对泾河水质时空分布的分析与评价

张 翔

(黄河流域生态环境监督管理局生态环境监测与科学研究中心，河南 郑州 450004)

泾河是渭河的最大支流，发源于宁夏泾源县，依次流经宁夏、甘肃、陕西三省(区)，在西安市陈家滩汇入渭河。泾河流域主要位于黄土高原沟壑区，水土流失较为严重[1]。根据2019年《黄河泥沙公报》的资料显示，泾河多年输沙量均值为2.09亿t，占黄河流域重要支流输沙量的21%[2]。随着工业发展和城镇化推进，泾河水体水质的优劣不仅关系到沿岸百姓的日常用水安全，还直接影响着渭河的水质。

文章通过对泾河近10年来水文、水质监测资料进行分析，从泥沙径流的变化趋势、水功能区水质达标情况、主要污染物相关性分析等三个方面出发，对泾河10年来水质状况进行全面的梳理，为“十四五”期间更好地推进泾河流域生态环境保护和经济社会高质量发展提供基础支持。

1 评价范围与方法

1.1 水质评价范围

泾河彬县工业、农业用水区彬县断面以上有马莲河、蒲河、汭河等支流汇入，为了更加科学、全面地评价泾河水质状况，文章依据《全国重要江河湖泊水功能区划(2011—2030年)》，选取彬县断面下游7.3km的景村断面和泾河泾阳农业、工业用水区代表断面张家山作为评价对象。

依据水功能区限制纳污红线评价技术要求，结合近10年以来的泾河水质监测成果与GB 3838—2002《地表水环境质量标准》进行对比，从中筛选出5项主要评价指标，分别为溶解氧(DO)、高锰酸盐指数、化学需氧量(COD)、氨氮和总磷(TP)作为本次调查评价的监测因子[3-4]。

1.2 水质评价方法

1.2.1模糊综合评价法

河流水质污染程度的高低是一个相对模糊的概念，通过特定的分级标准去衡量水污染程度是不够准确的。模糊综合评价法在数学原理的基础上，通过确定隶属函数搭建模糊关系矩阵，对水体水质的不确定性和模糊性进行量化处理，从而客观地分析评价河流水质状况[5-6]。

首先将泾河景村和张家山断面的DO、COD、TP等5项指标建立评价因子集合，然后依据GB 3838—2002中相关指标的标准限值，分别确定各指标所占权重。利用隶属函数法计算景村和张家山断面各指标的隶属度，搭建模糊关系矩阵[7]。

隶属函数公式：

(1)

式中，r—隶属度值；C—某监测指标的实测浓度；C0—某监测指标所属水质标准限值的上限值；C1—某监测指标所属水质标准限值的下限值。

模糊关系矩阵：

(2)

式中，m—评价指标数；n—其水质类别；rmn—第m种污染物的指标数值被评价为第n类水质类别的百分比。

将模糊关系矩阵与评价指标的权重矢量进行复合运算，依据最大隶属度原则确定泾河景村和张家山断面的综合水质类别。

1.2.2水质标识指数法

单因子水质标识指数计算相对简单，与传统的评价方法相比，可以对相同类别的同一监测因子进行定量评价[8]，文章应用单因子水质标识指数，判断泾河中下游河段的主要污染项目。

单因子水质标识指数由一位整数和两位小数组成，其计算公式如下[9]：

I=X1.X2X3

(3)

式中，I—单因子水质标识指数；X1—评价指标的水质类别；X2—监测指标在X1区间内所处的位置；X3—参与评价的监测指标中劣于水功能区目标的个数。水质标识指数分级标准见表1。

表1 综合水质标识指数分级标准

2 结果与分析

2.1 泥沙径流变化

自2011年以来，泾河年径流量和输沙总量均值分别为11.6亿m3和0.53亿t。根据表2可知，近10年来泾河径流量与输沙量间呈现明显的年际变化，2011—2019年泾河输沙量极值比与径流量的极值比分别为5.5和2.5，泾河输沙量变异系数为0.68大于径流量变异系数0.30；通过变异系数从侧面验证了泾河输沙量年际变化率大于径流量年际变化率[10]。

表2 2011—2019年泾河年径流量和输沙总量统计表

近10年间，泾河输沙量每隔3年会出现一个峰值，分别是2013年的1.3亿t、2016年的0.58亿t、2018年的0.96亿t。径流量只在2013年和2018年出现峰值，受降水减少和农田灌溉用水增加的影响，2016年泾河径流量为建站以来的最小实测年径流量，说明泾河径流量与输沙量之间的正相关性不显著。

为了准确地探求径流量和输沙量之间随时间变化的相关关系，利用Excel分别计算出泾河径流量和输沙量的线性回归方程[11]，如图1和图2所示。虽然径流量时空分布上有着明显的上下波动趋势，但是通过其线性回归斜率可知，自2011年以来，泾河径流量总体呈小幅上升的趋势，平均每年增加0.2429亿m3。虽然输沙量时空分布上同样有着明显的起伏波动，但是其线性斜率几乎为零，2019年输沙总量与2012年相比，基本保持稳定。

图1 2011—2019年泾河年径流量变化趋势

图2 2011—2019年泾河年输沙量变化趋势

2.2 模糊综合评价结果

由表3可知，2018年之前泾河景村段水体污染程度较严重，2011—2017年Ⅳ类水占42.9%；Ⅴ类水占57.1%。通过计算由Ⅰ～Ⅴ类水各自的最大隶属度可知，泾河景村段Ⅳ～Ⅴ类水所占权重从2016年的0.72降至2018年的0，自2016年以来，景村段水体水质得到逐步改善。2018年之后，景村段水体水质均符合地表水Ⅲ类水质要求。

表3 泾河景村断面水质模糊综合评价结果

泾河下游张家山断面水质明显优于中游景村断面，由表4可知，自2013年以来下游河段水质均满足水功能区Ⅲ类水质目标。这说明下游河段两岸污染物输入较少，泾河景村段输入的污染物通过沿途物理、生物等作用不断转化降解。

表4 泾河张家山断面水质模糊综合评价结果

2.3 主要污染因子

通过单因子水质标识指数法，对泾河主要污染指标进行判断，其结果见表5。从各评价项目的标识指数计算结果可以看出，2011—2017年泾河COD的水质标识指数最大，说明COD是造成泾河水质不达标的主要因素。2017年之后泾河COD浓度呈显著好转趋势，其2019年水质标识指数1.60相比2011年的峰值5.62，降幅达71.5%。

表5 泾河单因子水质标识指数评价结果

衡量监测数据所在其水质类别区间中的位置是水质标识指数法的优势。虽然2016年之前泾河氨氮浓度达到Ⅲ类水功能区要求，但是其值大多在Ⅲ类水区间距下限值60%～80%的位置，水质存在超标风险。2016年至今，泾河水质逐渐改善，氨氮水质标识指数基本稳定在Ⅱ类区间。泾河DO、高锰酸盐指数和TP三项指标的水质标识指数基本在2.00到2.80区间内上下波动，说明这三项指标最优，基本稳定在Ⅱ类水平。

以往的研究表明，河道水体污染程度与泥沙径流量有着密切关系。一方面，河道水体的自净和稀释能力随着径流总量的增大而变强；另一方面，由于泾河水体pH值基本呈弱碱性，在这种条件下，泥沙颗粒等具有较强的吸附和解吸能力，可以把水体中的有毒有机物质吸附到颗粒物表面，降低水体中污染物含量[12-15]。为了进一步研究泾河水污染与泥沙径流之间的关系，通过相关系数法对其相关性进行评价，结果见表6。

表6 COD和氨氮与泥沙径流相关性系数表

泾河COD浓度与径流量、输沙量呈负相关，其相关系数分别为-0.399和-0.261，相关性不显著。径流量与氨氮浓度的相关系数为-0.644，呈现弱负相关，径流量越大，氨氮浓度越低。输沙量与氨氮浓度的相关系数-0.339，显示输沙量与氨氮浓度呈负相关，相关性不显著。

3 结语

从时空分布上看，近10年来泾河输沙量年际变化率大于径流量年际变化率。从趋势变化上看，泾河径流量总体呈小幅上升的趋势，输沙总量基本保持稳定。2017年之前泾河景村断面基本为Ⅳ～Ⅴ类水，COD是主要污染物。通过截污减排等措施，2018年之后景村断面水质得到逐步改善，达到Ⅲ类水水平；自2013年以来，泾河下游张家山断面基本满足水功能区Ⅲ类水质目标。泾河输沙量与COD、氨氮浓度呈负相关，相关性不显著；径流量与氨氮浓度呈弱相关性，径流量越大，氨氮浓度越低，径流量与COD浓度相关性不显著。