綜合污染指數(shù)評價(jià)法在北洛河上的研究應(yīng)用

張 翔

(黃河流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科學(xué)研究中心，河南 鄭州 450004)

北洛河是黃河的二級支流，渭河的一級支流，發(fā)源于榆林市定邊縣西白于山，全長680 km，流域面積26905 km2。經(jīng)吳旗、富縣、白水、澄城、蒲城，在大荔縣韋林鎮(zhèn)的倉西村匯入渭河。北洛河位于黃土高原典型的丘陵溝壑區(qū)，地表植被狀況差，受降雨徑流影響，暴雨期大量泥沙與污染物進(jìn)入北洛河水體[1]。同時(shí)隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，流域內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)廢水、鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水排放量逐年增加，由于該地區(qū)缺少完善的污水收集處理體系，導(dǎo)致北洛河沿岸水資源短缺、水質(zhì)污染等問題日益突出。對2014年以來北洛河干流水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行評價(jià)分析，旨在掌握其水環(huán)境狀況，為“十四五”期間進(jìn)一步做好北洛河水環(huán)境治理與保護(hù)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 評價(jià)范圍與方法

1.1 水質(zhì)評價(jià)范圍

根據(jù)水利部《全國重要江河湖泊水功能區(qū)劃(2011—2030年)》，北洛河上共布設(shè)5個(gè)功能區(qū)。本次調(diào)查評價(jià)從上到下依次選取北洛河吳旗源頭水保護(hù)區(qū)代表斷面吳旗、北洛河延安保留區(qū)代表斷面富縣、北洛河延安渭南農(nóng)業(yè)用水區(qū)代表斷面狀頭、北洛河大荔農(nóng)業(yè)用水區(qū)代表斷面北洛河入渭口等4個(gè)水功能區(qū)代表斷面為評價(jià)對象。依據(jù)2014年以來的北洛河水質(zhì)監(jiān)測成果和GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[2- 3]，從中篩選6項(xiàng)主要評價(jià)指標(biāo)，分別為高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、氟化物等作為本次調(diào)查評價(jià)的監(jiān)測因子。

1.2 水質(zhì)評價(jià)方法

1.2.1綜合污染指數(shù)評價(jià)法

常用的河流水質(zhì)評價(jià)方法有很多種，包括單因子指數(shù)法、模糊評價(jià)法、綜合污染指數(shù)法、灰色系數(shù)評價(jià)法、水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法、層次分析法等，每種評價(jià)方法均有其合理性和適用范圍，選取不同的評價(jià)方法，結(jié)果會(huì)有不同程度的偏差[4- 5]。單因子指數(shù)法是目前水環(huán)境影響評價(jià)中最常用的方法，優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)論清晰明確，計(jì)算方法簡單，但是該方法為一票否決，在所有評價(jià)指標(biāo)中，只要有一項(xiàng)指標(biāo)評價(jià)結(jié)果相對較差，則忽略其余因子的污染評價(jià)結(jié)果，因而弱化其他因子的作用，該方法不能完全反映水體的整體狀況[6]。

水質(zhì)綜合污染指數(shù)是對各單項(xiàng)污染指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到表征水體污染程度的評價(jià)結(jié)果，本方法能夠定性反映河流水體綜合污染程度。因?yàn)榫C合污染指數(shù)結(jié)果是一個(gè)相對值，只能進(jìn)行定性評價(jià)，采用不同的標(biāo)準(zhǔn)值作為分母，得到的評價(jià)數(shù)據(jù)也是不同的[7- 9]。目前水功能區(qū)監(jiān)督管理辦法要求水功能區(qū)按照最高水質(zhì)目標(biāo)功能實(shí)行管理。本次調(diào)查評價(jià)的斷面水功能區(qū)目標(biāo)均為Ⅲ類，因此以GB3838—2002Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)為本次評價(jià)衡量標(biāo)準(zhǔn)，見表1。其計(jì)算公式如下：

Pi=Ci/Si

(1)

式中，Pi—第i種污染物單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci—第i種污染物實(shí)測濃度，mg/L；Si—第i種污染物環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，mg/L。

(2)

式中，P—為水質(zhì)綜合污染指數(shù)；n—參與評價(jià)的污染物種類。

表1 綜合污染指數(shù)法水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)

1.2.2秩相關(guān)系數(shù)法

Spearman秩相關(guān)系數(shù)是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，用于衡量2個(gè)變量之間關(guān)系的強(qiáng)弱，是很多行業(yè)在統(tǒng)計(jì)分析中廣泛采用的方法[10- 11]。其計(jì)算公式如下：

(3)

式中，rs—秩相關(guān)系數(shù)；N—參與評價(jià)的時(shí)間周期個(gè)數(shù)；di—變量xi和變量yi的差值。

di=xi-yi

(4)

式中，xi—2014—2019年水質(zhì)綜合污染指數(shù)從小到大排列的序號；yi—2014—2019年時(shí)間順序的序號。

將秩相關(guān)系數(shù)rs的絕對值同Spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表中的臨界值Wp進(jìn)行比較。當(dāng)N=6時(shí)，rs顯著性水平0.05的臨界值Wp=0.829。

當(dāng)|rs|>Wp表示變化趨勢有顯著意義；rs是負(fù)值，表明在評價(jià)時(shí)段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計(jì)量指標(biāo)變化呈下降趨勢或好轉(zhuǎn)趨勢；rs是正值，表明在評價(jià)時(shí)段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計(jì)量指標(biāo)變化呈上升趨勢或加重趨勢；當(dāng)|rs|≤Wp表示變化趨勢沒有顯著意義；說明在評價(jià)時(shí)段內(nèi)水質(zhì)變化穩(wěn)定或平穩(wěn)。

2 北洛河水質(zhì)變化分析

2.1 沿程變化分析

2014─2019年北洛河水質(zhì)變化趨勢，見表2。

從計(jì)算結(jié)果上看，北洛河各斷面綜合污染指數(shù)范圍為0.45～1.91，其中中度污染9次，占37.5%；重度污染6次，占25%。

從沿程分布上看，富縣斷面水質(zhì)狀況最好，中度污染占比33.3%；其次為吳旗斷面，中度污染占比66.7%；狀頭斷面水質(zhì)狀況最差，重污染占比66.7%。北洛河上游吳旗、富縣斷面水質(zhì)明顯優(yōu)于下游河段。說明北洛河延安渭南農(nóng)業(yè)用水區(qū)狀頭沿岸入河污染物的輸入，是造成北洛河下游水質(zhì)污染急劇變化的重要原因。

從時(shí)間分布上看，2015年以前北洛河吳旗、富縣、狀頭、北洛河入渭口等4個(gè)斷面水質(zhì)污染程度加重，屬于中度污染。2015年之后吳旗、富縣、狀頭等3個(gè)斷面水質(zhì)呈顯著好轉(zhuǎn)趨勢，其中狀頭斷面綜合污染指數(shù)由2015年的1.91重污染水平下降至2019年的0.51輕度污染水平，降幅為73.3%。隨著上游來水水質(zhì)的好轉(zhuǎn)，北洛河入渭口斷面水質(zhì)污染程度逐步下降，其綜合污染指數(shù)由2017年的1.60重污染降低至2019年的0.64輕度污染，降幅為60.0%。

根據(jù)秩相關(guān)系數(shù)rs的計(jì)算結(jié)果，吳旗、富縣和北洛河入渭口3個(gè)斷面秩相關(guān)系數(shù)絕對值均小于Wp，表明2014—2019年水質(zhì)雖然呈現(xiàn)波動(dòng)，但是總體變化基本平穩(wěn)。狀頭斷面秩相關(guān)系數(shù)顯示，自2014年以來其水質(zhì)污染程度呈下降趨勢。

2.2 主要污染指標(biāo)分析

2014─2019年北洛河水質(zhì)單項(xiàng)污染指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表3。

表2 2014─2019年北洛河水質(zhì)變化趨勢

表3 2014─2019年北洛河水質(zhì)單項(xiàng)污染指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)表3北洛河水質(zhì)單項(xiàng)污染指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，除化學(xué)需氧量和氨氮外，其余監(jiān)測項(xiàng)目高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、總磷、氟化物的單項(xiàng)污染指數(shù)均值均達(dá)標(biāo)，其中總磷均值最優(yōu)，Pi為0.41，其次是高錳酸鹽指數(shù)，Pi為0.63．

化學(xué)需氧量被視為衡量水中有機(jī)物含量多少的指標(biāo)，其值越高表明水中有機(jī)污染物越多[12]。北洛河化學(xué)需氧量單項(xiàng)污染指數(shù)均值為1.36，屬重度污染；最大值為2015年的2.02，屬嚴(yán)重污染。2017年以后，北洛河化學(xué)需氧量單項(xiàng)污染指數(shù)值逐步降低，2019年為0.64，與2015年相比降幅為68%。氨氮是水體中的營養(yǎng)素，其含量越高越易導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象產(chǎn)生[13]。北洛河氨氮單項(xiàng)污染指數(shù)均值為1.25，屬重度污染。與化學(xué)需氧量相類似，2017年以后北洛河氨氮單項(xiàng)污染指數(shù)值逐步降低，2019年為0.61，與2015年相比降幅為67%。

氨氮/化學(xué)需氧量比值變化如圖1所示。

圖1 氨氮/化學(xué)需氧量比值變化圖

由圖1可看出，2017年以前北洛河氨氮與化學(xué)需氧量之比顯著上升，雖然之后有所下降，但是2019年比值0.047仍高于2014年的0.031，說明相對于化學(xué)需氧量，北洛河氨氮污染是主要因素。

五日生化需氧量/ 化學(xué)需氧量比值變化如圖2所示。

圖2 5d生化需氧量/ 化學(xué)需氧量比值變化圖

由圖2可看出，2016年以前北洛河五日生化需氧量與化學(xué)需氧量的比值呈下降趨勢，之后逐步上升，2019年比值為0.153與2016年最小值0.085相比，漲幅為80%。說明2016年以來，可生物降解有機(jī)物污染比重增加，生活污水對北洛河影響加大。

2.3 主要問題分析

通過上述分析，2014年以來北洛河水質(zhì)變化主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：2017年之前北洛河水體污染逐漸加重，2017年之后水質(zhì)呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢；北洛河下游的狀頭和入渭口斷面水質(zhì)較差，水質(zhì)污染程度高于上中游河段，說明污染物的排放主要集中在下游地區(qū)；相較于其他指標(biāo)，氨氮、化學(xué)需氧量污染問題突出。

分析其原因，有以下幾個(gè)方面：北洛河下游主要為農(nóng)業(yè)用水區(qū)，沿岸取水工程、抽水站大量引水用于農(nóng)灌，造成下游主流水量偏小。根據(jù)朝邑水文站水文資料顯示，2000年以來朝邑河段累計(jì)斷流天數(shù)超過900d[14]，說明下游河段斷流情況嚴(yán)重，河道生態(tài)環(huán)境惡化，水資源供需矛盾突出。北洛河流域內(nèi)分布有石油開采、煤化工、農(nóng)副產(chǎn)品加工等企業(yè)[15]，其尾水排放對水體造成不同程度的污染。下游農(nóng)業(yè)用水區(qū)農(nóng)灌退水口廣布，面源污染影響較大[15]，大荔縣污水收集處理率較低等。

3 結(jié)語

根據(jù)2014—2019年北洛河干流4個(gè)監(jiān)測斷面的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，采用綜合污染指數(shù)法和秩相關(guān)系數(shù)法對監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行了評價(jià)與分析。綜合污染指數(shù)法結(jié)果表明，北洛河下游延安渭南農(nóng)業(yè)用水區(qū)和大荔農(nóng)業(yè)用水區(qū)是主要污染河段，氨氮、化學(xué)需氧量是主要的污染因子。秩相關(guān)系數(shù)法表明，狀頭斷面2014年以來水質(zhì)整體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢，其余斷面水質(zhì)變化基本平穩(wěn)。

為了在“十四五”期間有效改善河流水體水質(zhì)，建議從以下幾個(gè)方面采取措施：科學(xué)實(shí)施水量調(diào)度，維持下游河道的生態(tài)流量；加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染管理，嚴(yán)禁生活垃圾、污水等直接傾倒入河；強(qiáng)化沿岸工業(yè)企業(yè)廢水排放管理，提高污水處理廠處理能力，嚴(yán)格控制污水的達(dá)標(biāo)排放。