南水北调中线工程水源地河南段水质现状及污染分析

刘增进, 祁秉宇, 张关超

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)



南水北调中线工程水源地河南段水质现状及污染分析

刘增进, 祁秉宇, 张关超

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

为了解南水北调中线工程水源地的水质状况,选取丹江口库区河南段水体为研究对象,通过研究环保部2006—2015年对丹江口库区河南段的水质状况调查数据,采用综合污染指数法对研究区域的水质情况进行定量分析。结果表明：按照综合污染指数法的水质分级标准，丹江口库区河南段水体的水质状况属尚清洁类,但仍存在一定的污染风险,水质有恶化的趋势;通过对南水北调中线工程水源地河南段污染源的分析,发现点源污染对水源地水环境的影响较为严重,面源污染的危害也不可忽视；南水北调中线工程水源地河南段的点源污染源分布较为广泛,但主要集中在丹江口水库北支控制单元。研究结果可为保护水源地的水质安全和控制污染源提供理论依据。

丹江口水源地;综合污染指数法;水质状况;点源污染;面源污染

南水北调中线工程可以有效地解决我国南、北方水资源空间分布不均衡的问题,该工程具有重大的战略意义。保护好南水北调中线工程水源地的水质安全对保障工程的顺利运行、保护受水区民众的饮水安全，具有重要的作用。近年来,随着经济社会的不断发展,点源污染和面源污染造成的危害日益严重,南水北调中线工程水源地的水质有恶化的趋势[1-2]。

目前，水质评价的方法有很多,如单因子评价法、综合污染指数法、神经网络法等。这些方法各有优缺点：单因子评价法运用简单,可以直观地辨别出主要的污染物,但该法仅凭借单项最差水质指标来判定水体的水质状况,并不能保证其评价结果的全面性和合理性[3];综合污染指数法是用数学定量的方法对水体的水质状况进行描述,有利于从不同时间和空间上对同一水体的污染程度进行比较,但该法不能直观地辨别出主要污染物[4];神经网络法是近些年随着计算机技术的发展而普及开来的,其评价结果更为精确、客观,但其应用的难度也较大[5-6]。

本文采用2006—2015年丹江口库区河南段的水质监测数据,应用综合污染指数法对研究区域的水质进行评价,并对其水质状况进行分析,进而对南水北调中线工程水源地河南段的污染源进行分析。全面了解南水北调中线工程水源地河南段的真实污染现状,对后续开展水源地的水质保护工作具有重要的作用。

1 研究区域与数据

1.1 研究区域概况

南水北调中线工程可分为丹江口库区、汉江中下游工程区和受水区。其中,丹江口库区是水源地保护的重点区域[7]，因此本次选取丹江口库区河南段的水质监测数据作为数据来源。南水北调中线工程水源地河南段涉及南阳市淅川县、内乡县、西峡县、邓州市、三门峡市卢氏县、洛阳市栾川县,土壤类型以黄棕壤土和黄黏土为主,土层较薄,易被冲刷,抗侵蚀能力差,易发生水土流失，水土流失面积高达3 369.01 km2。南水北调中线工程水源地河南段地处北亚热带向暖温带过渡的季风性气候区,年平均气温15.8 ℃,高于同纬度东部地区2 ℃左右,无霜期约为228 d，平均降雨量800～1 000 mm。植被以针叶林、针阔叶混交林、落叶阔叶林、常绿落叶阔叶林、常绿阔叶林和灌木林为主,整体森林覆盖率达75%,但分布不均。区域内经济以农业为主,农牧业和牲畜养殖业所占的比重较大,居民人均GDP约为16 595.3元/a,属较低水平。

1.2 数据的采集

根据环保部对丹江口库区河南段2006—2015年水质监测的数据资料,分别对pH值、溶解氧含量(DO)、化学需氧量(COD)和氨氮(NH3-N)值进行统计,监测数据按年平均值计算，结果见表1。

表1 2006—2015年丹江口库区河南段水质监测数据 mg/L

注:pH值无量纲。

2 丹江口库区河南段水质评价

2.1 水质评价标准

根据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》，筛选出pH值、溶解氧含量(DO)、化学需氧量(COD)和氨氮(NH3-N)值的地表水环境质量评价标准限值,见表2。

表2 地表水环境质量评价标准 mg/L

注:pH值无量纲。

2.2 综合污染指数法分级标准

丹江口库区河南段的水环境质量执行地表水环境质量Ⅱ类水质标准,本次综合污染指数法中各项水质指标的评价标准值同样采用Ⅱ类水质标准限值。综合污染指数法的分级标准见表3,其中P为综合污染指数。

表3 综合污染指数法分级标准

2.3 综合污染指数法计算公式

综合污染指数法是在单因子评价的基础上,采用算数平均值法进行进一步的计算,其计算公式如下:

1)对于污染物浓度越高对水环境影响越大的污染物(如COD、NH3-N)，其单项污染指数P1为:

(1)

式中:Ci为第i种污染物的实测值;Si为第i种污染物的评价标准值。

2)对于污染物浓度越低对水环境影响越大的污染物(如DO)，其单项污染指数P2为:

(2)

其中Cmax为第i种污染物在水中可能的最大浓度(即饱和浓度)。

3)对具有最高和最低允许浓度限制的污染物(如pH值),其单项污染指数P3为:

(3)

其中

(4)

式中:Smax、Smin分别为第i种污染物浓度的上、下限值。

4)综合污染指数为:

(5)

式中:n为选取的污染物个数;Wi为第i种污染物参数的权重。

当单项污染指数Pi≤1时,表明该污染物浓度没有超标,未对环境造成危害,这时可令Wi=1;当单项污染指数Pi>1时,表明该污染物浓度超出标准限值,可对环境造成一定的危害,此时令Wi=n。

2.4 评价结果与分析

分别对4个监测指标的单项污染指数Pi进行计算，结果显示Pi均小于1,因此可令Wi=1。

根据综合污染指数法计算公式得2006—2015年丹江口库区河南段水质评价结果,见表4。

表4 2006—2015年丹江口库区河南段综合污染指数法 评价结果

年份综合污染指数P值水质状况20060．314尚清洁20070．330尚清洁20080．373尚清洁20090．329尚清洁20100．353尚清洁20110．388尚清洁20120．362尚清洁20130．340尚清洁20140．322尚清洁20150．382尚清洁

由表4可以看出,在以《地表水环境质量标准》中Ⅱ类水质标准限值作为评价标准的前提下,2006—2015年丹江口库区河南段综合污染指数P值在0.314～0.388范围内,未超出综合污染指数法分级标准中第2级别的标准限值，水质状况属于尚清洁，但仍存在一定的污染风险。

2.5 水质综合污染指数变化趋势分析

水质综合污染指数变化趋势分析主要采用定量分析的方法,目前通用的做法是采用Daniel的Spearman秩相关系数法进行检验[8]。这一方法要求数据充足,一般至少采用4个时间序列的数据。Spearman秩相关系数ri的计算方法如下:

(6)

di=Xi-Yi,i=1,2,…,n。

(7)

式中:Xi为周期1到n按浓度值由小到大排列的序号;Yi为按时间排列的序号;N为样本数。

若ri>0,表明数据系列呈上升趋势;反之表明数据系列呈下降趋势。

表5 Spearman秩相关系数临界值Wp

按照上述方法,计算得出样本数为10的丹江口库区河南段水质综合污染指数的秩相关系数ri为0.358

3 南水北调中线工程水源地河南段污染源分析

虽然南水北调中线工程水源地河南段的水质污染水平较低,但国家对该水源地的保护非常重视,对水源地水质污染防治提出了更高的要求。为了保障水环境的安全,了解水环境中污染物的来源是一项重要的工作。因此,有必要对水源地的污染源进行调查和分析,为管理生产和科学决策提供指导。

本文将南水北调中线工程水源地河南段分成3个子单元,分别是老灌河控制单元、丹江口南阳段控制单元和丹江口水库北支控制单元。根据现有数据,以化学需氧量(COD)和氨氮(NH3-N)作为分析对象,对研究区域的污染物排放结构进行分析,旨为南水北调中线工程水源地河南段的水质保护提供依据[9]。

3.1 点源污染分析

点源污染是指有固定排放点的污染源造成的污染,主要分为生活污染和工业污染。点源污染所含的污染物成分复杂、种类较多。南水北调中线工程水源地河南段点源污染物COD和NH3-N排放总量的统计结果见表6。

表6 南水北调中线工程水源地河南段点源污染物COD、NH3-N排放总量和贡献率统计

由表6可知：南水北调中线工程水源地河南段的点源污染物COD排放总量为16 318.5 t,其中丹江口水库北支控制单元的排放量最大,为14 273.7 t,占COD排放总量的87.47%;丹江口南阳段控制单元、老灌河控制单元COD排放量的贡献率分别为7.96%和4.57%。南水北调中线工程水源地河南段的点源污染物NH3-N排放总量为6 898.5 t,其中丹江口水库北支控制单元的排放量最大,为5 321.7 t,占NH3-N排放总量的77.15%;丹江口南阳段控制单元、老灌河控制单元NH3-N排放量的贡献率分别为17.14%和5.71%；丹江口水库北支控制单元的点源污染物COD、NH3-N排放总量最大,在研究区域的点源污染物排放总量中所占比重最高。

究其原因，南水北调中线工程水源地河南段近年来的经济社会发展较快,工业发达,人口较多,特别是丹江口水库北支控制单元发展更快,因此由工业源排放和生活源排放造成的点源污染较为严重,应引起足够的重视，加强对污染物排放的控制。

3.2 面源污染分析

面源污染可以分为3个途径,即农田面源污染、禽畜养殖污染和农村生活污染。对于南水北调中线工程水源地河南段来说,面源污染是水源地污染的主要因素。了解研究区域内面源污染状况，对其水环境的保护具有重要意义。南水北调中线工程水源地河南段面源污染物COD和NH3-N排放总量统计结果见表7。

表7 南水北调中线工程水源地河南段面源污染物COD和NH3-N排放总量和贡献率统计

由表7可知：南水北调中线工程水源地河南段的面源污染物COD排放总量为2 446.6 t,丹江口水库北支控制单元的排放量最大,为1 352.0 t,占COD排放总量的55.26%;丹江口南阳段控单元、老灌河控制单元COD排放量的贡献率分别为21.93%和22.81%。南水北调中线工程水源地河南段的面源污染物NH3-N排放总量为443.0 t,丹江口水库北支控制单元的排放量最大,为244.5 t,占NH3-N排放总量的55.19%;丹江口南阳段控制单元、老灌河控制单元NH3-N排放量的贡献率分别为21.87%和22.93%；丹江口水库北支控制单元的面源污染物COD、NH3-N排放总量最大,在研究区域的面源污染物排放总量中所占比重最高。

究其原因，南水北调中线工程水源地河南段属于农业生产区,化肥施用量大且频繁,使用方法也不够科学、合理,多为抛洒浅施;该区域的水土流失严重,进一步提高了水体被污染的风险;南水北调中线工程水源地河南段的禽畜养殖业发展迅速,但禽畜养殖的粪便处理率低,对环境破坏较为严重;生活污水和生活垃圾的排放导致该区域的水质污染状况进一步恶化,因此，应加强对南水北调中线工程水源地河南段面源污染的防控。

结合表6与表7可知，点源污染程度远大于面源污染程度,特别是丹江口水库北支控制单元尤为突出。应加强对南水北调中线工程水源地河南段污染源的管理,并制定相应的污染控制措施,防止污染的进一步加剧。

4 结语

采用综合污染指数法对2006—2015年南水北调中线工程水源地河南段的水质状况和污染源进行分析，得出以下主要结论:

1)丹江口库区河南段水体的水质状况尚清洁,但仍然存在着一定的污染风险。

2)丹江口库区河南段的水质综合污染指数呈上升趋势,水质有恶化的态势。

3)南水北调中线工程水源地河南段面临着点源污染和面源污染的双重压力,其中点源污染程度远大于面源污染程度,且丹江口水库北支控制单元的点源污染和面源污染最为严重,亟待制订相应的保护措施。

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[3]尹海龙,徐祖信.我国单因子水质评价方法改进探讨[J].净水技术,2008,27(2):1-3.

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(责任编辑：张陵)

Present Situation of Water Quality and Analysis about Pollution Fountain of Water Source Area in Henan in the Middle Route of South to North Water Transfer Project

LIU Zengjin, QI Bingyu, ZHANG Guanchao

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

In order to investigate the water quality of water source area in the middle route of South to North Water Transfer Project, we selected the water body in Henan in Danjiangkou Reservoir area as a research object, by analyzing the data of water quality in Henan in Danjiangkou Reservoir area from 2006 to 2015 from the Ministry of Environment Protection of China and using the synthetic pollution index evaluating method, we quantitatively analyzed the water quality of research area. The results show that the water quality in Henan in Danjiangkou Reservoir area is up to the clean level by the analysis results of synthetic pollution index evaluating method, but it still has a certain polluted risk, and the water quality has a deteriorative trend; By analyzing the pollution fountain of water source area in Henan in the middle route of South to North Water Transfer Project, we find that the point pollution seriously affects the water environment of water source area, and the harmfulness of non-point pollution is not ignored; The point pollution of water source area in Henan in the middle route of South to North Water Transfer Project is more widespread, but it mainly concentrated at the control unit of north branch of Danjiangkou Reservoir. These research results can provide a theoretical guarantee for the safety of water quality and the control of pollution fountain of water source area.

water resource area of Danjiangkou; synthetic pollution index evaluating method; water quality status; point pollution; non-pointpollution

2016-09-02

国家自然科学基金资助项目(50849047)。

刘增进(1961—),男,河北新乐人,教授,博士,从事节水灌溉理论方面的研究。E-mail:zengjinliu@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.02.015

TV123;X824

A

1002-5634(2017)02-0077-05