煤炭型城市城区河流水质现状评价与分析——以宿州市沱河为例

孟祥嵩，李致春,，桂和荣，余 浩，江雅琪，余铭明，李前伟，成开峰

(1.宿州学院 环境与测绘工程学院，安徽 宿州 234000；2.国家煤矿水害防治工程研究中心，安徽 宿州 234000；3.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

1 引言

城市水环境污染调查与评价是当前环境研究的热点问题。目前，各国政府及相关科研单位都对城市河流污染评价进行了大量研究，常用的水质分析与评价方法主要有单因子评价法、内梅罗指数法、河流综合水质标识指数法、模糊综合评价法、灰色聚类法、主成分分析法等[1～4]，且国内外学者已进行了大量研究与改进。然而，现有的研究主要集中在于大中城市河流，但对于三四线城市城区河流城市水质评价关注较少，尤其是对于煤炭型城市。煤炭型城市指主要依靠煤炭资源开发而发展起来的，并且煤炭采选业在城市工业结构中占重要地位的城市[5]。煤炭开采过程中，排出的矿井废水常含有酸性污水、氮磷污染物和重金属等污染物，致使城区河流水质污染。同时，农业排放和城市居民用水产生的废水会加重城区河流污染。因而，三四线煤炭型城市城区河流水质评价工作亟需开展。

宿州市拥有丰富的煤炭资源，拥有皖北矿业集团大型煤炭企业，是典型的煤炭型城市。沱河是宿州市主要的城区河流，其水质受煤炭产业发展影响较大。因而，本文以宿州市沱河为例，在水质污染系统调查基础上，对水质现状进行评价，为当地水污染治理和生态文明建设以及三四线煤炭型城市的城区河流水质调查与评价提供参考信息。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

宿州市地处安徽省北部，位于东经116°09′～118°10′、北纬33°18′～34°38′之间，总面积9787 km2，属淮河流域，水系发达，主要的城市河流有浍河、沱河、新汴河等(图1)。宿州市的煤炭资源丰富，主要矿区有埔桥矿区、砀山煤田、义安山煤田以及张大屯煤田[6]。

沱河是宿州市主要的城区河流，是淮河流域重要水系，发源于河南省商丘市东北，在五河县城南汇入沱湖，最终与淮河支流相连，全长203 km，流域面4500 km2，河面宽 20～60 m，河底宽7～45 m，深2.0～4.0 m。最高洪水位标高26.20 m，多年平均最大流量412 m3/s，多年平均最小流量164 m3/s。由于近些年河道重新规划和改造，沱河上游部分汇入新汴河，导致沱河下游水量减少[7]。

2.2 样品采集

本次实验沿沱河自西向东依次选取了28个采样点(T1～T28)，但T1采样点的部分数据不足，无法分析，故只列出T2～T28号采样点，分布如图1。利用手持GPS经纬度定位仪器测定采样点地理坐标。利用采样装置进行水体采集，取采样点的河水润洗采样器和2.5 L洁净聚乙烯瓶后将样品放入2.5 L洁净聚乙烯瓶中，每个样品采取两桶，现场测定相关水质理化指标，包括：浊度(TUB)，透明度(SD)、氧化还原电位(ORP)、pH值、电导率(Ec)和总溶解性固体(TDS)。

2.3 样品测试及分析方法

将采集的样品存于用河水润洗两遍后存于2.5 L聚乙烯水桶中快速运往实验室在24 h内完成实验分析工作，测定相关污染物指标浓度。利用上海连华科技5B-6C型(v8)四参数水质快速测定仪分别运用过硫酸钾紫外分光光度法测定TN，钼锑钪比色法测定TP，比色法测定CODMn，纳式试剂光度法测定NH3-N,光电比色法测定TUB。

图1 沱河研究区域概况

2.4 评价方法

本文运用水质标识指数法从单因子水质标识指数法和综合因子标识指数法对沱河的水质现状进行分析评价，运用水质指标评价法进行富营养化分析。

2.4.1 单因子水质标识指数法

单因子水质标识指数可以完整标识水质评价指标的类别、水质数据、功能区目标值等重要信息，既能定量地判别水体属于哪一类别水质，又能定性地分析不同水质指标在属于同一类别水质中的优劣[8]。单因子水质标识指数(Pi)由一位整数和小数点后2～3位有效数字组成，其形式为：

Pi=X1X2X3

(1)

(2)

式(1)、(2)中：X1为第i项水质指标的水质类别；X2为监测数据在X1类水质标准下限值与X1类水质标准上限值变化区间中所处的位置，按四舍五入的原则计算，取一位整数确定；X3为水质类别与功能区划设定类别的比较结果，视评价指标的污染程度，为一位或两位有效数字[8, 9]。

当水质类别介于Ⅰ类水和Ⅴ类水之间时，可直接根据水质监测数据和国家水质标准对比确定X1。当水质指标监测值劣于或等于Ⅴ类水标准上限值时,X1X2的确定公式如下：

(3)

式(3)中：Pi5上为第i项水质指标V类水标准浓度值的上限。从式中可以看出，当水质指标监测值正好等于Ⅴ类水上限值时，X1.X2的数值为6.0，当Pi>6时，说明水质处于劣Ⅴ类水，数值越大，水质越差，污染越严重。

2.4.2 综合水质标识指数法

综合水质标识指数(WQI)是以单因子水质指标Pi为基础的河流水质综合分析评价,由整数位和小数点后3位或4位有效数字组成[10, 11]，其公式为：

WQI=X1.X2X3X4

(4)

式(4)中X1.X2为单因子水质标识指数法总和的平均值

(5)

式(5)中m为参加水质评价因子个数；X3为参与综合水质评价的水质指标中，劣于水环境功能区目标的单项指标个数，X4为综合水质类别与水体功能区类别的比较结果,用以判定综合水质类别是否劣于水环境功能区类别。如果综合水质类别好于或达到功能区类别,则有

X4=0

(6)

若水质类别差于水环境功能区类别且综合水质标识指数中X2不为0,则

X4=X1-f

(7)

若水质类别差于水环境功能区类别且综合水质标识指数中X2为0,则

X4=X1-f-1

(8)

水质级别的判定：基于综合水质标识指数法的水质级别的判定标准见表1，通过WQI值的整数位和小数点后第1位即X1.X2，可以判综合水质级别，X1.X2数值越大，说明水质越差。污染等级评价标准见表1[12]。

表1 基于综合水质标识指数的综合水质级别判定

表2 沱河理化指标的变化

3 结果与讨论

3.1 理化指标变化特征

沱河理化指标变化见表2。通过对沱河水样的采集和对理化指标进行分析可知，各采样点的氧化还原电位(ORP)数值在61～129 mV之间,平均值为93 mV，变差系数为0.17，各采样点之间指标变化较大。水体环境呈现一定的氧化性。pH值在8.24～9.14之间，平均值为8.77，变差系数0.03，各采样点差异非常小，偏碱性。导电率(Ec)在1023～1458 mS/cm之间,平均值为1270 mS/cm。总溶解固体(TDS)指水中溶解性物质的浓度，TDS值越高代表水中杂质越多[13]，由表3得出，沱河水中TDS范围在598～715 mg/L远超出直饮水标准(≤450 mg/L)。沱河水Ec值和TDS值较高，但各采样点指标变化不大，变差系数小，说明水体中溶解性物质较多。浊度在10.23～91.60之间，平均值为24.88，变差系数大，不同采样点之间数值波动大，最大值和最小值分别出现在6号和25号采样点，不符合我国生活卫生饮用水(GN5749～2006)[21]中1～3NTU的标准，不适宜饮用。同时，水体平均透明度为0.24 m，数值较低，表明水体较为浑浊。

3.2 污染物指标变化特征

表3为沱河污染物指标变化，图2为各污染指标不同采样点的具体数值变化。通过实验分析对照《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》[15]得出沱河水中TN含量在1.219～8.490 mg/L之间，平均值为3.219 mg/L，最大值出现在T21号点位，最大值最小值差值较大，但变差系数较小其余采样点变化为平均，处在Ⅳ类～劣于Ⅴ类标准之间。NH3-N含量在0.165～0.866 mg/L之间，最大值出现在T21号点位，平均值为0.337 mg/L，变差系数较大，处于Ⅱ类水～Ⅲ类水之间。TP含量在0.060～0.116 mg/L之间，最大值位于T3点位，平均值为0.082 mg/L，变差系数较小，各采样点变化幅度较小，处在Ⅳ类水～Ⅴ类水之间。CODMn在2.83～11.21 mg//L之间，最大值在T22点位，平均值为4.54 mg/L，处在Ⅱ类水～Ⅴ类水之间。通过对比发现，T21和T22点位的TN、NH3-N和CODMn含量较高(图2)。可能原因为煤炭工业产生的垃圾，酸性废水和重金属进入水体。而且此两个采样点位于宿州市运站附近，旁边有G206国道和沱河路两条交通要道，周围集中分布了数家汽车租赁行和汽车电器行和其他各种小商户。汽车尾气中也含有大量碳氮化合物等污染物气体和颗粒从而导致此两个采样点的河水中各类污染物含量远远高于其他采样点。

表3 沱河污染物指标变化

3.3 水质污染综合评价

根据《安徽省水环境功能区划》[16]，沱河的目标水质为Ⅳ类水，以TN、NH3-N、TP、CODMn为主要污染物指标运用单因子水质标识指数法和综合水质标识指数法做水质现状评价，评价结果见表4。图3为沱河采样点总体水质分布情况。

图2 沱河水体TN、NH3-N、TP、CODMn变化特征

由单因子指标指数的计算结果可知，参评水质指标中，TN超标最为严重，只有T24号一个采样点的水质合格，其余采样点水质总体类别处劣Ⅴ类但不黑臭。其中T12、T21、T22、T27点位水质污染尤为严重。T12点位位于港利锦绣江南小区附近，属于居民集中区伴有大量生活污水排放，容易造成水水污染。采样点T21、T22位于宿州市火车站附近，周围道路众多，商户林立。交通业带来的垃圾和商户排出的生活废水对水质影响较大。T27点位位于303省道下方，旁边有加油站和农田，汽车尾气中有大量碳氮污染物，加油站所排出的污水和农田化肥的使用也是造成水中TN超标的重要原因。

沱河中NH3-N指标平均处于Ⅱ类水，优于目标水质。其原因沱河水的为氧化还原电位高，水体不是处于缺氧状态，导致水中游离态的氨含量不高。同时，相关部门定期对河道垃圾和藻类的清理，工具扰动使水-氧气交换频繁，也使河水中厌氧微生物活性处于较低水平，降低了微生物的反硝化作用。

沱河中TP指标有T2、T3、T6号3个采样点水质不达标，其余采样点均达到目标水质。超标采样点皆地处宿州市三角洲公园附近，附近分布一定数量农田，且生活小区密集，居民使用含磷洗衣粉污水和农药溶液会部分流入河，引起TP浓度升高。

沱河中CODMn指标只有T22号一个采样点水质不达标，其余采样点均优于或达到Ⅳ类目标水质。根据周围居民区工业区和道路分析，T22号采样点造成水质变差的原因与TN超标原因类似，可能是未经处理的生活和工业废水的排放以及未经处理的工业废物和生活垃圾的堆积。

根据综合指数标识法进行水质综合分析，沱河水质平均等级为Ⅳ类水，达到目标水质，处于良好水平。28个采样点中，有22个采样点达到Ⅳ类目标水质，水质处于良好水平；有3个采样点优于Ⅳ类目标水质，水质达到优秀水平；有2个采样点为Ⅴ类水，劣于目标水质，水质处于轻度污染水平；另有1点因数据不足未做评价。结合图3可知，沱河水绝大部分区域水质达到或优于目标水质，只有T21号和T22号点位不达标，且TN、NH3-N、CODMn指标和综合指标的水质指数峰值均出现在T21号和T22点位，有关部门需要引起重视，加强这一区域管理监控。

表4 沱河单因子(Pi)及综合水质标识指数评价结果

图3 沱河采样点总体水质分布情况

4 结语

(1)作为典型煤炭型城市，沱河的水质总体达到Ⅳ类目标水质的标准，水质偏碱性，Ec、TDS和TUB偏高，SD偏低，不适宜灌溉和饮用；沱河的单因子指标中TP、CODMn指标达到Ⅳ类目标水质的标准，但CODMn在T22点位处于Ⅴ类水；TN浓度超标严重，指标高于目标水质Ⅳ类水的标准；NH3-N含量处于Ⅱ类水～Ⅲ类水，达到目标水质期望标准。

(2)综合水质标识指数显示，沱河水体4种污染指标总体处于Ⅳ类水，水质良好，达到目标水质。但T21、T22号点位地处宿州市火车站周围，污染物多，水质处于Ⅴ类，与目标水质对比，并呈现轻度污染状态，有关部门应该引起重视。