賈魯河鄭州段水質(zhì)評(píng)價(jià)和污染源解析

劉修英，黃功學(xué)，鄭志宏，高鏡清，朱崇梅

(1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450008； 2.河南省湖庫(kù)水生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450008； 3.鄭州大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001)

水質(zhì)評(píng)價(jià)和污染源解析是河流有效管理和污染防治的基礎(chǔ)工作[1]。在常見的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法中，單因子評(píng)價(jià)法不能反映水體綜合情況，污染指數(shù)法不能評(píng)出水質(zhì)類別，模糊數(shù)學(xué)法、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法、層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)劣Ⅴ類水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)論偏保守[2]。綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法能對(duì)Ⅰ～Ⅴ類和劣Ⅴ類水做出合理的定性和定量評(píng)價(jià)，在我國(guó)水環(huán)境研究中常用于綜合水質(zhì)及水質(zhì)時(shí)空變化評(píng)價(jià)[3-5]。因子分析可將多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個(gè)綜合因子，避免信息損失，還可根據(jù)研究區(qū)域因子載荷得分識(shí)別污染因子的空間分布規(guī)律[6]，自此廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外水環(huán)境污染源解析[7-8]。

1 研究區(qū)概況

賈魯河鄭州段位于鄭州賈魯河水系(圖1)，介于東經(jīng)113°34′24″～114°06′33″、北緯34°40′53″～34°41′32″之間，包括賈魯河干流、常莊水庫(kù)、索須河、七里河。賈魯河屬于淮河二級(jí)支流，發(fā)源于河南省新密市，由鄭州市西南部蜿蜒而下，從中牟縣出鄭州，至周口市匯入沙潁河。賈魯河鄭州段長(zhǎng)137 km，流域面積2 750 km2。鄭州市城區(qū)河流皆為賈魯河支流，常莊水庫(kù)位于賈魯河支流賈峪河的中下游，七里河和索須河是賈魯河鄭州段兩個(gè)最大支流。根據(jù)

圖1 鄭州賈魯河水系及采樣點(diǎn)分布

《河南省水環(huán)境功能區(qū)劃》(豫環(huán)2006)，賈魯河鄭州段劃分為3段：上段為水源至尖崗水庫(kù)出口，為Ⅱ類水質(zhì)；中段尖崗水庫(kù)出口至西流湖南陽壩，為Ⅲ類水質(zhì)；下段南陽壩至郭辛莊，為Ⅳ類水質(zhì)。賈魯河源頭泉水早已干枯，在西流湖以下沿途接收鄭州市排水為水源。2014—2016年，鄭州實(shí)施了水生態(tài)文明建設(shè)試點(diǎn)工程，對(duì)城區(qū)大部分河道進(jìn)行了截污和清淤，并向賈魯河水系間歇式引入黃河水[18]，賈魯河的水質(zhì)有所改善，但距離鄭州市規(guī)劃的“水清岸綠、鳥鳴魚戲、人水和諧”的景觀河流目標(biāo)還差很遠(yuǎn)。

2 研究方法

2.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)SL219—2013《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》和《河南省水環(huán)境功能區(qū)劃》(豫環(huán)2006)，在鄭州賈魯河水系設(shè)9個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)，其中，賈魯河干流設(shè)6個(gè)采樣點(diǎn)：尖崗水庫(kù)(S1)、西流湖南陽壩(S2)、中州大道斷面(S3)、鄭開大道斷面(S4)、中牟水文站斷面(S5)、中牟陳橋斷面(S6)；支流設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)：常莊水庫(kù)(CS)、索須河的大河路斷面(SD)和七里河的萬三公路斷面(QW)。S1、CS、S2位于賈魯河鄭州飲用水源區(qū)，S3、S4、QW位于賈魯河鄭州排污控制區(qū)，S5、S6和SD分別位于賈魯河鄭州中牟農(nóng)業(yè)用水區(qū)、賈魯河中牟排污控制區(qū)、滎陽鄭州過渡區(qū)。

2.2 水樣采集與分析方法

水樣采集時(shí)間為2016年7月8—10日和9月16—18日。水樣采集后帶回實(shí)驗(yàn)室立即分析，當(dāng)天不能分析的置于4 ℃冰箱保存，待次日分析。7月采樣時(shí)，楊橋干渠正向賈魯河輸入黃河水。

2.3 綜合水質(zhì)及其時(shí)空變化評(píng)價(jià)方法

水質(zhì)評(píng)價(jià)和水質(zhì)時(shí)空變化評(píng)價(jià)采用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法，該法以GB 3838—2002《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和單因子標(biāo)識(shí)指數(shù)為基礎(chǔ)，綜合評(píng)價(jià)水質(zhì)級(jí)別、功能區(qū)目標(biāo)達(dá)標(biāo)狀況、水質(zhì)時(shí)空變化程度。

2.3.1綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)計(jì)算方法

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)(IWQ)由整數(shù)位和3位小數(shù)排列構(gòu)成，結(jié)構(gòu)式為：R1.R2R3R4，其中R1、R2、R3和R4分別表示綜合水質(zhì)級(jí)別、水質(zhì)判斷為該等級(jí)的隸屬度、未達(dá)到水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的單因子水質(zhì)指標(biāo)個(gè)數(shù)、綜合水質(zhì)級(jí)別劣于水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)幾個(gè)等級(jí)。綜合水質(zhì)級(jí)別標(biāo)識(shí)指數(shù)G的計(jì)算公式[19]為

(1)

其中

2.3.2綜合水質(zhì)級(jí)別及其時(shí)空變化評(píng)價(jià)方法

綜合水質(zhì)級(jí)別和水質(zhì)時(shí)空變化評(píng)價(jià)按照表1進(jìn)行。

表1 水質(zhì)級(jí)別及其時(shí)空變化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

水質(zhì)隨時(shí)間和空間變化程度分別根據(jù)水質(zhì)時(shí)間變化率T和空間變化率S判斷，T、S的計(jì)算公式[21]為

(4)

(5)

式中：Gt1、Gt2分別為比較時(shí)間內(nèi)起始時(shí)刻和終止時(shí)刻采樣點(diǎn)綜合水質(zhì)級(jí)別標(biāo)識(shí)指數(shù)；GS1、GS2分別為比較空間內(nèi)起始斷面和終止斷面采樣點(diǎn)綜合水質(zhì)級(jí)別標(biāo)識(shí)指數(shù)。

2.4 污染源解析方法

污染源解析采用因子分析法。因子分析從原始變量的相關(guān)系數(shù)矩陣出發(fā)，通過降維找出少數(shù)幾個(gè)不可觀測(cè)的隱變量(因子)，少量因子通常能揭示出隱含在原始變量之間的內(nèi)部聯(lián)系和重要信息，尤其是成因上(污染源)的聯(lián)系，解釋基于獲得的旋轉(zhuǎn)因子載荷、旋轉(zhuǎn)特征值和采樣點(diǎn)因子得分[22]。因子分析之前原數(shù)據(jù)經(jīng)過Z標(biāo)準(zhǔn)化(Z-Score)，以消除不同污染物濃度量程差異的影響[23]。

2.5 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)處理采用ArcGIS10.5和IBM SPSS Statistic19軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 采樣點(diǎn)污染物質(zhì)量濃度

7月和9月采樣點(diǎn)污染物質(zhì)量濃度見表2，各污染物質(zhì)量濃度為3個(gè)平行樣測(cè)定的平均值。

表2 采樣點(diǎn)污染物質(zhì)量濃度

3.2 綜合水質(zhì)級(jí)別和水質(zhì)時(shí)空變化評(píng)價(jià)

3.2.1綜合水質(zhì)級(jí)別評(píng)價(jià)

表3為采樣點(diǎn)綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，7月除S1、S4綜合水質(zhì)類別達(dá)到水功能區(qū)劃目標(biāo)外，其余均超標(biāo)；9月所有采樣點(diǎn)綜合水質(zhì)均超標(biāo)。9月水質(zhì)與7月相比，S1、S4、S5分別由Ⅱ類、Ⅳ類、Ⅴ類降為Ⅲ類、Ⅴ類、劣Ⅴ類；S3水質(zhì)由劣Ⅴ類變?yōu)棰躅悾籗2、CS、S5、S6、SD、QW仍然為劣Ⅴ類，QW仍黑臭。7月采樣點(diǎn)綜合水質(zhì)從優(yōu)到劣順序?yàn)椋篠1、CS、S4、S2、S5、SD、S3、S6、QW;9月采樣點(diǎn)綜合水質(zhì)從優(yōu)到劣排序?yàn)椋篊S、S1、S2、S4、S3、S5、S6、SD、QW，除了S4外，干流水質(zhì)從上游到下游逐步惡化，支流水質(zhì)劣于干流。

表3 采樣點(diǎn)綜合水質(zhì)級(jí)別評(píng)價(jià)

3.2.2水質(zhì)時(shí)空變化評(píng)價(jià)

表4顯示，9月水質(zhì)與7月相比，采樣點(diǎn)S1和S4皆明顯惡化(|T|>20%)，S3有輕微改善(10%<|T|<20%)，而CS、S2、SD、QW、S5、S6變化不明顯(|T|<10%)。尖崗水庫(kù)(S1)是鄭州市反季節(jié)調(diào)蓄備用水源，因?yàn)橄募居盟叻鍟r(shí)庫(kù)水被調(diào)用，9月采樣時(shí)水位比7月下降，加上夏季雨水帶來的面源性污染，從而造成9月水質(zhì)變差。7月采樣時(shí)賈魯河采樣點(diǎn)S3上游有城中村排水明渠截污施工，9月采樣時(shí)此排水口未見有水流入賈魯河，也許造成了9月采樣點(diǎn)S3水質(zhì)比7月的稍微改善。7月采樣時(shí)位于S4上游楊橋干渠正在向賈魯河引入黃河水，而9月采樣時(shí)無此引黃補(bǔ)水，故9月S4水質(zhì)比7月明顯惡化，說明通過楊橋干渠向賈魯河引黃補(bǔ)水只能當(dāng)時(shí)改變最近受水河段水質(zhì)。

表4 采樣點(diǎn)水質(zhì)時(shí)空變化

選擇賈魯河干流下游采樣點(diǎn)S3—S6段分析水質(zhì)空間變化，原因是上游湖庫(kù)(S1、S2)平常與賈魯河下游隔離，CS、SD、QW位于賈魯河支流，故這5個(gè)采樣點(diǎn)不參與水質(zhì)空間變化分析。表4顯示，采樣點(diǎn)S4水質(zhì)比S3在7月明顯改善(S>20%)，在9月無明顯變化(S<10%)。無論7月或9月采樣點(diǎn)S5水質(zhì)比S4的均明顯惡化(|S|>20%)；而采樣點(diǎn)S6水質(zhì)比S5的在7月輕微惡化(10%<|S|<20%)，在9月沒變化(S=0)。

賈魯河鄭州段為典型基流匱乏型河流，除雨季外，水源主要為6個(gè)市政污水處理廠和工業(yè)排水，間歇式引黃補(bǔ)水。采樣點(diǎn)S3～S4段位于賈魯河鄭州市污染控制區(qū)，S3的水源主要有位于鄭州市西部的五龍口污水處理廠一級(jí)B排水(約10萬m3/d)，在S3—S4段先后匯入了污染較重的索須河水、陳三橋污水處理廠一級(jí)A排水(約10萬m3/d)、馬頭崗污水處理廠水質(zhì)較好的排水(約60萬m3/d)，各種水源混合后S4水質(zhì)與S3水質(zhì)相比一般變化不明顯(9月)，但在S3—S4之間楊橋干渠進(jìn)行引黃補(bǔ)水時(shí)(7月)，黃河水的稀釋作用使S4比S3水質(zhì)明顯改善。S4—S5段匯入大量七里河黑臭水，其中包括王新莊污水處理廠二級(jí)B排水(約40萬m3/d)和南三環(huán)污水處理廠一級(jí)A排水(約10萬m3/d)，造成S5的水質(zhì)比S4的水質(zhì)無論7月或9月均明顯惡化。采樣點(diǎn)S5—S6段匯入了中牟縣污水處理廠二級(jí)B排水(約2.0萬m3/d)和少量農(nóng)村生活污水，因上游黃河引水的稀釋作用，7月采樣時(shí)采樣點(diǎn)S5比S6污染稍輕，9月采樣二者無明顯差別。由此說明，因大量王新莊污水處理廠出水匯入賈魯河，通過楊橋干渠對(duì)賈魯河進(jìn)行引黃補(bǔ)水只能改善受水區(qū)一段水質(zhì)，對(duì)S5和S6水質(zhì)影響不明顯。

鄭州市是水源型缺水和水質(zhì)型缺水并存的城市[24]，引黃補(bǔ)水是鄭州市水系連通不可缺的方法，根據(jù)鄭州水務(wù)局公布數(shù)據(jù)，鄭州每年向賈魯河水系引黃補(bǔ)水約1.2億m3。本研究發(fā)現(xiàn)，通過楊橋干渠引黃補(bǔ)水不能有效解決賈魯河出鄭州斷面的劣Ⅴ類水質(zhì)問題。建議加強(qiáng)賈魯河受水區(qū)和黃河水源的水質(zhì)、水量監(jiān)測(cè)，按照賈魯河目標(biāo)水質(zhì)科學(xué)計(jì)算需水量，合理調(diào)配引水量，提高賈魯河引黃補(bǔ)水的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 污染來源分析

表5 污染物旋轉(zhuǎn)因子載荷

表6 采樣點(diǎn)因子得分

在因子2上得分為正的采樣點(diǎn)有SD、S6及7月的S3和QW(表6)，說明這些采樣點(diǎn)CODMn與CODCr質(zhì)量濃度對(duì)因子2貢獻(xiàn)較大。一般認(rèn)為CODMn和CODCr與城市化帶來的生活污水排放相關(guān)[28]。根據(jù)鄭州市環(huán)保局統(tǒng)計(jì)，鄭州市2016年污水排放CODCr為28 196.94 t，其中生活源、工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源CODCr分別占總排放量的80.85%、18.38%和0.72%。由于鄭州市生活污水和工業(yè)污水多經(jīng)處理排放，且我國(guó)污水處理廠CODCr消除率高，推定這4個(gè)采樣點(diǎn)CODMn和CODCr高主要與某些未處理污水相關(guān)。采樣點(diǎn)QW上游的王新莊污水處理廠污水溢流入七里河，是造成QW、S6的CODMn與CODCr質(zhì)量濃度高的主要原因。此外，采樣時(shí)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：S3上游城中村(7月)，七里河的支流十七里河、S5—S6段中牟縣沿河農(nóng)村都有生活污水直排現(xiàn)象。近幾年鄭州西部城市化加快，滎陽市城鎮(zhèn)人口和工廠增多而污水處理廠建設(shè)滯后，造成索河嚴(yán)重污染，索河入索須河口日排污水量約為1.6萬m3[29]；但索須河水源還有執(zhí)行一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的馬寨污水處理廠排水和上游水庫(kù)間歇式下泄，采樣點(diǎn)SD總體表現(xiàn)為CODMn和CODCr質(zhì)量濃度高、TN質(zhì)量濃度比賈魯河下游低(表2)，所以SD對(duì)因子2方差貢獻(xiàn)率最大，在因子1上得分低于平均值。以上分析說明因子2主要與未處理污水有關(guān)。

采樣點(diǎn)S1、CS、S2、S4在因子1、2上得分為負(fù)值(表6)，說明這4個(gè)采樣點(diǎn)污染物與因子1、2相關(guān)程度低于平均值。采樣點(diǎn)S1、CS、S2水源主要為黃河水。尖崗水庫(kù)庫(kù)形狹長(zhǎng)，流域內(nèi)馬寨鎮(zhèn)、白寨鎮(zhèn)和侯寨鄉(xiāng)的工業(yè)、畜禽養(yǎng)殖和旅游業(yè)發(fā)達(dá)，水庫(kù)上游所受面源性污染壓力大[30]。常莊水庫(kù)庫(kù)區(qū)小流域?qū)偻临|(zhì)淺山丘陵區(qū)，耕地多為坡地或階田，水土流失、農(nóng)業(yè)施肥和周圍村莊等給水庫(kù)帶來面源性污染。多年來，西流湖周圍城中村的生活污水直排入湖，湖底積累很深黑色淤泥，采樣時(shí)盡管已經(jīng)實(shí)施截污工程，不能避免來自城中村的面源性污染隨雨水入湖，這些因素導(dǎo)致湖水富營(yíng)養(yǎng)化，只因?yàn)槠渌礊辄S河水，水質(zhì)比賈魯河下游好。因此，鄭州賈魯河中上游現(xiàn)在主要為面源性污染和內(nèi)源性污染。采樣點(diǎn)S4水源主要為水質(zhì)較好的馬頭崗和陳三橋污水處理廠排水，故無論楊橋干渠有無引黃補(bǔ)水，采樣點(diǎn)S4污染物質(zhì)量濃度在賈魯河下游最低，從而使其與因子1、2的相關(guān)程度低于平均值。

以上分析說明，賈魯河各控制單元徹底控源截污、上游庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染治理、河湖清淤疏浚、市政污水處理廠提標(biāo)改造是賈魯河鄭州段水質(zhì)改善的必要措施。

4 結(jié) 論

a. 鄭州賈魯河上游水庫(kù)綜合水質(zhì)為Ⅱ類或Ⅲ類，中游湖泊Ⅳ類，干流下游一般為Ⅳ類～劣Ⅴ類；索須河和七里河水質(zhì)分別為劣Ⅴ類或劣Ⅴ類并黑臭。9個(gè)采樣點(diǎn)兩次采樣中只有7月尖崗水庫(kù)和鄭開大道斷面達(dá)到水質(zhì)規(guī)劃目標(biāo)，其他全超標(biāo)。

b. 在無引水情況下，賈魯河干流水質(zhì)從上游到下游逐步惡化，支流水質(zhì)劣于干流；通過楊橋干渠向賈魯河應(yīng)急性引黃補(bǔ)水僅當(dāng)時(shí)改善最近受水區(qū)河段水質(zhì)，對(duì)賈魯河出鄭州斷面水質(zhì)無明顯改變。