淠河水质时空变化特征及驱动因素分析

朱沉静 谭茜 郭志阳 汪可欣 吴师

收稿日期：2023-11-23；接受日期：2024-04-03

基金项目：引江济淮工程（安徽段）输水沿线水源保护区划分、重大突发性水污染事件预警系统和水源地保护规划等课题研究项目（YJJH-ZT-ZX-20230706545）；国家水体污染控制与治理科技重大专项（2017X07603-005）

作者简介：朱沉静，女，助理工程师，硕士，研究方向为水资源开发利用与保护。E-mail：chenj_zhu@cug.edu.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章编号：1001-4179（2024） 06-0030-07

引用本文：朱沉静，谭茜，郭志阳，等.

淠河水质时空变化特征及驱动因素分析

［J］.人民长江，2024，55（6）：30-36.

摘要：为全面了解近年来淠河流域水质污染状况及时空变化规律，基于2018～2022年淠河干流水质考核断面pH、溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）及总磷（TP）监测数据，利用水质指数（WQI）法对河流水质进行综合评价，并结合相关性分析识别影响水质变化的关键水质指标。结果表明：① 淠河干流水质总体较好，WQI均值为（75.94±7.47），处于“良好”水平，但非汛期氨氮浓度为0.020～1.480 mg/L，负荷较高。② 空间分布上水质优劣排序为横排头＞大店岗＞窑岗嘴＞新安渡口。③ 在时间上干流汛期（6～9月）水质明显优于非汛期（1～5月和10～12月）。④ 结合相关性分析得出，研究区内主要污染指标为NH3-N、TN和COD；横排头—窑岗嘴段及新安渡口—大店岗段流域土地利用类型耕地占比高，水体受化肥施用和畜禽养殖业产生的COD、TN和NH3-N污染；窑岗嘴—新安渡口段水质受城镇生活污水直排和污水厂尾水排放影响，NH3-N污染严重；汛期污染程度伴随集中降雨强度逐步减弱。为保护淠河水生态环境，建议从增强流域自净能力、加强农业面源污染防控、完善污水截污管网系统等方面加强措施。

关  键  词：水质； WQI法； 变化趋势； 影响因素； 淠河

中图法分类号： X824

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.06.005

0  引 言

河流是孕育城市文明的摇篮，其水质安全与否直接关系到居民的生存发展。随着城市扩张和人口增长，各类水体污染源带来的威胁日益严峻［1-3］。针对河流开展水质评估有助于了解水质污染状况以及时空变化规律，对河流的保护及管理工作具有重要意义。利用水质指标定量评价水质可以采用多种方法，包括主成分分析法、人工神经网络评价法、单因子评价法以及水质指数（Water Quality Index，WQI）法等。上述方法中，水质指数法不仅能够将大量复杂的水质指标转变为一个反映水质整体状况的WQI评分，还能客观显示污染因子对水体污染的贡献程度。相较其他方法，WQI法具有计算过程简单、评价结果直观等优点，因而被广泛应用于评估地表水水质，尤其是在确定水质时空变化趋势方面［4-6］。

淠河是淮河中游南岸的一条较大支流，承担着重要的区域供水及灌溉功能。近年来受强烈人类活动影响，仅2019年淠河下游新安渡口断面水质就有8次超标［7］，这给当地城乡生活和工农业生产带来极大不便。由于淠河水质受到污染物入河量、降水频率、降水强度、水流交换速度及水体周边环境等诸多因素的影

响，其在空间和时间尺度上均呈现较强的特异性，难以制定针对性的水质保障措施。目前，针对淠河水质水期变化趋势［8-9］和淠河城区段污染物入河结构［7］已有一定的研究，但这些研究中使用的评价方法多为GB 3838-2002《地表水环境质量标准》中的单因子评价方法，因其“单项否决”的特点，难以识别不同污染因子对水质的影响。此外，针对多因素驱动下的淠河水质演变机制的研究也较少。

因此，本研究在探明淠河重要水质指标时空分布特征的基础上，利用WQI法对干流水质整体状况进行评价，并结合相关性分析识别不同时空条件下影响WQI指数的主要参数，以期丰富对淠河水质演变规律及主要驱动因素的认识，为当地水质保障和水污染治理提供科学依据。

1  研究区概况

淠河发源于岳西和金寨县境内的大别山北麓，由南向北流经岳西、霍山、金寨、六安、霍邱、寿县等县（市）后，在正阳关汇入淮河，全长253 km，流域总面积6 000 km2。本研究淠河河段范围为干流横排头枢纽到大店岗国考断面，长度约为118 km。其中淠河横排头—窑岗嘴断面为上游农村段，河道长度约29 km；窑岗嘴—新安渡口断面为城区段，河道长度约19 km；新安渡口—大店岗断面为下游农村段，河道长度约70 km（图1）。

淠河流域属亚热带北部边缘的东亚季风气候，年平均气温14.2～15.4 ℃，夏季高温多雨，冬季低温干燥。多年平均降雨量1 334 mm，且具有明显的季节性，降雨主要集中分布在6～9月，约占全年的67%［10］，其中6～7月多为涡切变型暴雨（俗称梅雨）形成主汛期，8～9月为台风型暴雨形成伏汛。流域暴雨中心多发生在佛子岭、响洪甸水库上游。

2  数据来源和研究方法

2.1  数据来源

以6～9月作为汛期，10月至次年5月作为非汛期。淠河水质数据来自六安市生态环境局，包含横排头、窑岗嘴2个省级考核断面及新安渡口、大店岗2个国家级考核断面（断面位置如图1所示）。2018年1月至2022年12月逐月实测酸碱度（pH）、溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）、总氮（TN），共7项指标，监测频次为每月1次。研究中涉及的降雨量数据来源于2019～2023年《安徽统计年鉴》。

2.2  研究方法

2.2.1  水质评价方法

采用Pesce等提出的水质指数（WQI）计算方法［11］，如公式（1）所示：WQI=ni=1CiPini=1Pi

（1）

式中：n为水质评价过程中所有指标的数量；Ci为指标i实测浓度的标准化赋分数值，参考GB 3838-2002《地表水环境质量标准》，从0～100划分为11个级别，根据水质指标的浓度进行赋值；Pi为指标i的权重，参考水质指标对水生生物的重要性进行划分，其中最大权重为4，最小值为1［12-15］，如表1所列。

WQI的取值范围为0～100，值越高代表水质越好。根据WQI得分，将水质分为5个等级：优秀（90～100）、良好（70～90）、中等（50～70）、一般（25～ 50）和差（0～25）［16］。

2.2.2  相关性分析

相关性分析是一种统计分析方法，用于衡量两个或多个变量之间的关系强度和方向。这种关系可以用相关系数来量化，最常见的是Pearson相关系数（线性相关），其值介于-1与1之间，负值表示负相关，正值表示正相关。在显著性的前提下，绝对值越大，相关性越强。本研究利用SPSS 26.0软件计算淠河考核断面水质指标和WQI指数之间的Pearson相关系数。

3  结果与讨论

3.1  水质指标时空变化特征

3.1.1  水质指标空间差异特征

如表2所列，2018～2022年，各监测断面COD年均浓度值从大到小依次为窑岗嘴>新安渡口>大店岗>横排头。各断面BOD5、TN及NH3-N年均浓度值从大到小则均表现为新安渡口>大店岗>窑岗嘴>横排头。已有研究表明，河流水质与流域土地利用方式密切相关［17］。根据《六安市十四五水土保持规划》，2020年六安市县（区）耕地占土地总面积比例分别为霍山县（8.16%）、金安区（49.97%）、裕安区（46.27%）、霍邱县（67.39%）。横排头—窑岗嘴属金安、裕安区境内，流域范围内分布有大量耕地。土壤中未被吸收的残留无机物和农药等，易随降雨形成的径流进入附近水体；此外，耕地灌溉也增加了土壤水分，易于土壤氮及化肥进入地表水体，最终导致窑岗嘴断面COD浓度较高。窑岗嘴—新安渡口段两岸为六安主城区，该段沿线布有多个入河排污口，水体承接了大量的生活生产废水及城镇地表径流，故新安渡口断面TN及NH3-N浓度偏高。TP浓度平均值各断面则无明显变化。已有研究结果表明，磷和其他磷离子均与泥沙具有较强的亲和力［18］。横排头以下河道进入丘陵和平原区，河面变宽，比降变缓，水流速度较小，利于悬移质泥沙沉淀，进而提升了河道吸附和固定磷的能力，因此整体上淠河干流总磷浓度波动幅度小。

3.1.2  水质指标时间变化特征

由于淠河流域降水年内分布不均匀，汛期与非汛期水质指标存在明显差异，根据统计，六安市2020年汛期降雨量占年降雨总量的70.46%，因此，需对水质变化情况以年内时间尺度加以分析。

从图2（a）可以看出，汛期（6～9月）DO相较非汛期（10月至次年5月）呈下降趋势，推测可能是由于汛期水温偏高，导致溶解氧饱和值下降；同时，汛期较大的径流量和降雨量易于有机物等还原性物质进入水体，随着温度的升高，微生物降解有机质消耗溶解氧的活动更加剧烈。前人研究结果指出大气入渗和水生植物光合作用释放是水体DO的主要来源［19］。汛期COD浓度普遍高于非汛期，呈现出与DO相反的变化趋势（图2（c）），进一步佐证：相较非汛期，汛期水体受有机物污染和还原性无机物污染程度更为严重。

水体NH3-N、TN、TP及BOD5浓度则普遍表现为非汛期高于汛期，且非汛期氨氮指标负荷较高（图2（b）～（f）），表明非汛期硝化细菌作用下的水中含氮类有机物的分解活跃。这可能是由于横排头枢纽等拦河构筑物的建成拦截了大部分上游来水，使得水体流动性变小，不利于营养盐类的输出。此外，汛期集中降水产生的大量地表径流注入水体，在稀释污染物的同时，也在一定程度上改善了河道的水动力条件，加快水体更新，抑制了富营养化。

3.2  WQI水质评价

研究区2018～2022年各监测断面WQI水质指数评价结果如图3所示。

总体而言，淠河WQI值处于“良好”（70～90）及“中等”（50～70）两个等级区间，多年WQI均值为（75.94±7.47）。由图3（a）可知，2019年1～12月各考核断面WQI“良好” 占比相较其余年份最低。近两年来，淠河水质持续提升，2022年WQI“良好”占比相较前4 a最高。

从时间层面上看（图3（b）），汛期各断面WQI等级“良好”占比，相较非汛期有所上升。由于部分非汛期时段存在WQI等级为“中等”的情况，因此若以WQI等级“良好”作为判断该监测断面水质是否达标的依据，则汛期的水质达标率要明显高于非汛期。这可能是由于汛期伴随的大量雨水的稀释作用，使得水体中污染因子浓度降低。从空间层面上看（图3（b）），各考核断面WQI值由高到低依次为横排头＞大店岗＞窑岗嘴＞新安渡口。横排头断面WQI

值相较其他断面最高。这是由于横排头断面以上为东西淠河交汇口，承接上游佛子岭水库及响洪甸水库来水，水库水质常年保持Ⅱ类标准，因此该断面水质较好。而新安渡口断面WQI值为4个断面中最低，推测是由于城镇污水处理厂尾水排放及大雁河、凤凰河、苏大堰河等5条水质较差的支流汇入，使大量污染物进入窑岗嘴—新安渡口段；加之区段内新安橡胶坝和城

北橡胶坝的设立，使得坝体之间水流速变小，对污染物稀释作用较弱。上述多种因素共同作用最终导致新安渡口断面水质较差。

3.3  水质时空变化驱动因素分析

由前文分析可知，淠河干流横排头、窑岗嘴、新安渡口及大店岗断面的水质指标及WQI指数具有较大的差异性。因此，将2018年1月至2022年12月上述各考核断面WQI值与7项水质指标进行Pearson相关性分析很有必要。通过比较其相关系数值大小，以查明影响水质的主要污染因子。

结果如图4所示：总体来看，氮磷营养盐指标（TN、NH3-N、TP）及有机化合物指标（COD、BOD5）与WQI之间呈现显著性负相关（P<0.05）；溶解氧指标与WQI呈显著性正相关（P<0.05）。故影响淠河水质的污染物类型可大致分为2大类：营养盐及有机物质。

淠河横排头—窑岗嘴段内建有安徽省六安市淠河国家湿地公园，湿地系统中的水生植物及微生物对氮磷等营养物质具有良好的去除作用［20-21］，因此水质与其他段相比整体偏好。如图4（a）～（b）所示，NH3-N和COD与WQI指数之间呈现显著负相关性，说明该段影响水质的主要污染指标为NH3-N及COD。前人研究结果证实，农村化肥施用和畜禽粪便，是淮河流域氮污染的主要来源［22］。根据《安徽统计年鉴》，2020年六安市化肥施用共计为162 547 t，其中氮肥46 248 t，磷肥14 962 t。横排头—窑岗嘴段耕地居多，且沿河分布有少量的排污口（图1），由此推测除内源输入外，COD、NH3-N主要来源为随地表径流进入水体的化肥、畜禽粪便及农田中残留有机肥升温发酵形成有机质，其次为管网排水。

相关研究表明，面源污染物浓度受降水量和降水强度影响，在相同的污染物累积量条件下，表现出随降雨量及降雨强度的增强，径流中污染物浓度逐渐降低的趋势［23］。从降雨量与WQI的关系图（图5）可以发现，汛期水质考核断面WQI指数值较高的点通常伴随较大的降雨量，而非汛期存在部分时段WQI值较低且降雨量少，说明汛期降雨在一定程度上改善了淠河水质。

淠河窑岗嘴—新安渡口段内共设置有5座污水处理厂及多处生活污水入河排污口（图1），水质较差。2020年六安市淠河水环境综合治理项目在该河段范围内启动，包含滩岸整治、滨岸带植被修复及支流水环境治理等工程措施，水质整体呈现回升向好趋势。如图4（c）所示，新安渡口断面NH3-N和TN与WQI指数之间呈现显著负相关性，说明该段影响水质的主要污染指标为NH3-N及TN。已有研究结果表明，窑岗嘴—新安渡口段水体氮的主要来源为污水厂尾水及城镇污水，其直接入河的NH3-N含量约为275.06 t/a，约占77.10%［7］。因此，城区污水入河量的控制是改善该段水环境质量的重要任务。

如图4（d）所示，大店岗断面NH3-N、TN和COD与WQI指数之间呈现显著负相关性，说明NH3-N、TN和COD为影响新安渡口—大店岗段的主要水质指标。淠河新安渡口—大店岗段属霍邱及寿县境内，河势平坦，其中霍邱县2020年土地利用类型耕地占比约为67.39%；淮南市2019年耕地33.37万hm2（500.56万亩）（第三次全国国土调查），约88.34%的耕地分布于寿县、凤台县、潘集区，与上游横排头—窑岗嘴段相似流域内耕地占比高。该段沿线也布置有入河排污口（图1），因此农业面源污染和城镇管网点源污染是该段水体污染物的主要外源输入。

4  结论与建议

本文重点分析了2018～2022年淠河干流各考核断面水质指标和WQI值的时空变化特征，以及它们之间的相关性。研究表明：① 近年淠河干流WQI均值为（75.94±7.47），水质处于“良好”水平，各水质指标总体较好。② 研究区WQI指数时空变异性大，时间上汛期（6～9月）水质明显优于非汛期（1～5月和10月至次年12月），空间上水质优劣排序为横排头＞大店岗＞窑岗嘴＞新安渡口。③ 结合相关性分析，各考核断面NH3-N、TN和COD与WQI指数之间呈现显著负相关性，表明研究区内主要污染指标为NH3-N、TN和COD。④ 横排头—窑岗嘴段及新安渡口—大店岗段流域土地利用类型耕地占比高，水体主要受化肥施用和畜禽养殖业产生的NH3-N、TN和COD污染；窑岗嘴—新安渡口段水质受城镇生活污水直排和污水厂尾水排放影响，NH3-N污染严重；汛期污染程度伴随集中降雨强度逐步减弱。

因此，为保障淠河流域水生态环境，建议从以下几个方面加强措施：① 加强湿地保护修复，增强流域自净能力。针对窑岗嘴—新安渡口段氨氮高负荷问题，建议因地制宜，在充分依托淠河现有湿地资源的同时，对受河道采砂等活动破坏的湿地植被区进行恢复；在支流入干流处等关键区域建设生态湿地。利用水生植物修复污染水体。② 加强农业面源污染防控。首先，应科学确定高效施肥方式，推进有机肥替代化肥，指导农民科学合理、科学使用农药；其次，要连通农田内部沟、塘，优化布设生态沟、生态塘和植被过滤带，提高对径流污染的拦截能力。③ 完善污水截污管网系统。加强对沿河排口、暗涵内排口、沿河截留干管的监管，严厉打击偷排漏排；在重点入河排污口实现数字化自动监控，推进雨污分流改造。

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（编辑：刘 媛）

Spatial and temporal variation characteristics of water quality and its influencing factors in Pihe River

ZHU Chenjing，TAN Qian，GUO Zhiyang，WANG Kexin，WU Shi

（Anhui Survey & Design Institute of Water Resources & Hydropower Co.，Ltd.，Hefei 230088，China）

Abstract：

To comprehensively reveal water quality pollution and the spatiotemporal variation characteristics of the Pihe River Basin in recent years，the water quality index （WQI） method was adopted to evaluate the river water quality based on monitoring data of pH，dissolved oxygen （DO），chemical oxygen demand （COD），5-day biochemical oxygen demand （BOD5），ammonia nitrogen （NH3-N），total nitrogen （TN），and total phosphorus （TP） from the mainstream of the Pihe River from 2018 to 2022.Additionally，correlation analysis was considered to identify key water quality indicators influencing water quality.The results were as follows：① The mainstream of the Pihe River has generally favorable water quality，with WQI averaging at （75.94±7.47），ranking in the “good” range.However，during non-flood seasons，the concentration of NH3-N ranged from 0.020～1.480 mg/L，signifying a relatively high load.②The spatial distribution of water quality ranked as follows：Hengpaitou>Dadiangang>Yaogangzui>Xin′an Ferry.③ At the time level，the water quality of mainstream during the flood season （June to September） was markedly superior to that during the non-flood season （January to May and October to December）.④ The correlation analysis showed that the water was mainly polluted by NH3-N，TN，and COD in the study area.In the Hengpaitou-Yaogangzui section and Xin′an Ferry-Dadiangang section with arable land as a major land use type，the water was mainly affected by COD，TN，and NH3-N generated from fertilizer application and livestock farming.In the Yaogangzui-Xin′an Ferry section，the water quality was severely impacted by the direct discharge of urban domestic sewage and effluent from sewage treatment plants，causing serious NH3-N pollution.During the flood season，water pollution gradually alleviates as concentrated rainfalls happen.From the perspective of protecting the ecological environment of the Pihe River，this study proposed to boost the self-purification capacity of the watershed，strengthen the prevention of agricultural non-point source pollution，and improve the intercepting and treating sewage systems.

Key words：

water quality; WQI; variation trend; influencing factors; Pihe River