宝鸡市东沙河流域水质污染评价
2019-06-20周欢欢刘引鸽胡浩楠
周欢欢,刘引鸽,2，胡浩楠
(1.宝鸡文理学院地理与环境学院，陕西 宝鸡 721013；2.宝鸡文理学院灾害监测与机理模拟陕西省重点实验室，陕西 宝鸡 721013)
1 前 言
伴随着城市建成区的空间扩张和社会经济的快速发展，农业和工业用水量也不断增加，排入河流的污染物逐年增多，加之城市河流的人工化，致使城市河流水质严重恶化[1]。水质系统是自然与社会系统综合作用的复杂系统，水质变化不仅反映了各种自然因素如气象水文特征、流域特征、地质状况等在河流中形态表征的变化，同时也体现了流域范围内社会经济、人类活动对河流水系作用的响应[2]。因此，综合采用多种方法更能科学评价河流水质状况。采用科学的方法评价水体污染指标，确定水体等级及使用方向，成为学者们关注的热点问题。目前，对水质评价方法主要有单因子评价法[3-4]、综合污染指数法[5-6]、模糊综合评判法[7]、主成分分析法[8～10]、内梅罗指数法[11]等，主要针对区域河流水质评价分析，但对城市河流水质污染分析研究较少。
东沙河流域发源于秦岭山前残塬，由南向北最终汇入渭河，流经旭光村、金德工业园、渭水苑社区区域，是渭河南岸的一级支流，也是宝鸡市区传统农业生产区。该流域沿岸工业集中，农业发达，人口稠密，生活污染物大量堆积，加之不完善的排水系统，造成该流域严重污染，同时产生了诸多环境问题，控制河流污染已经成为亟待解决的问题。本文通过东沙河纵剖面进行总磷、化学需氧量、pH值和氨氮的测定，系统分析采样断面污染特征、变化趋势及污染因子，并对水质污染状况进行评价。这些研究对城市环境规划及污染治理有主要意义。
2 材料与方法
2.1 样本采集
采样时间为2017年3月～4月，根据东沙河流域特征，选择水流相对缓慢平直的节点区域设置采样点(见图1)。对每个采样断面采样并编号，每个样点样品重约1 000g。将采集的水样带回实验室冰箱储藏备用。采样断面分别为：东沙河河口(S-1)、居民点上游(S-2)、食品药品监督局北(S-3)、旭黄路东(S-4)、宝鸡兴达有限公司门口东侧(S-5)、明基机械化公司东(S-6)、源头(S-7)。
图1 东沙河样本空间分布图Fig.1 Dongsha River sample spatial distribution map
2.2 样本处理与测定
实验所用器皿均用稀硝酸浸泡洗净，所用试剂均为优级纯。测试过程中，相同指标不同采样断面均单独标号。
总磷(钼酸铵分光光度法)：取25mL比色管(每个采样断面单独编号)，润湿后加入磷酸盐溶液，加水稀释至10mL刻度线,加入10mL样本溶液，放入压力锅中消解，消解完成后加入抗坏血酸溶液和钼酸盐溶液，静置10min后，用玻璃比色皿测定溶液吸光度(波长为700nm)。化学需氧量(重铬酸盐法)：取锥形瓶润湿，加入样本溶液10mL，加入重铬酸钾溶液及防沸珠，把容器接入回流装置，加入硫酸银-硫酸，加热两小时，溶液冷却后加菲绕啉溶液，再用硫酸亚铁铵溶液进行滴定，溶液的颜色变为红褐色停止晃动，记录硫酸亚铁铵溶液的数值。氨氮(纳氏试剂比色法)：取25mL比色管润湿，加入铵氮溶液加水稀释至25mL,加入25mL样本溶液，加入酒石酸钾钠溶液和纳氏试剂，用玻璃比色皿测定吸光度(波长设为420nm)。pH值(玻璃电极法)：取7个同等大小的一次性纸杯润湿，加入10mL的样本溶液。用水样润湿电极，将仪器浸入样品中，缓慢摇动，静置1min后，待读数稳定方可记录此时的pH值。
2.3 评价方法
2.3.1 单因子评价法
采用单因子评价法确定水质类别，是将水质各参数实测值与国家标准相比较，进而判定水质类别，从而选择最低的水质类别作为最终结果。见公式(1)：
(1)
式中:Ii为单因子评价指数;Ci为第i种评价因子的观测值;Si为第i种评价因子的评价标准值.单因子评价指数的值越大，表明该参数在水环境中的污染程度越重，反之越轻。
2.3.2 综合污染指数法
采用综合污染指数，可以判定河流的污染物和主要污染程度，见公式(2)：
(2)
式中，Ij表示j断面m项污染参数的综合指数值;Ci表示j断面第i项污染参数的监测统计浓度值;Si表示第i项污染参数的评价标准值(文中取Ⅲ类标准限值);m为污染参数的项数。
2.3.3 改进的内梅罗污染指数法
采用改进的内梅罗污染指数法，计算各污染因子的权重，综合考虑各评价指标的差异性。
2.3.3.1 计算单项污染指数如公式(3)
(3)
Fi第i项监测指标的单项污染指数，；Ci表示第i项监测指标的实测值；Si表示第i项监测指标的标准值。
2.3.3.2 计算污染因子的权重Wi
首先确定流域的水质计算标准(本次水质评价选取Ⅲ类地表水标准进行计算)，先计算各污染因子的权重见公式(4)
(4)
式中，Wi为第i个污染因子的权重值;m为污染因子的个数。Si为第i个污染因子的计算标准;Smax为m个污染因子计算标准的最大值。
2.3.3.3 确定内梅罗污染指数,见公式(5)
(5)
3 结果与分析
3.1 污染现状分析
3.1.1 污染物变化特征
东沙河流域各采样断面污染源呈现出明显特征，由图2可知，7个采样断面pH浓度属于地表水质量标准[12]。S-1检测面的污染因子为COD、氨氮和磷，污染分担率分别为43%、30%、3%，流域水体受COD、磷污染较大。S-2断面COD、氨氮、磷污染因子分担率分别为63%、10%、2%。S-3断面COD、氨氮污染分担率分别是90%、5%，COD污染率在此监测面达到峰值。S-4监测面COD、氨氮、磷指标污染分担率分别是61%、20%、2%。S-5河流水质受COD、氨氮、磷污染的影响，污染分担率为62%、6%、3%。S-6监测面COD、氨氮污染因子分担率分别为80%、2%，COD污染率在此断面达到次最大值。S-7断面COD、氨氮含量污染分担率分别是69%、2%。总之，7个采样断面中，COD为主要污染物，次要污染物为氨氮，河流水质受到严重污染。
图2 东沙河各采样断面污染分担率Fig.2 Pollution sharing rate of samplingsections in Dongsha River
3.1.2 污染状况评价
东沙河流域磷含量呈现阶段特征，由图3(a)可见，从S-1到S-2及S-4至S-6监测面，磷的含量呈下降趋势。从S-2到S-4及S-6至S-7，磷的含量呈缓慢增长。总体而言，磷含量呈下降趋势，在S-1断面达到最大值，S-4断面次之，S-6断面达到最小值。
东沙河流域化学需氧量也表现出明显的阶段特征，由图3(b)可知，从S-3至S-4断面及S-6至S-7断面，化学需氧量急速下降，这与严惩工业废水不达标的国家政策密不可分。从S-1至S-3及S-5至S-6，化学需氧量呈迅猛增长趋势，总体上看，化学需氧量浓度呈下降趋势，在S-3达到最高值；在S-6监测面次之，S-3断面达到最低值。
东沙河流域氨氮也呈现出阶段特征，由图3(c)可知，从S-1至S-2及S-3至S-7监测面，氨氮含量逐步下降。从S-2至S-3断面氨氮含量急剧上升，是整个东沙河流域氨氮含量唯一上升的河段。总体而言，氨氮含量呈下降趋势，在S-3监测面达到最大值，S-4次之，S-6断面氨氮含量最小。
东沙河流域pH值分布特征如图3(d)所示，从S-1至S-2及S-6至S-7，pH值呈下降趋势；从S-2至明基机械化公司，pH值呈上升趋势。总体而言，pH值上升趋势显著，数值范围在6～9之间，属于国家水环境标准的正常范围。
3.2 水质污染评价
采用单因子评价法对各采样断面的水质进行评价，单因子污染指数P>1时，表明水质受到污染；P<1时，说明水质越好。以该断面参评指标中最差类别作为该断面的水质综合类别。由图4可知，东沙河流域的主要污染因子为磷、COD、氨氮。S-1、S-3、S-4监测面的污染因子为磷。COD为污染因子的监测断面有S-3、S-6。S-6、S-7监测面受氨氮影响最大。由表1可知，S-5及S-1监测面水质类别为Ⅳ类，其余5个断面均为Ⅴ类水，东沙河流域水质严重污染。
图3 东沙河流域磷、化学需氧量、氨氮、pH含量趋势图Fig.3 Variation trends of phosphorus,chemical oxygen demand,ammonia nitrogen and pH content in Dongsha River Basin
图4 东沙河流域各采样断面单因子污染指数效果图Fig.4 Effect chart of single factor pollution index of each sampling section in Dongsha River Basin
将各断面实测值与地表水环境标准[12]相比较，结果见表1，东沙河流域污染因子主要为COD和氨氮。S-3、S-4监测面污染因子为COD，氨氮为污染因子的监测断面有：S-1、S-2、S-3、S-4。
采用综合污染指数法评价水质综合级别，综合污染指数对应的水质分级为：P≤0.5，轻度污染；0.5
表1 东沙河流域各采样断面因子等级Tab.1 Water quality category of each sampling section in Dongsha River Basin (mg/L)
根据地表水环境质量标准，选取污染因子磷、COD、氨氮，计算得出改进的内梅罗指数污染分类标准，见公式(4)、(5)：P′<0.426，Ⅰ类；0.426≤P′<0.773，Ⅱ类；0.773≤P′<1.237，Ⅲ类；1.237≤P′<1.685，Ⅳ类；P′≥1.685，Ⅴ类。进而得出用内梅罗指数划分的水质级别，由表3可见，S-6断面水质类别为劣Ⅴ类，S-2及S-3以及S-7的水质类别为Ⅴ类严重污染，S-5水质类别为Ⅳ类重度污染，其余2个断面的内梅罗指数均为p<1，水质类别达到Ⅲ类以上标准，水质良好。整体上看，东沙河流域上游水质较好，中下游污染严重。通过比较改进的内梅罗指数值的大小，可以得出采样断面水质状况由优到劣依次为S-1、S-4、S-5、S-7、S-2、S-3、S-6。
综合采用3种评价方法对东沙河流域7个断面进行水质评价，进行对比分析。由表2可知：3种评价方法的结果基本一致，河流上、中、下游水质类别分别为Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类。
表3 各断面改进的内梅罗污染指数及水质评价结果Tab.3 Improved Nemero pollution index and water quality evaluation results for each monitoring section
4 水污染原因及治理对策
4.1 污染原因分析
河流上游地区农田灌溉区面积广阔，居民取水灌溉量大，灌溉溢流水流入河道，加之工业区分布广泛，工农业废水直排，导致河流上游水质变差。河流中下游钛工厂数量繁多，河流沿岸建有大型垃圾站，城镇污水处理系统不完善，加之居民区分布密集，人口稠密，工业废水、生活污水及固体废弃物大量堆积，成为河流中下游水质较差的直接原因。总之，工厂分布数量及工业废水排放量的多少是影响流域水质的主要原因。生活污水排放量及固体废弃物的多少、农业废水溢流量的大小对河流水质的变化有重要作用。
4.2 治理对策
增加水资源总量，提高河流自净能力。一是根据近年来宝鸡城市河流“筑堤拦水”的成功经验，建议将上游下泄的洪水存储，待到枯水期放闸启用[14]；二是增加河流上游来水量，在河道修建堤坝，限制上游引水量及下游泄水量，保证流域内的充足水源。
调整产业发展模式，狠抓源头治理。工业方面，提高企业入驻门槛，严格监测工厂的排污量，搬迁、关闭高耗能高污染企业[15]。农业方面，改变传统的滴灌、漫灌方式，推行环保科学的灌溉方式和理念，从源头杜绝污染，改善水质状况。
积极推行流域问责机制，建立科学合理的监管体系[16-17]。首先，对企业和居民区的排污量进行实时监测；其次，推行“谁投资，谁管理，谁受益”及“污染问责到人”的机制，明确流域监管中的责权体系；最后，设立明确的污染举报奖励机制，将污染治理成果划分等级，纳入领导人考核评定体系。
完善公众参与机制。利用社区的基层组织作用，成立社区污染防治咨询小组，通过社区访谈，污染防治宣讲会等形式，鼓励公众参与污染防治[18]。
5 结 论
流域内各监测断面首要污染因子为COD，其次为氨氮，磷污染最小。且磷、化学需氧量、氨氮浓度呈下降趋势，pH含量缓慢上升。流域水体受到严重污染，上游污染因子为COD，主要污染源为农业废水。下游污染因子分别为COD、氨氮及磷。主要污染源来自工业污水及固体废弃物。
单因子评价法评价结果为：河流中下游水质较差，为Ⅴ类水；综合污染指数法评价结果为：河流中下游受到严重污染；改进的内梅罗指数法评价结果为：东沙河流域上游水质较好，中下游污染严重。三种评价方法的结果基本一致，河流上、中、下游水质类别分别为Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类。
根据东沙河水质污染状况，从增加水资源总量、调整产业发展模式，狠抓源头治理、积极推行流域问责机制、完善公众参与机制等方面提出合理措施。
