基于綜合水質標識指數的九洲江水質演變趨勢和相關性分析

藍月存，林 卉，黃伯當，李昆明，滕云梅，許桂蘋

(1.廣西壯族自治區生態環境監測中心，廣西 南寧 530028; 2.廣西壯族自治區生態環境廳，廣西 南寧 530028)

1 引言

九洲江流域地跨桂粵兩省區三市，是廣西玉林市沿江鄉鎮和廣東省湛江市的重要供水水源[1]。九洲江流域上游是廣西陸川、博白兩縣社會經濟發展和生態安全的重要屏障，鶴地水庫是廣東省湛江市主要飲用水源地，九洲江水質的好壞直接關系到流域的社會經濟發展大局和關系人民群眾的飲用水安全。近年來，由于流域上游地區經濟社會的發展變化及庫區面源污染等因素，九洲江水質難以穩定達標，鶴地水庫水質明顯下降，嚴重影響湛江市的飲用水安全。因此，研究近年九洲江干流的水質狀況及其變化情況，判定當前水質情況及變化，對提出應對策略、保障九洲江干流水質安全具有重要意義。

水質評價通過建立數學模型，對水環境質量的好壞進行定性或定量描述，國內常用的水質評價方法有單因子指數法[2,3]、綜合污染指數法[4,5]、內梅羅指數法[6～8]、模糊數學法[9～11]、人工神經網絡法[12,13]、灰色關聯度法[14,15]、層次分析法[16]、模糊綜合評判法[17～19]、主成分分析法[20,21]、物元分析法[22]等。這些評價方法都存在各自的優缺點。單因子指數法計算簡單、方便,但評價結果過于片面；綜合污染指數法計算原理與過程簡單，結果表達簡潔，但缺乏比較完善和統一的環境質量分級系統；模糊數學法、層次分析法、主成分分析法、物元分析法是基于矩陣運算的評價方法，評價結果較符合實際，但在隸屬度矩陣、權重選擇方面存在不足；人工神經網絡法是基于樣本訓練的評價方法，能夠很好地反映評價因子與水質類別間的非線性關系，但是評價指標的選擇不確定、計算復雜、定性評價結果不直觀，在理論和方法上還不成熟。

本研究以2014～2018年九洲江干流8個斷面5個水質指標的年均值為基礎，采用單因子水質標識指數法、綜合水質標識指數法以及綜合污染指數法分別評價各斷面的水質，分析九洲江干流的水質空間分布情況，在此基礎上采用Spearman相關系數法研究九洲江干流各水質參數間的相關關系，以期為九洲江流域水污染治理及水污染防治工作提供技術依據。

2 水質監測與分析方法

2.1 水質監測

2.1.1 采樣點布設

本研究在九洲江干流上選取陸川污水處理廠下游、大橋壩、灘面橋、良田壩、飛蛾嶺、文車橋、溫水浪和石角8個監測斷面，具體位置見圖1。從2014年1月至2018年12月每月采樣一次，2014至2018年的監測數據由玉林市環境監測站提供。

2.1.2 監測方法

監測項目包括：溶解氧、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、氨氮和總磷5項，采用各項水質指標的年均值進行水質評價和相關性分析。

溶解氧采用便攜式儀器法現場測定；其余項目采集后在保存期內采用國家相關標準分析方法進行測定(圖1)。

圖1 監測點位示意

2.2 數據處理與分析

采用EXCEL 2016軟件對所有數據進行統計計算和分析，采用SPSS19.0的Spearman相關系數法探討各水質指標之間的相關性。

2.3 分析方法原理

綜合水質標識指數法[24]是一種相對簡單且能綜合反映河流水質整體水平的評價方法，適用于一條河流不同斷面以及不同河流水質的評價比較。該方法既考慮了污染最嚴重的指標，又綜合考慮了所有單項指標以全面反映水體的水質狀況，可以對河道綜合水質進行全面、科學合理的定性與定量評價。評價結果可反映水質的達標情況和水環境整治的效果。

其主要計算步驟[23,24]如下：①計算各單項水質參數的單因子水質標識指數Pi；②計算各斷面的綜合水質標識指數P；③根據綜合水質標識指數的整數位和小數點后第一位X1.X2判定綜合水質類別及污染程度：當1.0≤P≤2.0時，水質狀況為Ⅰ類；當2.06.0時，水質狀況為劣V類；④通過描述綜合水質指數X1.X2的定量變化幅度△P，評價綜合水質隨時間和空間變化情況：當|△P|≤10%時，綜合水質基本不變；當10%<|△P|≤20%時，綜合水質輕微改善(惡化)；當|△P|>30%時，綜合水質顯著改善(惡化)。

綜合污染指數法是通過統計各個污染指標的相對污染指數，進而得出參評水體污染程度的數值，該方法既可直觀反映水質污染程度又可綜合判斷水質污染情況。

3 河流水質評價及相關性分析

3.1 綜合水質標識指數法評價結果

3.1.1 單因子水質標識指數法評價結果

單因子水質標識指數可以完整識別水質評價指標的類別和水質數據；既可以比較同一水質指標在同一水質類別中的差異，又能比較不同水質指標的污染程度[22]。九洲江干流各斷面單因子水質標識指數評價結果見表1。結合九洲江干流各斷面的水功能區劃類別，參與水質評價的5項水質指標在5年里均達標的斷面為石角斷面，其余7個斷面均存在不同程度的超標，超標最嚴重的3個斷面分別是陸川污水處理廠下游、大橋壩和灘面橋，超標因子分別為氨氮、總磷和5日生化需氧量。分析各超標項頻次表明，2014～2018年間，氨氮和總磷在九洲江水質中超標頻次較高，超標程度較深，是影響九洲江水質的主要污染物。從時間分布上，除了上游的陸川污水處理廠下游和大橋壩2個斷面外，其余6個斷面的氨氮和總磷自2016年起均達到相應的水功能區區劃類別，表明九洲江上游的污染防治措施有待加強；從空間分布上，氨氮和總磷空間分布表現基本一致，上游的陸川污水處理廠下游和大橋壩2個斷面水質要明顯劣于中下游6個斷面。 因此，應加強對九洲江上游來水以及周邊生活污水、畜禽養殖廢水的治理。

表1 2014～2018年各斷面單因子水質標識指數

續表1

3.1.2 綜合水質標識指數法評價結果

九洲江干流各斷面綜合標識指數評價結果詳見表2和表3。結果表明，在2014～2018年間，除大橋壩斷面外，其余7個斷面在各個時間的水質都能滿足各自的水功能區劃類別標準。從綜合水質標識指數的數值特征(圖2)來看，2014～2018年九洲江干流各斷面5年平均綜合水質均能滿足各自的水功能區劃類別標準，九洲江干流的水質從上游到下游存在好轉趨勢，上游斷面的綜合水質標識指數較大，水質較差；中下游斷面的綜合水質標識指數均<4，水質較好，其中石角斷面的水質最好，陸川污水處理廠下游斷面的水質最差。九洲江干流8個斷面水質從優到劣排序依次為石角>飛蛾嶺>文車橋>良田壩>溫水浪>灘面橋>大橋壩>陸川污水處理廠下游。

圖2 各斷面綜合水質標識指數均值

表3 2014～2018年各斷面綜合水質類別

表2 2014～2018年各斷面綜合水質標識指數

2014～2018年九洲江干流各斷面綜合水質隨時間變化評價結果如圖3和表4所示。由圖3可知，5年間九洲江干流各斷面綜合水質總體呈現先改善后惡化的趨勢，2014年至2016年九洲江各斷面綜合水質標識指數有所降低，水質改善；2016年至2018年九洲江有7個斷面綜合水質標識指數有所升高，水質惡化，因此，選擇兩個時間段進行評價：①2014～2016年，九洲江有2個斷面綜合水質基本不變，4個斷面綜合水質輕微改善，變化幅度為13%～18%，2個斷面綜合水質顯著改善，變化幅度為22%～24%；九洲江上游2個斷面水質基本不變，中下游6個斷面水質有所改善，水質改善顯著的斷面為良田壩和飛蛾嶺；②2016～2018年，有2個斷面綜合水質基本不變，3個斷面綜合水質輕微惡化，變化幅度為12%～17%，2個斷面綜合水質顯著惡化，變化幅度為21%～24%，1個斷面綜合水質輕微改善，變化幅度為15%；九洲江上游3個斷面水質輕微惡化，中游的良田壩斷面和飛蛾嶺斷面受上游來水的影響水質顯著惡化。

圖3 各斷面綜合水質標識指數時空變化

表4 綜合水質隨時間變化評價結果

選取2014年和2018年2個年份進行綜合水質隨空間變化評價。2014年，九洲江干流綜合水質改善31%，水質顯著改善；2018年，九洲江干流綜合水質改善52%，水質顯著改善。

2014～2018年各斷面的綜合水質標識指數隨空間變化趨勢如圖4所示。5年間九洲江干流綜合水質從上游至下游總體呈現改善趨勢，上游陸川污水處理廠下游斷面綜合水質最差，下游石角斷面綜合水質最好。陸川污水處理廠下游和大橋壩指數較高，水質較差，主要是受上游來水及周邊生活污水和畜禽養殖污水影響所致；灘面橋、良田壩和飛蛾嶺3個斷面與上游相比，指數下降，水質有所好轉；文車橋和溫水浪兩個斷面指數略有升高，水質有所下降，主要受寧潭河、圭地河等支流沿岸的生活污水和畜禽養殖污水影響所致；石角斷面指數下降，水質有所好轉。

圖4 各斷面綜合水質標識指數變化曲線

3.2 九洲江干流水質相關性分析

正態性檢驗顯示，氨氮不符合正態分布，故采用Spearman相關系數法對九洲江干流各水質指標之間進行相關性分析。如表5所示，九洲江干流溶解氧與五日生化需氧量呈顯著負相關；高錳酸鹽指數與五日生化需氧量、氨氮呈顯著正相關；五日生化需氧量與氨氮、總磷呈極顯著正相關，顯著性水平為P<0.01；氨氮和總磷呈極顯著正相關，顯著性水平為P<0.01。

表5 不同水質指標之間的Spearman相關系數

圖5為3組極顯著相關的水質參數回歸分析結果。由圖可知：五日生化需氧量與氨氮、總磷之間的相關性相對較好，其線性擬合相關系數R2分別達到0.712和0.742；氨氮與總磷間的線性回歸方程為ρ(NH3-N)= 12.57ρ(TP)- 1.255，線性擬合相關系數R2達到0.965，與二者相似的空間分布規律一致。

圖5 3組極顯著相關水質參數的回歸分析結果

3.3 污染原因分析與相應的防治措施

九洲江流域人口速增、養殖業快速無序發展，但污染治理滯后、水資源環境容量小，是造成九洲江流域水質污染的直接原因。

(1)畜禽養殖廢水是首要污染源。九洲江流域畜禽養殖業發達，養殖數量大，養殖模式粗放，加之養殖場缺乏規劃，布置和選址不合理，污染治理設施基礎薄弱，養殖廢棄物綜合利用水平低，導致大量畜禽養殖廢棄物未得到合理利用或處理，直接或間接進入九洲江，嚴重污染九洲江水質。

(2)生活污水是第二大污染源。九洲江流域人口眾多且密度較大，城鎮化率低，城鎮污水處理設施配套管網建設滯后，流域內生活污水收集處理水平低，部分干支流沿江城鎮居民生活污水直排入河；農村生活污水處理設施覆蓋率低，大多數生活污水未經處理直接排放，嚴重污染江河水質。

(3)九洲江流域農業較發達，農業生產中大量使用化肥、農藥、家畜糞便等隨著地表徑流進入九洲江，使水體中氮、磷濃度增加，水體受到污染。

(4)九洲江流域容量小、負荷重是水質惡化的直接原因。九洲江廣西段屬源頭河段，水資源量小，加之河段閘壩多，半封閉式水域多，水環境容量小，與此同時，流域內工農業廢污水和生活污水大量排入，造成水質污染、水環境惡化。

針對九洲江目前污染現狀及特點提出如下防治措施：

(1)加強九洲江上游來水及周邊污廢水治理，完善污水管網建設，提高陸川污水處理廠治污排污管理，同時，建立生態修復長效機制，確保九洲江水質長期穩定達標。

(2)對流域內畜禽養殖直排口攔截堵排，建立糞便資源利用項目，保證當地經濟和環境協調發展。

(3)加快推進圭地河、下垌河、寧潭河三大支流水體治理和修復，加大監管力度，確保各支流治污設施穩定運行，發揮治污效用。

(4)對流域周邊村莊建立不同規模的生態工程，將人、畜、禽糞便及生活垃圾進行資源化處理。

3.4 不同水質評價方法評價結果比較

采用綜合污染指數評價法[4]對九洲江干流8個斷面進行評價，并與綜合水質標識指數評價法結果進行對比，詳見表6。結果顯示，除陸川污水處理廠下游(2016年)和良田壩(2015年)綜合水質標識指數法評價結果劣于綜合污染指數法外，其余斷面在各個時段的綜合水質標識指數法評價結果均優于或接近綜合污染指數法。這表明，綜合污染指數評價法能夠直觀判斷綜合水質類別的范圍，但是不能明確水質類別；而綜合水質標識指數評價法，既能判斷綜合水質類別、細分類別的污染程度，還能識別單因子水質達標個數，更進一步反映水質的污染狀況。

表6 兩種評價方法評價結果比較

4 結論

借助于綜合水質標識指數法對九洲江干流水質進行分析，根據結果得出以下結論。

(1)該方法在九洲江干流水質評價中具有較好的適用性，能在同類水中進行水質優劣比較，比較完整地標識水質類別和水質狀況。

(2)從評價結果分析可知，氨氮和總磷是影響九洲江水質的主要污染物，氨氮和總磷呈極顯著正相關性；2014～2018年間，九洲江干流有7個斷面在各個時間的水質都能滿足各自的水功能區劃類別標準；九洲江干流沿程綜合水質從上游至下游總體呈現改善趨勢，說明近幾年九洲江流域在經過綜合整治后，水質得到一定程度的改善。為進一步改善九洲江流域水質，應將陸川污水處理廠上游來水及流域內生活污水和畜禽養殖廢水作為重點治理對象。