劉增進, 祁秉宇, 張關超

(華北水利水電大學,河南 鄭州 450045)

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南水北調中線工程水源地河南段水質現狀及污染分析

劉增進, 祁秉宇, 張關超

(華北水利水電大學,河南 鄭州 450045)

為了解南水北調中線工程水源地的水質狀況,選取丹江口庫區(qū)河南段水體為研究對象,通過研究環(huán)保部2006—2015年對丹江口庫區(qū)河南段的水質狀況調查數據,采用綜合污染指數法對研究區(qū)域的水質情況進行定量分析。結果表明：按照綜合污染指數法的水質分級標準，丹江口庫區(qū)河南段水體的水質狀況屬尚清潔類,但仍存在一定的污染風險,水質有惡化的趨勢;通過對南水北調中線工程水源地河南段污染源的分析,發(fā)現點源污染對水源地水環(huán)境的影響較為嚴重,面源污染的危害也不可忽視；南水北調中線工程水源地河南段的點源污染源分布較為廣泛,但主要集中在丹江口水庫北支控制單元。研究結果可為保護水源地的水質安全和控制污染源提供理論依據。

丹江口水源地;綜合污染指數法;水質狀況;點源污染;面源污染

南水北調中線工程可以有效地解決我國南、北方水資源空間分布不均衡的問題,該工程具有重大的戰(zhàn)略意義。保護好南水北調中線工程水源地的水質安全對保障工程的順利運行、保護受水區(qū)民眾的飲水安全，具有重要的作用。近年來,隨著經濟社會的不斷發(fā)展,點源污染和面源污染造成的危害日益嚴重,南水北調中線工程水源地的水質有惡化的趨勢[1-2]。

目前，水質評價的方法有很多,如單因子評價法、綜合污染指數法、神經網絡法等。這些方法各有優(yōu)缺點：單因子評價法運用簡單,可以直觀地辨別出主要的污染物,但該法僅憑借單項最差水質指標來判定水體的水質狀況,并不能保證其評價結果的全面性和合理性[3];綜合污染指數法是用數學定量的方法對水體的水質狀況進行描述,有利于從不同時間和空間上對同一水體的污染程度進行比較,但該法不能直觀地辨別出主要污染物[4];神經網絡法是近些年隨著計算機技術的發(fā)展而普及開來的,其評價結果更為精確、客觀,但其應用的難度也較大[5-6]。

本文采用2006—2015年丹江口庫區(qū)河南段的水質監(jiān)測數據,應用綜合污染指數法對研究區(qū)域的水質進行評價,并對其水質狀況進行分析,進而對南水北調中線工程水源地河南段的污染源進行分析。全面了解南水北調中線工程水源地河南段的真實污染現狀,對后續(xù)開展水源地的水質保護工作具有重要的作用。

1 研究區(qū)域與數據

1.1 研究區(qū)域概況

南水北調中線工程可分為丹江口庫區(qū)、漢江中下游工程區(qū)和受水區(qū)。其中,丹江口庫區(qū)是水源地保護的重點區(qū)域[7]，因此本次選取丹江口庫區(qū)河南段的水質監(jiān)測數據作為數據來源。南水北調中線工程水源地河南段涉及南陽市淅川縣、內鄉(xiāng)縣、西峽縣、鄧州市、三門峽市盧氏縣、洛陽市欒川縣,土壤類型以黃棕壤土和黃黏土為主,土層較薄,易被沖刷,抗侵蝕能力差,易發(fā)生水土流失，水土流失面積高達3 369.01 km2。南水北調中線工程水源地河南段地處北亞熱帶向暖溫帶過渡的季風性氣候區(qū),年平均氣溫15.8 ℃,高于同緯度東部地區(qū)2 ℃左右,無霜期約為228 d，平均降雨量800～1 000 mm。植被以針葉林、針闊葉混交林、落葉闊葉林、常綠落葉闊葉林、常綠闊葉林和灌木林為主,整體森林覆蓋率達75%,但分布不均。區(qū)域內經濟以農業(yè)為主,農牧業(yè)和牲畜養(yǎng)殖業(yè)所占的比重較大,居民人均GDP約為16 595.3元/a,屬較低水平。

1.2 數據的采集

根據環(huán)保部對丹江口庫區(qū)河南段2006—2015年水質監(jiān)測的數據資料,分別對pH值、溶解氧含量(DO)、化學需氧量(COD)和氨氮(NH3-N)值進行統計,監(jiān)測數據按年平均值計算，結果見表1。

表1 2006—2015年丹江口庫區(qū)河南段水質監(jiān)測數據 mg/L

注:pH值無量綱。

2 丹江口庫區(qū)河南段水質評價

2.1 水質評價標準

根據GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》，篩選出pH值、溶解氧含量(DO)、化學需氧量(COD)和氨氮(NH3-N)值的地表水環(huán)境質量評價標準限值,見表2。

表2 地表水環(huán)境質量評價標準 mg/L

注:pH值無量綱。

2.2 綜合污染指數法分級標準

丹江口庫區(qū)河南段的水環(huán)境質量執(zhí)行地表水環(huán)境質量Ⅱ類水質標準,本次綜合污染指數法中各項水質指標的評價標準值同樣采用Ⅱ類水質標準限值。綜合污染指數法的分級標準見表3,其中P為綜合污染指數。

表3 綜合污染指數法分級標準

2.3 綜合污染指數法計算公式

綜合污染指數法是在單因子評價的基礎上,采用算數平均值法進行進一步的計算,其計算公式如下:

1)對于污染物濃度越高對水環(huán)境影響越大的污染物(如COD、NH3-N)，其單項污染指數P1為:

(1)

式中:Ci為第i種污染物的實測值;Si為第i種污染物的評價標準值。

2)對于污染物濃度越低對水環(huán)境影響越大的污染物(如DO)，其單項污染指數P2為:

(2)

其中Cmax為第i種污染物在水中可能的最大濃度(即飽和濃度)。

3)對具有最高和最低允許濃度限制的污染物(如pH值),其單項污染指數P3為:

(3)

其中

(4)

式中:Smax、Smin分別為第i種污染物濃度的上、下限值。

4)綜合污染指數為:

(5)

式中:n為選取的污染物個數;Wi為第i種污染物參數的權重。

當單項污染指數Pi≤1時,表明該污染物濃度沒有超標,未對環(huán)境造成危害,這時可令Wi=1;當單項污染指數Pi>1時,表明該污染物濃度超出標準限值,可對環(huán)境造成一定的危害,此時令Wi=n。

2.4 評價結果與分析

分別對4個監(jiān)測指標的單項污染指數Pi進行計算，結果顯示Pi均小于1,因此可令Wi=1。

根據綜合污染指數法計算公式得2006—2015年丹江口庫區(qū)河南段水質評價結果,見表4。

表4 2006—2015年丹江口庫區(qū)河南段綜合污染指數法 評價結果

年份綜合污染指數P值水質狀況20060．314尚清潔20070．330尚清潔20080．373尚清潔20090．329尚清潔20100．353尚清潔20110．388尚清潔20120．362尚清潔20130．340尚清潔20140．322尚清潔20150．382尚清潔

由表4可以看出,在以《地表水環(huán)境質量標準》中Ⅱ類水質標準限值作為評價標準的前提下,2006—2015年丹江口庫區(qū)河南段綜合污染指數P值在0.314～0.388范圍內,未超出綜合污染指數法分級標準中第2級別的標準限值，水質狀況屬于尚清潔，但仍存在一定的污染風險。

2.5 水質綜合污染指數變化趨勢分析

水質綜合污染指數變化趨勢分析主要采用定量分析的方法,目前通用的做法是采用Daniel的Spearman秩相關系數法進行檢驗[8]。這一方法要求數據充足,一般至少采用4個時間序列的數據。Spearman秩相關系數ri的計算方法如下:

(6)

di=Xi-Yi,i=1,2,…,n。

(7)

式中:Xi為周期1到n按濃度值由小到大排列的序號;Yi為按時間排列的序號;N為樣本數。

若ri>0,表明數據系列呈上升趨勢;反之表明數據系列呈下降趨勢。

表5 Spearman秩相關系數臨界值Wp

按照上述方法,計算得出樣本數為10的丹江口庫區(qū)河南段水質綜合污染指數的秩相關系數ri為0.358

3 南水北調中線工程水源地河南段污染源分析

雖然南水北調中線工程水源地河南段的水質污染水平較低,但國家對該水源地的保護非常重視,對水源地水質污染防治提出了更高的要求。為了保障水環(huán)境的安全,了解水環(huán)境中污染物的來源是一項重要的工作。因此,有必要對水源地的污染源進行調查和分析,為管理生產和科學決策提供指導。

本文將南水北調中線工程水源地河南段分成3個子單元,分別是老灌河控制單元、丹江口南陽段控制單元和丹江口水庫北支控制單元。根據現有數據,以化學需氧量(COD)和氨氮(NH3-N)作為分析對象,對研究區(qū)域的污染物排放結構進行分析,旨為南水北調中線工程水源地河南段的水質保護提供依據[9]。

3.1 點源污染分析

點源污染是指有固定排放點的污染源造成的污染,主要分為生活污染和工業(yè)污染。點源污染所含的污染物成分復雜、種類較多。南水北調中線工程水源地河南段點源污染物COD和NH3-N排放總量的統計結果見表6。

表6 南水北調中線工程水源地河南段點源污染物COD、NH3-N排放總量和貢獻率統計

由表6可知：南水北調中線工程水源地河南段的點源污染物COD排放總量為16 318.5 t,其中丹江口水庫北支控制單元的排放量最大,為14 273.7 t,占COD排放總量的87.47%;丹江口南陽段控制單元、老灌河控制單元COD排放量的貢獻率分別為7.96%和4.57%。南水北調中線工程水源地河南段的點源污染物NH3-N排放總量為6 898.5 t,其中丹江口水庫北支控制單元的排放量最大,為5 321.7 t,占NH3-N排放總量的77.15%;丹江口南陽段控制單元、老灌河控制單元NH3-N排放量的貢獻率分別為17.14%和5.71%；丹江口水庫北支控制單元的點源污染物COD、NH3-N排放總量最大,在研究區(qū)域的點源污染物排放總量中所占比重最高。

究其原因，南水北調中線工程水源地河南段近年來的經濟社會發(fā)展較快,工業(yè)發(fā)達,人口較多,特別是丹江口水庫北支控制單元發(fā)展更快,因此由工業(yè)源排放和生活源排放造成的點源污染較為嚴重,應引起足夠的重視，加強對污染物排放的控制。

3.2 面源污染分析

面源污染可以分為3個途徑,即農田面源污染、禽畜養(yǎng)殖污染和農村生活污染。對于南水北調中線工程水源地河南段來說,面源污染是水源地污染的主要因素。了解研究區(qū)域內面源污染狀況，對其水環(huán)境的保護具有重要意義。南水北調中線工程水源地河南段面源污染物COD和NH3-N排放總量統計結果見表7。

表7 南水北調中線工程水源地河南段面源污染物COD和NH3-N排放總量和貢獻率統計

由表7可知：南水北調中線工程水源地河南段的面源污染物COD排放總量為2 446.6 t,丹江口水庫北支控制單元的排放量最大,為1 352.0 t,占COD排放總量的55.26%;丹江口南陽段控單元、老灌河控制單元COD排放量的貢獻率分別為21.93%和22.81%。南水北調中線工程水源地河南段的面源污染物NH3-N排放總量為443.0 t,丹江口水庫北支控制單元的排放量最大,為244.5 t,占NH3-N排放總量的55.19%;丹江口南陽段控制單元、老灌河控制單元NH3-N排放量的貢獻率分別為21.87%和22.93%；丹江口水庫北支控制單元的面源污染物COD、NH3-N排放總量最大,在研究區(qū)域的面源污染物排放總量中所占比重最高。

究其原因，南水北調中線工程水源地河南段屬于農業(yè)生產區(qū),化肥施用量大且頻繁,使用方法也不夠科學、合理,多為拋灑淺施;該區(qū)域的水土流失嚴重,進一步提高了水體被污染的風險;南水北調中線工程水源地河南段的禽畜養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速,但禽畜養(yǎng)殖的糞便處理率低,對環(huán)境破壞較為嚴重;生活污水和生活垃圾的排放導致該區(qū)域的水質污染狀況進一步惡化,因此，應加強對南水北調中線工程水源地河南段面源污染的防控。

結合表6與表7可知，點源污染程度遠大于面源污染程度,特別是丹江口水庫北支控制單元尤為突出。應加強對南水北調中線工程水源地河南段污染源的管理,并制定相應的污染控制措施,防止污染的進一步加劇。

4 結語

采用綜合污染指數法對2006—2015年南水北調中線工程水源地河南段的水質狀況和污染源進行分析，得出以下主要結論:

1)丹江口庫區(qū)河南段水體的水質狀況尚清潔,但仍然存在著一定的污染風險。

2)丹江口庫區(qū)河南段的水質綜合污染指數呈上升趨勢,水質有惡化的態(tài)勢。

3)南水北調中線工程水源地河南段面臨著點源污染和面源污染的雙重壓力,其中點源污染程度遠大于面源污染程度,且丹江口水庫北支控制單元的點源污染和面源污染最為嚴重,亟待制訂相應的保護措施。

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(責任編輯：張陵)

Present Situation of Water Quality and Analysis about Pollution Fountain of Water Source Area in Henan in the Middle Route of South to North Water Transfer Project

LIU Zengjin, QI Bingyu, ZHANG Guanchao

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

In order to investigate the water quality of water source area in the middle route of South to North Water Transfer Project, we selected the water body in Henan in Danjiangkou Reservoir area as a research object, by analyzing the data of water quality in Henan in Danjiangkou Reservoir area from 2006 to 2015 from the Ministry of Environment Protection of China and using the synthetic pollution index evaluating method, we quantitatively analyzed the water quality of research area. The results show that the water quality in Henan in Danjiangkou Reservoir area is up to the clean level by the analysis results of synthetic pollution index evaluating method, but it still has a certain polluted risk, and the water quality has a deteriorative trend; By analyzing the pollution fountain of water source area in Henan in the middle route of South to North Water Transfer Project, we find that the point pollution seriously affects the water environment of water source area, and the harmfulness of non-point pollution is not ignored; The point pollution of water source area in Henan in the middle route of South to North Water Transfer Project is more widespread, but it mainly concentrated at the control unit of north branch of Danjiangkou Reservoir. These research results can provide a theoretical guarantee for the safety of water quality and the control of pollution fountain of water source area.

water resource area of Danjiangkou; synthetic pollution index evaluating method; water quality status; point pollution; non-pointpollution

2016-09-02

國家自然科學基金資助項目(50849047)。

劉增進(1961—),男,河北新樂人,教授,博士,從事節(jié)水灌溉理論方面的研究。E-mail:zengjinliu@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.02.015

TV123;X824

A

1002-5634(2017)02-0077-05