2013-2017年延河水質變化及其影響因素

裴曉龍, 丁 強, 楊玉珍, 程俊俠, 郭 琦

(陜西省環境監測中心站 水環境監測室, 陜西 西安 710054)

延河發源于陜西省靖邊縣天賜灣鄉周山，由西北向東南，流經志丹、安塞、延安，于延長縣南河溝附近匯入黃河，全長286.9 km，流域面積7 687 km2，落差938 m，平均比降3.3‰，主要有杏子河、西川河、蟠龍川等14條支流，是陜北第2大河。延河多年平均年降雨量520 mm，多年平均年水面蒸發量980 mm，干旱指數在1.57～1.92[1]。隨著工業化進程的推進，特別是陜北油氣煤等資源的開發，以及人們生產生活方式的改變，人類活動的影響使得延河的水質發生變化，而針對延河水質的變化趨勢鮮有研究。因此，本研究應用Pearson相關性原理[2]，建立適用于延河水質評價的指標體系。在此基礎上對2013—2017年延河水質狀況進行分析，分析水質變化趨勢，研究各指標污染貢獻程度及影響延河水質的因素，以期為延河水質狀況評估和治理提供科學依據。

1 評價方法

選擇內梅羅指數法進行水質定量評價，用Spearman秩相關系數法進行水質變化趨勢分析，用污染分擔率研究指標體系中各項污染因子的貢獻程度。

1.1 內梅羅指數法[3]

內梅羅指數是當前國內外進行綜合污染指數計算最常用的方法之一，是一種兼顧極值或稱突出最大值的計權型多因子環境質量指數。該方法先求出各因子的分指數，然后求出各分指數的平均值，取最大分指數和平均值計算。

1.1.1 單因子指數 通過單因子評價，可以確定主要污染物及其危害程度。一般以污染指數來表示，其表達式為：

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi——i因子的污染指數；Ci——i因子實測值；Si——i因子環境質量標準值(地表水環境質量Ⅲ類標準值[4])。

1.1.2 綜合指數 綜合污染指數兼顧了單因子污染指數平均值和最高值，可以突出污染最重因子的作用。其表達式為：

(2)

式中：P綜——斷面(或河流)的內梅羅指數； maxPi——該斷面(或河流)單因子指數中的最大值； avgPi——該斷面(或河流)單因子指數平均值。

1.2 Spearman秩相關系數法[5]

采用Spearman秩相關系數法分析斷面(或河流)污染狀況隨時間變化的趨勢，其計算公式為：

(3)

di=Xi-Yi

(4)

式中：Xi——周期i到周期N按濃度值從小到大排列的序號；Yi——按時間排列的序號；N——周期次數；rs——秩相關系數。

1.3 污染分擔率[6]

污染分擔率是指各項污染因子的分指數在綜合污染指數中的比例，是反映污染構成的一個指標。其計算公式為：

(5)

式中：Fi——第i項污染因子的污染分擔率；Pi——第i項污染因子的污染指數；n——污染因子的總個數。

2 指標體系

水質評價指標體系[7]是用來全面衡量水質的尺度，是綜合水中各因子的標識。從水質評價過程以及相關評價實例來看，單個指標存在不能準確、合理的表征水質實際狀況的可能性，卻能直接影響評價結果。由此基于評價結果來篩選指標進而構建針對一條河流的評價指標體系成為一個新的思路。為了能夠更直觀、更清晰地分析延河水質變化的情況，在滿足科學性、合理性的前提下，設計了3個指標體系方案。①方案1：地表水河流評價指標，即《地表水環境質量標準(GB3838-2002)》中除水溫、總氮、糞大腸菌群以外的21項指標。②方案2：省政府考核指標化學需氧量、氨氮，同時兼顧特征污染物石油類和總磷，合計4項指標。③方案3：用地表水環境質量評價辦法評價，對延河2013—2017年共計283條監測數據進行統計分析，樣品超標率大于10%的指標有化學需氧量、氨氮、高錳酸鹽指數、5 d生化需氧量、總磷、石油類，結合自動站監測指標，增加溶解氧，確定以上7項指標。應用內梅羅指數法，采用以上3種方案分別對陜西省環境監測網絡中延河上5個斷面2013—2017年每月監測數據進行統計評價，結果詳見表1。

表1 不同指標體系方案年均值內梅羅指數評價結果

將每種方案評價結果作為變量，導入SPSS統計軟件進行定量相關性分析，采用雙側顯著性檢驗，計算Pearson相關系數r(r>0時正相關，r<0時負相關，其絕對值大小反映變量相關程度高低)詳見表2。按照Pearson相關性原理，若某兩個變量的r絕對值接近1，顯著性p<0.01，可以認為兩個變量具有普遍相似性，兩個變量可以相互替代。

表2 水質評價指標體系不同方案相關性分析結果

注：N表示每組變量的數據量。

表2顯示，在0.01的顯著水平下，方案2，方案3與方案1的Pearson相關系數分別為0.978和0.993，大于0.9，呈現高度顯著正相關。根據SPSS統計軟件Pearson相關性原理，可以推出方案2，方案3均可以替代方案1。方案1中指標全，能全面、綜合地反映水質狀況，但評價參數較多，評價的計算量較大，且不能突出重點因子；方案2，3與方案1的相關程度都很高，參數量小，操作性較強。根據評價指標體系篩選原則，在滿足科學性、合理性和可操作性的前提下，可以盡量選擇參數少，代表性強的指標進行評價。因此確定方案2為延河水質評價中的優選評價指標體系。

3 延河水質變化趨勢及影響因素分析

3.1 水質變化情況

采用方案2中的指標體系對延河2013—2017年水質狀況進行評價(表3)。2013—2017年延河內梅羅指數的Spearman秩相關系數是1，有著顯著的上升意義。由此可見5 a間延河水質狀況呈明顯下降趨勢。從表3還可看出，氨氮的污染指數、污染分擔率均呈現與延河總體內梅羅指數相同的變化趨勢，表明延河水質變化主要受氨影響。另外，氨氮的污染指數5 a間增長了168.7%，污染分擔率增長了60.8%，延河氨氮污染的典型特征愈發明顯。

3.2 影響因素分析

為了研究延河水質變化的原因，引入以下數據： ①水質內梅羅指數，用來表征水質污染狀況； ②河流年徑流量，用來表征河流的自然來水量； ③地區生產總值，用來表征人類生產生活強度。統計結果如圖1所示。沿延河各縣區生產總值在2013—2014年經歷小幅上升后，呈現明顯的下降趨勢，而這一時間段內的延河水質呈現明顯的下降趨勢，可以推斷經濟增長不是造成延河水質持續下降的主要原因；延河年徑流量從2013年開始有明顯的下降趨勢，特別是2015年的年徑流量僅為1.39×108m3，遠遠低于延河的多年平均徑流量2.82×108m3，2014—2015年延河內梅羅指數增長率33.55%也遠超其他年份，由此可見，延河徑流量的多少對延河水質的影響較大。

圖1 延河水質變化多重因素分析

4 結 論

(1) 針對延河水質進行評價研究，在滿足科學性、合理性的前提下，使用由氨氮、總磷、石油類、化學需氧量這4個因子組成指標體系，可以將評價工作簡化，操作性更強。

(2) 2013—2017年中，延河水質的內梅羅指數逐年上升，水質狀況逐年下降。

(3) 延河水質變化中，氨氮在評價指標體系中的貢獻率逐年增大，2017年已經達到38.7%，遠超其他污染物。改善延河水質，應該主要控制氨氮的總量。

(4) 延河生態水量是影響延河水質的主要因素，改善河流的生態水補給狀況同時控制入河污染物總量是延河水質健康的保障。