董立新，白昊陽(yáng)

(天津市水利科學(xué)研究院 天津 300061)

科學(xué)與社會(huì)

引灤黎河段水質(zhì)變化規(guī)律分析

董立新，白昊陽(yáng)

(天津市水利科學(xué)研究院 天津 300061)

引灤黎河段是天津市城市供水線(xiàn)路的重要部分。為了系統(tǒng)研究引灤黎河段的水質(zhì)問(wèn)題，采集了大量黎河段水質(zhì)數(shù)據(jù)，開(kāi)展了水質(zhì)時(shí)間分布特征分析、聚類(lèi)分析、輸水期水質(zhì)分析以及沿程水質(zhì)變化分析，通過(guò)多種方法得出TN是黎河段的主要超標(biāo)污染物與控制指標(biāo)，且2、3月份為污染水平最高的時(shí)段。闡明了控制污染的關(guān)鍵在于控制沿程污染的匯入，為后續(xù)水質(zhì)改善提供了支撐，有助于天津市城市供水保障水平的逐步提高。

黎河 水質(zhì)變化 水質(zhì)評(píng)價(jià) 聚類(lèi)分析

天津市飲用水水源地的水質(zhì)保障一直是天津市供水安全的核心問(wèn)題之一，特別是近年來(lái)水源地局部區(qū)域菹草、藍(lán)藻的爆發(fā)使得供水安全問(wèn)題愈加突出。作為天津市供水的主要工程，引灤輸水過(guò)程是影響供水水質(zhì)安全的一個(gè)重要因素。從引灤輸水線(xiàn)路來(lái)看，包括引灤隧洞、明渠、暗涵等大多數(shù)輸水線(xiàn)路通過(guò)治理保護(hù)實(shí)現(xiàn)了沿岸污染的零匯入，于橋水庫(kù)也實(shí)施了系統(tǒng)的污染源治理工程，庫(kù)周污染匯入得到了有效控制。黎河段污染匯入帶來(lái)的水質(zhì)變化日趨突出，引灤黎河段的污染控制和水質(zhì)改善將是下一階段供水安全保障的主要方向之一。為了對(duì)引灤黎河段的水質(zhì)安全問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的研究、評(píng)估和解決，需要對(duì)黎河段的水質(zhì)變化情況進(jìn)行總體分析。下面將結(jié)合已有的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選擇合適的統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)黎河段的水質(zhì)變化規(guī)律展開(kāi)研究。

1 引灤黎河段概況

黎河發(fā)源于河北省遷西縣燕山山脈，流經(jīng)遵化至天津市薊縣西龍虎峪附近與沙河匯流后進(jìn)入于橋水庫(kù)，沿程接納了15條支流，流域面積560,km2，河道全長(zhǎng)76,km。河道沿岸分布有79個(gè)村莊，居住人口6萬(wàn)以上，以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，還有部分化工、鋼鐵類(lèi)企業(yè)。黎河引灤輸水河段上起引灤隧洞出口，下至與沙河交匯口，全長(zhǎng) 57.6,km，占黎河總長(zhǎng)的 3/4，占引灤入津工程全線(xiàn)的 1/4，河段設(shè)計(jì)流量為 60,m3/s。作為引灤入津的重要輸水河段和于橋水庫(kù)的主要入庫(kù)河道，黎河水質(zhì)的優(yōu)劣直接影響下游于橋水庫(kù)的水體質(zhì)量，進(jìn)而影響著天津市城市供水的水質(zhì)安全。近年來(lái)，受兩岸污染匯入的影響，黎河段水質(zhì)一直較差，氮磷超標(biāo)較為突出，隨著于橋水庫(kù)周邊污染的逐步削減，黎河段已經(jīng)成為引灤供水水質(zhì)保障的控制要點(diǎn)。

2 數(shù)據(jù)采集

針對(duì)水質(zhì)變化情況，結(jié)合引灤黎河段的運(yùn)行特點(diǎn)，采集了不同時(shí)期包括干支流和重要口門(mén)的多項(xiàng)水質(zhì)、流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)加以分析，包括黎河段逐次輸水流量、水量和水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(2001—2012年)，果河橋斷面氨氮、總氮、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、總磷等指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(2001—2012年)，重點(diǎn)斷面氨氮、總氮、總磷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(2008—2012年)，重點(diǎn)排水口總氮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(2013年)。

3 分析方法

考慮到黎河段有著輸水期和非輸水期的不同運(yùn)行特征，且沿程匯入較多，規(guī)律分析可以從水質(zhì)時(shí)間分布特征分析、聚類(lèi)分析、輸水期水質(zhì)變化分析、沿程水質(zhì)變化分析 4個(gè)方面展開(kāi)。

3.1 水質(zhì)時(shí)間分布特征分析

水質(zhì)時(shí)間分布特征包括年度分布情況和月度分布情況。分析中，采取了多項(xiàng)污染物指標(biāo)分別比較的方法，以圖表的方式對(duì)水質(zhì)隨時(shí)間的分布情況進(jìn)行了對(duì)比歸納。

3.2 聚類(lèi)分析

聚類(lèi)分析法是一種常見(jiàn)的統(tǒng)計(jì)分析方法，適用于對(duì)水質(zhì)時(shí)空變化規(guī)律的研究。其基本原理是根據(jù)變量或樣品間的親疏程度，以逐次計(jì)算判斷的方法，將性質(zhì)最接近的對(duì)象結(jié)合在一起，直至聚成一類(lèi)。在水質(zhì)評(píng)價(jià)中，根據(jù)采樣點(diǎn)來(lái)進(jìn)行聚類(lèi)，可以區(qū)分不同區(qū)域的水質(zhì)特征，根據(jù)采樣時(shí)間聚類(lèi)則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)時(shí)間分布的劃分。

3.3 輸水期間水質(zhì)變化分析

由于黎河天然來(lái)水量較小，非輸水期和輸水期水量變化較大，水質(zhì)也受到影響，有不同的特征。輸水期間水質(zhì)變化分析主要是通過(guò)對(duì)輸水過(guò)程水質(zhì)的分析以及與非輸水期的水質(zhì)比較，利用圖表歸納總結(jié)對(duì)輸水的影響程度。

3.4 水質(zhì)沿程變化分析

黎河沿線(xiàn)村莊、人口眾多，排水口、支流匯入都會(huì)影響河道水質(zhì)，水質(zhì)沿程變化分析主要是對(duì)比沿程的水質(zhì)情況，獲得變化趨勢(shì)，找出河道沿線(xiàn)口門(mén)、支流對(duì)河道水質(zhì)的影響程度。

4 結(jié)果與討論

4.1 水質(zhì)時(shí)間分布特征分析

黎河主要污染物濃度年均值變化和月均值變化分別見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 黎河主要污染物濃度年均值變化Fig.1 Annual mean change of main pollutant concentrations in the Lihe River

由圖1可以看出，以年均濃度比較，CODMn、NH3-N濃度值可以達(dá)到Ⅲ類(lèi)限值以下，TP濃度值多數(shù)情況下均在Ⅲ類(lèi)限值以下，TN濃度則超過(guò)了Ⅴ類(lèi)限值 2,mg/L。從年度變化來(lái)看，CODMn、NH3-N、TP濃度值從 2001年以來(lái)均呈現(xiàn)出先逐步下降后緩慢上升的趨勢(shì)；TN隨時(shí)間下降趨勢(shì)并不顯著?？梢钥闯?，造成黎河水質(zhì)超標(biāo)的主要污染物仍然是TN。

圖2反映的是黎河主要污染物的月度變化情況?？梢钥闯?，CODMn月均濃度在 2～4月份最高，11～12月份最低；NH3-N、TN月均濃度呈現(xiàn)出“年初最高、汛期降低、汛后升高”的過(guò)程；TP月均濃度在 2、3月份最高，接近 0.45,mg/L，其余月份則分布在0.1,mg/L左右?？梢钥闯?，2、3月份是主要污染物濃度都處于最高水平的階段，這可能是由于長(zhǎng)時(shí)間未進(jìn)行調(diào)水，且冬季天然來(lái)水少，導(dǎo)致河道自?xún)裟芰O低，而周邊污染匯入又長(zhǎng)期累積，最終無(wú)力稀釋和降解所致。汛期則天然來(lái)水最多、水量最充足，因此，NH3-N、TN、TP都處于較低水平。

4.2 聚類(lèi)分析

根據(jù)上述分析，黎河水質(zhì)年內(nèi)變化規(guī)律性較強(qiáng)。為了進(jìn)行進(jìn)一步研究，對(duì)其進(jìn)行月度聚類(lèi)分析。月度聚類(lèi)分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖2 黎河主要污染物濃度月均值變化Fig.2 Monthly mean change of main pollutant concentrations in the Lihe River

圖3 黎河水質(zhì)月度聚類(lèi)分析結(jié)果Fig.3 Analysis results of monthly cluster analysis of Li River water quality

由圖3，結(jié)合月均水質(zhì)數(shù)據(jù)，可以將年內(nèi)分為 3個(gè)階段。階段Ⅰ是 1～3月，該階段 CODMn、NH3-N、TP、TN濃度都為年內(nèi)最高值，水質(zhì)最差；階段Ⅱ是 4、9、10、11、12月，該階段CODMn、TP濃度最低；階段Ⅲ是 5～8月，NH3-N、TN濃度均為年內(nèi)最低，水質(zhì)最好。聚類(lèi)結(jié)論與前面月均值對(duì)比分析一致，1、2、3月污染程度顯著高于其他月份，是黎河水質(zhì)控制的關(guān)鍵階段。

4.3 輸水期水質(zhì)變化分析

選擇了幾次重點(diǎn)輸水期進(jìn)行分析，期間主要污染物平均濃度見(jiàn)圖4。

圖4 黎河輸水期間各污染物平均濃度Fig.4 Average concentration of pollutants during the period of water delivery of Lihe River

由圖4，多次輸水期間水質(zhì)變化較大，但總體而言，CODMn、NH3-N多數(shù)情況下能達(dá)到Ⅲ類(lèi)水質(zhì)要求，TP多數(shù)情況下均超過(guò)了Ⅲ類(lèi)限值，TN濃度則幾乎都超過(guò)了Ⅴ類(lèi)限值?？梢?jiàn)，輸水期間超標(biāo)的主要污染物是 TN。與相應(yīng)年度非輸水期均值比較，輸水期間CODMn、NH3-N、TP濃度顯著高于相應(yīng)年非輸水期(見(jiàn)圖5)，但TN則相反?？梢?jiàn)，盡管黎河水質(zhì)主要超標(biāo)因子是TN，但輸水帶來(lái)的TN并不是TN居高不下的主要來(lái)源，其他污染源匯入帶來(lái)的 TN對(duì)河道總體水質(zhì)的影響更大。

圖5 輸水期間污染物濃度與相應(yīng)年份非輸水期比較Fig.5 Comparison of pollutant concentrations during the period of water delivery and non water delivery in the corresponding year

4.4 沿程水質(zhì)變化分析

根據(jù)輸水期與非輸水期水質(zhì)對(duì)比分析，黎河非輸水期上游及周邊污染的匯入是造成黎河水質(zhì)較差的重要原因，特別是氮的污染較為關(guān)鍵。因此，沿程水質(zhì)變化針對(duì) TN展開(kāi)。黎河沿程5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(隧洞出口處、高各莊2號(hào)橋、東灘橋、前毛莊、果河橋)的 TN濃度變化情況見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)，除2012年外，其余年TN年均值濃度都大致呈沿程上升的趨勢(shì)。顯然，黎河隧洞下游段沿程污染的匯入也是造成黎河氮污染突出的關(guān)鍵因素。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，隧洞下游段分布有大量的選礦企業(yè)，企業(yè)排水混合周邊點(diǎn)面源污染經(jīng)多條支流匯入黎河，顯然支流匯入水體中含有較高水平的TN。

圖6 黎河水質(zhì)年均值沿程變化過(guò)程Fig.6 The change process of the annual mean of the water quality in the Lihe River

圖7是 2013年對(duì)黎河沿線(xiàn)多個(gè)支流口和排水口水質(zhì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。由圖7，所有支流口、排水口的TN濃度值均高于果河橋濃度數(shù)據(jù)。其中，遵化城區(qū)污水排水口污染物濃度最高，TN濃度值達(dá)到了8.69,mg/L，超出果河橋相應(yīng)濃度值0.9倍，其余支流口處 TN濃度值平均也達(dá)到 5,mg/L。與前面分析一致，沿程支流口與排水口的氮污染物匯入是造成黎河TN濃度值較高的重要因素。

圖7 黎河重點(diǎn)排水口門(mén)TN濃度年均值Fig.7 The annual mean of TN concentration of the main Drain port in the Lihe River

4.5 規(guī)律小結(jié)

根據(jù)以上分析，歸納總結(jié)引灤黎河段水質(zhì)變化規(guī)律如下：

①考慮 TN情況下，黎河水質(zhì)主要為劣Ⅴ類(lèi)。其中，CODMn、NH3-N、TP濃度值有下降趨勢(shì)，但 TN一直處于劣Ⅴ類(lèi)濃度水平，是造成黎河水質(zhì)超標(biāo)的主要污染物。

②1、2、3月份是黎河主要污染物濃度最高水平的階段，這是由于長(zhǎng)時(shí)間未進(jìn)行調(diào)水，且天然來(lái)水少，導(dǎo)致河道自?xún)裟芰O低，周邊匯入的污染無(wú)法降解所致。該階段影響水質(zhì)變化的主要因子是有機(jī)物和磷污染。年內(nèi)的其余時(shí)間段，污染總體水平較 2、3月低，氮污染控制著黎河水質(zhì)變化，是水質(zhì)改善與控制的關(guān)鍵因子。

③輸水期間，黎河水質(zhì)超標(biāo)污染物是TN、TP，但輸水并不是TN的主要來(lái)源，沿程支流口與排水口的氮污染物匯入是造成黎河TN濃度值較高的重要原因，因此是控制入庫(kù)氮污染的重點(diǎn)。

5 結(jié) 論

引灤黎河段作為引灤輸水中的重要部分，其水質(zhì)對(duì)于整個(gè)城市供水有重要影響。根據(jù)分析，黎河段水質(zhì)主要為劣Ⅴ類(lèi)，以TN為主要超標(biāo)污染物。TN濃度在2、3月達(dá)到最高水平，其主要來(lái)源除了上游來(lái)水外，還包括沿程污染匯入。削減總氮污染的關(guān)鍵就在于沿程污染的控制。通過(guò)對(duì)沿線(xiàn)污染源的控制和支流口的治理，黎河段的水質(zhì)將能夠得到顯著提升，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市供水安全的保障?！?/p>

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Analysis of Water Quality Variation of Lihe River of Luanhe River Diversion Project

DONG Lixin，BAI Haoyang
(Tianjin Hydraulic Research Institute，Tianjin 300061，China)

Lihe River，Luanhe River Diversion Project(LRDP)is one of the important components of the water supply line in Tianjin city．In order to systematically study the water quality problem in Lihe River，LRDP，water quality analyses from the perspectives of time distribution characteristics，cluster，water delivery period and quality variation along the river were carried out in this paper．The results showed that TN was the main standard pollutant and control index，and February and March were the highest level pollution period．It demonstrated that the key point of pollution control was the control of pollutant deposit along the river．The study may provide support for subsequent water quality improvement and help to improve water supply protection level in Tianjin.

Lihe River；water quality variation；water quality assessment；cluster analysis

X522

A

1006-8945(2015)09-0076-04

國(guó)家水體污染與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)課題(2012zx07203-002)；天津市水務(wù)局科技計(jì)劃項(xiàng)目(ky2012-17)。

2015-08-05