宿鴨湖水庫水環境質量評估

李中原 王國重 張繼宇 左其亭 程煥玲 郝捷

摘要：為了了解宿鴨湖水庫的環境生態狀況，根據其2009—2015年的水質監測資料和功能區水質要求，采用單因子水質標識指數法、綜合污染指數法、有機污染指數法對其水環境質量予以評估。結果表明，TP、TN是該水庫的主要污染因子，其次是COD、BOD5和石油類的影響，這幾項因子的共同作用致使水庫僅有4個月水質合格，有60個月為劣V類水，年均水質始終為污染狀態。從綜合污染角度，該水庫只有15個月水質合格，其他月份則為污染狀態，其中有28個月是重度污染，這導致其年均水質和水期絕大部分水質為污染甚至重度污染狀態。從有機污染角度，水庫有3個月為輕度有機污染，其他月份污染指數在2.0以下，這使得其年均和水期水質基本在較好與一般之間變化。

關鍵詞：宿鴨湖水庫;單因子水質標識指數;綜合污染指數;有機污染指數;評估

中圖分類號：X832? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）08-0051-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.08.011? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： Three methods were applied to water quality assessment for the Suyahu reservoir， including the single factor water quality identification index， comprehensive pollution index and organic pollution index methods. The assessment was based on water quality data from 2009 to 2015 in addition to water quality requirements. The results suggested that TP and TN were the main pollution factors and the effect of COD， BOD5 and oil class were secondly in the reservoir， it was the combination of the factors that caused the reservoir water quality only four months qualified， sixty months in bad class water and annual water quality always in pollution; From the perspective of comprehensive pollution， there was only fifteen months that water quality qualified， the rest period in pollution with twenty-eight months in severe polluted， which made its water quality of annual and most of water season was in pollution even severe pollution; From the perspective of organic pollution， there was three months in mild organic pollution for the reservoir and organic pollution index was less than 2.0 in other months， which resulted in its water quality of annual and water season changed between normal and better.

Key words： Suyahu reservoir; single factor water quality identification index; comprehensive pollution index; organic pollution index; assessment

宿鴨湖水庫是亞洲最大的平原水庫，有“人造洞庭”的美譽[1]，位于淮河支流洪汝河水系汝河干流上，控制流域面積4 498 km2，占汝河全流域面積的61%，總庫容16.0×108 m3，是一座以防洪為主，結合灌溉、發電、養殖、城鎮供水、旅游的綜合利用大（I）型水庫，設計灌溉面積5.33萬hm2，養殖水面6 667 hm2，占駐馬店地區養殖水面的25%[2]。作為駐馬店地區最大的供水水庫，其水質的優劣影響著該區域經濟的可持續發展[3]。《河南省環境狀況公報》顯示，2015年淮河流域為中度污染，駐馬店地下水水質較差，宿鴨湖水庫水質為劣V類[4]。對水庫庫底沉積物采樣分析，各種重金屬元素平均質量比均超過國家公布的土壤元素背景值，存在一定的重金屬污染，且從岸邊到湖心位置有逐漸增加的趨勢[5]。研究表明，魚體對水庫中的Zn、Sr、Ba、Cu、Cr、Ni、Co、Sn和Cd等重金屬存在富集作用，但對沉積物中除Zn以外的重金屬無明顯的富集作用，與非養殖型湖泊相比，宿鴨湖水庫魚體內Pb和Cr的含量明顯偏高，對人體健康構成威脅[6]。

根據環境功能區劃和GB 3838-2002，宿鴨湖水庫執行Ⅲ類水質標準[7]。為了對該水庫水環境質量有所了解，分析其存在的環境質量問題，根據2009—2015年的水質實測資料，以6—9月為豐水期、4—5月與10—11月為平水期、12月至次年3月為枯水期[8，9]，采用相應的方法對其水污染狀況進行評估，為其環境治理和流域規劃提供依據。

1? 材料與方法

1.1? 數據來源

研究數據來自河南省環境監測中心2009—2015年逐月水質監測數據，水質樣品的采集、存放與指標的檢測嚴格按照地表水和污水監測技術規范（HJ-T91-2002）、地表水環境質量標準（GB 838-2002）進行，水質監測指標主要有總氮（TN）、總磷（TP）、5 d生化需氧量（BOD5）、溶解氧（DO）、化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、石油類、陰離子表面活性劑。

1.2? 評估方法

分別應用單因子水質標識指數法、綜合污染指數法、有機污染指數法對宿鴨湖水庫2009—2015年的水環境質量進行評估，目的在于能夠全面揭示該水庫的水環境狀況，剖析其存在的問題。

1.2.1? 單因子水質標識指數法? 單因子水質標識指數（Pi）由1位整數、小數點后2位或3位有效數字構成，其形式如下[10-12]：

式中，Y1是第i項水質指標的水質類別，該值越大表明監測指標的污染越嚴重;Y2表示監測數據在Y1類水質變化區間所在的位置，根據四舍五入法在0～9取值，該值越大說明在同類別的水質中監測指標的污染越嚴重;Y3代表水質類別與功能區劃設定類別的比較結果。

1）Y1.Y2的計算。當水質處于Ⅰ至Ⅴ類時，溶解氧指標由下式計算[13-15]：

而非溶解氧指標的計算式如下：

若水質低于或等于Ⅴ類水上限，則溶解氧指標可改由式（4）計算：

非溶解氧指標的計算公式則為式（5）：

2）Y3的取值。Y3用于判斷該單項水質類別是否劣于水功能區的類別，如果水質達到或優于功能區類別，則Y3=0;如果水質劣于功能區類別且Y2不為0，則Y3=Y1-Ki;倘若水質劣于功能區類別且Y2為0，則Y3=Y1-Ki-1，其中，Ki為功能區水質類別。

1.2.2? 綜合污染指數法? 綜合污染指數法是基于單因子污染指數法，結合水體功能要求，對各污染指標的相對污染指數進行統計，計算水體的污染程度，用公式表示如下[16，17]：

式中，P表示綜合污染指數;n為污染指標總數;pi代表第i項指標的污染指數，計算見式（7）：

式中，ci表示第i項指標的實測值（mg/L）;bi是第i項指標在水功能區類別的標準濃度（mg/L）。綜合污染指數的分級評價體系詳見表1。

1.2.3? 有機污染指數法? 有機污染指數可以揭示水體的有機污染狀況，以5 d生化需氧量（BOD5）、化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、溶解氧（DO）4個指標為評估指標，計算見公式（8）[18，19]：

式中，Gj代表第j月的有機污染指數;BODj、CODj、NH3-Nj、DOj分表表示第j年5 d生化需氧量、化學需氧量、氨氮、溶解氧的平均實測值（mg/L）;BOD0、COD0、NH3-N0、DO0則分別代表各評估指標的標準濃度（mg/L）。

根據宿鴨湖水庫實際情況，各項指標的標準值取值為生化需氧量4 mg/L、化學需氧量20 mg/L、氨氮1.0 mg/L、溶解氧5 mg/L。依照水質質量評估分級（表2）即可對水庫的有機污染狀況進行評估。

2? 結果與分析

2.1? 單因子水質標識指數評估

按照式（1）至式（5）分別計算宿鴨湖水庫2009—2015年逐月單因子水質標識指數，結果見圖1，年均各項指標pi的值如圖2所示。

從圖1可知，TP、TN是主要的影響因子，兩者都是2012年2月至2013年5月變化幅度較小，其他時段變化幅度較大，TP在3.20～9.76變化，除2010年3月，2012年2月、5—8月、10—12月，2013年2—4月水質基本合格外，其他月份水質在Ⅳ類水以下，其中有42個月為劣Ⅴ類;TN在3.10～7.94變動，除2009年6月、2012年3月、2012年5月至2013年2月、2013年5月，水質基本合格外，其他月份不能滿足功能區的水質要求，其中有46個月為劣Ⅴ類。其他幾項指標中，DO、BOD5、石油類分別有4、16、19個月為Ⅳ類水，其他月份都不超標;COD有3個月為Ⅴ類水、22個月為Ⅳ類水，其他月份能滿足功能區的要求;陰離子表面活性劑各個月份都能達到Ⅰ類水質標準。

DO、BOD5、COD、TN、TP、石油類、陰離子表面活性劑等水質因子的年均變化情況見圖2。由圖2可以看出，TP、TN是主要的污染因子，每年都超標;其次是COD，2013—2014年為Ⅳ類水，其他年份為Ⅲ類;BOD5雖然連年為Ⅲ類，但有發展為Ⅳ類水的趨勢;石油類最易發生突變，其2012、2015年水質為Ⅳ類，其他年份接近Ⅱ類水質;DO和陰離子表面活性劑指標都能滿足水庫的水質要求，陰離子表面活性劑甚至能達到Ⅰ類水質標準。

2.2? 綜合污染指數評估

根據式（6）至式（7），可得到宿鴨湖水庫2009—2015年綜合污染指數逐月變化過程，如圖3所示，其年均綜合污染指數見表3，不同水期對綜合污染指數的影響見圖4。

由圖3可見，宿鴨湖水庫水庫逐月綜合污染指數在2012年3月至2013年5月變化較為平緩，其他時間變化比較劇烈，波形忽高忽低差異較大;2010年3月，2012年3—8月、10月、12月至2013年5月，2014年5月這些月份水質能保證基本合格，其余時間則處于污染狀態，其中有28個月為重度污染，其綜合污染指數超過2.0。

從表3可知，宿鴨湖水庫2009—2011年的年均綜合污染呈逐漸增加的趨勢，2012年其綜合污染指數降至最低，之后又逐年增加。總體而言，2009—2015年水庫始終處于污染狀態，其中2011年最為嚴重，為重度污染，需引起重視。

從豐水期、中水期、枯水期時段（圖4）來看，宿鴨湖水庫各年綜合污染指數的變化較為復雜。2009和2012年是枯水期>中水期>豐水期，2010、2013、2015年為枯水期<中水期<豐水期，2011和2014年又分別為中水期<枯水期<豐水期、豐水期<枯水期<中水期;2012年的中水期和豐水期水質基本合格，2010和2013年的豐水期、2011全年水庫為重度污染，其他時期水庫處于污染狀態。

2.3? 有機污染指數評估

由式（8）可得到宿鴨湖水庫2009—2015年有機污染指數逐月變化過程，如圖5所示，其年均污染指數見表4，不同水期污染指數變化見圖6。

由圖5可見，2009—2015年宿鴨湖水庫有機污染指數在-0.290～2.595波動，其中有3個月為輕度有機污染，2013年7、8月、2014年11月其污染指數在2.0～3.0變化，其他月份污染指數在2.0以下，其中有25個月水質為一般，有機污染指數在1.00～1.96變動。這說明水庫大部分時間能保證水質合格，但偶爾會發生輕度有機污染，需要采取措施予以治理。

由表4可以看出，2009—2015年宿鴨湖水庫年均有機污染指數在0.318～1.200變動，水質在較好與一般之間變化， 2009—2014年有機污染指數基本呈逐年增加的趨勢，水質由較好逐漸演變為一般，雖然2015年有所減弱但仍需引起重視，及早采取措施，以防漸變為輕度有機污染。

由圖6可以看出，宿鴨湖水庫豐、中、枯水期有機污染指數變化特點如下：2009—2014年是枯水期<中水期<豐水期，但2015年卻為豐水期<枯水期<中水期;2009—2015年除2009年枯水期水質為良好，2011和2013年豐水期、2014年中水期和豐水期、2015年枯水期和中水期水質一般外，其他時段水質為較好，沒有發生有機污染。

3? 小結與討論

根據宿鴨湖水庫2009—2015年的水質監測數據，結合其Ⅲ類水功能區用水要求，采用3種方法對其水環境質量狀況進行了評估，結論如下：

1）從單因子水質標識指數法的逐月過程進行分析，TP、TN是該水庫的主要污染因子，僅有12個月能滿足功能區水質要求，其次是COD、BOD5和石油類的影響，有22個月水質不達標，這幾項因子的作用使得水庫僅有4個月水質合格，有60個月為劣Ⅴ類水，年均水質始終處于污染狀態。

2）綜合污染指數的逐月過程顯示，該水庫只有15個月水質合格，其他月份則為污染狀態，其中有28個月是重度污染，這導致其年均水質和不同水期絕大部分水質為污染甚至重度污染狀態。

3）有機污染指數的逐月變化表明，水庫有3個月為輕度有機污染，其他月份污染指數在2.0以下，說明水庫大部分時間能保證水質合格，但偶爾也會發生輕度有機污染，這使得其年均和不同水期水質基本在較好與一般之間變化。

本研究結果表明，TP、TN濃度嚴重超標是宿鴨湖水庫水質污染的最主要原因，其次是COD、BOD5和石油類的突然性超標。造成宿鴨湖水庫污染的途徑主要有2個：一是水庫上游的化肥廠、藥廠、鋼鐵廠等企業的工業廢水，居民生活污水和餐飲業的廢棄物等因處置不當，隨降雨徑流排入河流、進入水庫，使水體中N、P增加，COD、BOD5和石油類濃度驟然升高[20]。二是水產養殖尤其是大量的網箱養殖，加大了水體中自源性污染，養殖飼料、魚類排泄物及人為無序開發，增加水體中TN含量，使藻類等浮游生物大量繁殖，溶解氧含量降低[21，22]。這些原因導致宿鴨湖水庫個別月份水質基本合格，年均綜合污染指數則隨豐水期、中水期、枯水期不同時段而變化。

綜上所述，該水庫的污染狀況使其難以滿足水功能區對水質的要求，需要對上游的工礦企業、餐飲業進行有效治理，實現生活污水達標排放;同時治理水土流失，取締網箱養殖、倡導科學養殖，確保水庫水質。

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收稿日期：2019-01-30

基金項目：河南省科技攻關計劃項目（GG201604）

作者簡介：李中原（1964-），男，河南鄭州人，教授級高級工程師，碩士，主要從事水土保持方面的工作，（電話）13598835725（電子信箱）lizy0723@163.com。