長沙市飲用水水源地水質狀況評價趨勢分析

付 莉，李勐勃，劉一先，高萬超，雷 欣，蔣飛紅

（1. 長沙水文水資源勘測中心，湖南 長沙 410014； 2. 湖南省水文水資源勘測中心，湖南 長沙 410008）

引 言

飲用水水質安全是關系到人民群眾身體健康和社會和諧穩定的重大公共安全問題[1]。近年來，隨著經濟社會的快速發展和城市化水平的提高，飲用水水源地污染日益加劇[2]，因此，飲用水水源地的水質評價與趨勢分析成為近年來水資源管理與水環境保護的研究熱點之一[3]。如張璽等基于改進內梅羅指數法對濟南飲用水功能區進行了水質評價[4]；張季等對湖北省飲用水水源地保護存在的問題及對策進行了研究[5]；袁輝發表了山東省城市飲用水水源地水質監測與評價研究論文[6]，李艷紅等對江西省重要飲用水水源地安全保障達標建設評估進行了研究[7]。

長沙是湖南省的政治、經濟和文化中心，飲用水水質安全直接決定著長沙市經濟的快速發展和社會的和諧穩定。本研究將依據《湖南省水功能區劃（修編）》，采用內梅羅指數和Daniel 趨勢分析法對長沙市飲用水源地的水質狀況和發展趨勢進行分析，從而為當地飲用水水源地的水資源管理與水環境保護提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區域

長沙市城區目前主要飲用水水源地為湘江長沙飲用水保護區和湘江望城飲用水水源地。依據《湖南省水功能區劃（修編）》，湘江長沙飲用水保護區起于暮云鎮，止于傅家洲尾，全長29.1 km，長沙市的一、二、三、四、五、八水廠均在此河段，供水規模160 萬m3/d。湘江望城飲用水保護區起于望城區水廠取水口上游3 km，止于銅官水廠取水口下游1.2 km，全長16.7 km，河段內有望城區高塘嶺水廠取水口和銅官水廠取水口，旺旺食品等企業生產取水口等。

根據前期調查，湘江長沙飲用水保護區和湘江望城飲用水保護區的主要污染物均為高錳酸鹽指數、5日生化需氧量、氨氮和總磷。因此，本研究選用這四項指標進行水環境質量評價和趨勢分析。

1.2 內梅羅指數

內梅羅指數是目前國內外應用最為廣泛的水質評價模型之一，它從極值和均值兩個方面，對區域的水環境質量進行綜合評價[4]。設評價指標和監測時刻的數量分別為m 和n，并將第i 個指標在第j 個時刻的實測值記作xij。若指標的容許限值為cj，xij的污染標度pij為[4]：

內梅羅指數將水體的污染狀況劃分為4 個等級，分別是：無污染（Qj<1）、輕度污染（1≤Qj<2）、中度污染（2≤Qj<3）和重度污染（Qj≥3）[4]。

1.3 Daniel 趨勢分析

Daniel 趨勢分析是衡量時間序列變化趨勢有無顯著性的常用方法[8～10]。該方法使用要求監測時刻總數n不少于4，對于第i 個指標，首先將樣本值從小到大排序，并將xij對應的次序記作k。而后計算時間次序j 和數值次序k 的差值[8～10]：

將秩相關系數ri的絕對值同spearman 秩相關系數統計表中的臨界值W 進行比較[8～10]。若|ri|≤W，表明指標i 在評價時域內無顯著變化趨勢[8～10]。若ri<（-1）*W，表明指標i 呈的污染程度呈下降趨勢或好轉趨勢；若ri>W，表明指標i 呈的污染程度呈增加趨勢或惡化趨勢[8～10]。本研究的評價時域為2013—2018 年，共計6 年。經過查閱文獻，n=6 對應的臨界值W 為0.829。

2 評價結果

2.1 水質評價結果

各指標的污染標度如表1 所示。

表1 各水功能區的污染標度

如表1 所示，湘江長沙飲用水保護區和湘江望城飲用水保護區的污染標度有一定區別。其中湘江長沙飲用水保護區的關鍵指標（即污染標度最大的指標）年際變化較大，2014 年和2016 年的關鍵指標為高錳酸鹽指數，2013 年和2015 年的關鍵指標為氨氮，2017 年和2018 年的關鍵指標為5 日生化需氧量。湘江長沙飲用水保護區的總磷污染并不突出，僅在2013 年是該水功能區的關鍵指標。

湘江望城飲用水保護區的總磷污染標度顯著高于其它指標，除2015 年的關鍵指標為氨氮外，其余年份的關鍵指標均為總磷。除此之外，在各評價年份中，湘江望城飲用水保護區中總磷和氨氮的污染標度均高于湘江長沙飲用水保護區。

根據式（2），計算各水功能區的內梅羅指數見表2。

如表2 所示，湘江長沙飲用水保護區和湘江望城飲用水保護區的內梅羅指數均小于1，屬于“無污染”等級。但在各評價年份中，湘江長沙飲用水保護區的內梅羅指數均優于湘江望城飲用水保護區。結合表1 的分析可知，這是由于湘江望城飲用水保護區中總磷的污染標度比湘江長沙飲用水保護區更高所致。

表2 內梅羅指數評價結果

由此可見，為了進一步提升飲用水水源地的水質安全狀況，應當持續加強湘江望城飲用水保護區的氮磷污染治理。

2.2 水質趨勢分析

根據Daniel 趨勢分析模型，計算各指標的秩相關系數如表3 所示。

表3 長沙市城區水源區水質趨勢分析結果

結合表3 可知，在湘江長沙飲用水水源地中，高錳酸鹽指數的秩相關系數r1為-0.971，小于-0.829，表明湘江長沙飲用水水源地的高錳酸鹽指數污染呈顯著好轉趨勢。在其余的3 項指標中，氨氮和總磷的秩相關系數分別為-0.771 和-0.657，均小于0，但大于-0.829，表明湘江長沙飲用水水源地的氨氮和總磷具有下降趨勢，但該趨勢并不顯著。5 日生化需氧量的秩相關系數為0.457，大于0，但小于0.829，表明湘江長沙飲用水水源地的5 日生化需氧量具有上升趨勢，但該趨勢并不顯著。

在湘江望城飲用水水源地中，高錳酸鹽指數、氨氮和總磷指標的秩相關系數分別為-0.286、-0.771和-0.257，均小于0，但大于-0.829，表明湘江望城飲用水水源地的高錳酸鹽指數、氨氮和總磷具有下降趨勢，但該趨勢并不顯著。5 日生化需氧量的秩相關系數為0.571，大于0，但小于0.829，表明湘江望城飲用水水源地的5 日生化需氧量具有上升趨勢，但該趨勢并不顯著。

3 結 論

1）湘江長沙飲用水保護區2013—2018 年的內梅羅指數依次為0.38、0.38、0.39、0.30、0.37 和0.32，均屬于“無污染”等級。2014 年和2016 年的關鍵指標為高錳酸鹽指數，2013 年和2015 年的關鍵指標為氨氮，2017 年和2018 年的關鍵指標為5 日生化需氧量。

2）湘江望城飲用水保護區2013—2018 年的內梅羅指數依次為0.48、0.46、0.57、0.47、0.43 和0.36，均屬于“無污染”等級。除2015 年的關鍵指標為氨氮外，其余年份的關鍵指標均為總磷。

3）2013—2018 年，湘江長沙飲用水保護區的高錳酸鹽指數具有顯著的改善趨勢，其它指標并無顯著變化趨勢。

4）長沙市目前飲用水總體安全，但水源地大多流經城鎮，沿途排入的點污染源和農村面源是影響水質的主要因素，各地應按照所轄范圍內水功能區目標水質，結合本地的實際制定相應的措施，加強污染源控制, 關注突發性水污染事件，強化水質實時監測，做好水資源保護工作，保障飲用水功能區的可持續利用。