乌坎河年际水质评价及变化趋势分析

甘秀梅

(广东华南环保产业技术研究院有限公司， 广东 广州 510000)

1 引言

河流水资源是一种宝贵的自然资源，与人类的生存、发展息息相关[1]。近年来，随着城市经济的快速发展，河流流域生活污水及工业废水的排放对河流水体水质造成了一定程度的污染[2]。开展河流水体水质评价、识别水质变化趋势是水生态环境治理中的重要基础性工作。因此，通过对水质监测数据进行合理分析和评价，有利于掌握河流的水环境污染特征，进而为河流水资源的合理开发利用和污染防治提供科学的技术支撑[1～4]。

国内外关于河流水质评价的方法有多种，如单因子评价法[5]、内梅罗指数法、污染指数法、灰色关联分析、模糊综合评价法[6]、水质标识指数法[7]、人工神经网络法[6]等。其中，单因子评价法操作方便，但不能反映水体的总体污染状况，且评价方式过于保守，存在一定的局限性[8]。模糊综合评价法能够体现水环境的复杂性和模糊性，但确定评价指标权重存在一定的难度[9]。人工神经网络法能够对水质进行连续性评价，但对于劣Ⅴ类水体，其评价结果不具备确定性[10]。综合水质标识指数法是一种新兴的指数评价法，通过选取具有代表性的水质指标，结合水体环境功能区划类别，得出一个综合水质系数；该系数既能定性判定河流水体综合水质类别，又能定量描述同一水质类别中综合水质的污染程度及连续性，此外还能够用于黑臭水体的判定分析[11～14]。乔俊等[15]、赵海生等[16]、解莹等[17]、王敦球等[18]分别利用综合水质标识指数法对松花江黑龙江段、丹河晋城段、滦河、湘江永州流域进行水质评价，阐明了河流水环境质量时空变化规律，并取得了满意的评价结果。

本文采用水质标识指数法对乌坎河2017～2021年的水质进行评价，并根据Spearman 秩相关系数法分析了乌坎河干流乌坎水闸国考断面这5年间的综合水质变化趋势，以期为乌坎河流域水环境污染防治工作提供技术依据。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

乌坎河发源于陆丰市境内罗径嶂，全长约48 km，流径八万、陂洋、博美、内湖、南塘、桥冲、城东、金厢、铜锣湖等场镇，经乌坎港汇入南海碣石湾，沿途有陂沟河、长山河等19条支流汇入。乌坎河流域东临鳌江流域、西临螺河流域、南以西山山脉与沿海诸小河流分界、北以隆江上游龙潭河段为界，呈扇形分布，流域面积约610.48 km2，土地利用类型主要为耕地、林地和滩地。

流域地处南亚热带，气候温和、雨量充沛，大量降水以锋面雨和台风雨为主，暴雨多发生于每年的5～7月份，流域多年平均雨量为1933 mm。因地形关系，西南气流对流域影响较大，造成流域降雨时空分布不均，河流北岸雨量充沛，八万双沛站多年平均雨量2301 mm，历史最大年雨量高达3041 mm；而河流南岸雨量稀少，乌坎水闸多年平均雨量1561 mm，历史最小年雨量仅673 mm[19]。

“十三五”期间，乌坎河干流乌坎水闸断面被列入国家入海河流控制断面(以下简称乌坎水闸国考断面)，执行的水环境功能区划目标为《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅱ类标准[20]。

2.2 数据来源

为保证评价分析的可靠性，本文收集了广东省汕尾生态环境监测站提供的乌坎水闸国考断面2017～2021年逐月水质监测数据，根据区域水质特点，选取溶解氧(DO)、化学需氧量(CODCr)、高锰酸盐指数(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮( NH3-N)及总磷(TP)6个常见水质指标作为评价因子，得出评价指标的年均监测数据见表1。

表1 2017～2021年乌坎水闸国考断面年均监测数据 mg/L

3 研究方法

3.1 水质评价方法

综合水质标识指数法是建立在单因子水质指数分析的基础上，根据水质指标的单因子水质指数计算

得出综合水质指数，该指数能够用于判别水体污染程度、水质类别以及是否能达到水环境功能区划目标等，具有定性、定量评价的特点，可对河流水质做出较为合理的评价[21，22]。

3.1.1 单因子水质指数

单因子水质标识指数Pi由 1 位整数、小数点后 2 位有效数字组成，可用式(1)表示：

Pi=X1X2X3

(1)

式(1)中X1为第i项水质指标的水质类别，数值越大，则表示该项监测指标的水质污染越严重；X2为指标监测数据在X1类水质变化区间中所处的位置，取值越大，则表示在同一类别水质中监测指标的水质污染越严重；X3为水质类别与功能区划设定类别的比较结果。

3.1.2 综合水质标识指数

综合水质标识指数Iwq由整数位、小数点后3位或4位有效数字组成，可用下式表示：

Iwq=X1.X2X3X4

(2)

式(2)中：X1.X2为综合水质指数(单因子水质指数均值的前两位)；X3为水质指标标识码；X4为综合水质类别标识码。

式(2)中的X1.X2通过计算获得，X3、X4根据比较结果得到,具体计算方法详见文献[21]、[22]。其中,X1为河流总体的综合水质类别；X2为综合水质在X1类水质变化区间内所处位置，体现同类水中进行水质优劣比较；X3为参与综合水质评价的水质指标中，劣于水环境功能区划目标的单项指标个数；X4为综合水质类别与水体功能区类别的比较结果，视综合水质的污染程度，X4为1位或2位有效数字。

总体而言，综合水质指数X1.X2数值越大，水质越差。采用综合水质标识指数Iwq中的综合水质指数X1.X2，可判定综合水质级别，判定关系如表2，具体判别方法详见文献[21]。

表2 基于综合水质标识指数的综合水质级别判定

3.2 水质变化趋势分析方法

根据生态环境部颁布的《地表水环境质量评价办法》(试行)的规定[23]，河流水质变化趋势分析采用Spearman秩相关系数法，判断在评价时期内河流水质是呈好转、恶化或平稳变化趋势，秩相关系数rs按下式计算[23，24]：

(3)

di=Xi-Yi

(4)

式(3)、(4)中：di为变量Xi与Yi差值；Xi为周期1到周期N按综合水质标识指数从小到大排列的序号；Yi为按时间排列的序号；N为周期次数；rs为秩相关系数。

经计算得秩相关系数rs，若计算结果为负值，则表明断面处综合水质好转，若为正值，表明综合水质变差；同时，结合显著性检验与统计表中临界值Wp进行定量比较，可判断在评价时期内河流水质的变化趋势，具体判别方法详见文献[23]。

rs的绝对值|rs|>WP时为显著，|rs|

表3 不分秩相关系数的临界值显著性水平(单测检验)

4 结果与分析

4.1 乌坎河水质分析

4.1.1 计算结果

依据上述理论计算方法计算得出的乌坎水闸国考断面2017～2021年的DO、CODCr、CODMn、BOD5、NH3-N及TP 6个常规水质指标监测浓度年平均值的单因子水质标识指数Pi及综合水质因子指数Iwq结果，详见表4。

表4 水质标识指数计算结果

4.1.2 水质评价结果

4.1.2.1 单因子水质指数评价结果

根据表4乌坎水闸国考断面2017～2021年各评价指标五年的单因子水质标识指数可得图1。

图1 2017～2021年乌坎水闸国考断面单因子水质指数

分析2017～2021 年乌坎水闸国考断面6个评价指标的单因子水质指标Pi值可发现，BOD5和TP的单因子水质指数为该断面6个参与评价指标中的较优项，且变化趋势不明显。而NH3-N的单因子水质指数呈现明显的下降趋势，DO的单因子水质指数波动性最大，最高为2020年的2.91，最低为2021年的1.4，相差1.5个数值。CODcr及CODMn两项指标的单因子水质指数也存在一定的波动性，但波动范围较DO水质指数小，其中CODcr整体呈波动性上升，而CODMn整体呈现波动性下降趋势。6个评价指标整体单因子水质指数符合国家《地表水环境质量标准》(GB 3838～2002)中Ⅱ类水质标准，满足“十三五”期间该断面的水环境功能区划目标；而个别年份，如2017年及2021年，部分指标处于Ⅲ类水质标准，超出其水环境功能区划目标一个标准级别。

从水质指数计算结果来看，2017年 NH3-N的Pi值为3.19，处于Ⅲ类水质标准范围，劣于该断面“十三五”期间水环境功能区划1个标准级别，也是2017～2021年参与评价的6个指标中单因子水质指数最高的，但是由于其X2值不高，表明污染程度不大。除此之外，CODCr单因子水质指数在2017年和2021年均为3.00，也是处于国家《地表水环境质量标准》中Ⅲ类水质标准，超出水环境功能区划目标1个级别。其余4个指标在2017～2021年水质指数均在2.8以下，处于Ⅱ类水质标准，符合该断面水环境功能区划目标。DO的单因子水质指数在2021年为1.4 ，处于Ⅰ类水质标准，且X2值不高，进一步被污染的风险不大；TP及BOD5的X2值在2021年达到6，表明存在进一步被污染的风险。总体来说，参与评价的6个指标在2018～2020年间均达到其水环境功能区目标。

4.1.2.2 综合水质指数评价结果

运用综合水质标识指数法计算2017～2021年乌坎水闸国考断面综合水质指数的结果见表4。由表中数据分析可知，2017～2021年乌坎水闸国考断面的综合水质类别均为Ⅱ类，能够达到该断面的水环境功能区划目标。参与本次评价年份的综合水质标识指数第3位小数X4均为0，说明评价年份综合水质类别均能达到其水环境功能区划目标。同时2018～2020年综合水质标识指数的第 2 位小数X3均为0，表明这三年该断面参与评价的水质指标均未超标。断面2017年综合水质标识指数的X3为2，说明这一年参与评价的水质指标有2项超标，通过调查发现超标项目为CODCr和NH3-N；2021年综合水质标识指数的X3为1，说明这一年参与评价的水质指标有1项超标，通过调查发现超标项目为CODCr。

4.2 乌坎河水质变化趋势分析

根据2017～2021年监测数据绘制乌坎水闸国考断面各指标浓度变化过程，如图2所示，其中DO和CODMn呈现波动性上升趋势，而BOD5呈波动性下降趋势，其余指标变化不明显。

图2 2017～2021年乌坎水闸国考断面水质监测数据

分析结果表明，参与评价的各指标变化趋势不同，无法直接判断历年综合水质的变化趋势。因此，研究应用Speraman秩相关分析法对2017～2021年间参与评价的6项水质指标综合污染指数进行计算，计算结果rs= -0.9 < 0，表明该断面处水体的综合水质有好转的趋势。查表可知，当n为5时，秩相关系数rs的临界值WP为0.9，结合显著性检验结果表明，该断面的水质综合污染指数的rs绝对值|rs|≤Wp0.05(0.9)，表明断面在近5年间变化趋势不明显，水质较稳定。

5 结论

(1)乌坎河干流地表水中CODCr和氨氮在参与水质评价的6项水质指标中，年际超标频次较高，是影响水质的主要污染物质。

(2)应用综合水质标识指数法对乌坎河干流乌坎水闸国考断面水质进行评价，结果可知，2017～2021年间该断面水质均能够达到“十三五”期间水环境功能区划目标要求。

(3)各个评价方法比较结果基本一致，单因子指数法能够较清晰地发现超标因子，综合指数法含有信息量更大，能充分表述每个断面的超标项个数以及污染程度。

(4)根据Spearman秩相关系数，得到2017～2021年间乌坎水闸国考断面水质较为稳定，总体上有好转趋势。