南充市嘉陵江干流高锰酸盐指数和氨氮动态变化及影响因素

2018-12-26何虎军张柳青黎云祥权秋梅

四川环境 2018年6期

何虎军，张柳青，黎云祥，3，权秋梅，3，杨艳，3

(1.南充市环境监测中心站，四川南充 637000;2.西华师范大学环境科学与工程学院，四川南充 637000；3.西华师范大学环境科学研究所，四川南充 637000)

1 前言

嘉陵江是长江上游一条流域面积最大的支流，发源于陕西省凤县秦岭代王山，向西南流经陕西、甘肃、四川、重庆4个省，于重庆市汇入长江。流域面积近16万km2，全长1 119km[1]。随着人口的增长和发展需求的提高，嘉陵江流域环境不断受到人类活动的影响，人口、经济和环境矛盾越来越突出，工业、农业污染加重了嘉陵江流域的水环境负荷，如水土流失严重，重金属污染、生活污水等[2]。水体中有机物含量过多，会大量消耗水中的氧气，同时还会发酵，使细菌滋长，会对水源产生严重破坏[3]。

南充市地处四川省东北部、嘉陵江中游，是四川省第二人口大市。近年来，南充市的农业、工业、旅游业等产业带动经济快速发展，城镇化规模不断扩大，市区人口增多，工业、农业和生活污染源直接或间接地导致部分流域水质受到污染[4]。根据相关部门调查结果，2010～2015年期间南充市废水排放总量呈上升的趋势，增幅为19.41%，其中生活源和农业源为南充段嘉陵江水质污染的主要污染源[5]。而氨氮和高锰酸盐指数是常见的水质污染指标，反映了水体有机物污染状况和水体的自净能力[6]，通过对两项指标的监测分析有利于人类掌握水质状况，及时采取措施治理，保证人类健康[7-8]。因此，本研究以2011～2015年南充市嘉陵江干流三个主要断面的监测数据为基础，系统地分析了氨氮和高锰酸盐指数的分布特征及影响因素，不仅为环保部门制定预防、控制、解决嘉陵江南充段水质污染的综合治理措施和污水处理厂改进处理工艺提供参考依据，有利于保护南充饮用水源安全和市民健康，同时也为南充市经济可持续性发展提供良好的环境基础。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况

嘉陵江(介于北纬30°35′～31°51′、东径105°27′～106°58′之间)流域范围内大部分地区属于亚热带湿润季风气候，四季分明，雨水充沛。年降水主要集中在5～10月，其中7～9月降水量可占全年的50%以上[9-10]。嘉陵江是四川省南充市饮用水和生产的集中水源，也是川东北地区的重要河流[11]。它经广元市入川，在昭化区接纳白龙江，南流至阆中市(南充市入境)，经南充市嘉陵区流入广安市烈面镇(出境)[12-13]。水质自动监测站分布在嘉陵江南充入境(南充市阆中市沙溪镇)，沙溪水站; 嘉陵江南充市城市集中式饮用水源地(清泉寺大桥)，清泉寺水站; 嘉陵江南充市出境(广安市武胜县烈面镇)，烈面水站，见图1。

图1 嘉陵江南充段主要监测站点分布Fig.1 Monitoring site of Jialing river Nanchong section

2.2 数据处理与统计分析

2.2.1 评价标准和方法

(1)嘉陵江南充段水环境功能区划类别为Ⅲ类，其氨氮、高锰酸盐指数评价执行《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ш类水质标准，其中氨氮限值为1mg/L，高锰酸盐指数限值为6mg/L。

(2)单因子水质标识指数(Pi)

由1位整数、小数点后2位或3位有效数字组成，可表示为[14-15]

Pi=X1.X2X3

X1表示第i项水质指标的水质类别，其数值越大，表示监测指标的水质污染越严重；X2表示监测数据在X1类水质变化区间所处的位置，按四舍五入原则在0～9之间取值，值越大，表示在同一类别水质中检测指标的污染越严重；X3表示水质类别与功能区划设定类别的比较结果。

2.2.2 统计方法

采用SPPS19.0软件进行数据整理及Pearson相关性分析。采用Excel制作图表。

3 结果

3.1 DO和pH值的分布特征

表1可知，3个监测站点的DO在2011～2015年期间的变化范围分别在4.34～14.79，6.06～12.38，5.95～12.89mg/L之间，5年来3个监测站点的DO无显著差异(P>0.05)。3个监测站点pH值的范围在6.96～8.55，7.46～8.79和7.64～8.38之间，变化范围较小，比较稳定。沙溪站的pH与清泉寺站、烈面站存在显著差异(P<0.05)，见表1。

表1 三个监测站点5年的DO、pH变化情况Tab.1 Variation of DO and pH in three monitoring stations

注：同一水平相同字母表示在0.05水平差异不显著

3.2 高锰酸盐指数的分布特征

3.2.1 不同年份的变化情况

2011～2015年期间，沙溪、清泉寺和烈面3个监测断面的高锰酸盐指数均在Ⅲ类水质规定标准内。沙溪站监测断面的高锰酸盐指数先上升，到2015年呈下降的趋势，控制断面清泉寺站的高锰酸盐指数5年来处于基本稳定的态势，但是在2012年其含量上升到最高(2.39mg/L)。5年来，烈面断面的高锰酸盐指数均高于其沙溪站和清泉寺站，总体呈抬升的趋势，在2014年达到最高(2.92mg/L)，见图2。

图2 2011～2015年不同监测断面的高锰酸盐指数变化情况Fig.2 Changes of permanganate index in different monitoring sections from 2011 to 2015

3.2.2 不同水期的变化情况

沙溪、清泉寺和烈面三个断面的高锰酸盐指数在5年内各月份的变化趋势大体上相同，丰水期(6～10月)、平水期(5月，11月)和枯水期(12～4月)的高锰酸盐指数均在Ⅲ类水质标准以下(见图3)。丰水期烈面站高锰酸盐指数均高于其他两个断面，3个断面的高锰酸盐指数在丰水期呈增长的规律，在平水期和枯水期比较稳定，但高锰酸盐指数都低于丰水期。沙溪断面的高锰酸盐指数在2011年和2012年的丰水期出现最高峰值，在2013年平水期(4月)出现最低峰值(0.80mg/L)，后两年各月份变化平稳。清泉寺断面在每年丰水期(7月、9月)高锰酸盐指数出现峰值，但峰高度逐渐减少，在2012年7月最高(5.10 mg/L)。烈面的高锰酸盐指数在2015年的平水期(11月)出现了峰值，其余4年的丰水期出现峰值，2013年7月峰值最高(4.70 mg/L)，2014年各月份整体变化幅度不大，见图4。

图3 不同水期3个断面的高锰酸盐指数变化Fig.3 The variation of permanganate index in three sections at different water stages

图4 不同月份3个断面的高锰酸盐指数变化Fig.4 The variation of permanganate index in three sections in different months

3.3 氨氮的分布特征

3.3.1 不同年份的变化情况

图5显示，同高锰酸盐指数的整体情况相同，2011～2015年期间，沙溪、清泉寺和烈面3个监测断面的氨氮含量也都在Ⅲ类水质规定标准内。沙溪站监测断面的氨氮含量在2011～2014年以逐年上升的趋势发展，但在2015年下降了约33%。控制断面清泉寺站的氨氮的含量在前三年比较稳定，且不同年份的变化不大，但在2014年有所下降，到2015年又抬升了24%。烈面出境断面的氨氮变化趋势同清泉寺断面呈相同的变化趋势，在2015年回升了12%。

图5 2011～2015年不同监测断面的氨氮变化情况Fig.5 Changes of ammonia nitrogen in different monitoring sections from 2011 to 2015

3.3.2 不同水期的变化情况

不同水期中3个监测站点的氨氮监测含量均在Ⅲ类水质标准以下。图6表明了枯水期烈面站的氨氮含量和其余监测站有显著差异(P<0.01)。沙溪断面和清泉寺断面的氨氮含量变化规律基本相同，在枯水期下降，且均低于前两个水期，但是烈面断面的氨氮含量却在枯水期最高，在丰水期最低。此外，烈面断面的氨氮含量在丰水期和枯水期明显高于沙溪和清泉寺断面。沙溪、清泉寺和烈面3个断面的氨氮含量在五年内各月份的变化趋势基本上相同。沙溪断面的氨氮的变化较平稳，基本都在丰水期出现峰值。清泉寺断面氨氮的变化趋势波动较大，不同水期均出现了峰值。烈面的氨氮在2012年、2013年和2015年的枯水期出现了峰值，2013年9月出现最低峰值(0.07mg/L)。见图7。

图6 不同水期3个断面的氨氮变化Fig.6 Changes of ammonia nitrogen in three sections at different water stages

图7 不同月份3个断面的氨氮变化Fig.7 The change of ammonia nitrogen in three sections in different months

3.4 各理化因子间的相关性分析

相关性分析表明：3个时期中高锰酸盐指数仅与氨氮具有相关性，与DO和pH值无相关性(表2)。其中在丰水期和平水期，高锰酸盐指数与氨氮成负显著相关性；而在枯水期中高锰酸盐指数与氨氮成正显著相关性。氨氮在3个时期除了与高锰酸盐指数具有相关性之外，还与DO具有相关性(表3)。在平水期，氨氮和DO显著负相关性，在枯水期与DO显著正相关性。

3.5 单因子水质标识指数评价

对水质中高锰酸盐指数、氨氮含量进行了单因子标识指数评价(见表4)，结果显示，除了沙溪站在2013～2015年中高锰酸盐指数以及2011年氨氮在Ⅰ类水质标准内，其余监测时间3个监测站点的高锰酸盐指数和氨氮均在Ⅱ类水质标准内。3个监测站点在不同年份的标识指数中X2的值均在0～5范围内，且90%以上集中在0～2之间，即大部分时间氨氮、高锰酸盐指数集中在其水质标准区间中距标准下限值0～20%的位置。因此单因子标识指数评价结果更能够进一步说明这五年间高锰酸盐指数、氨氮污染较小，两项指标的年均值符合相关标准要求，见表4。

表2 不同水期的高锰酸盐指数与其他因子的Pearson相关系数Tab.2 Pearson correlation coefficient between permanganate index and other factors at different water stages

注：**表示在0. 01 水平( 双侧) 上显著相关

表3 不同水期的氨氮与其他因子的Pearson相关系数Tab.3 Pearson correlation coefficient between ammonia nitrogen and other factors at different water stages

注：**表示在0. 01 水平( 双侧) 上显著相关；*表示在0. 05 水平( 双侧) 上显著相关

表4 高锰酸盐指数和氨氮的单因子水质评价结果Tab.4 Results of permanganate index and ammonia nitrogen by single factor water quality evaluation

4 讨论

2011～2015年监测数据显示，高锰酸盐指数在入境断(沙溪站)逐年降低，控制断面(清泉寺站)的高锰酸盐指数略高于入境断，而出境段(烈面站)却逐年抬升并且高于控制断面，这说明嘉陵江流入南充段之前有机污染物质在逐渐的减少，而进入南充境内只受到了轻微污染。但是在出境时可能又受到了人为或自然因素的影响导致高锰酸盐指数升高，特是在2013～2015年间。氨氮含量在出境断面均高于控制断面，可能是还存在隐蔽性较高的污染源未被处理。除了2014年外，入境以后水质受到污染，出境断面的氨氮略高于入境断面。监测断面数据显示两项指标达到Ⅲ级标准，但是根据“十三五”规划纲要显示，南充“十二五”期间氨氮、化学需氧量总量减少量均未达到国省下达的目标，且在前四年内分别累计增长了5.95%和6.87%，因此，有机污染物质和氨氮的控制还需要加强[16]。

丰水期高锰酸盐指数明显高于枯水期和平水期，特别是烈面监测站，达到2.91mg/L，这可能与夏季温度较高，水中微生物生长繁殖活动增强有关。也可能是由于丰水期水量增大，工农业、生活用水增多，各支流污染源废水排放量增加，被污染的支流大量汇入导致丰水期高锰酸盐指数上升[17]。沙溪站和清泉寺站的氨氮含量在丰水期较高，在平水期和枯水期呈下降规律，也可能是平水期和枯水期温度较低，溶解氧增加，促进对有机物质的分解[18]。而烈面站的氨氮含量在枯水期增高，这可能是由于在出境前水质受到潜在污染源的污染和水中腐殖物质的增加，加上枯水期水量少，江流的稀释功能下降，所以氨氮含量升高[19]。枯水期高锰酸盐指数和氨氮的变化受相同环境因子的影响，其污染来源有同源性，溶解氧和pH值的变化对高锰酸盐指数影响不大。丰水期、平水期的高锰酸盐指数和氨氮还受到环境因子的影响不同，导致其变化规律相反，这与南充市的土地利用情况有很大的关系[20]。根据四川省南充市土地利用总体规划(2006～2020年)，南充市土地主要被用于农用、建设用地和其他用地(包括水域、自然保护)，其中农用地面积104.099 8万公顷，占总面积的83.41%。建设用地占到总面积的11.79%，其他用地仅占总面积的4.80%[21]。大面积的农业生产活动，如施用化肥、畜禽养殖等，产生大量的有机物质，包括含氮有机物，未被处理就随地表径流直接进入嘉陵江各支流或主流，增加了水中有机污染物和氨氮的含量。丰水期和平水期氨氮、高锰酸盐指数两个监测指标呈负相关，说明环境条件的改变对两者产生了相反的影响。这可能与丰水期江流中微生物生长繁殖加快，进而分解氨氮有关，以及人类活动的影响[22]。溶解氧对氨氮含量的影响在平水期和枯水期较大，枯水期温度低，溶解氧较高，但是微生物活动能力降低了，对氨氮的分解能力变弱[23]。

3个监测断面的水质标识指数均小于3，高锰酸盐指数和氨氮指标均达到了Ⅱ类水质要求。不同年份三个监测断面的两项指标在Ⅱ类水质标准区间的变化幅度均在距离标准值下限20%～30%之间的位置，变化比较稳定。南充“十三五”规划纲要提出了生态环境保护方面要减少主要污染物排放总量，例如化学需用量、氨氮等，必须完成国省下达的目标任务。但2013年以来，南充市环保投入额虽有所增加，但与GDP增幅相比仍显不足，9个县(市、区)中，除顺庆区、蓬安县有所增长外，其余均下降，因此在环境方面的投入没有达到要求。此外，南充市政府下达2016年水质断面达标率应该为80%，而实际只做到了60%的达标率，与距离“十三五”规划要求还存在差距[24]。根据目前的情况，一是南充市必须加速产业结构的调整，在监控和处理不合法、无环评、不环保的产业上态度强硬，不能拖延强化工业园区以及造纸、印染、化工、食品药品、规模化畜禽养殖、屠宰等行业污染治理和清洁化生产，减少化学需氧量和氨氮排放总量，严格入江(河、湖)排污管理。二是提高环保投入，处理对主城区的排污系统的合理升级，还要在乡镇大力建设污水处理、废弃物收集系统，提高生活污水和农业污水的收集、处理技术，严厉打击私排、乱排的违法行为[25-26]。此外，合理构建流域生态保护区，提高水源质量，打造绿色生态走廊和生态屏障。三是做好环保宣传和环保教育工作，提升广大市民自觉保护环境的素质，调动积极性，充分发挥其监督作用，推进“十三五”的工作进程。