冬春交替期沱江流域水质评价及差异分析

税永红，卢永洪，罗 靖，罗永军，毛红梅，彭黎帆

(1.成都纺织高等专科学校 轻工与材料学院，成都 611731； 2.四川新闻网传媒(集团)股份有限公司，成都 610031；3.四川省环境科学学会,成都 610030)

1 研究背景

沱江是长江及三峡库区上游的重要一级支流，全长636 km。沱江流域跨成都、德阳、绵阳、内江、泸州、自贡、乐山、眉山、宜宾、资阳10个市36个县(市、区)[1]，是长江上游生态屏障的腹心地带和重要组成部分，其水质对长江上游、三峡库区水质有着重要的影响。长期以来，沱江以仅占四川省3.5%的水资源，支撑着全省30%的经济总量和26.2%的人口生活生产，严重“超载”导致沱江“久治难清”，成为四川省水污染最为严重的流域。随着“长江大保护”攻坚战的打响，在习近平总书记生态文明思想的指引下，沱江迎来污染治理的新时代，沱江成为了四川省委、省政府在全省水污染防治攻坚的“主战场”。

流域水环境质量评价作为水资源保护的一项重要基础性工作, 是进行水资源系统管理的一项重要依据，是进行流域管理重要而有效的技术手段。研究者们从不同层次对沱江流域水质进行了评价[2-5]，评价方法主要有单因素评价法、模糊数学法、生物评价法、综合水质指数法、最少指标水质指数法等[6]。

最少指标水质指数(WQImin)是基于国际普遍采用水质指数(WQI)，选择具有代表性的最少参数测试结果，计算其标准化值及WQImin值后进行评价的，该方法具有成本低、速度快的优点，越来越多地被应用于流域水质评价中。Wu等[7]、Naveedullah(纳维德)[8]在流域尺度上进行水质评价时，WQImin表现出了良好的可行性与准确性。但这种评价方法是基于给定的权重进行标准化计算，不能充分体现参评因子的污染贡献情况，而综合水质指数法能基于水体功能标准对污染因子的污染贡献进行评价，可以弥补最少指标水质指数在快速评价过程水体综合水质信息表达不完整的不足[9]。

长江流域大部分江段水质枯季达标率相对较差[10]，沱江流域流量受季节因素影响显著[11]，从沱江流域季节水质变化来看，每年2—5月份是沱江流域农业用水高峰期，再加上处于枯季，用水量大而补给少，因而水质差[12]。每年2月份又处于冬春交替之际，是沱江流域水质变差的一个转折期。因此，本文将WQImin与综合水质指数法相结合，选择沱江流域16个国控断面和1个对照省控断面，对2016—2019年2月份水质进行评价，分析了冬春交替之际流域不同断面水质差异及变化，并对2019年各断面参评因子污染贡献率作了分析，以期为检验“四大治理机制”“五大重点领域”“三大预警能力”“三大督查手段”综合施策成效[13]，为沱江后续污染治理、 打赢“长江大保护”攻坚战和保护长江上游生态屏障提供科学决策依据。

2 材料与方法

2.1 研究区域

沱江有3个源头，主源为发源于茂县九顶山南麓的绵远河，源头—金堂县赵镇三江口134 km为沱江上游；三江口—内江椑木镇300 km为沱江中游；椑木镇—沱江汇入长江202 km为沱江下游[14]。河道总落差4 756.7 m，平均比为7.58%[15-16]。

研究区域以沱江主源绵远河发源地清平乡起，沿沱江经德阳、成都、资阳、内江、自贡、泸州及眉山，至泸州管驿嘴汇入长江止，布设点位包括了1个作为对照的背景省控断面及全流域16个国考断面。各断面位置及基本信息如图1和表1所示。

图1 沱江流域各断面位置示意图Fig.1 Sketch of location ofsampling points

表1 沱江流域各断面基本信息Table 1 Basic information of investigated sectionsin Tuojiang River Basin

2.2 数据来源与指标测试

本文中2016—2018年数据来源于四川省生态环境监测总站，2019年数据自主采样分析测试。测试指标根据历年沱江水质污染状况[17]，参考“基于多参数指标的河流水质评价方法”中WQImin参数，选取pH值、溶解氧(Dissolved oxygen，DO)、总磷(Total Phosphorus，TP)、总氮(Total Nitrogen，TN)、氨氮(Ammonia-nitrogen，NH3-N)、高锰酸盐指数(Permanganate index，CODMn)、电导率(Electricalcon ductivity，EC)7个指标，测试方法按《水和废水监测分析方法(第4版)》进行。

2.3 评价参数与标准

根据《地表水环境质量评价办法(试行)》(环办〔2011〕22号)、《城市地表水环境质量排名技术规定》及各断面功能规划，背景断面和各国考断面分别选取地表水Ⅰ类、Ⅲ类标准限值作评价，根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)及《地表水资源质量标准》(SL 63—94)确定评价参数Ⅲ类标准值(表2)。

表2 评价参数标准值Table 2 Standard values of evaluation parameters

2.4 数学模型

2.4.1 WQImin

河流最少指标水质指数(WQImin)计算与数学模型参考文献[18]，其公式为

(1)

式中：Mi是第i参数的标准化值；Fi是第i参数的权重。

各标准化值及权重按参考文献[3]、文献[4]、文献[19]进行计算。WQImin评分值范围为0～100，分值标准分别为优(91～100)、良(71～90)、中(51～70)、差(26～50)、极差(0～25)[20]，分值越高水质越好。

2.4.2 综合水质指数Pw

综合水质指数评价模型参照相关文献[5]进行，相关计算按式(2)—式(5)进行，分级与定性评价根据文献[21]进行，即优(Pw≤0.62)、良(0.622.18)。综合水质指数计算如下所述。

(1)河流综合水质指数Pw按式(2)计算，即

(2)

式中：Pi为单项水质指数；Ci为污染物实测浓度；Si为相应功能类别标准值；n为参与评价的水质项目。

(2)溶解氧PDO、pH值水质指数PpH按《城市地表水环境质量排名技术规定》(试行)中公式进行计算，分别为：

(3)

(4)

(3)污染贡献率Ki反映不同指标对水体的污染贡献，单位为%,计算公式为

(5)

数据统计及Kruskal-Wallis检验采用SPSS15.0进行。

3 结果及分析

3.1 冬春交替期沱江流域水质特征

表3列出了冬春交替期沱江流域17个断面的7个参数统计数据，数据统计以2016—2019年2月份平均值及标准偏差表示，同时列出了各断面间及不同年份采用Kruskal-Wallis检验结果。从表3可看出：

表3 2016—2019年冬春交替期沱江流域水质特征统计Table 3 Statistics of water quality characteristics of Tuojiang River Basin in WSA from 2016 to 2019

(1)在冬春交替之际时空上沱江流域水质都存在一定的差异。2016—2019年2月同期水质差异主要表现在pH值、DO、CODMn、TP 4个方面，K检验P值均<0.05，年份差异显著，特别是DO和TP，差异极显著；2016—2019年不同断面水质差异主要表现在CODMn、NH3-N、TN、TP 4个方面， K检验P值均<0.05，差异显著，特别是TN，P=0.000 1，差异极显著。

(2)冬春交替期沱江流域水质的特征为，电导率最大值出现在廖家堰断面(1 079.50±351.14)μs/cm，其次是炭研所断面(1 028.33±304.31)μs/cm，显著高于其他断面； pH值最高点在沱江大桥(8.09±0.12)，最低在碳研所(7.66±0.08), 碳研所断面溶解氧(5.85±1.93)，显著低于其他各断面，而CODMn(5.60±3.00)、NH3-N(2.43±1.35)、TN(6.34±1.31)均显著高于其他各断面；TP最大值出现在球溪河口(0.47±0.12)。除铁索桥外在16个国考断面中，电导率最低点(324.00±72.55)、NH3-N最低点(0.38±0.16)、TN最低点(1.49±1.04)和TP最低点(0.08±0.01)均出现在三邑大桥。

3.2 WQImin评价结果

图2为2016—2019年沱江流域背景断面和16个国考断面冬春交替期2月份水质同期对比。总体来看，这4 a冬春交替期沱江流域71.6%断面水质等级处于中等，10.3%断面水质为良，仅铁索桥(2016—2017年)水质为优，11.8%断面水质较差，特别是碳研所(2016—2018年)和廖家堰(2016年)水质极差，2019年冬春交替期沱江流域无极差水质。

图2 2016—2019年2月沱江流域WQImin评价对比Fig.2 Comparison of WQImin in Tuojiang RiverBasin in Februrary from 2016 to 2019

3.3 污染贡献评价

表4列出了2019年2月份沱江流域各断面(评价标准除铁索桥按Ⅰ类外，其余断面均按Ⅲ类水质标准)综合水质指数法得到的评价结果及参评因子的贡献率。

从表4可以看出，铁索桥断面综合水质指数Pw为0.67，定性结果为良，评价结果与WQImin结果一致，最大污染因子为TP，其次为NH3-N。其他16个国考断面综合水质指数Pw变化范围为0.48～1.67之间，优良好水体占比37.5%，56.3%水体受轻度污染，6.2%水体受中度污染。2019年冬春交替期无受重度污染水体，与WQImin评价无极差水质结果一致。

表4 2019年2月沱江流域国考断面污染因子贡献率Table 4 Pollution load rates of national control sections in Tuojiang River Basin in Februrary 2019

从污染贡献率来看，16个国考断面的KTP、KTN、KNH3-N、KCODMn、KEC、KDO、KpH污染贡献率分别介于1.53%～23.51%、25.95%～64.23%、5.55%～25.17%、1.03%～8.67%、1.94%～6.86%、4.32%～17.487%、4.27%～11.73%。第1污染因子为TN，最高出现在碳研所，占7项参评因子的64.23%，第2污染因子分别为NH3-N和TP，最高分别出现在胡市大桥和201医院断面。沱江流域污染表现为全流域国考断面TN污染，且呈现上游NH3-N、中游TP、下游NH3-N污染为主的分布特征。

4 讨 论

4.1 沱江流域水质总体变化

由于冬春交替期流域水质较差，从2016—2019年2月份沱江流域WQImin评价结果可以看出，综合施策有较好的成效，16个国考断面水质总体呈现向好趋势，水质差的断面由2016年的5个逐年下降到2017年3个，2018年1个和2019年1个，且2019年消除了极差水质断面。但同时应该看到，沱江流域源头水质正在变差，铁索桥断面由2016—2017年水质优，下降为2018—2019年水质良。引起沱江流域源头水质下降的主要原因为TP，其次为NH3-N。

通过现场调研(图2)，分析其原因主要有3方面:一方面铁索桥断面位于绵竹市西北部山区清平乡，平均海拔高于1 000 m，乡内磷矿石资源丰富，当地磷石矿的开采是导致源头TP污染的原因之一；另一方面与地质灾害密切相关，虽然山里的众多磷石矿厂已基本关闭，但在经历过“5·12”和“8·13” 特大山洪泥石流两次自然灾害后，铁索桥背景断面一带河床已抬高5～8 m，地表水水量明显减少，河滩裸露，滑坡时有发生，也加剧了源头水体磷的污染；第三是小水电厂运行及人为活动干扰，不经处理的污水排放，有部分水体严重污染呈现富营养化现象。

4.2 沱江流域氮污染

沱江流域氮污染特别是TN污染非常突出，16个国考断面最大污染因子均为TN(表4)，这与符东等[5]采用模糊综合评价法对2018—2019年10月沱江水质评价结果一致。沱江TN污染治理不容忽视。

图3为2019年2月份沱江流域TN和NH3-N污染贡献率变化趋势。从图3(a)可以看出，支流的TN污染较干流高，特别是在下游。这一方面可能与河道沉积物污染冬季向水体释放向下游迁移有关。有研究表明，沱江上游沉积物绵远河中TN含量平均值为0.535%，石亭江中TN含量平均值为0.027%，这与调研结果“八角(绵远河)总氨污染指数高于双江桥(石亭江)”是一致的；另一方面与经济的快速发展、生产生活污染排放有关，截至2015年，流域境内总人口1.7×107人，人均GDP达4.12×104元/人，较2000年增长近8倍[22]。从TN贡献率最高的碳研所断面也进一步得以证实。该断面TN污染贡献率达到64.23%，这与釜溪河穿自贡城区而过接纳城区生活污染，城市发展与污染的排放导致该河流长期以来污染严重，底质发黑。

图3 沱江流域TN、NH3-N污染贡献率变化趋势Fig.3 Change trends of contribution rates of TN andNH3-N pollutions in Tuojiang River Basin

结合NH3-N污染贡献率(表4),从图3(b)可看出，若不考虑TN污染，16个国考断面中第1污染因子为NH3-N的有9个断面(表4)，88.9%集中在上游和下游。上游除双江桥、三川污染贡献率<10%外，其余断面NH3-N贡献率均>10%，下游自李家湾开始，NH3-N污染指数贡献率呈上升趋势，且干流NH3-N污染高于支流(图3(b))。下游NH3-N污染突出，大磨子、胡市大桥和沱江大桥NH3-N污染贡献率均>20%，特别是胡市大桥达到25.17%。有研究表明，2014年沱江流域成都段NH3-N最高超标倍数为3.69倍[16]，生活污水排放造成的污染贡献率最大，农业面源排放污染贡献率次之，因此，今后在生活污水和农业面源排放污染的防控与治理上，源沱江流域特别是下游是重点。

4.3 沱江流域磷污染

磷矿开发是沱江流域TP长期成为主要污染物的主要原因，图4是沱江干流及支流TP污染变化趋势，从图4可看出，支流的TP污染较干流高，这与占全省磷总产量95%以上的金河、清平和什邡三大磷矿山处于支流[23]且分布着全国磷矿石开采量最大的10家企业中的 4 家相关[24]。

图4 沱江流域TP污染贡献率变化趋势Fig.4 Change trend of contribution rate of TP pollutionin Tuojiang River Basin

资料显示沱江上游沿岸附近与表层沉积物TP浓度超出四川省土壤背景值2～6倍，沱江流域超过80%的监测断面受TP 污染水质劣于Ⅳ类[25]，2014年沱江流域成都段总磷最高超标倍数1.5倍[26]。若不考虑TN因素，16个国考断面中第1污染因子为TP的有7个断面(表4)，85.7%处于中下游，结合图4、表4可看出，上游除三邑大桥和201医院外，贡献率均在5%以内；从201医院到碳研所，总磷污染贡献率>10%；这表明沱江流域总磷污染在上游已经得到了有效控制，但进入中游后磷污染又有所升高，可能与沿江磷厂和底泥沉积污染释放有关。杨耿等[24]研究表明，水体盐度越高，越有利于磷释放，而沱江流域磷石膏TP浓度达3.70 mg/g，这与本次调研沱江流域17个断面总磷与电导率测试结果呈显著正相关(r=0.798)是一致的。

5 结 论

(1)沱江流域水质不断改善，攻坚战的成效在不断显现，流域水质明显好转的同时，流域污染治理仍面临严峻挑战，背景断面水质污染问题已呈现。

(2)沱江流域TN污染突出，16个国考断面最大污染因子均为TN，贡献率最大达到64.23%，TN污染治理不容忽视。

(3)沱江流域总磷污染在上游已经得到了有效的控制，中、下游磷污染是沱江流域治理的重点，沱江流域特别是下游治理重点应在生活污水和农业面源的控制上。