2016—2021年石家庄市洨河水质变化趋势分析

罗 毅，李秋芳，路 娜，李治国，宋利娜，徐 娜

(1.石家庄市环境监控中心，河北石家庄 050022；2.河北省生态环境监测中心，河北石家庄 050000)

洨河发源于鹿泉区五峰山脚下，在石家庄市境内全长62.3 km，流经鹿泉、栾城和赵县后进入邢台市[1-3]。自上世纪六十年代开始，随着社会经济快速发展和人口大量聚集，城镇地区生活污水和工业废水大量排放，农村地区农药化肥过度施用，给地表水环境带来污染负担[4-6]，横跨石家庄多个县区的洨河多年来一直承担着省会的排污功能，水污染问题不仅严重影响了沿岸群众的生产生活，也严重影响了省会的城市形象和发展质量，洨河水环境质量急需改善。2012年6月，石家庄市通过实施洨河两岸面源环境综合整治、城区民心河二期管网建设和雨污管网改造、沿线污水处理厂稳定达标工程、沿线城镇村庄污水收集管网工程、入河排水预处理工程、生态湿地建设、环保监管能力提升等综合整治工程，使污染了几十年的洨河得到了有效治理。

近年来，国内学者先后对中国一些河流、水库的水体环境进行了研究，研究对象主要以氨氮、总磷(TP)、生化需氧量(BOD)为对象，其中，氨氮、总磷(TP)已成为中国地表水体的主要污染物[7-9]，氨氮浓度是反映水体受无机可氧化物污染的常用指标，也是与主要污染物总量减排约束性指标相关联的环境质量指标，数值越高，说明水体污染越严重。TP是水体中较常见的一种形态磷，是藻类生长重要的因素，也是导致水体富营养化最常见的原因[10-11]。

基于环境系统的复杂性，目前应用较多的水质综合评价方法有灰色评价法[12]，模糊综合评价法[13]，人工神经网络评价法[14-15]等。针对不同的水质采用适宜的评价标准能够更精准地描述目标水体的污染状况。综合水质指数(WQI)法能综合考量各类污染指标，避免个别水质指标较差而否定综合水体质量[16]。王珺博[17]采用WQI法评价了永定河石景山段水质状况，鲁照等[18]采用WQI法评价了鄱阳湖水质状况。

本文以洨河为研究对象，采用水质指数法(WQI法)评价水质污染特征，确定主要污染指标，对氨氮、总磷(TP)、五日生化需氧量(BOD5)等主要污染物的空间分布特征及污染现状进行评价。

1 研究方法

1.1 监测点位

在洨河上、中、下游3个不同流域设置监测断面，分别为总退水口、石板桥、大石桥，其中2021年因监测计划调整，监测断面有所变动，总退水口、石板桥断面取消监测，因龙门桥断面(E 114.653 0°,N 37.796 7°)与石板桥断面(E 114.632 5°,N 37.824 3°)位置较为接近，水质状况较为一致，故2021年采用大石桥和龙门桥断面监测数据对洨河水质进行评价。洨河监测断面分布情况如图1所示。

图1 石家庄市洨河监测断面分布

1.2 监测指标及方法

监测指标为《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[19]表1中除水温、粪大肠菌群和总氮以外的21项指标，包括：pH值、溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮、石油类、挥发酚、汞、铅、总磷(TP)、化学需氧量(CODCr)、铜、锌、氟化物、硒、砷、镉、六价铬、氰化物、阴离子表面活性剂和硫化物。监测方法均按照《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)[20-21]执行。

1.3 数据来源

水质污染特征评价采用的监测数据来源于2016—2021年国家和省级地表水监测网组织开展的例行监测，监测时间为每月上旬。

1.4 水质特征评价方法

采用综合水质指数法(WQI河流法)[22]评价洨河水质状况，WQI值越小说明地表水环境质量越好。水质指标标准限值执行《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类标准。先计算单项指标的水质指数，再取其加和值计算河流的水质指数(WQI河流)。低于检出限的项目，按照1/2检出限值参加计算各单项指标浓度的算术平均值。

1.4.1 单项指标的水质指数

用各单项指标的浓度值除以该指标对应的地表水Ⅲ类标准限值，计算单项指标的水质指数，如式(1)所示，DO的水质指数计算公式见式(2)，pH值的水质指数计算公式见式(3)—式(4)。

(1)

式中：C(i)为第i个水质指标的浓度值，mg/L；Cs(i)为第i个水质指标地表水Ⅲ类标准限值，mg/L；WQI(i)为第i个水质指标的水质指数。

(2)

式中：C(DO)为溶解氧的浓度值，mg/L；Cs(DO)为溶解氧的地表水Ⅲ类标准限值,mg/L；WQI(DO)为溶解氧的水质指数。

如果pH≤7.0时，计算公式为式(3)；如果pH>7.0时，计算公式为式(4)。

(3)

(4)

式中：pHsd为GB 3838—2002中的pH下限值；pHsu为GB 3838—2002中的pH上限值；WQI(pH)为pH值的水质指数。

1.4.2 河流水质指数

根据各单项指标的WQI，取其加和值即为河流的WQI值，计算如式(5)所示：

(5)

式中：WQI河流为综合水质指数；WQI(i)为第i个水质指标的水质指数；n为水质指标个数。

2 结果与分析

2.1 水质现状

基于2016—2021年例行监测数据，洨河水质状况总体为重度污染，但呈现出逐年好转趋势，自2019年起部分断面达到Ⅳ类水质标准。2016—2021年河流及断面水质类别统计见表1。

表1 洨河监测断面水质类别

2016—2018年洨河总退水口、石板桥、大石桥3个断面水质长期均为劣Ⅴ类，2019年水质类别有所好转，石板桥为Ⅳ类水质，2020年各断面水质进一步变好，总退水口为Ⅴ类水质，为中度污染；石板桥为Ⅴ类水质，为中度污染；大石桥为Ⅳ类水质，为轻度污染。2021年各断面水质保持较好，石板桥为Ⅴ类水质，为中度污染；大石桥为Ⅳ类水质，为轻度污染。总体上来看，2016—2021年期间，洨河各个监测断面及河流水质较差，污染较严重。

2.1.1 水质指标

根据2016—2021年洨河水质监测数据，结合WQI指数测算方法，计算出21项水质指标年均值，各单项指标的水质指数及大小排序见图2。由图2可见，氨氮，TP，BOD5，CODCr和CODMn的水质指数均超过1.0，明显高出其他16项水质指标。其中，氨氮水质指数为2.388，TP水质指数为2.345，BOD5水质指数是1.615，是影响2016—2021年洨河水质的主要污染指标。根据2016—2021年洨河水质污染特点，确定氨氮，TP，BOD5为主要分析评价指标。

图2 2016—2021年洨河21项水质指标的水质指数

结合2016—2021年洨河流经区域的实际情况，初步推测氨氮和TP 2项污染指标主要受生活污水和农田施肥的影响[23]。

2.1.2 逐年水质变化趋势

2016—2021年洨河逐年水质指数计算结果分别为24.412 1，17.625 2，12.225 7，11.364 4，8.697 5，8.098 2，见图3。由图3可见，2016—2021年洨河水质指数WQI值总体呈逐年下降趋势，年际降幅较大，水质明显好转。2016—2021年水质指数降幅ΔWQI值为16.313 9，特别是2016—2018年ΔWQI值为12.186 4，下降明显；2018—2021年ΔWQI值为4.127 5，降幅收窄。6年间洨河环境质量的显著改善，充分说明近年来洨河综合整治水质提升工作成效明显，特别是通过城镇污水管网建设工程、两岸面源环境综合整治工程，洨河下游的栾城、赵县段的村庄污水入网收集处理率不低于6成，农村生活垃圾和畜禽养殖污废清运率达到100%，整体水环境质量大幅提升，洨河河流生态功能得到了充分恢复。同时值得注意的是，2018年后洨河水质改善进度趋缓，显示前一阶段水质提升工作已进入瓶颈期，需进行针对性的调整和改良。

图3 2016—2021年洨河水质指数变化

2.1.3 逐月水质变化趋势

2016—2021年洨河逐月水质指数变化存在一定的波动性。但由图4可见，总体上每年6—7月份水质指数都会显著升高，6月份水质指数平均值为32.059 5，7月份水质指数平均值为27.274 4，8月和9月水质指数持续好转并回归至年度平均值，其余月份水质指数及波动变化相对较小。综合分析，每年6—7月洨河流经区域进入汛期，地表径流大于其他时期，降水将农田退水和养殖排水连同大量平时淤积在河道底部和沿岸地表污染物冲刷进入河流，是导致洨河汛期水质显著下降的重要因素，也符合洨河6—7月水质指数居高不下的分析结果。

图4 2016—2021年洨河逐月水质指数变化

2.2 污染状况分析

根据2016—2021年洨河监测数据的水质指数评价分析结果，选取影响最大的3项指标(氨氮、总磷和生化需氧量)从时间和空间上进行污染成因分析。

2.2.1 时间变化分析

从年度变化看，2016—2021年洨河氨氮、总磷和五日生化需氧量年均浓度总体呈下降趋势，见图5。

图5 2016—2021年洨河主要水质指标浓度变化

氨氮浓度(质量浓度，下同)年均值最高出现在2016年，浓度最低值出现在2020年，在2016—2017年均大于Ⅴ类标准限值，2020年低于Ⅲ类标准限值；2021年洨河氨氮浓度年均值为0.906 mg/L，与2016年相比，浓度下降86.1%。

总磷浓度(质量浓度，下同)年均值最高值出现在2016年，最低出现在2020年，在2016—2018年均大于Ⅴ类标准限值，2021年接近于但高于Ⅲ类标准限值；2021年总磷浓度年均值为0.287 mg/L，与2016年相比，浓度下降69.5%。

五日生化需氧量浓度(质量浓度，下同)年均值最高出现在2016年，且大于Ⅴ类标准限值，最低出现在2018年，且2018—2021年处于Ⅲ类～Ⅳ类标准限值。2021年五日生化需氧量浓度年均值为3.1 mg/L，与2016年相比，浓度下降76.0%。

2.2.2 各监测点位氨氮、总磷、五日生化需氧量变化趋势

各断面氨氮、总磷和五日生化需氧量浓度年均值变化趋势见图6。从2016—2021年例行监测数据来看：

图6 不同监测点位2016—2021年水质指标的浓度变化

1)氨氮浓度在总退水口和石板桥2个断面整体上波动下降，在大石桥断面呈逐年下降趋势；

2)TP浓度在总退水口断面呈波动下降，在石板桥和大石桥断面呈逐年下降趋势；

3)BOD5浓度在总退水口和石板桥断面呈现先下降后回升趋势，在大石桥断面总体呈逐年下降趋势。

总体上看，上述3个监测断面氨氮、TP和BOD5浓度年均最高值均出现在2016年。监测期间，氨氮浓度年均值：大石桥(3.50 mg/L)>石板桥(2.00 mg/L)>总退水口(1.81 mg/L)；TP浓度年均值：总退水口(0.51 mg/L)>大石桥(0.48 mg/L)>石板桥(0.45 mg/L)；BOD5浓度年均值：大石桥(7.25 mg/L)>总退水口(6.33 mg/L)>石板桥(6.30 mg/L)，这可能是由于大石桥位于洨河下游，接纳生活污水和农田地表径流较多，而持续开展的洨河整治提升工程，又使得3个监测断面的水质差距逐年缩小，甚至有时下游断面水质会优于上游断面水质，2016—2021年总退水口断面由劣Ⅴ类水质变为Ⅴ类水质，石板桥断面则经历了劣Ⅴ类—Ⅳ类—Ⅴ类的水质变化过程，大石桥断面由劣Ⅴ类水质变为Ⅳ类水质。

3 结 语

本文通过水质指数法对2016—2021年期间石家庄市洨河水质变化趋势进行了分析，并针对“十四五”期间的洨河水质提升提出了一些意见和建议。

1)采用水质指数法评价2016—2021年洨河水质污染特征，结果显示2016—2021年洨河氨氮、TP和BOD5年均浓度下降趋势明显，下降幅度分别为86.1%，69.5%，76.0%。水质指数法的优势在于河流水质时间变化或河流水质管理效果的评价上，对监测河流水质长期变化以及核验河流管理成效有重要作用。洨河水质虽有较大改善，但仍处于污染状态，需进一步加强治理。

2)从时间上来看，2016—2021年期间洨河水质总体呈逐年改良趋势；每年汛期前期(主要是6月和7月)污染物指标最高，水质相对较差。跟生活污水和农田地表径流密切相关的氨氮、TP和BOD5仍是影响洨河水质的主要污染指标。

3)从空间上来看，氨氮、TP和BOD5等主要污染物指标自上游至下游呈递增趋势。近年来3个监测断面的水质差距逐年缩小(特别是下游大石桥断面水质)，均呈逐渐改善的趋势。

4)2016—2021年期间洨河流域的污染状况总体上有所改善但仍有较大提升空间。水利、环保部门加大了水环境监督治理力度并取得了明显成效，以生活污水和农田地表径流为主的污染源，以及每年6—7月份的水污染高峰期带来的管控压力仍然存在，地表水环境质量不容乐观。

5)即使收集了大量数据，总体上洨河水质监测数据仍显不足。对水质变化趋势进行分析，若能同时拥有流量数据和水质监测数据，结果会更加精确。洨河流量相关数据的缺乏，在一定程度上影响了汛期水质变化趋势的准确性。

6)“十四五”期间，更为准确地分析水质变化趋势，需要更多的水质监测数据，水利、环保部门应在水质监测及数据收集上加大投入力度，在污染源精准管控、农业生产模式调整、生活污水综合治理等方面加大统筹协调力度，综合施策，实现总量减排、科学减排。