozuo,He′nan454000,China)