图们江中、下游流域水环境现状分析与评价

常瑜格， 孙雪菲， 朱卫红， 金明姬， 朴文华

(延边大学地理与海洋科学学院，吉林 延吉 133002)

水质评价是掌握水环境状况，进行水质管理的基础。对河流水质进行科学分析与评价，能准确诊断河流水质状况，针对性地制定水环境管理决策与规划[1]。目前，很多学者利用不同的水质评价方法对水质现状进行了具体评价。翟坤等[2]利用综合污染指数评价法评价了恩施城区段清江河水质状况；张千等[3]利用熵权的模糊评价法和单因子评价法，对庐江县自来水水厂水源地水进行了水质评价；周全超等[4]利用灰色聚类法,对同里古镇的水质进行了评价；黄淑玲等[5]利用一维水质数学模型对宿州市沱河段的水环境容量进行了分析。而水质评价过程中，将水质评价方法与水体富营养化相结合的研究相对较少。

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该研究以图们江中、下游流域为研究区域，应用内梅罗污染指数法与对数型幂函数普适指数法，对图们江中、下游水质及富营养化程度进行了分析及评价。通过对图们江中、下游水环境现状的评价，拟为图们江流域水污染治理工作提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

图们江是中朝、朝俄界河，是1条国际性河流，全长505.4 km，流域面积33 168 km2。图们江干流以和龙市南坪与珲春市甩湾子为界分上、中、下游河段[6]。图们江中、下游流域城市集中，人口聚集，对整个图们江流域水环境影响较大。

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1.2 样品采集及分析方法

由图1可知，中国侧图们江中、下游流域主要支流有海兰河、布尔哈通河、嘎呀河及珲春河，本研究在4大支流不同地区选取S1～S9等9个采样点进行水质分析。考虑到本地区的降水特点，样品的采集选取枯水期5月与丰水期8月进行采样，采样从2015—2017年共持续3年。所有水样在水面以下10 cm处进行采集，后将采集的水样装入1 L聚氯乙烯采样袋运回实验室，在4 ℃下保存，并在3 d内完成各项水质指标的测定。

图1 采样点分布图

分析的水质指标有pH值、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、氟离子(F-)及石油类(Oil)等8项，上述指标均按《水和废水监测分析方法》[7]进行测定。此外，该研究采用Pearson相关性分析及冗余分析(Redundant analysis，RDA)等统计分析方法，分析了不同水质指标间的相关性，以及不同土地利用类型对周边水体中各项水质指标的影响。同时，为了解该流域土地利用类型，该研究基于2016年图们江流域土地利用遥感影像，提取了9个采样点500 m缓冲区尺度下的土地利用信息。

1.3 评价方法

1.3.2 对数型幂函数普适指数法

式中，FN为内梅罗污染指数；Fiavr为各项水质指标单因子污染指数的算术平均值；Fimax为各项水质指标最大单因子污染指数。根据所得FN可将水体划分5个不同的污染等级，具体如表1[8]。本研究结合表2各采样点周边水体目标水质，确定了9个采样点的目标水质，目标水质根据地表水环境质量标准具体分为5类。

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(1)

式中，EI为富营养状态综合指数；Wi为指标i的归一化权重值，本研究中的各项分析指标视为等权重；EIi为指标i的营养状态指数；xi为指标i的“规范值”，xi计算具体如下[9]。本研究中选取了与富营养化关系密切的DO、BOD5、NH3-N和TP等4项指标进行了水体富营养状态评价。其中，DO“规范值”的计算如式5，其余3项指标“规范值”计算如式6。

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(2)

式中，Fi为各项水质指标的单因子污染指数；Ci为各项水质指标的实测值；Si为各项水质指标的水质标准。

(3)

内梅罗污染指数法是用简单的数值综合表示环境污染程度或环境质量等级的方法，具体公式如下。

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表1 内梅罗污染等级划分

表2 各采样点目标水质

1.3.1 内梅罗污染指数法

本研究中采用对数型幂函数普适指数法对河流水体的富营养化程度进行了评价，具体方法如下：

(4)

(5)

(6)

不同土地利用类型对周边水体中各项水质指标的影响不同，故该研究进一步分析了土地利用类型对水环境的影响。如图2，9个采样点土地利用类型主要分为4类，即林地、农业用地、城乡住宅与公共设施等建设用地，以及湿地及库塘等水体。采样点S1中林地占比最大，为97%；而S5中建设用地占比最大，为73%；其余采样点中农业用地占比最大，而其中S3与S8中农业用地与林地的差异不显著。

表3 各项水质指标的参照值

表4 富营养状态等级划分

2 结果与分析

2.1 水质基本现状

2015—2017年，9个采样点各项水质指标监测结果如表5所示。枯、丰水期所有采样点pH值在7.14～7.89，DO均大于7.27，均满足各采样点目标水质(表2)；所有采样点COD浓度在8.33～31.00 mg/L，BOD5浓度在0.96～4.43 mg/L，除S5枯水期COD浓度未满足目标水质外，其余采样点COD与BOD5均满足各采样点目标水质；所有采样点NH3-N浓度在0.07～1.03 mg/L，TP浓度在0.02～0.17 mg/L，NH3-N与TP均满足各采样点目标水质；所有采样点F-浓度在0.06～0.38 mg/L，Oil浓度在0.01～0.16 mg/L，F-与Oil也均满足各采样点目标水质。

表5 2015—2017年各项水质指标统计值

此外，综合考虑9个采样点各项水质指标，因采样点S5位于图们江流域人口聚集的延吉市下游，受人类活动的干扰，枯、丰水期S5的各项水质指标普遍高于其它采样点。

富营养状态综合指数枯、丰水期分别为35.14～57.56与38.22～54.75，除枯水期的S1与S8、丰水期的S1为中营养化状态外，其它采样点均为不同程度的富营养化状态。9个采样点中，因S5位于图们江流域人口聚集的延吉市下游，受人类活动的干扰，其富营养化程度最高；而因S8与S1位于各支流的上游，受人类活动影响较少，其富营养化程度在枯、丰水期均为最低。整体上，丰水期受农业面源污染等的影响，富营养化程度较枯水期高；而各大支流富营养化程度依次为布尔哈通河>嘎呀河>珲春河>海兰河。

表6 各水质指标的Pearson’s相关性

2.2 土地利用类型对水质的影响

式中，ci为各项水质指标的实测值；ci0为各项水质指标的“参照值”，具体如表3。根据上述EI计算结果，河流水体富营养状态可分为5个等级，具体如表4。

图2 各采样点土地利用状况

冗余分析结果，影响水质的主要土地利用类型有林地、农业用地及建设用地等(图3)。林地具有涵养水源、净化污染物质、拦截等作用，故林地与DO呈显著正相关，而与COD及TP等污染指标呈负相关，这与其他研究结论一致[10-14]。农业用地与pH值呈正相关外，与BOD5与NH3-N等污染指标呈负相关。图们江流域农业用地以水田为主，而水田类似于人工湿地对污染物具有一定的净化能力，故与污染物指标呈负相关,这与shen等[15]结论基本一致。建筑用地为人类的主要活动区域，故受人类活动的影响，建筑用地与COD及TP等的污染指标均呈显著正相关，而与DO呈负相关,此结果与Li等[16]结论相似。受污染物汇入影响，水体与COD及TP等的污染指标均呈显著正相关。综上所述，在图们江流域人类活动对不同水质指标的影响相对显著。

图3 土地利用类型与水质指标的冗余分析(RDA)结果

2.3 水质评价

该研究利用内梅罗污染指数反应了各采样点在时间、空间上的污染程度及其变化，并对图们江流域水质状况进行了整体评价。计算过程中因缺少气温、气压等基础数据，未考虑DO，利用其余7项水质指标进行计算[17]，结果如图4，5所示。

图4 各采样点梅罗污染指数

枯、丰水期9个采样点内梅罗污染指数分别为0.33～0.82与0.37～0.76，内梅罗污染指数最大值枯、丰水期分别出现在S5与S4,其污染程度均为轻污染；枯水期S4内梅罗污染指数仅次于S5，污染程度也为轻污染；但丰水期S5内梅罗污染指数显著低于枯水期，污染程度为清洁。这2个采样点所处河段，城市、人口密集，受人类活动影响较大，故其污染程度也相对较高。内梅罗污染指数最小值枯、丰水期均出现在S9,污染程度为清洁。S9虽处于珲春河下游，受人类活动影响显著，但因其目标水质等级高，内梅罗污染指数小，污染程度较低。除上述3个采样点外，其余采样点枯、丰水期水质污染程度均处于清洁或较清洁，水质良好。对比4大支流，水质污染程度依次为布尔哈通河>嘎呀河>海兰河>珲春河。在图们江流域城市及人口主要聚集于布尔哈通河流域，故受人类活动影响，其水质污染程度也最高。

此外，结合各项水质指标内梅罗污染指数可知(图5)，在图们江流域所测水质指标中COD是最大污染因子。其次，TP污染较为严重，但与BOD5、NH3-N等差异不显著，均为图们江流域主要污染因子。整体看，图们江流域水质状况较好，但也存在轻污染状况，故有必要合理开展水环境治理工作。

基于上述原因，广州地铁5、6号线联合我国有经验的企业，对直线电机气隙预警子系统进行攻关研究，直线电机气隙预警子系统孕育而生。

图5 各项水质指标内梅罗污染指数

2.4 富营养化状态评价

该研究选取与富营养化关系密切的DO、BOD5、NH3-N和TP等4项指标进行富营养化状态评价(图6)。

图6 各采样点富营养状态综合指数

为获取各项水质指标间的相互影响程度，基于上述监测结果，对各项水质指标进行了Pearson’s相关性分析(表6)。COD、BOD5、NH3-N及TP相互之间均呈显著正相关(P<0.01)，而就相关程度而言，COD与NH3-N、TP，以及NH3-N与TP间相关程度较高，均大于0.65。这说明图们江流域有机污染与营养盐类污染相伴发生。此外，从COD与BOD5的相关程度可知，图们江流域有机污染主要以可生化降解的污染物为主。

据报道，氮(N)、磷(P)对藻类的爆发性生长具有重要意义，可反映水体中藻类生长的总效应[18]。当水体中ρ(N)/ρ(P)<7时，水体表现为氮限制，此时，水体富营养化控制的关键在于磷含量；反之ρ(N)/ρ(P)>7为磷限制，需控制氮含量[19-20]。该研究中枯、丰水期ρ(N)/ρ(P)为5.40及6.18，均表现为氮限制，即在图们江流域磷是水体富营养化控制的关键。

3 结论

该研究调查了图们江中、下游水体中8项水质指标，并利用内梅罗污染指数法与对数型幂函数普适指数法评价了水体污染程度和富营养化程度，结果如下。

1)9个采样点各项水质指标基本满足目标水质，但枯水期普遍高于丰水期；各项水质指标中，有机污染与营养盐类污染相伴发生，且有机污染主要以可生化降解污染为主；林地、农业用地及建设用地是该流域影响水质的主要土地利用类型。

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2)内梅罗污染指数及富营养状态综合指数评价表明，该流域9个采样点水质均处于清洁和较清洁水平，水质状况良好，8项水质指标中COD是该流域最大污染因子；但富营养化程度较高，均为富营养化及中营养化状态，丰水期高于枯水期，磷是该流域富营养化控制的关键；各支流中布尔哈通河的水质污染程度及富营养化程度均最高。