沮漳河流域水質的時空變化與評價

高伊培 黃永文 陳芳清

摘要 [目的]科學研究與評價沮漳河流域污染物排放與水質的時空變化規律。[方法]沿沮漳河流向選取6個斷面，于2015—2016年分別進行取樣與樣品分析，并分別采用單因子污染指數法和綜合污染指數法對水質進行分析與評價。[結果]沮漳河流域主要污染物排放在時間分布上沒有顯著差異，但在空間分布上呈顯著差異，其中下游的TN 和CODCr顯著高于中上游。單因子污染指數評價表明，沮漳河主要污染物為TN，其次是TP。綜合污染指數評價結果表明，沮漳河宜昌河段水質整體較好，但荊州河口斷面水質污染嚴重，水質評價結果達到Ⅳ類，其他斷面水質則符合Ⅲ類。[結論]沮漳河流域的水質呈現枯水期劣于豐水期和平水期、下游地區劣于上游地區的特征。

關鍵詞 污染物；水質；時空變化；環境評價；沮漳河流域

中圖分類號 X824 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）09-0079-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.09.023

Abstract [Objective] The research aimed to investigate and evaluate the spatiotemporal variation of pollutants and water quality in Juzhang River area.[Method] Six river sections were set up along the river，and water samples were collected and tested from 2015 to 2016.Methods of the single factor pollution index and the comprehensive pollution index were employed to evaluate the water quality.[Result]The difference of monitoring pollutant distribution was significant among different sections，but not significant among times.The assessment of the single factor pollution index indicated that total nitrogen ranked the major pollutant of the river，following by total phosphorus.The assessment of the comprehensive pollution index suggested that the water quality of the total area kept good level.However，water pollution was serious at Jingzhou section （Ⅳ level of water quality standard ）.[Conclusion]The water quality in low water period was worse than that in high water period，so was worse at downstream than that at upstream.

Key words Pollutants；Water quality；Spatialtemporal variation；Environmental evaluation；Juzhang River area

河流是陸地可利用淡水資源的主要組成部分。近年來，隨著我國工業化與農業集約化進程，全國范圍內眾多河流遭到不同程度的污染。據報道，我國有50%的河道受到污染[1-2]。加強河流污染的監測與治理對保障人民的生命安全和促進社會與經濟的可持續發展具有重要意義。河流水質的綜合評價是水環境治理的重要基礎性工作。通過對水質進行動態監測，并對監測數據開展客觀科學的分析與評價，能揭示水質的主要污染因子及水質的時空變化規律，為河流污染的治理提供客觀的依據[3-5]。目前，最常用河流水質的評價方法包括單因子指數評價法、綜合指數評價法等[6-8]。其中單因子指數評價法是將評價因子與評價標準進行比較，確定各個評價因子的水質類別，在所有項目的水質類別中選取水質最差類別作為水體的水質類別，該方法可確定水體中的主要污染因子，是目前使用最多的水質評價法[9]；而綜合污染指數評價法是將各項指標實際值分別除以各項指標的評價標準值，得出各項指標的評價指數，再對各項指標評價指數進行加權算術平均，得出綜合評價值[10]。綜合污染指數評價法能綜合反映出河流的水污染狀態，有利于比較各監測斷面之間的污染程度的差異，得到較為廣泛的應用。Vega等[11]、Sundaray[12]和Han等[13]分別用該方法對西班牙Pisuerga河、印度Brahmani河、韓國Nakdong河的水質時空變化進行了分析與評價。龔清蓮等[14]和常惠麗等[15]也利用該方案分別對長江宜賓段和濁漳河流域水質的時空變化特征進行了分析與評價。

沮漳河為長江中游北岸一條支流，該河流主要流經湖北省宜昌市的遠安縣、當陽市、枝江市以及荊州市部分地區。沮漳河流域土壤肥沃、資源豐富，在宜昌市社會經濟發展中具有重要的戰略地位。該流域總面積約413 831 hm2，總人口77.26萬人（其中鎮區人口19.82萬人），耕地面積73 141 hm2，糧食總產量631 139 t/a，流域沿線鄉鎮地區生產總值717 365萬元，占全市地區生產總值（1 547.32億元）的4.64%，農民人均純收入7 389元。沮漳河水質事關遠安縣、當陽市以及枝江市的飲用水安全以及農業經濟的穩定發展。近年來，隨著社會經濟的迅猛發展，沮漳河流域承載的環境壓力日益增大[16]。客觀了解沮漳河的水質及其變化對該流域的水環境管理顯得尤為重要。黃永文等[17]對該流域當陽段的水環境狀況進行了初步報道，但是關于該流域水體的總體情況目前仍缺乏系統的分析與評價。筆者在2015年12月—2016年12月對沮漳河宜昌河段的6個監測斷面進行表層水樣的采集與分析，采用單因子指數評價法和綜合污染指數對水質類別進行評價，以識別該河流的主要污染因子，并對水質的時空變化進行分析與評價，以期為沮漳河流域的水污染防治提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 流域環境概況及采樣斷面設置

沮漳河在宜昌市境內河長221 km，集水面積3 480 km2，占該河集水面積的47.4%，占全市面積的16.3%，是全市僅次于清江的第二大河流[17]。流域屬亞熱帶季風氣候，雨量充沛。年平均降雨量為1 050 mm左右，四季雨量分布不均，多集中在夏季，其中4—10月多年平均降雨量占全年的88.3%。

該研究共設置了6個采樣點，各采樣點自上游支流至下游干流分布于沮河（馬渡河斷面、鐵路大橋斷面）、漳河（白石港斷面、淯溪橋斷面）、沮漳河（兩河口斷面、荊州河口斷面），采樣點的分布與該流域省控監測斷面保持一致（圖1）。

1.2 水樣采集與分析

分別于2015年12月（枯水期）、2016年3月（平水期）、2016年6月（豐水期）、2016年9月（豐水期）、2016年12月（枯水期）在沮漳河流域宜昌河段所設置的6個斷面各采樣1次。用柱狀采水器采集各斷面表層水（深度為50 cm）500 mL，用聚乙烯樣品瓶密封，并按照《水質樣品的保存和管理技術規定》（HJ 493—2009）要求保存，帶回實驗室后進行分析檢測。主要檢測指標包括高錳酸鹽指數、化學需氧量、總磷、總氮和砷的含量，各指標參照《水和廢水監測分析方法》（第四版）[18]進行測定（表1）。

1.3 數據處理與分析

分別以樣品取樣的斷面和時間為自變量，以樣品所測水質指標為因變量進行單因子方差分析，揭示河流污染物排放的時空變化特征。然后采用單因子指數評價法，對比各水質測定值和評價標準值，判斷水體的主要污染指標。再以各指標的測定值除以評價標準值，得出單因子污染指數，并計算出綜合污染指數，評價水體的綜合水質類別[19-20]。水質評價的標準參照《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）[21]中Ⅲ類水體。相應的水質分類標準：P≤0.422，Ⅰ 類水體；0.422

數據處理中的方差分析采用SPSS 13.0軟件進行，單因子污染指數評價和綜合污染指數評價采用Excel 2010軟件進行，圖采用AutoCAD 2010和Origin 10.0進行制作。

2 結果與分析

2.1 河流主要污染物的時空變化

從表2可看出，沮漳河流域CODCr、TP、TN、NH3-N等4類污染物的排放量在空間分布有顯著差異（Sig.<0.05），而CODMn、As在空間分布上沒有顯著差異（Sig.>0.05）。其中CODCr為8.90～25.60 mg/L，荊州河口斷面CODCr污染物濃度顯著高于鐵路大橋、馬渡河、白石港、淯溪橋和兩河口等5個斷面；TP為0.03～0.28 mg/L， 馬渡河和荊州河口斷面TP濃度顯著高于鐵路大橋、白石港、淯溪橋和兩河口等斷面；TN的濃度為1.05～2.30 mg/L，荊州河口斷面TN濃度顯著高于鐵路大橋、馬渡河、白石港、淯溪橋、兩河口等斷面；NH3-N的濃度為0.23～0.82 mg/L，白石港和兩河口斷面NH3-N的濃度顯著高于鐵路大橋、馬渡河、荊州河口等斷面。總體上河流下游的污染物高于上游，沮河的高于漳河。

沮漳河流域所有污染物的濃度在時間上雖然有所變化，但是其差異沒有達到顯著水平（Sig.>0.05）（表3）。河流的CODCr、CODMn、TP、TN、NH3-N和As分別為2.30～4.14、8.30～15.28、0.04～0.19、1.10～1.87、0.30～0.64和0.01～0.04 mg/L。

2.2 河流污染物的單因子分析

沮漳河流域宜昌段所有監測斷面的pH均在6～9，符合我國地表水環境質量標準中I類水體的標準；CODMn的超標率為7%；CODCr的超標率為10%，以荊州河口斷面為最高；TP超標率為23%，以馬渡河和荊州河口斷面最高；TN超標率為90%，NH3-N超標率為13%，均以白石港和兩河口斷面為較高；As則未超標。因此，該流域污染最嚴重的監測因子為TN。各監測斷面檢測指標的單因子污染指數分析顯示（表4），TN單因子污染指數為0.723～4.350，均值為1.472，屬Ⅳ類水體，其中TN的最高濃度值出現在荊州河口斷面，是Ⅲ類標準值的4.3倍，可見TN超標最為嚴重的監測斷面是荊州河口。整個流域監測因子的污染排序為TN>TP>NH3-N>CODCr>CODMn>As。

2.3 河流水質的綜合評價

綜合指數分析顯示（表4），2015—2016年沮漳河流域各監測斷面的綜合污染指數的平均值為0.633，整個流域水質在時間和空間序列上呈現較大的變化（圖2）。從空間上看，監測斷面平均綜合污染指數大小排序為荊州河口（0.954）>馬渡河（0.623）>兩河口（0.622）>白石港（0.574）>鐵路大橋（0.531）>淯溪橋（0.491）。6個水質監測斷面中，荊州河口的水質最差。水質污染狀況在空間分布上呈現沮漳河>沮河>漳河的規律，流域污染程度沿河流的走向呈變重趨勢，表現出下游高于上游的特征。這主要是由于上游農業區的污染較輕，而中下游分布有城鎮及工業園區。同時由于河流的自凈能力有限，上游所排放污染物的累積，使得下游污染情況加重。現場調查資料顯示，沮漳河流域沿線19個鄉鎮中生活廢水源排放至沮河的有11個，排放至漳河的有3個，因此沮河水體的污染情況比漳河嚴重。

從時間分布上看，平均綜合污染指數在豐水期最低，而在枯水期最高，水質污染狀況呈現枯水期高于豐水期和平水期的特征。這是由于河流在豐水期或平水期水流量大，有效降低了水體污染物的濃度，一定程度降低了污染程度。

3 結論

（1）沮漳河流域主要污染物的排放量在時間分布上均沒有顯著差異，但在空間分布上CODCr、TP、TN、NH3-N等4類污染物的排放量具有顯著差異，其中CODCr污染物以荊州河口斷面為最高，TP以馬渡河和荊州河口斷面較高，TN和NH3-N均以白石港和兩河口斷面為較高。

（2）沮漳河流域大部分監測指標的單因子指數最低值均出現在豐水期或平水期，而最高值則出現在枯水期。河流的主要污染因子為TN，其中TN超標最為嚴重的監測斷面是荊州河口。

（3）綜合污染指數評價顯示，沮漳河荊州河口斷面水質最差，屬于國家地表水環境質量標準的Ⅳ類水體。其他斷面水質較好，屬國家地表水環境質量標準的 Ⅱ 或 Ⅲ 類標準，達到了《湖北省水污染防治行動計劃工作方案》（鄂政發[2016]3號）中對沮漳河宜昌市控制單元的水質目標要求。水質污染狀況呈現枯水期高于豐水期和平水期、下游高于上游的特征，這主要與不同河段社會經濟發展與污染物的排放狀況有關。

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