陕西省不同生态类型区河流水质与径流泥沙间的关系

邓 娟, 呼东峰, 上官周平

(1.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 2.陕西省环境监测中心站, 西安 710054)

水污染是当今世界面临的严重环境问题之一。2016年全国地表水环境质量状况显示：中国7大水系中，除长江、珠江流域水质良好外，黄河、松花江、淮河流域为轻度污染，辽河流域为中度污染，海河流域为重度污染[1]。径流和泥沙是河流水体污染物的主要载体，径流在运载可溶性污染物的同时，也通过泥沙载体运输吸附性污染物，而这些吸附性污染物是潜在的污染源[2]。一般而言，径流量较大的水体自净能力较强，其河流水质较好；反之，水质较差，但同时也有研究表明降水冲刷地表物质经地表径流进入河流，也会引起河流中各种物质浓度的变化[3-4]。因此，不同生态类型区河流水质与径流泥沙间的关系成为地学和生态学目前关注的学科热点。

对河流水环境和水质而言，河流泥沙不仅本身就是水体污染物，而且具有较大的比表面，含有大量活性官能团，在很大程度上决定着污染物在水体中的迁移、转化和生物效应等[5]。泥沙的吸附作用及其对河流水流结构的影响，使得污染物在含沙河流水土中的扩散、迁移和转化呈现出与清水河流不同的规律[6]。我国境内的河流多为高含沙水体，已有研究从河流泥沙基本特性[7-8]、泥沙对污染物的吸附作用[9-10]、泥沙对水质参数和污染评价的影响等[11-12]多个方面探讨了河流水质与泥沙的关系。然而，针对不同生态类型区河流水质与径流泥沙间关系的对比研究目前仍然较少，亟待加强。

陕西地跨黄河、长江两大流域，境内的主要河流北有延河，南有汉江，中有渭水，但陕西省水资源十分缺乏，水资源总量为4 421.1亿m3，人均水资源占有量仅为全国人均占有量的1/2，世界人均占有量的1/8。近年来，城市化的加剧使水资源的供需矛盾日益突出，农业用水利用率低，水资源的浪费和水污染情况逐渐加剧[13]。因此，本研究针对陕西省不同河流污染物、污染源特征，以明确不同生态类型区水质污染因子和原因，追溯其污染源，分析3条典型河流不同生态类型区水文环境、径流量与污染因子之间的关系，明确不同生态类型区区域环境对河流水质影响，为陕西省河流水质管理提供理论依据，对陕西省典型河流水质控制，对流域周边农业实现安全灌溉，保护农业环境，促进农产品安全生产，保障人体健康，维持陕西社会经济的可持续发展具有十分重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

陕西位于我国中部偏东靠北，位于105°29′—111°15′E，31°42′—39°35′N，总面积20.58万km2，约占全国总面积的2.1%。北山和秦岭把陕西分为三大自然区域：北部是陕北高原，中部是关中平原，南部是秦巴山地。陕西河流以秦岭为界，南属长江水系，北属黄河水系。长江流域约占全省面积的35%，河流含沙量小，水位季节变化小，主要支流有汉江，嘉陵江和丹江；黄河流域各河流含沙量大，水位季节性变化大，主要支流有延河、渭河、无定河等。

陕西省多年地表径流深212.5 mm，多年平均径流量420亿m3，其中长江流域年平均径流量313亿m3，入境年平均水量71.6亿m3；黄河流域年平均径流量107亿m3，入境年平均水量47.4亿m3。根据陕西省的自然地域和实际情况，为较全面真实地反映其地表水水质状况，选取延河、渭河和汉江3条主要河流代表黄河、长江两大流域，从地域上分别代表陕北、关中、陕南3个自然区域地表水状况。本研究选取，2001—2010年，渭河13个监测断面、延河5个监测断面、汉江9个监测断面，共计27个监测断面，进行典型河流水质污染特征及污染源分析。

1.2 测定指标与方法

1.2.1 水质监测 渭河中下游共设置13个水质检质监控断面，延河流域共设置5个水质监控断面，汉江共设置9个水质监控断面，各监控断面主要针对《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中的基本项目进行监测。选取2000—2010年各监测站点石油类、挥发酚、氨氮(NH3-N)、溶解氧(DO)、5日生化需氧量(BOD5)、高锰酸盐指数(CODMN)的监测数据进行分析研究。采用《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中的5类标准进行水质类别评价。

1.2.2 径流泥沙数据来源 本研究径流数据来自《中国河流泥沙公报》，延河(甘谷驿)、渭河(华县)和汉江(皇庄)。

1.3 数据分析

运用Excel 2007对数据进行整理后对水质进行综合评价。水质评价采用超标倍数法和模糊综合评价法[14]。运用Excel 2007对3条河流径流量、输沙量、DO、NH3-N、CODMN、BOD5、挥发酚、石油类污染物的关系进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 主要河流污染现状

2001—2010年，渭河13个监测断面、延河5个监测断面、汉江9个监测断面，共计27个监测断面，综合10年评价结果(表1)，2001年满足功能断面占40.7%，其中Ⅰ级水质标准的断面占37.0%，超过国家Ⅲ类标准断面占59.3%。2010年满足功能断面占到66.7%，其中Ⅰ级断面占到48.0%，不达标断面降至33.3%。2001—2010年，断面达标率逐年攀升，说明陕西省河流水质总体逐年改善。其中，长江水系第一大支流汉江流域水质持续优良，断面评价结果多为Ⅰ级水质；延河水质居中；渭河污染最为严重，断面评价多为Ⅴ类水质(图1)。

表1 2001-2010年陕西3条河流水质状况变化

图1 2001-2010年3条河流监测断面水质类别

汉江流域在10年中9个监测断面达标率为100%；延河5个监测断面随时间推移断面达标率逐年增加，2007年以后达100%达标率，2007—2010年，延河流域水体满足功能；而渭河流域水质改善于2004年后停滞不前，2001年断面达标率7.7%，2004年增加到30.8%，直至2010年，达标率仍持续为30.77%，水质未见显著改善(图2)。

图2 3条河流监测断面达标率对比

2.2 水质污染特征对比

2.2.1 DO监测评价 3条河流断面的溶解氧监测评价结果表明(图3)，汉江流域DO检出平均浓度>延河流域>渭河流域。渭河流域DO浓度最小值为3.5 mg/L(2002年)，污染评价为Ⅳ类。过去10年中，随着渭河污染控制力度加大，DO浓度逐年攀升，2010年DO平均浓度为5.54 mg/L。延河流域DO浓度最小值为2004年6.9 mg/L，2010年延河DO浓度达8.2 mg/L。汉江水质虽为3条河流中最好，DO浓度在3条河流中虽为最高，但在过去10年中，波动走低，2010年DO浓度为7.68 mg/L，低于10年的平均值8.19 mg/L。

图3 3条河流2001-2010年DO监测评价结果对比

2.2.2 高锰酸盐指数(CODMN)指数监测评价 2001—2010年，渭河CODMN污染最为严重，其次为延河，汉江CODMN检出浓度最低，水质最好(图4)。2003年渭河CODMN年平均浓度为10年来最高，34.28 mg/L，超过国家Ⅲ类标准4.7倍，为严重污染，自2003年以后，渭河CODMN浓度持续降低，到2010年平均浓度为8.85 mg/L。汉江流域CODMN浓度水平比较稳定，10年间，CODMN检出平均值在1.82～2.26 mg/L内波动，水质持续优良。延河流域10年间，CODMN浓度年均值呈现略增加趋势，延河流域在2010年平均浓度为5.06 mg/L，超过国家Ⅱ类标准。

2.2.3 生化需氧量(BOD5)指数监测评价 2001—2010年BOD5浓度大小排序为：渭河>延河>汉江(图5)。汉江BOD5污染物浓度最低，自2001—2010年，连续10年检出平均值在1.13～1.97 mg/L内波动，水质持续优良。延河在10年中仅有3年达到国家Ⅲ类标准，达标率仅为30%，超过70%的年度均超过国家Ⅲ类标准，其中2001年、2004年BOD5浓度平均值分别为7.52，7.78 mg/L，超过国家Ⅲ类标准0.88倍、0.95倍，而且10年内未见明显降低趋势。渭河BOD5污染物浓度为3条河流中水质最差，污染最严重，2001—2004年，BOD5污染浓度持续增加，分别为16.2，21.7，23.5，24.2 mg/L，超过国家Ⅲ类水质标准，污染评价为劣Ⅴ类，但自2004年以后，渭河BOD5浓度持续降低，到2010年平均浓度为7.22 mg/L。

图4 3条河流2001-2010年CODMN监测评价结果对比

图5 3条河流2001-2010年BOD5浓度监测评价结果对比

2.2.4 氨氮(NH3-N)监测评价 陕西省3条河流27个断面的监测数据表明，渭河氨氮浓度>延河氨氮浓度>汉江氨氮浓度(图6)。渭河所有断面氨氮监测年平均浓度均超过国家Ⅳ类水质标准，2002年氨氮平均浓度为9.53 mg/L，超过国家Ⅲ类标准8.53倍，自2001—2010年，虽然水质持续改善，但氨氮污染因子评价仍为劣Ⅴ类，氨氮污染严重，未能满足水体功能。延河氨氮浓度2001—2004年持续增高，污染加重，2006—2010年，氨氮污染得到有效控制，氨氮检出污染浓度均达到国家Ⅱ类标准。汉江流域10 a检出平均值在0.26～0.49 mg/L内波动，持续稳定优良。

2.2.5 石油类污染物浓度监测评价 石油类的监测数据表明，渭河>延河>汉江石油类年平均浓度(图7)。渭河2001—2003年石油类污染物浓度自1.0 mg/L增加至2.59 mg/L，自2003年以后逐年减少，但截至2010年，石油类污染物浓度仍高于国家Ⅲ级标准。延河2001年石油类污染物检出平均浓度为1.26 mg/L，超过国家Ⅲ级标准24.2倍，2002年以后水质持续改善，但至2010年，石油类污染仍未达标，水体污染严重。汉江流域2002年石油类污染物年均浓度为0.06 mg/L，超过国家Ⅲ级标准0.2倍，其余年份年检出平均值在0.02～0.05 mg/L内波动，持续稳定优良。

图6 3条河流2001-2010年NH3-N浓度监测评价结果对比

图7 3条河流2001-2010年石油类污染浓度监测评价结果对比

2.2.6 挥发酚浓度监测评价 2001—2010年，挥发酚多年均浓度为渭河>延河>汉江(图8)。延河流域和汉江流域挥发酚污染物浓度自2001—2010年，连续10年在0.001～0.004 mg/L内波动，均未超过国家Ⅲ类标准。渭河流域挥发酚污染比较突出，10年最小检出年均值为2010年0.01 mg/L，超标1倍，最大检出年均值为2004年0.043 mg/L，超过国家Ⅲ类水质标准7.6倍，挥发酚严重污染。

2.3 水质污染原因分析

2.3.1 水质与水文环境 随着径流量增大，水体的稀释能力和自净能力就会增强，水体污染程度也就相对减弱。长江流域约占全省面积的35%，水资源量占到全省总量的71%，汉江源于秦岭西段南坡，从白河县向东流出省境，省内全长652 km，省内流域面积54 783 km2，河流含沙量小，水位季节变化小，河道的生态水量充足，水质较好。3条河流中，汉江径流量最大，输沙量最小，为汉江水体稀释能力和自净能力提供了保障。同时，汉江沿途得到长江水系支流径流补给较多，降雨量补给在3条河流中最大，充足的生态水量极大保障了汉江水质。

黄河流域各河流含沙量大，水位季节性变化大。黄河流经陕、晋边界，沿途多峡谷。主要支流有渭河、无定河、延河和北洛河。渭河发源于甘肃省渭源县乌鼠山，至潼关港入黄河，干流全长818 km，流域面积134 766 km2，流域多年平均降水量610.4 mm，而多年水面蒸发量却高达700～1 200 mm流域自产水资源总量69.92亿m3，渭河流域泥沙输出量为3条河流中最高，远高于其余两条河流(图9)，渭河严重缺乏的生态水量，加上泥沙夹带着水土流失中的面源污染物进入水体，污染河流水质。渭河流域的农业产值占陕西农业总产值的50%，渭河的主体功能是农业灌溉。农业污水主要来源于高残留毒害性农药的应用、化肥使用不当而导致利用率低下以及禽畜养殖粪便随意排放3个方面。陕西是个水土流失严重的省份，进入土壤后的农药大部分随地表径流进入江河，飘浮在空中的农药随降雨、地表径流进入河流，最终汇入渭河。

延河全长284.3 km，流域面积7 687 km2，多年平均流量8.56 m3/s，多年平均径流量27 013万m3。径流的年内分配很不均匀，主要是受降雨的影响，延河降雨量在3条河流中年均值最小，同时，延河流域得到降雨径流补给极小，造成延河河道生态水量严重缺乏，水体自净功能较差。

图9 3条河流2001-2010年水环境

2.3.2 水质污染与泥沙量径流量的关系 随着径流量增大，水体的稀释能力和自净能力就会增强，水体污染程度也就相对减弱。为了进一步研究渭河、延河、汉江流域水污染与其径流量的关系，本文采用相关分析法对河流径流量、输沙量、DO、CODMN、NH3-N、BOD5、挥发酚、石油类污染物的关系进行分析，结果见图10。渭河流域DO浓度与径流量呈现正相关趋势，与输沙量呈正相关趋势，但相关性并不显著，氨氮浓度与年径流量呈显著负相关，径流量越大，氨氮浓度越低。

图10 渭河流域径流量和泥沙量和水质污染关系

延河河流径流与DO浓度呈显著正相关，径流量越大，DO浓度越高，水质越好，相关系数表明输沙量与DO浓度呈负相关趋势，但相关性不显著；延河流域挥发酚浓度与年径流量呈显著负相关，输沙量与挥发酚浓度呈正相关趋势，但正相关关系并不显著。汉江径流与CODMN浓度呈负相关趋势，但相关性指数不明显，年输沙量和CODMN浓度呈显著正相关，输沙量量越大，CODMN指数越高，水质污染越严重；输沙量与挥发酚浓度呈正相关趋势，但正相关关系并不显著。

3 结 论

2001—2010年期间陕西省水质污染程度呈减轻趋势，3条河流优良水质比例呈上升趋势，27个断面中Ⅰ—Ⅲ类水质断面比例由2001年的40.7%上升为2010年的66.7%，尤其是在2003—2008年这种上升趋势更为明显，3条河流污染状况从大到小排列次序是：渭河>延河>汉江。延河水质一直保持轻度污染，以Ⅳ类水质为主，但污染因子浓度总体有加重趋势；汉江水质一直保持优良，污染因子浓度总体有加重趋势。

随着径流量增大，水体的稀释能力和自净能力增强，水体污染程度也就相对减弱。对3条河流污染因子与径流输沙量回归分析表明，渭河流域DO浓度与径流量呈现正相关趋势，氨氮浓度与年径流量呈显著负相关，径流量越大，氨氮浓度越低。延河河流径流与DO浓度呈显著正相关，径流量越大，DO浓度越高，水质越好；延河流域挥发酚浓度与年径流量呈显著负相关，输沙量与挥发酚浓度呈正相关趋势，但正相关关系并不显著。汉江径流与CODMN浓度呈负相关趋势，但相关性指数不明显，年输沙量和CODMN浓度呈显著正相关，输沙量越大，CODMN指数越高，水质污染越严重；年径流量与BOD5浓度呈显著负相关，径流量越大，BOD5浓度越低，水质越好；输沙量与挥发酚浓度呈正相关趋势，但正相关关系并不显著。

参考文献:

[1] 中华人民共和国环境保护部.环境保护部发布2016年上半年全国空气和地表水环境质量状况[EB/OL].(2016-07-17)[2017-01-31].http:∥www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/qt/201607/t20160717_360820.htm.

[2] 王小云.流域环境泥沙氮、磷平衡吸附与饮用水源地水质评价[D].杭州:浙江大学,2012.

[3] Kirchner J, Feng X, Neal C. Fractal stream chemistry and its implications for contaminant transport in catchments[J]. Nature, 2000,403(6769):524-527.

[4] Chaubey I, Haan C T, Salisbury J, et al. Quantifying model output uncertainty due to spatial variability of rainfall[J]. Journal of the American Water Resources Association, 1999,35(5):1113-1123.

[5] 孙剑辉,柴艳,王国良,等.黄河泥沙对水质的影响研究进展[J].泥沙研究,2010(1):72-80.

[6] 王有乐,张建奎,孙苑菡,等.黄河兰州市区段泥沙特性及水质预测研究[J].甘肃科技,2006,22(7):69-71.

[7] 胡国华,赵沛伦,肖翔群.黄河泥沙特性及对水环境的影响[J].水利水电技术,2004,35(8):17-20.

[8] 陈静生,洪松,王立新,等.中国东部河流颗粒物的地球化学性质[J].地理学报,2000,55(4):417-427.

[9] 郭长城,喻国华,王国祥.河流泥沙对污染河水中污染物的吸附特性研究[J].生态环境,2006,15(6):1151-1155.

[10] 应一梅,许春红,李海华,等.黄河泥沙吸附砷污染物室内静态试验[J].环境科学研究,2012,25(3):352-356.

[11] 陈静生,张宇,于涛,等.泥沙对黄河水质参数COD、高锰酸钾指数和BOD5的影响[J].环境科学学报,2004,24(3):1-7.

[12] 夏星辉,王然,孟丽红.黄河耗氧性有机物污染特征及泥沙对其参数测定的影响[J].环境科学学报,2004,24(6):969-974.

[13] 钱正英,张光斗.中国可持续发展水资源战略研究综合报告及各专题报告[R].北京:中国水利水电出版社,2001.

[14] 谢记坚,刘承平.模糊数学方法及其应用[M].武汉:华中理工大学出版社,2000.