宁夏引黄灌区排水沟水环境质量及其影响因素

郑 灿, 杨子超, 邱小琮, 尹 亮, 李延林

(1.宁夏大学 土木与水利工程学院, 宁夏 银川 750021; 2.宁夏大学 生命科学学院, 宁夏 银川 750021)

宁夏引黄灌区是中国4大自流古老灌区之一，该区段引黄灌溉已有约2 000 a的历史[1]。在灌区内部，大小排水沟近200条，主要排水干沟有32条，每年排入黄河约2.50×109m2的水量[2]。宁夏引黄灌区各排水沟最初主要用于农田灌排水或降低浅层地下水位，但最近几年许多排水沟同时变成了排污沟，接纳了大量生活污水以及工农业废水，在汇入沟内污水量增加的同时，污染物的种类和浓度也逐渐增加[2-3]。由于排水沟地处引黄灌区，又是农田灌溉排水的主要输送廊道，同时也是农业非点源污染物运输和迁移主要途径，因此，农业面源污染也成为了影响排水沟的重要污染源[4]。宁夏引黄灌区主要排水沟的排水情况详见表1。目前，刘国强等[2]对宁夏引黄灌区农田退水污染、农业生产污染源头和污染负荷结构及现状进行了分析；张爱平等[3]分析了黄河宁夏段监测断面和引黄灌区典型排水沟的水质情况；邱小琮等[5]分析了宁夏农业面源污染的主要影响因子；张学军等[6]对宁夏引黄灌区特定时期氮和磷的流失进行了研究。然而关于社会经济指标对引黄灌区排水沟影响程度还未进行深入研究。排水沟是城市地表水环境的重要组成，水质好坏直接影响着城市形象和黄河宁夏段水质，进行综合治理，势在必行[7]。本研究在搜集排水沟2009—2015年水环境因子指标基础上，运用综合污染指数、相关分析和灰关联法，以地级市为单位研究排水沟综合污染指数与社会经济指标之间的相关性以及影响水质的主要指标，旨在为排水沟水体污染综合整治提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据采集

按照引黄灌区排水沟在宁夏回族自治区的位置，分别收集中卫市、吴忠市、银川市、石嘴山市的各项社会经济指标的原始数据，数据来源于2009—2015年宁夏各类统计年鉴、水资源公报；水质评价因子数据取自《宁夏回族自治区环境状况公报》。由于四二干沟、银新干沟、灵武东沟、吴忠南干沟、吴忠清水沟、第3和5排水沟汇入黄河口、第1排水沟、第4排水沟、银川中干沟、银川永二干沟、吴忠罗家河为宁夏入黄13条重点排水沟，也能代表其他排水沟的特性，因此，选择这些主要的排水沟作为研究对象(表1)。

表1 宁夏引黄灌区主要排水沟的排水情况

注：排水结构为农耕退水、工业废水和城镇生活污水混合；排水特点为季节性排水，时间集中在4与11月份。

1.2 水环境因子数据选取和预处理

由于水质各个指标的类型和量纲不同，各个指标之间不具有可比性，因此在评价的时候要对水质评价的分级标准和待评价水质监测数据进行无量纲化处理[8]。本文采用极差变换方法[9]对数据进行无量纲化处理及消除数值数量级差别，再将原始数据进行处理。为了得出更为准确的综合污染指数，以便更好得进行相关性和灰关联分析，则选取高锰酸盐指数、化学需氧量、氨氮、生化需氧量、挥发酚、总磷、氟化物、氰化物、硫化物作为评价因子。

1.3 社会经济指标的选取

社会经济指标选择与水质密切相关的农业耗水量、农业人口、化肥使用量、农业总产值、林业产值、牧业产值、渔业产值、工业总产值、工业废水排放总量、城镇生活污水排放量作为影响排水沟水质的因素。

1.4 综合污染指数法

综合污染指数法是对各污染指标的相对污染指数进行统计，得出代表水体污染程度的数值，来确定研究水体的污染程度[10]。求综合污染指数需要先对单项污染指数进行求解。

水质单项污染指数(pij)计算方法为[11]：

Pij=Cij/Sij

(1)

对于pH值，

Pij=(Cij-7.0)/(8.5-7.0) (pH≥7.0)

(2)

或，Pij=(7.0-Cji)/(7.0-6.5) (pH≤7.0)

(3)

当Pij<1时，表示水体未污染；当Pij>1时，表示水体污染。具体数值直接反映污染物超标程度[12]。

综合污染指数法的计算公式为：

(4)

综合污染指标评价分级详见表2。

表2 综合污染指标评价分级

1.5 相关分析

计算社会经济指标与排水沟综合污染指数之间的相关系数，并进行分析讨论。

1.6 灰关联法

灰关联法就是以各排水沟为母序列，影响因子为子序列，计算各排水沟与影响因子的关联度，根据关联度的大小确定影响因子的作用大小[13-14]。

1.7 数据处理

数据处理采用DPS统计软件进行。

2 结果与分析

2.1 宁夏引黄灌区主要排水沟水质状况

宁夏引黄灌区主要排水沟水质类别(2009—2015主要的水质类别)及主要污染指标详见表3。排水沟的水质类别主要以劣Ⅴ类为主，主要污染指标为氨氮、总磷、化学需氧量、生化需氧量等。由于第1排水沟和罗家河的治理效果突出，水质好转，水质类别分别为Ⅲ类和Ⅳ类，且罗家河的污染指标主要以氨氮为主。

表3 宁夏引黄灌区主要排水沟的水质状况

2.2 水质综合污染指数

水质综合污染指数的高低直接反映水体质量的好坏，当综合污染指数越高，水质越差；综合污染指数越低，水质越好。从图1可以看出，吴忠南干沟水质总体上呈逐年转好趋势，2010—2011年为好转的最快时期；吴忠清水沟水质总体上也呈好转趋势，仅在2009—2010年突然恶化，且在2010年达到污染最严重时期；银新干沟水质在2009—2012年呈稳步转好趋势，却在2012—2013年突然恶化，在2013年到达污染最严重时期，之后又呈转好趋势。其他排水沟水质变化趋势较平稳，没有明显的变化。

图1 综合污染指数变化趋势

2.3 排水沟综合污染指数与社会经济指标的相关分析

2.3.1 银川市排水沟综合污染指数与社会经济指标的相关分析 由表4可以看出，四二干沟、银新干沟和永二干沟与社会经济指标之间相关关系不显著。灵武东沟与农业总产值和工业总产值之间呈极显著正相关；与牧业产值和渔业产值之间呈显著正相关；与农业耗水量之间呈显著负相关；与其他指标相关关系不显著。中干沟与化肥使用量、林业产值和工业废水排放总量之间呈极显著正相关；与渔业产值和工业产值之间呈极显著负相关；与农业耗水量和城镇生活污水排放量之间呈显著正相关；与农业总产值之间呈显著负相关；其他指标相关关系不显著。

表4 银川市的排水沟综合污染指数与其社会经济指标相关系数矩阵

注：*,**分别表示显著相关和极显著相关。下同。

2.3.2 吴忠市排水沟综合污染指数与社会经济指标的相关分析 由表5可知，南干沟与工业废水排放总量之间呈极显著正相关；与农业总产值、林业产值、渔业产值、工业总产值之间呈极显著负相关；与其他指标相关关系不显著。清水沟与工业废水排放总量之间呈极显著正相关；与工业总产值之间呈极显著负相关；与农业总产值、林业产值和渔业产值之间呈显著负相关；与其他指标相关关系不显著。罗家河与农业耗水量之间呈极显著正相关；与其他指标相关关系不显著。

表5 吴忠市的排水沟综合污染指数与其社会经济指标相关系数矩阵

2.3.3 中卫市排水沟综合污染指数与社会经济指标的相关分析 由表6可知，第1排水沟与农业总产值之间呈极显著正相关；与工业总产值之间呈极显著负相关；与其他社会经济指标之间相关关系不显著。第4排水沟与农业人口、化肥使用量、林业产值、牧业产值、城镇生活污水排放量之间呈极显著负相关；与渔业产值之间呈显著相关。

表6 中卫市的排水沟综合污染指数与其社会经济指标的相关系数矩阵

2.3.4 石嘴山市排水沟综合污染指数与社会经济指标的相关分析 由表7可知，第3,5排水沟汇入黄河口综合污染指数与经济社会指标相关关系不显著。

表7 石嘴山市的排水沟综合污染指数与其社会经济指标相关系数矩阵

2.4 排水沟综合污染指数与影响因子的灰关联分析

灰色关联法分析中，关联度越高，表明排水沟水质受社会经济指标的影响程度越高，以此来判定其主要影响因子。

2.4.1 银川市排水沟综合污染指数与影响因子的灰关联分析 银川市的排水沟综合污染指数与影响因子的关联度和排列顺序详见表8。影响四二干沟水质主要影响因子依次为渔业产值、工业总产值等；影响银新干沟水质主要影响因子依次为农业耗水量、化肥使用量等；影响灵武东沟水质主要影响因子依次为渔业产值、农业总产值；影响永二干沟水质主要影响因子依次为农业耗水量、工业废水排放总量等。由于中干沟的数据过少，因此不能用DPS进行关联度的计算。

表8 银川市的排水沟综合污染指数与影响因子的关联度和排列顺序

2.4.2 吴忠市排水沟综合污染指数与影响因子的灰关联分析 吴忠市的排水沟综合污染指数与影响因子的关联度和排列顺序详见表9。由表9可知，影响吴忠南干沟和吴忠清水沟水质主要影响因子依次为工业废水排放总量、农业人口等；影响吴忠罗家河水质主要影响因子依次为农业人口、牧业产值等。

表9 吴忠市的排水沟综合污染指数与影响因子的关联度和排列顺序

2.4.3 中卫市排水沟综合污染指数与影响因子的灰关联分析 中卫市的排水沟综合污染指数与影响因子的关联度和排列顺序详见表10。

表10 中卫市的排水沟综合污染指数与影响因子的关联度和排列顺序

从表10可以看出，影响第1排水沟水质主要影响因子依次为牧业产值、工业废水排放总量等；影响第4排水沟水质主要影响因子依次为工业废水排放总、城镇生活污水排放量等。

2.4.4 石嘴山市排水沟综合污染指数与影响因子的灰关联分析 石嘴山市的排水沟综合污染指数与影响因子的关联度和排列顺序详见表11。由表11可知，影响第3，5排水沟汇入黄河口水质主要影响因子依次为农业耗水量、工业废水排放总量等。

3 讨论与结论

从综合污染指数、相关性及关联度分析结果来看，吴忠南干沟水质呈现逐年好转趋势，可能主要由于对造纸厂、包装厂等工厂的废水排放总量进行了控制，强化对企业主要污染物控制。银新干沟水质急剧恶化，可能主要由于农田退水和化肥使用量急剧增加，大多数畜禽养殖固废和污水没有处理设施，大量营养物质和残留农药随农田退水进入排水沟。因此，控制因农业面源污染引起的排水污染对保障银新干沟水质有现实迫切性。由于造纸厂等工厂排入清水沟的工业废水增多，工业废水排放总量增加，导致吴忠清水沟水质急剧恶化。其他排水沟的综合污染指数变化趋势较平稳，且水质总体状况较好。总体上，排水沟的水质变化趋势受农业生产和工业生产的影响较大。

表11 石嘴山市的排水沟综合污染指数与影响因子的关联度和排列顺序

在银川市排水沟中，中干沟较其他排水沟与社会经济指标相关性较高，其中与化肥使用量的相关系数高达0.998。在吴忠市排水沟中，南干沟和清水沟与社会经济指标的相关性比罗家河较高。在中卫市排水沟中，第4排水沟与社会经济指标相关性较高。石嘴山市的排水沟与社会经济指标的相关性都普遍较低，与渔业产值的相关性最高，仅达到0.666。以地级市为单位，综合污染指数与社会经济指标相关性大小排序依次为吴忠市、银川市、中卫市、石嘴山市。

原因解析上，根据分析结果来看，可能由于中干沟途经人口较密集区，接纳了银川市大量的工农业废水和生活污水；南干沟与第4排水沟分别沿途接纳了其所在地级市的大量的工业废水和生活污水。因此，这几个排水沟与所在地级市经济社会指标的相关性比其他排水沟较高。从区域的角度来看，银川市、吴忠市和中卫市污染物排放量较高，而石嘴山市人口较少，农业人口也较少，工业相对落后，因此，排水沟水质与经济社会指标相关性不高。

相关分析与灰关联分析结果有较好的一致性。在银川市排水沟中，四二干沟与渔业产值和工业总产值的关联度最高，同时相关性也较高；灵武东沟与农业总产值和渔业产值的关联度最高，相关系数也分别高达0.947，0.813。在吴忠市排水沟中，南干沟和清水沟与工业废水排放总量的关联度分别高达0.755 69和0.619 264，相关系数也分别高达0.983，0.965；在中卫市排水沟中，第4排水沟与工业废水排放总量和城镇生活排放量的关联度最高，相关性也较高且为均反向相关。石嘴山市排水沟与经济社会指标的相关性都较小，关联度也较小，且相关系数与关联度联系也较小。总体上，各市的相关分析与灰关联分析结果之间一致性大小依次为吴忠市、中卫市、银川市、石嘴山市。

原因解析上，相关分析是对两者之间的相关联系做一个具体数值和相关方向的研究，而灰关联分析是通过一定方法清理系统中各因素间的主要关系，找出系统中最大的影响因素，二者之间相互联系、相辅相成。当关联度较高时，相关系数也较高。因此，以相关性为辅，关联度为主来确定各排水沟最主要的影响因子。

影响四二干沟的最主要影响因子为渔业产值和工业总产值；影响银新干沟的最主要影响因子为农业耗水量和化肥使用量；影响灵武东沟的最主要影响因子为农业总产值和渔业产值；影响永二干沟的最主要影响因子为农业耗水量和工业废水排放总量；影响吴忠南干沟和吴忠清水沟的最主要影响因子为工业废水排放总量和农业人口；影响吴忠罗家河的最主要影响因子为农业耗水量和农业人口；影响第一排水沟的最主要影响因子为工业废水排放总量和牧业产值；影响第4排水沟最主要影响因子为工业废水排放总量和城镇生活污水；影响第三、五排水沟汇入黄河口最主要影响因子为工业废水排放总量和农业耗水量；影响中干沟的最主要影响因子仅从相关性分析，则为化肥施用量、工业废水排放总量和林业产值。通过控制这些最主要的影响因子，对排水沟水环境治理具有现实的迫切性和长远战略意义。

根据分析结果，综合比较判断，总体上引黄灌区排水沟水质状况主要以劣Ⅴ类为主。各市的影响因素不一样，主要是因为各市排水沟主要承载的退水的类型及水量各不相同。银川市和石嘴山市的排水沟主要承载农田退水，主要污染物为氨氮、总磷等，因此，农业生产对银川市和石嘴山市排水沟水质影响较大；吴忠市和中卫市的排水沟主要承载工业退水，主要污染物为生化需氧量、氨氮等，因此，工业生产对吴忠市和中卫市排水沟的影响较大。总体上，农业生产导致的农业面源污染比工业生产产生的工业废水对排水沟水质状况影响程度大。由于条件所限没有对排水沟的污染来源进行深入分析，后续需要再加强研究。