南充西充河流域水體高錳酸鹽指數和氨氮時空分布特征的分析

何虎軍，蔡金王，都 雯，李文明，權秋梅，錢一凡

(1.南充市環境監測中心站，四川 南充 637000；2.川北幼兒師范高等專科學校，四川 廣元 628017； 3.南充市防雷中心，四川 南充 637000；4.西華師范大學環境科學與工程學院，四川 南充 637009)

1 前 言

西充河是嘉陵江中游的一級支流，位于四川省南充市境內，流經西充縣、嘉陵區和順慶區3個縣(區)，是四川省32條重點治理的小流域之一。按照省政府部署，省環保廳要求全省各市(州)開展實施重點小流域污染防治規劃，大力推進重點小流域的水質監控與污染整治。南充市政府于2014年在西充河沿岸縣(區)行政區域交界斷面修建水質自動監測站4座，對西充河流域的水質狀況進行實時監控，并按照生態補償政策對三個縣(區)的水質狀況進行考核，全面推進西充河流域污染整治工作。

本文以西充河流域為研究對象，對西充河水體中IMn和NH3-N兩項污染物指標的時空分布特征進行分析，以期為西充河流域的水質污染防治工作提供理論依據。

2 研究地點與研究方法

2.1 研究地點

西充河發源于西充縣境內，由象溪河匯入虹溪河后再與龍灘河交匯而成，流經西充縣、嘉陵區和順慶區三縣(區)后在南充市主城區匯入嘉陵江。西充河全長121km，流域面積450km2，回水面積658km2，流域內有29個場鎮、205個行政村和32萬人口。

西充河流域水質自動監測站點分別為位于西充縣晏家鄉(入嘉陵區斷面)、西充縣蓮池鎮(入嘉陵區斷面)、嘉陵區新復鄉(入順慶區斷面)和順慶區華鳳鎮(入市主城區斷面)。具體監測點位情況見圖1。

圖1 西充河流域及監測斷面分布Fig.1 The monitoring sections of Xichong River basin

2.2 數據來源

2015～2017年西充河流域水質IMn和NH3-N污染物濃度數據及水溫數據來源于四川省南充市環境監測中心站；2015～2017年降雨量數據來源于南充市氣象局。

2.3 監測儀器與監測方法

2.3.1 監測儀器

IMn在線監測儀為德國科澤公司生產的K-301型；NH3-N在線監測儀為德國WTW公司生產的TresCon UNO型；水溫在線測定儀為德國WTW公司生產的MIQ/2020型。

2.3.2 監測方法

2015～2017年西充河流域的4個地表水監測斷面的IMn和NH3-N污染物數據及水溫數據在每日0:00、4:00、8:00、12:00、16:00和20:00六個時次同步自動采樣并進行分析。IMn和NH3-N分別根據高錳酸鹽氧化-滴定法[2]和氨氣敏電極法[3]的技術要求進行測定；水溫根據溫度傳感器法測定。

2.3.3 水質標準

西充河流域的水質狀況以IMn和NH3-N兩項污染物濃度來判定，評價標準根據《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)和《地表水環境質量評價辦法(試行)》(環辦[2011]22號)及其附件相關環境質量評價辦法進行判定[4]，即采用單因子評價法來判定西充河流域的水質狀況，西充河水域執行Ⅲ類水質標準。

2.4 數據處理

運用統計學軟件SPSS19.0對2015～2017年西充河流域的IMn和NH3-N兩項污染物進行差異顯著性分析，運用Spearman相關性分析對IMn和NH3-N與降雨量、水溫之間的相關性進行分析，監測數據采用Origin8.6繪圖。

3 結 果

3.1 西充河流域水質總體情況

2015年和2016年，西充河流域的水質整體較好，晏家鄉、蓮池鎮、新復鎮和華鳳鎮4個監測斷面的水質均達到Ⅲ類及Ⅲ類以上水質標準。2017年西充河流域的水質狀況總較2015年和2016年有所惡化，具體表現為：西充河四個監測斷面的水質出現Ⅲ類及Ⅲ類以下水質的月份增多，且上游的水質惡化情況較下游嚴重，上游的兩個監測斷面出現了Ⅳ類及以下水質，尤其是蓮池鎮監測斷面在2017年2月甚至出現劣Ⅴ類水質(見下表)，而西充河下游的兩個監測斷面(新復鎮和華鳳鎮)水質達到Ⅲ類及Ⅲ類以上標準。

西充河流域4個水質監測斷面的主要污染物以IMn為主，IMn和NH3-N同為主要污染物的頻率次之，以NH3-N為主要污染物的頻率最低。晏家鄉和新復鎮兩個水質監測斷面的主要污染物以IMn、IMn和NH3-N兩種類型為主，蓮池鎮和華鳳鎮兩個水質監測斷面則出現了IMn、NH3-N、IMn和NH3-N三種類型；IMn為主要污染物的水質狀況在一年中任何時段均可出現，NH3-N為主要污染物的水質狀況僅在春、秋和冬季出現，而以IMn和NH3-N同為主要污染物的水質狀況雖在一年中任何時段均可出現，但在夏季出現的頻率較低，且僅存在于蓮池鎮和新復鎮兩個監測斷面。

表 西充河流域水質類別及主要污染物Tab. The water quality classifications and primary pollutants of Xichong river basin

續表

3.2 IMn分析

3.2.1IMn年度變化特征

2015～2017年，西充河流域的IMn濃度空間差異年度變化趨勢不一致，但4個水質監測斷面的IMn污染呈現逐年惡化的趨勢。其中，西充河上游的兩個水質監測斷面(晏家鄉和蓮池鎮)的IMn濃度雖然在2016年有好轉的趨勢，進入2017年后急劇惡化，蓮池鎮監測斷面的IMn濃度惡化程度達到顯著水平(P<0.05)，而晏家鄉監測斷面的IMn濃度則達到極顯著水平(P<0.01)(見圖2)；西充河下游的兩個監測斷面(新復鎮和華鳳鎮)的IMn濃度呈逐年惡化趨勢，但是其變化趨勢均未達到顯著水平(P>0.05)(見圖2)。

圖2 西充河流域水質IMn年度變化趨勢Fig.2 The annual variation of Permanganate index in Xichong river basin

3.2.2IMn季節變化特征

2015～2017年，西充河流域4個水質監測斷面的IMn濃度總體上呈春季最高，夏、秋季次之，冬季最低的變化趨勢。其中，西充河上游的蓮池鎮監測斷面三年的IMn濃度季節間差異均較小，未達到顯著水平(P>0.05)，而晏家鄉監測斷面的IMn濃度季節間差異僅在2016年達到顯著水平(P<0.05)(見圖3)，其余年份的IMn濃度季節間差異均未達到顯著水平(P>0.05)(見圖3)；西充河下游的新復鎮監測斷面2015年的IMn濃度季節間差異達極顯著水平(P<0.01)，此后兩年呈逐年減小趨勢，2017年的差異不顯著(P>0.05)，而華鳳鎮的IMn濃度季節間差異三年均達到顯著水平(P<0.05)(見圖3)。

圖3 西充河流域水質IMn季節變化趨勢Fig.3 The seasonal variation of Permanganate index in Xichong river basin

3.2.3IMn與水溫和降雨量的相關性分析

西充河流域的4個水質監測斷面的IMn濃度與水溫均呈正相關的關系，IMn濃度隨著河水水溫的升高而升高。其中，西充河流域上游的晏家鄉和蓮池鎮兩個監測斷面的IMn與水溫的相關性不顯著(P>0.05)；西充河流域下游的新復鎮和華鳳鎮兩個監測斷面的IMn與水溫的極顯著相關(P<0.05)。

西充河流域的4個水質監測斷面的IMn濃度與降雨量均呈正相關的關系，河水中的IMn濃度隨降雨量的增多而升高。其中，西充河上游的晏家鄉監測斷面的IMn與降雨量的相關性達到顯著水平(P<0.05)，而蓮池鎮監測斷面的IMn與降雨量的相關性不顯著(P>0.05)；西充河下游的兩個水質監測斷面(新復鎮和華鳳鎮)的IMn與降雨量的相關性均達到顯著水平(P<0.05)，而華鳳鎮監測斷面的IMn與降雨量的相關性達到極顯著水平(P<0.01)。

3.3 NH3-N分析

3.3.1 NH3-N年度變化特征

2015～2017年，西充河流域四個水質監測斷面的NH3-N污染總體為蓮池鎮監測斷面最高，華鳳鎮監測斷面次之，晏家鄉和新復鎮最低，4個監測斷面的NH3-N濃度年度變化趨勢則不一致。其中，西充河上游的晏家鄉水質監測斷面的NH3-N污染總體呈現逐年好轉的趨勢，但是變化趨勢不顯著(P>0.05)，而蓮池鎮水質監測斷面的NH3-N污染在2016年雖有些許改善，但在2017年卻出現急劇惡化現象，NH3-N年均濃度較2016年增加了2.271倍，變化達到極顯著水平(P<0.01)(見圖4)；西充河下游的新復鎮水質監測斷面的NH3-N污染總體呈現逐年好轉的趨勢，變化趨勢不顯著(P>0.05)，華鳳鎮水質監測斷面的NH3-N呈現出逐年惡化的趨勢，變化趨勢不顯著(P>0.05)(見圖4)。

圖4 西充河流域水質NH3-N年度變化趨勢Fig.4 The annual variation of Ammonia Nitrogen concentrations in Xichong river basin

3.3.2 NH3-N季節變化特征

2015～2017年，西充河流域4個水質監測斷面NH3-N濃度總體上呈春、秋和冬季較高，夏季低的趨勢。其中，西充河上游的兩個水質監測斷面(晏家鄉和蓮池鎮)三年的NH3-N濃度季節間差異均未達到顯著水平(P>0.05)；西充河下游的新復鎮水質監測斷面的NH3-N濃度季節間差異僅在2016年達到極顯著水平(F3,12=8.588，P=0.007)，其余兩年的季節間差異均為達到顯著水平，而華鳳鎮水質監測斷面三年的NH3-N濃度均未呈現出明顯的季節差異(P>0.05)，見圖5。

圖5 西充河流域水質NH3-N季節變化趨勢Fig.5 The seasonal variation of Ammonia Nitrogen concentrations in Xichong river basin

3.3.3 NH3-N與水溫、降雨量的相關性分析

西充河流域4個水質監測斷面的NH3-N濃度與水溫均呈負相關的關系。其中，西充河上游的晏家鄉水質監測斷面的NH3-N濃度與水溫相關性達到顯著水平(P<0.05)，而蓮池鎮的NH3-N濃度與水溫相關性不顯著(P>0.05)；西充河下游的新復鎮兩個水質監測斷面的NH3-N濃度與水溫相關性達到顯著水平(P<0.05)，而華鳳鎮兩個水質監測斷面的NH3-N濃度與水溫相關性則不顯著(P>0.05)。

西充河流域4個水質監測斷面的NH3-N濃度與降雨量均呈負相關的關系。其中，西充河上游的晏家鄉和蓮池鎮兩個水質監測斷面的NH3-N濃度與降雨量的相關性均未達到顯著水平(P>0.05)；西充河下游的華鳳鎮的監測斷面的NH3-N濃度與降雨量的相關性也未達到顯著水平(P>0.05)，僅新復鎮水質監測斷面的NH3-N濃度與水溫相關性達到顯著水平(P<0.05)。

4 討 論

4.1 土地利用形式對西充河水質的影響

土地利用/覆蓋變化(LUCC)與水體的質量有著緊密的相互作用關系，土地利用的方式和土地覆被的類型可以顯著地影響周圍地表水體的水質和水量[5-6]。其中，城鎮建設用地、耕地、草地和農村居民點等土地利用類型都會對周圍水體IMn和NH3-N等污染物濃度升高產生促進作用，而林地對污染物的的吸附和吸收作用較好，會降低周圍地表水體中污染物的濃度[7]。

以農業耕作為利用類型的土地，因土地利用面積廣，且耕作方式受到地形和水文條件等的影響，在非降雨時期，農村居民在農業耕作過程中施用的化肥、農藥等被農作物吸收剩余的部分在地表淺層累積，極易形成面污染源[8-9]，當出現降雨現象且降雨達到一定的強度時，這些在地表淺層累積的未被農作物吸收利用的化肥、農藥物質會通過滲透或漫流等作用進入周圍水體，造成地表水體污染。楊金玲等[10]和李俊然等[11]對土地利用類型對水質影響的研究結果表明：以耕地為主的土地利用類型對周邊水體易形成非點源污染，且耕地在所有的土地利用中的占比增大時，周邊河流中的污染物濃度有明顯增加的趨勢。而農村居民在畜牧業或養殖業產生的污染物以及生活過程中產生的污水及其它污染物因處理不當，直接被排放到環境中，會加重周邊地表水體的污染。

西充縣是南充市的一個農業大縣，工業基礎薄弱，經濟欠發達，經濟活動多以農業生產、畜牧養殖業為主，2016的實有耕地面積僅為49 815公頃，農村人口為48.84萬人，人均耕地面積僅為0.099公頃左右，農業耕作密度較大，是典型的人多地少地區，土地利用類型以耕地為主且拓荒情況嚴重，農作物耕種面積為108 901公頃，糧食作物的耕種面積為72 114公頃(數據來源于2017年南充市統計年鑒)，植被覆蓋率較低，流域內居民生產和生活過程中排放的污染物在地表累積，當降雨出現時，面源內的污染物會隨著地表漫流進入西充河，造成水體污染，水質變差，而流域內拓荒耕種，進一步加重了地表水體的污染。周理等[12]運用內梅羅指數法和污染評估法兩種方法對2011年的西充縣境內西充河水質污染狀況進行研究發現：流域內人口密度過大、農業化肥施用不當和畜禽養殖污染是造成西充縣境內西充河水質發生嚴重污染的主要原因。而王小霞等[13]運用輸出系數法對2012年西充河流域(西充縣境內)的水質污染來源進行了研究，進一步論證了西充河河流中的污染物主要來源為農村面源污染。

西充河流域內城鎮化建設速度加快，土地使用趨于集中，造成小范圍內人口密度過大大，污染物排放也較為集中，但污水收集處理設施等輔助設施建設步伐滯后，部分生活污水直接排放進入環境中，而被收集的污水由于處理能力或者處理工藝未達到要求，在未處理(或未完全處理)的情況下被排入地表水體中，進一步加劇了水體污染變差，這就相當于形成了許多個污水排放點源。據調查統計：截止2017年底，西充河流域內有28個鄉鎮所在地和1個縣城所在地，70%的鄉鎮所在地的常住人口超過了2 000人，西充縣城所在地(晉城鎮)的人口甚至超過了10萬人，人口居住情況相對集中，雖然大部分鄉鎮和晉城鎮均建立了污水處理廠(站)，但是污水處理設施不完善或者處理能力不夠，大部分的污水直接被排入西充河中，王小霞等[13]對西充河水體污染的研究也表明：城鎮生活污水是西充河水體發生污染的一個重要原因。通過比較分析西充河上游兩個監測斷面(晏家鄉和蓮池鎮)2015～2017年的IMn和NH3-N監測數據可知，蓮池鎮監測斷面的污染程度總體高于晏家鄉，其主要原因可能是西充縣城位于蓮池鎮監測斷面上游，城鎮居民生產和生活過程中排放的污染物加重了水體污染。而張殷俊等人[9]的研究表明：城鎮建設用地也是造成周邊河流水質發生惡化現象的原因之一，且隨著城鎮建設用地比例增加，水質惡化情況將加重。

4.2 降雨量、水溫對IMn濃度的影響

IMn主要是衡量地表水中能被KMnO4氧化有機物和無機性還原物質的量，其主要來源于生活污水和工業廢水。在西充河流域內，居民的生產活動以農業和養殖業為主，因而IMn主要來源于流域內的農田廢水、養殖業產生的污染物和居民生活污水。2015～2017年，西充河流域的IMn濃度總體維持在Ⅲ類水質標準以下，但是IMn濃度在季節間存在一定的差異，總體為春季最高，夏、秋季次之，冬季最低。通過分析降雨量和水溫等氣象條件對西充河的IMn濃度的影響可知：降雨量和水溫均可對西充河四個水質監測斷面的IMn濃度產生正相關影響。

相關的研究表明：在農業生產區域內，居民生產和生活過程中會直接排放出許多污染物，可在地表淺層累積，形成一個較大的面污染源，在非降雨時段，河流水量多以地下水補充，污染物不易進入周邊水體，當出現一定量的降雨時，污染物會隨著地表漫流而進入河流，造成河流中污染物的量會增多，當增加的污染物超過河流的稀釋和凈化能力時，河流中污染物濃度上升，水質下降[14-15]。通過分析西充河四個水質監測斷面的IMn濃度與降雨量的相關關系可知：四個監測斷面的IMn濃度與降雨量均呈正相關關系，除蓮池鎮的IMn濃度與降雨量的相關性不顯著外，其余三個監測斷面的IMn濃度與降雨量的相關性均達到了顯著正相關水平(P<0.05)。在非降雨時段，西充河流域內的居民生產和生活中排放的污染物的地表淺層高度累積，在降雨出現時隨地表漫流進入河流，造成河流中的污染物總量增加并超過了河水的稀釋和自凈能力，IMn濃度隨之升高。雖然南充地區的年降雨量充沛，多年平均降雨總量為1 100mm左右，但是在年度內分布不均，夏、秋季降雨量最多，春季次之，冬季最少。一年內夏、秋季的降雨量最多，地表漫流帶入水體的污染物也較春季多，但是較大的水量對流入水體的污染物稀釋作用較春季大，因而造成春季的IMn濃度高于夏、秋季；冬季的降雨量最少，河流的水量主要靠地下水補充，在地表累積的大部分污染物未能通過漫流作用進入河流，因而冬季的IMn濃度最低。蓮池鎮監測斷面的IMn濃度與降雨量的相關性未達到顯著水平主要是由于西充縣城所在地位于蓮池鎮的上游，縣城常住人口數量超過10萬人，城鎮居民在生產和生活過程中產生的污水量太大，大量污水在未被處理達標直接排放到河流中，而且全年均可排放，可能對河流水質產生較大的影響，造成蓮池鎮監測斷面的IMn濃度與降雨量的相關性未達到顯著水平。

氣溫的變化對地表水體的溫度產生影響，水溫的變化趨勢與周圍氣溫基本一致，進而對河流中的污染物濃度產生一定的影響，當氣溫升高時，水溫會相應升高，河流的蒸發量增加，污染物濃度升高。相關數據分析表明：西充河四個水質監測斷面的IMn濃度與水溫均呈正相關關系，水溫升高，西充河水中的IMn濃度升高，雖然西充河夏、秋季的水量較冬季大得多，但是進入河流的污染物也相應增加，蒸發量也較冬季大，河水中的污染物濃度也因蒸發而相應升高。此外，西充河上、下游的IMn濃度對水溫的響應程度不同，下游的兩個水質監測斷面的IMn濃度與水溫呈極顯著水平(P<0.01)，而上游的晏家鄉和蓮池鎮水質監測斷面的IMn濃度與水溫相關性則未達到顯著水平(P>0.05)。造成此差異的主要原因是西充河下游河道上修建的堰塘較多，水流較上游平緩，水深較深，河底沉積的淤泥較多。水溫升高，水中的微生物的活性增強，進而促使底泥中的有機物被釋放出來，也可以促使IMn濃度上升。潘俊等人[16]對渾河沈陽城區段河水底泥中污染物釋放研究表明，適宜的溫度將促進河水底泥中的污染物釋放，溫度降低，河水底泥中的污染物釋放過程將被抑制。

4.3 降雨量、溫度對NH3-N濃度的影響

以農業生產為主的區域地表水體中NH3-N的主要來源為周邊居民在農業生產施用的含氮肥料和生活中排放的生活污水。西充河流域內的居民的經濟活動多以農業和畜禽養殖業生產為主，河流中NH3-N的主要有兩方面的來源：一是河流周邊的農村居民生產和生活過程中施用的含氮肥料和生活污水，受降雨影響較大，排放過程零散且不連續；二是西充河周邊城鎮居民的生產和生活產生的污水，排放點較為集中，含氮污水排放量較為固定且排放過程是連續的。氮肥作為農作物的必需元素，農村居民生產過程中施用的含氮肥料和生活過程中排放的含氮污染物可被作物直接吸收利用，因而河流周邊的農作物對含氮污染物有吸收、吸附和滯留作用，河流周邊的耕地面積增大有一定程度的消減總氮的作用[17]。降雨雖然可將地表累積的含氮污染物帶入河流，造成河流中的NH3-N總量升高，但是河水也可對進入河流的NH3-N起稀釋作用，隨著降雨量的增大，河流中的NH3-N被稀釋的倍數越大，濃度也越低。在非降雨時期，由于河流的流量較小，進入河流的NH3-N較為固定，因而濃度較高，特別是冬季，降水最少，河流的流量最小，冬季時四個監測斷面的NH3-N濃度顯著高于春、夏和秋季。通過分析西充河NH3-N濃度與降水量相關性可知：晏家鄉、蓮池鎮和華鳳鎮3個監測斷面的NH3-N濃度與降水量均呈負相關關系。這與張尚清等人[18]對蘇錫常地區農村地表水水質研究結果一致：降雨可對地表水體中的NH3-N起稀釋作用。

西充河流域四個監測斷面中，新復鎮的NH3-N濃度和降雨量、水溫的相關性與其它3個監測斷面相反，呈顯著正相關(P<0.05)，造成此種差異的主要原因可能為新復鎮監測斷面位于虹溪河和龍灘河交匯處的下游，河道中修筑的堤壩較多，上游河流沖刷下來的淤泥大量沉積，造成河底淤泥中沉積的NH3-N較多，當降雨量增加造成河流的流量增加，對河底的淤泥沖刷能力加強，造成河流底泥中的含氮物質大量逸出，或水溫升高，加速河流底泥中的含氮物質分解，從而造成新復鎮監測斷面的NH3-N濃度與其它3個監測斷面呈相反的趨勢。

5 對 策

5.1 工業污染治理：關閉、搬遷沿河兩岸的工業污染企業，加強流域沿線工業企業日常監管，確保企業污染治理達標。

5.2 畜禽養殖治理：科學規劃畜禽養殖區域，河道500m范圍內設置為禁養區，1 000m范圍內設置為限養區，嚴格控制污染源；建設規模化畜禽養殖點，配套建設畜禽養殖污染治理設施，加強禁養限養區畜禽養殖行為監管。

5.3 鄉鎮生活污染治理：流域沿線建設鄉鎮垃圾收集站和污水處理站，加強對入河排污口的監管工作，大力推廣農村戶用沼氣池建設與使用。

5.4 主城區河道治理：建設西充河污水截流工程、西充縣污水處理廠等重點治理項目，加強對沿線河道的清理和兩岸垃圾清運的日常監管，確保河道清潔和垃圾日產日清。

5.5 生態補水：針對西充河徑流量小、河水自凈能力差等突出問題，實施“引嘉陵江入西河”工程，即通過提水泵站從南充市城區荊溪片區附近引嘉陵江水入西充河，增強西充河水質自凈能力，改善水環境質量。

5.6 生態環境保護：加快建設河流景觀長廊建設和生態護岸工程，加強流域沿線綠化建設與維護。

6 結 論

6.1 西充河流域內的IMn和NH3-N污染的主要來源為流域內的農村居民在農業生產和生活過程中排放污染物形成的面污染源以及河流沿岸的城鎮居民生活過程中排放的生活污水形成的點污染源。

6.2 西充河流域內的IMn污染總體呈現逐年惡化的趨勢，且上游的兩個水質監測斷面(晏家鄉和蓮池鎮)的IMn污染惡化趨勢較下游兩個監測斷面(新復鎮和華鳳鎮)嚴重，表明流域內上游的IMn類污染物排放量有增加的趨勢，應加大此類污染物的治理與管控措施；西充河流域IMn污染總體呈現春季最高，夏、秋季次之，冬季最低的趨勢；IMn濃度與水溫、降雨量均呈正相關關系，表明水溫的升高和降雨量的增加均西充河水體的IMn濃度升高有促進作用。

6.3 西充河流域內的晏家鄉和新復鎮的NH3-N污染總體呈現逐年好轉的趨勢，而蓮池鎮和華鳳鎮的NH3-N污染則呈現逐年惡化的趨勢，尤其是2017年蓮池鎮的NH3-N濃度較2016年增加了2.271倍，應加大蓮池鎮監測斷面上游的NH3-N污染排放源的排查力度，并進行整治；春季、秋季和冬季的NH3-N濃度差異不大，但明顯高于夏季；主要是因為NH3-N濃度與水溫、降雨量均呈負相關關系，表明適宜的水溫能增加水體中藻類的繁殖，消耗河水中的NH3-N，此外，降雨量的增加能增加河水流量NH3-N濃度有一定的稀釋作用。