烏坎河年際水質評價及變化趨勢分析

甘秀梅

(廣東華南環保產業技術研究院有限公司， 廣東 廣州 510000)

1 引言

河流水資源是一種寶貴的自然資源，與人類的生存、發展息息相關[1]。近年來，隨著城市經濟的快速發展，河流流域生活污水及工業廢水的排放對河流水體水質造成了一定程度的污染[2]。開展河流水體水質評價、識別水質變化趨勢是水生態環境治理中的重要基礎性工作。因此，通過對水質監測數據進行合理分析和評價，有利于掌握河流的水環境污染特征，進而為河流水資源的合理開發利用和污染防治提供科學的技術支撐[1～4]。

國內外關于河流水質評價的方法有多種，如單因子評價法[5]、內梅羅指數法、污染指數法、灰色關聯分析、模糊綜合評價法[6]、水質標識指數法[7]、人工神經網絡法[6]等。其中，單因子評價法操作方便，但不能反映水體的總體污染狀況，且評價方式過于保守，存在一定的局限性[8]。模糊綜合評價法能夠體現水環境的復雜性和模糊性，但確定評價指標權重存在一定的難度[9]。人工神經網絡法能夠對水質進行連續性評價，但對于劣Ⅴ類水體，其評價結果不具備確定性[10]。綜合水質標識指數法是一種新興的指數評價法，通過選取具有代表性的水質指標，結合水體環境功能區劃類別，得出一個綜合水質系數；該系數既能定性判定河流水體綜合水質類別，又能定量描述同一水質類別中綜合水質的污染程度及連續性，此外還能夠用于黑臭水體的判定分析[11～14]。喬俊等[15]、趙海生等[16]、解瑩等[17]、王敦球等[18]分別利用綜合水質標識指數法對松花江黑龍江段、丹河晉城段、灤河、湘江永州流域進行水質評價，闡明了河流水環境質量時空變化規律，并取得了滿意的評價結果。

本文采用水質標識指數法對烏坎河2017～2021年的水質進行評價，并根據Spearman 秩相關系數法分析了烏坎河干流烏坎水閘國考斷面這5年間的綜合水質變化趨勢，以期為烏坎河流域水環境污染防治工作提供技術依據。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

烏坎河發源于陸豐市境內羅徑嶂，全長約48 km，流徑八萬、陂洋、博美、內湖、南塘、橋沖、城東、金廂、銅鑼湖等場鎮，經烏坎港匯入南海碣石灣，沿途有陂溝河、長山河等19條支流匯入。烏坎河流域東臨鰲江流域、西臨螺河流域、南以西山山脈與沿海諸小河流分界、北以隆江上游龍潭河段為界，呈扇形分布，流域面積約610.48 km2，土地利用類型主要為耕地、林地和灘地。

流域地處南亞熱帶，氣候溫和、雨量充沛，大量降水以鋒面雨和臺風雨為主，暴雨多發生于每年的5～7月份，流域多年平均雨量為1933 mm。因地形關系，西南氣流對流域影響較大，造成流域降雨時空分布不均，河流北岸雨量充沛，八萬雙沛站多年平均雨量2301 mm，歷史最大年雨量高達3041 mm；而河流南岸雨量稀少，烏坎水閘多年平均雨量1561 mm，歷史最小年雨量僅673 mm[19]。

“十三五”期間，烏坎河干流烏坎水閘斷面被列入國家入海河流控制斷面(以下簡稱烏坎水閘國考斷面)，執行的水環境功能區劃目標為《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)Ⅱ類標準[20]。

2.2 數據來源

為保證評價分析的可靠性，本文收集了廣東省汕尾生態環境監測站提供的烏坎水閘國考斷面2017～2021年逐月水質監測數據，根據區域水質特點，選取溶解氧(DO)、化學需氧量(CODCr)、高錳酸鹽指數(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮( NH3-N)及總磷(TP)6個常見水質指標作為評價因子，得出評價指標的年均監測數據見表1。

表1 2017～2021年烏坎水閘國考斷面年均監測數據 mg/L

3 研究方法

3.1 水質評價方法

綜合水質標識指數法是建立在單因子水質指數分析的基礎上，根據水質指標的單因子水質指數計算

得出綜合水質指數，該指數能夠用于判別水體污染程度、水質類別以及是否能達到水環境功能區劃目標等，具有定性、定量評價的特點，可對河流水質做出較為合理的評價[21，22]。

3.1.1 單因子水質指數

單因子水質標識指數Pi由 1 位整數、小數點后 2 位有效數字組成，可用式(1)表示：

Pi=X1X2X3

(1)

式(1)中X1為第i項水質指標的水質類別，數值越大，則表示該項監測指標的水質污染越嚴重；X2為指標監測數據在X1類水質變化區間中所處的位置，取值越大，則表示在同一類別水質中監測指標的水質污染越嚴重；X3為水質類別與功能區劃設定類別的比較結果。

3.1.2 綜合水質標識指數

綜合水質標識指數Iwq由整數位、小數點后3位或4位有效數字組成，可用下式表示：

Iwq=X1.X2X3X4

(2)

式(2)中：X1.X2為綜合水質指數(單因子水質指數均值的前兩位)；X3為水質指標標識碼；X4為綜合水質類別標識碼。

式(2)中的X1.X2通過計算獲得，X3、X4根據比較結果得到,具體計算方法詳見文獻[21]、[22]。其中,X1為河流總體的綜合水質類別；X2為綜合水質在X1類水質變化區間內所處位置，體現同類水中進行水質優劣比較；X3為參與綜合水質評價的水質指標中，劣于水環境功能區劃目標的單項指標個數；X4為綜合水質類別與水體功能區類別的比較結果，視綜合水質的污染程度，X4為1位或2位有效數字。

總體而言，綜合水質指數X1.X2數值越大，水質越差。采用綜合水質標識指數Iwq中的綜合水質指數X1.X2，可判定綜合水質級別，判定關系如表2，具體判別方法詳見文獻[21]。

表2 基于綜合水質標識指數的綜合水質級別判定

3.2 水質變化趨勢分析方法

根據生態環境部頒布的《地表水環境質量評價辦法》(試行)的規定[23]，河流水質變化趨勢分析采用Spearman秩相關系數法，判斷在評價時期內河流水質是呈好轉、惡化或平穩變化趨勢，秩相關系數rs按下式計算[23，24]：

(3)

di=Xi-Yi

(4)

式(3)、(4)中：di為變量Xi與Yi差值；Xi為周期1到周期N按綜合水質標識指數從小到大排列的序號；Yi為按時間排列的序號；N為周期次數；rs為秩相關系數。

經計算得秩相關系數rs，若計算結果為負值，則表明斷面處綜合水質好轉，若為正值，表明綜合水質變差；同時，結合顯著性檢驗與統計表中臨界值Wp進行定量比較，可判斷在評價時期內河流水質的變化趨勢，具體判別方法詳見文獻[23]。

rs的絕對值|rs|>WP時為顯著，|rs|

表3 不分秩相關系數的臨界值顯著性水平(單測檢驗)

4 結果與分析

4.1 烏坎河水質分析

4.1.1 計算結果

依據上述理論計算方法計算得出的烏坎水閘國考斷面2017～2021年的DO、CODCr、CODMn、BOD5、NH3-N及TP 6個常規水質指標監測濃度年平均值的單因子水質標識指數Pi及綜合水質因子指數Iwq結果，詳見表4。

表4 水質標識指數計算結果

4.1.2 水質評價結果

4.1.2.1 單因子水質指數評價結果

根據表4烏坎水閘國考斷面2017～2021年各評價指標五年的單因子水質標識指數可得圖1。

圖1 2017～2021年烏坎水閘國考斷面單因子水質指數

分析2017～2021 年烏坎水閘國考斷面6個評價指標的單因子水質指標Pi值可發現，BOD5和TP的單因子水質指數為該斷面6個參與評價指標中的較優項，且變化趨勢不明顯。而NH3-N的單因子水質指數呈現明顯的下降趨勢，DO的單因子水質指數波動性最大，最高為2020年的2.91，最低為2021年的1.4，相差1.5個數值。CODcr及CODMn兩項指標的單因子水質指數也存在一定的波動性，但波動范圍較DO水質指數小，其中CODcr整體呈波動性上升，而CODMn整體呈現波動性下降趨勢。6個評價指標整體單因子水質指數符合國家《地表水環境質量標準》(GB 3838～2002)中Ⅱ類水質標準，滿足“十三五”期間該斷面的水環境功能區劃目標；而個別年份，如2017年及2021年，部分指標處于Ⅲ類水質標準，超出其水環境功能區劃目標一個標準級別。

從水質指數計算結果來看，2017年 NH3-N的Pi值為3.19，處于Ⅲ類水質標準范圍，劣于該斷面“十三五”期間水環境功能區劃1個標準級別，也是2017～2021年參與評價的6個指標中單因子水質指數最高的，但是由于其X2值不高，表明污染程度不大。除此之外，CODCr單因子水質指數在2017年和2021年均為3.00，也是處于國家《地表水環境質量標準》中Ⅲ類水質標準，超出水環境功能區劃目標1個級別。其余4個指標在2017～2021年水質指數均在2.8以下，處于Ⅱ類水質標準，符合該斷面水環境功能區劃目標。DO的單因子水質指數在2021年為1.4 ，處于Ⅰ類水質標準，且X2值不高，進一步被污染的風險不大；TP及BOD5的X2值在2021年達到6，表明存在進一步被污染的風險。總體來說，參與評價的6個指標在2018～2020年間均達到其水環境功能區目標。

4.1.2.2 綜合水質指數評價結果

運用綜合水質標識指數法計算2017～2021年烏坎水閘國考斷面綜合水質指數的結果見表4。由表中數據分析可知，2017～2021年烏坎水閘國考斷面的綜合水質類別均為Ⅱ類，能夠達到該斷面的水環境功能區劃目標。參與本次評價年份的綜合水質標識指數第3位小數X4均為0，說明評價年份綜合水質類別均能達到其水環境功能區劃目標。同時2018～2020年綜合水質標識指數的第 2 位小數X3均為0，表明這三年該斷面參與評價的水質指標均未超標。斷面2017年綜合水質標識指數的X3為2，說明這一年參與評價的水質指標有2項超標，通過調查發現超標項目為CODCr和NH3-N；2021年綜合水質標識指數的X3為1，說明這一年參與評價的水質指標有1項超標，通過調查發現超標項目為CODCr。

4.2 烏坎河水質變化趨勢分析

根據2017～2021年監測數據繪制烏坎水閘國考斷面各指標濃度變化過程，如圖2所示，其中DO和CODMn呈現波動性上升趨勢，而BOD5呈波動性下降趨勢，其余指標變化不明顯。

圖2 2017～2021年烏坎水閘國考斷面水質監測數據

分析結果表明，參與評價的各指標變化趨勢不同，無法直接判斷歷年綜合水質的變化趨勢。因此，研究應用Speraman秩相關分析法對2017～2021年間參與評價的6項水質指標綜合污染指數進行計算，計算結果rs= -0.9 < 0，表明該斷面處水體的綜合水質有好轉的趨勢。查表可知，當n為5時，秩相關系數rs的臨界值WP為0.9，結合顯著性檢驗結果表明，該斷面的水質綜合污染指數的rs絕對值|rs|≤Wp0.05(0.9)，表明斷面在近5年間變化趨勢不明顯，水質較穩定。

5 結論

(1)烏坎河干流地表水中CODCr和氨氮在參與水質評價的6項水質指標中，年際超標頻次較高，是影響水質的主要污染物質。

(2)應用綜合水質標識指數法對烏坎河干流烏坎水閘國考斷面水質進行評價，結果可知，2017～2021年間該斷面水質均能夠達到“十三五”期間水環境功能區劃目標要求。

(3)各個評價方法比較結果基本一致，單因子指數法能夠較清晰地發現超標因子，綜合指數法含有信息量更大，能充分表述每個斷面的超標項個數以及污染程度。

(4)根據Spearman秩相關系數，得到2017～2021年間烏坎水閘國考斷面水質較為穩定，總體上有好轉趨勢。