丹江口水库及入库支流水质评价

仇茂龙， 王亚芹， 苏 博

(1.浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江 杭州 310000；2.浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311200；3.南阳师范学院 地理科学与旅游学院，河南 南阳 473061)

南水北调是我国一项重大的跨流域调水工程，其中线工程从湖北省丹江口水库开始，一路向北途经河南、河北、天津、北京四地14座大、中城市，最后到达北京颐和园的团城湖，全长1277 km，总调水量将达到130亿m3/年.丹江口水库作为中线工程的水源地向沿线各城市供给生活用水和工业用水，其水质优劣直接关系到取水城市居民的饮用水安全[1].丹江口水库规模巨大，上游汇水区河流枝杈交错，水体流态复杂，水质状况受众多因素影响.为全面系统地掌握丹江口库区水质状况，为南水北调中线工程提供数据支持和技术支撑，国家环境监测总站制定了《南水北调中线工程丹江口水库库区及其上游水质监测方案》，对库区进行实时的水质监测与评价.本文探索建立一种全新的水质综合指数，对丹江口水库库区及入库支流水质监测数据进行综合计算分析，评价其水质优劣，并确定主要污染河流与污染指标，对库区的水质条件和污染源状况的研究工作起到一定的参考作用.

1 评价区域和材料

1.1 研究区域

本文以南水北调中线工程水源地丹江口水库为研究对象，选取丹江口水库库区及入库支流19个水质监测站点，以2012年6月—2013年5月一个完整的丰平枯水期的监测数据为基础，评价丹江口水源地水质状况.监测站点中的库区站点包括坝上、陶岔、台子山站点；汉江干流站点包括白河站点；汉江支流站点包括将军河河口、淘沟河河口、天河河口、曲远河河口、堵河河口、犟河河口、神定河河口、泗河河口、官山河河口、剑河河口、浪河河口站点；丹江干流站点包括丹江荆紫关站点；丹江支流站点包括淇河大桥、滔河河口、老鹳河河口站点.

1.2 评价项目和评价标准

依据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[2]，评价指标29项，包括地表水环境质量标准基本项目24项、集中式生活饮用水地表水源地补充项目5项，温度作为参考指标，其中总氮指标由于河流无标准值，湖库的标准限值太低[3]，不参与评价，最终确定评价指标27项.

水源地水质评价标准参考现行的GB 3838—2002和《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)[4].水质指标限值的确定主要依据GB 3838—2002，该标准不是专门的水源地水质标准，不仅考虑了人体健康，同时兼顾水生生物的保护，导致部分指标的标准限值设置过于严格[5].因此，同时参考GB 5749—2006，适当调整汞、石油类指标的限值，详细标准限值见表1.

表1 常规水质指标标准限值

2 评价方法

水质指数法[6-9]在国内外均有专家学者研究应用，本文在水质指数理论的基础上，建立一种新的水质综合指数，对水源地丹江口水库库区及入库支流各监测站点的水质监测数据进行评价分析，即参照水质评价标准限值对各项指标的监测值进行数学归纳和统计，得出一个相对简单的数值，代表水体的质量状况，据此判定水质优劣程度.

建立水质评价指标体系，将27项参与评价指标分为三类：第一类为毒性指标，共9项，该项为常规水处理工艺不能去除，且对人体健康存在严重危害，有致癌、致畸、致突变三致效应的指标；第二类为感官类指标，共12项，该项指标的变化会影响水的外观、色、臭和味变化，引起人体眼、鼻、口等感官不快；第三类为综合类指标，共6项，该项指标能够反映水体的有机污染状况、富营养化状况以及畜禽粪便污染状况. 指标分类见表2，分别计算每一类指标的水质单项指数值和分类指数值，最终得到水质综合指数(WQI)值表征水质优劣状况.

表2 评价指标的分类

水质综合指数法评价水体水质状况从单项指数、分类指数和综合指数3个层次开展.

(1) 单项指数

当实测值Ci处于Ci≤Ci,1时：

(1)

当实测值Ci处于Ci,k

(2)

当实测值Ci处于Ci>Ci,5时：

(3)

对于溶解氧，当实测值Ci处于Ci>Ci,1时：

Ii=0

(4)

对于溶解氧，当实测值Ci处于Ci,k≥Ci>Ci,k+1时：

(5)

对于溶解氧，当实测值Ci处于Ci≤Ci,5时：

(6)

式中，Ci为第i项评价项目的实测结果；Ci, k为第i项评价项目的k级标准浓度；Ci, k+1为第i项评价项目的k+1级标准浓度；Ii, k为第i项评价项目的k级指数值，见表3.单项指数值大于60的确定为超标项目，即主要污染因子.

表3 评分标准

(2)特殊参数处理

单一标准限值计算公式为：

Ii=Ci/C0×60(C0为指标标准限值)

(7)

对于pH，当6≤pH≤9时，I=0；否则I=100.

未检出值项目的指数以0计.

(3)分类指数

第一类评价指标：

CI(Ⅰ)=max (Ii)

(8)

第二类和第三类评价指标：

(9)

(4) 水质综合指数(WQI)

WQI=max(CI(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ))

(10)

得到水质综合指数即可判定水质质量状况，见表4.

表4 WQI值及对应水质状况

3 结果与讨论

3.1 库区及入库河流水质状况

3.1.1 库区水质状况分析

分析库区站点的水质监测数据，水质变化趋势如图1所示，坝上和台子山(凉水河)水质状况稳定，水质综合指数值在20至30之间，水质级别为优和良；陶岔站点2012年9月份水质指数偏高，由于毒性指标铅的监测值为0.011 mg/L，单项指数达到40.5，水质级别为尚好，其他月份水质级别为优.综上，库区整体水质较好，满足饮用水水源地的水质要求.

3.1.2 干流水质状况

汉江干流站点白河与丹江干流站点荆紫关的水质变化趋势如图2所示.白河站水质综合指数稳定，基本低于30以下，2012年7月水质综合指数值达到46，主要由于其毒性指标铅的监测值为0.015mg/L；荆紫关站2012年12月水质指数值为63，水质级别为较差，主要由于氟化物监测值1.08 mg/L，超出Ⅲ类水标准限值1 mg/L；其他月份水质指数值均在40以下，水质级别为优或良.综上，除个别月份水质指数值偏高，干流两个站点的水质状况总体较好.

图1 2012年6月至2013年5月库区站点水质变化趋势图

图2 2012年6月至2013年5月干流站点水质变化趋势图

3.1.3 支流水质状况

丹江支流站点的水质变化趋势如图3所示.淇河、滔河水质综合指数值在20至30之间，水质级别为优或良，水质状况稳定.老鹳河站点水质指数值偏高，且波动较大，2013年2月水质综合指数值为72，其他多数月份指数值超出40，主要由于老鹳河两岸大量未经处理的生活污水直接排入，致使氨氮和粪大肠菌群严重超标，多数月份单项指标达到80以上.

汉江支流共11个监测站点，污染严重的支流为神定河、泗河、犟河、剑河、天河，水质变化趋势如图4所示.

神定河的水质综合指数值居高不下，且呈现出一定的上升趋势.1月、4月、5月水质指数值在80～100之间，水质级别为差，严重污染，其他9个月份水质指数值在100至120之间，水质级别为极差，极严重污染.分析主要污染指标：综合类指标氨氮、粪大肠菌群、COD、BOD5、总磷的单项指数值基本位于100至120之间，CODMn的单项指数值个别月份大于100，其余均在60至100之间；感官类指标中，溶解氧、阴离子表面活性剂指标污染严重，单项指数值部分超出100，石油类3个月份超标，指数值分别为104、91、69.

泗河水质综合指数值基本在80以上，水质级别为差或极差，污染严重.分析主要污染指标：氨氮、总磷单项指数均在100以上；粪大肠菌群2013年4月、5月小于60，其他月份均在60以上，且多数大于100；COD基本介于60至80之间；CODMn有半数位于60至80之间；BOD5，溶解氧，阴离子表面活性剂部分超标.

犟河12月、1月水质综合指数值分别为47、57，其他月份均超出60，污染较严重.分析主要污染指标：氨氮、粪大肠菌群、总磷单项指数值基本在60以上，其中粪大肠菌群超出100，COD、BOD5、CODMn部分月超出60.

剑河6月、7月、9月水质综合指数值偏高，分别为74、96、62，其他月份均保持在60以下，水质状况有所好转.分析主要污染指标：6月、7月氨氮、粪大肠菌群等综合类指标单项指数值均在60以上，9月COD、BOD5、CODMn指标单项指数值分别为86、94、75，其他指标单项指数值均在60以下.

天河水质综合指数值在60以下，水质稳定.分析主要污染指标：粪大肠菌群指除10月单项指数为43，其他月份均超出100，另氨氮、BOD5、总磷有个别月份超标. 汉江其他支流站点(曲远河、堵河、官山河、浪河、将军河、淘沟河)水质状况较好，水质级别位于优或良之间.

图3 2012年6月至2013年5月丹江支流站点水质变化趋势图

图4 2012年6月至2013年5月汉江支流5个站点水质变化趋势图

3.2 主要污染河流及污染指标

3.2.1 主要污染河流

上述计算分析得到丹江口库区及入库支流各站点的水质状况及变化趋势，在此基础上计算出19个站点全年的平均水质综合指数值，如图5所示.比较各站点水质优劣，水质综合指数值排名靠前(即污染最为严重)的河流为：神定河、泗河、犟河、剑河、老鹳河、天河，其他断面水质综合指数值基本小于30，水质状况良好.

分析发现，排名靠前的神定河、泗河、犟河、剑河均属于汉江入库支流，汉江部分支流污染较为严重；丹江支流中老鹳河也受到一定程度的污染，其他站点水质状况较好.

图5 丹江口库区及入库河流年均水质综合指数值

3.2.2 主要污染指标

计算得到各水质指标的单项指数值，超出60即判定为主要污染指标.分别对库区、汉江支流、丹江支流进行分析，丹江支流中老灌河主要污染指标为粪大肠菌群、氨氮.汉江支流较多，不同支流的主要污染指标也存在差异，主要污染河流神定河、犟河、泗河、剑河的主要污染指标较多，包括溶解氧、氨氮、CODMn、BOD5、粪大肠菌群、总磷等；堵河、官山河主要污染指标有粪大肠菌群、总磷；天河、曲远河、将军河主要污染指标为粪大肠菌群.

3.3 污染指标相关性分析

分析确定主要污染河流及污染指标后，利用主成分分析法分析污染指标的相关性[10-12]，并对主要污染源进行识别.运用SPSS软件对19个站点监测数据中超标的8个监测指标月平均值进行主成分分析，得出主要污染指标的相关矩阵，见表5.观察相关矩阵中超标因子之间的相关系数，得出：

①表示自净作用的溶解氧指标值越大水质状况越优，与其他指标相反，溶解氧和其他水质指标的相关系数均为负数，成负相关关系，由表5第一列可以看出；

②除溶解氧外，其他主要污染指标两两之间呈现出较强的相关性，表明这些污染指标关系密切，很可能是来自同一污染源.

表5 主要污染指标相关矩阵

4 小结

本文采用水质综合指数法分析丹江口水库及入库支流站点的水质监测数据，得出库区及主要支流的水质状况，并判定主要污染河流与主要污染指标，得出以下结论：

(1)库区坝上、陶岔、台子山(凉水河)3个站点水质良好，且保持稳定.陶岔站点9月份水质指数值偏高，主要由于铅指标的监测值高于Ⅱ类水标准限值，库区整体水质状况满足饮用水水源地安全的要求.

(2)汉江支流较多，水质情况复杂. 天河、曲远河、将军河、淘沟河、堵河、浪河水质综合指数均为20或略高，水质良好；白河由于7月份综合类指标值较高，水质综合指数达到46；官山河水质综合指数值多数月份介于20～40之间，少数月份略超出40；神定河、泗河、犟河、剑河水质综合指数值偏高，水质较差.

(3)丹江荆紫关、淇河、滔河水质良好，水质指数值为20或略高，保持稳定；老鹳河水质指数值相对偏高，平均值为43，水质状况有所波动，2月份水质指数达到72，老鹳河氨氮和粪大肠菌群严重超标，主要由于大量生活污水未经处理直接排入导致.

(4)丹江口入库支流中主要污染河流为神定河、泗河、犟河、剑河、老鹳河，主要污染指标为粪大肠菌群、氨氮、总磷、溶解氧等.

(5)通过主要污染指标主成分分析，溶解氧与其他污染指标呈较强的负相关关系，其他主要污染指标间的两两相关性较好，说明这些污染指标关系密切，很可能是来自同一污染源.