“十三五”期间卡拉苏河水文断面水环境质量评价及水质趋势分析

赵文斌

(新疆阿克苏水文勘测局水环境监测分中心,新疆 阿克苏 843000)

卡拉苏河发源于新疆拜城县境内,东与黑孜河毗邻,西与台勒外丘克河接壤,南与拜城盆地东缘相连,北以天山为界,与伊犁州昭苏县接壤。卡拉苏河水量来源为冰雪融水和降雨,冰雪融水以为主。多年平均年径流量2.329×108m3。卡拉苏河的水量大部分进入渭干河上游拜城灌区,被灌溉开发利用,只有主汛期有部分的水汇入木扎提河中,其水质状况对拜城县水环境安全和未来发展起到重要影响,拜城县卡拉苏河灌溉开发利用区的社会经济发展河生态环境安全依赖卡拉苏河水质状况,对卡拉苏河水文断面水环境质量评价及水质因子变化趋势分析,可以为科学分析水环境变化原因和卡拉苏和生态系统管理提供一定参考。

1 卡拉苏河水文断面概况

1.1 水文断面基本情况

卡拉苏水文站位于阿克苏地区拜城县亚吐尔乡境内,卡拉苏水文站到拜城县城有26.9 km,地理位置东径82°05′,北纬41°53′,控制断面以上集水面积1 352 km2,河长90 km,测站海拔高程1 420 m(黄海基面)。

1.2 水文

卡拉苏水文站是卡拉苏河水量、水质控制站,是阿克苏地区及拜城县防洪抗早水情信息报汛站。水资源隶属天山南麓渭干河流域(三级区)的卡拉苏河区(四级区)。卡拉苏河水量为冰雪融水为主,降水对洪水的洪峰流量影响很大。该河的洪水可分为三大类,即暴雨型、融雪型、融雪和暴雨混合型。洪水一般发生在7月底或8月初,大洪水主要由融雪和暴雨混合型形成。洪水具有局地性,突发性,短历时,高强度,陡涨陡落,破坏性极大的特点。根据卡拉苏水文站实测资料,最大洪峰流量为920 m3/s(2002年7月23日),实测最大流速为5.54 m/s,实测最大水深为2.15 m[1]。

1.3 气象

卡拉苏水文站地处中纬度的欧亚大陆腹地的拜城盆地,四周环山,远离海洋,属大陆性亚热带干燥气候。两大基本地貌单元的气候具有明显的差异。北部山区气候寒冷、空气湿度相对较大、降水丰沛、蒸发较小、盆地内气候干燥、光照充足、降水稀少、蒸发较大、冬春较长、夏秋昼夜温差大,春季行北风,四季变化大。根据资料统计分析,卡拉苏(三)水文站多年平均气温4.5℃,极端最高气温36.0℃,极端最低气温-28.0℃,最冷月一月平均气温-14.5℃,最热月七月平均气温18.4℃。多年平均降雨量为127.5 mm。多年平均蒸发量2 085.4 mm。

1.4 地质

卡拉苏(三)水文站四周是山地,中部低,在本流域范围内,山体多为古生代岩层,由于岩石裸露,风化剥蚀作用强烈,有较厚的中新界盖层,褶皱强烈,构造断裂较多,由高向下,土壤分布为高山草甸土、亚高山草甸土、栗钙土、黄土、灰钙土。

2 断面水环境质量评价及水质趋势分析

2.1 水环境标识指数评价法

选用《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)作为分析评价区地表水评价标准[2]。地表水水质评价项目选择pH值、溶解氧、高锰酸钾指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、汞、铜、锌、铅、镉、砷、六价铬、氰化物、氟化物、挥发酚等共17项评价项目对卡拉苏河水文断面地表水环境质量评价分级标准[3]。详见表1。

表1 地表水环境质量评价分级标准 mg/L

表2 卡拉苏河卡拉苏站水质监测站水化学参数及类型统计 mg/L

表3 卡拉苏河水文断面水质趋势检验成果表

2.2 Mann-Kendall趋势分析

Mann-Kendall检测方法是一种非参数统计检验法,也称作无分布检验法。河流流量具有一年一度的周期性变化,河流水质组分浓度大多受流量的周期性变化的影响,因此,将汛期与非汛期的水质资料进行比较缺乏可比性。季节性肯达尔检验定义为水质资料在历年相同月份间的比较,这避免了河流水质受流量季节性变化的影响,从而使检验结果更具可比性;同时,由于数据比较只考虑数据相对排列而不考虑其大小,故能避免水质资料中常见的漏测值问题,也使奇异值对水质趋势分析影响降到最低限度。因此,Mann-Kendall检验方法更适合于河流水质数据的特征,Mann-Kendall检测方法广泛应用于气象、水文时间序列趋势和突变分析[4]。根据卡拉苏河水文断面的水质特点,考虑到能反映流域内自然环境因素及人为影响,选择挥发酚、五日生化需氧量、溶解氧、高锰酸盐指数、总磷、总硬度、氨氮和镉8项参数进行趋势检验。

(1)高锰酸盐指数、总磷、五日生化需氧量和氨氮,用以反映水体中有机污染引起的河流水质变化趋势。高锰酸钾指数用来反映水体中能够用高锰酸钾氧化的有机污染物的含量,即反映水体是否受到可以由高锰酸钾氧化的有机物污染的趋势[5]。五日生化需氧量主要用来反映能够由微生物分解的有机物的含量,即反映水体是否受到可以由微生物分解的有机物污染的趋势。总磷指标可以反应处水体富营养化情况。氨氮可以反映出水体中含氮有机物的含量,氨氮的主要来源是生活污水中有机物的氮受微生物作用的分解产物,氨氮主要反映水体中是否受到含氮有机物污染的趋势,是否有富营养化的趋势。

(2)镉和挥发酚,用以反映因工业废水排入水体引起的有毒污染趋势。镉指标反映水体是否有受到的重金属无机毒物污染的趋势,这种污染的最主要的来源是化石燃料的燃烧、采矿和冶炼。挥发酚指标反映水体受到的易分解的有机毒物污染,这种污染来源主要是通过石油化学工业的合成生产过程及其产品的使用过程中排放的污水不经处理而排入水体中造成的。

(3)溶解氧,是衡量水体自净能力的一个指标,用以反映河流是有受到热污染的趋势,河流受热污染后易加速微生物的繁殖。

(4)总硬度,用以反映河流的天然水化学成分,是否发生了显著变化,也用以检验部分河流由于受农田排水引起的无机盐污染变化趋势。

2.3 水化学特征分析

对卡拉苏河卡拉苏水质监测断面“十三五”期间(2015年-2020年)地表水水质监测数据进行水化学特征分析。本次水化学类型评价采用阿列金分类法作为标准。总硬度和矿化度的评价依据《地表水资源质量评价技术规程》(SL395-2007)作为标准。

2.3.1 水化学类型

卡拉苏河卡拉苏水质主要受径流补给、地质、大气降水等因素的影响。卡拉苏河发源于新疆拜城县境内由于特定的地理位置和地形条件,形成了径流、降水规律分布的不同,因此卡拉苏河流天然水质随人类活动影响因素很大,出现季节性变化特点。

采用阿列金分类法划分水化学类型,调查分析卡拉苏河卡拉苏断面水质矿化度及总硬度的变化规律。我们以水体中溶解的离子总量、pH值和水化学类型描述水体的水化学特征。通过对卡拉苏河卡拉苏水文站水质断面“十三五”期间(2016年-2020年)五年水质资料进行系统分析,卡拉苏河流域天然水化学类型状况较好,卡拉苏河卡拉苏水文站水质水化学类型属于硫酸盐类钙组Ⅱ型。阴离子以硫酸根为主,阳离子以钙离子为主。水质类型随着卡拉苏河汇流,沿程矿化度及总硬度明显增加,从硫类钙组Ⅱ类变为硫类钙组Ⅲ类。

2.3.2 总硬度与矿化度

水的硬度主要是指水中钙离子和镁离子的总和,以碳酸钙表示,总硬度划分为极硬水、硬水、适度硬水、软水、极软水五个级别对应的值为:450 mg/L、300 mg/L、150 mg/L、100 mg/L、55 mg/L、25 mg/L。矿化度是水中所含无机矿物成分的总量。参照《地表水资源质量评价技术规程》(SL395-2007)(以下简称“技术规程”),根据水体中矿化度的多少,按下列标准划分为高矿化度、较高矿化度、中等矿化度、较低矿化度、低矿化度五个级别对应的值为:1 000 mg/L、500 mg/L、300 mg/L、200 mg/L、100 mg/L、50 mg/L[6]。

卡拉苏河卡拉苏水文站地表水河流矿化度含量均在580 mg/L左右,矿化度四级,总硬度含量均在280 mg/L左右,总硬度四级,属于较高矿化度硬水。卡拉苏河地表水的矿化度及总硬度较高,天然水化学成分含量较高,这与该地区的气候环境是分不开的,该地区属于干旱的内陆沙漠性气候,夏季炎热,冬季寒冷,四季分明,降水稀少,蒸发剧烈导致该地区天然水化学成分含量较高。

3 结果

2016～2020年间卡拉苏河水文断面地表水水质现状水质良好,水质类别分布在Ⅰ～Ⅱ类,无超标项目,符合《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅰ、Ⅱ类水质标准,可以作为饮用水源地、农田灌溉用水、一般工业用水的水源。汛期(每年6-9月)水质综合类别达到Ⅰ类可占83,3%,Ⅱ类可占16.7%;非汛期(每年1-5月,10-12月)水质综合类别达到Ⅰ类可占67.7%,Ⅱ类可占33.3%;年水质综合类别达到Ⅰ类可占67.7%,Ⅱ类可占33.3%。2015-2020年间卡拉苏河水文断面总硬度实测值变化范围在144～385 mg/L;氨氮、五日生化需氧量、高锰酸钾指数、溶解氧、镉和挥发酚五年内每次实测值均可以达到地表水Ⅰ类水质准;氨氮、高锰酸钾指数在2017年度和2019年度达到了地表水Ⅱ类水质标准;通过Mann-Kendall检测方法对卡拉苏河水文断面水质变化趋势分析。根据卡拉苏河水文断面水质中总硬度、溶解氧、镉、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、总磷、氨氮和挥发酚8项参数趋势检验结果可以看出拉苏河水文断面在2015-2020年间水质呈现无明显升降趋势。水体中溶解氧虽然上升0.3 mg/L,溶解氧浓度越高水质呈现越好状态。见图1。

图1 卡拉苏河水文断面2015-2020年水质类别对比图