鄭 燦, 楊子超, 邱小琮, 尹 亮, 李延林

(1.寧夏大學 土木與水利工程學院, 寧夏 銀川 750021; 2.寧夏大學 生命科學學院, 寧夏 銀川 750021)

寧夏引黃灌區(qū)是中國4大自流古老灌區(qū)之一，該區(qū)段引黃灌溉已有約2 000 a的歷史[1]。在灌區(qū)內部，大小排水溝近200條，主要排水干溝有32條，每年排入黃河約2.50×109m2的水量[2]。寧夏引黃灌區(qū)各排水溝最初主要用于農(nóng)田灌排水或降低淺層地下水位，但最近幾年許多排水溝同時變成了排污溝，接納了大量生活污水以及工農(nóng)業(yè)廢水，在匯入溝內污水量增加的同時，污染物的種類和濃度也逐漸增加[2-3]。由于排水溝地處引黃灌區(qū)，又是農(nóng)田灌溉排水的主要輸送廊道，同時也是農(nóng)業(yè)非點源污染物運輸和遷移主要途徑，因此，農(nóng)業(yè)面源污染也成為了影響排水溝的重要污染源[4]。寧夏引黃灌區(qū)主要排水溝的排水情況詳見表1。目前，劉國強等[2]對寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)田退水污染、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染源頭和污染負荷結構及現(xiàn)狀進行了分析；張愛平等[3]分析了黃河寧夏段監(jiān)測斷面和引黃灌區(qū)典型排水溝的水質情況；邱小琮等[5]分析了寧夏農(nóng)業(yè)面源污染的主要影響因子；張學軍等[6]對寧夏引黃灌區(qū)特定時期氮和磷的流失進行了研究。然而關于社會經(jīng)濟指標對引黃灌區(qū)排水溝影響程度還未進行深入研究。排水溝是城市地表水環(huán)境的重要組成，水質好壞直接影響著城市形象和黃河寧夏段水質，進行綜合治理，勢在必行[7]。本研究在搜集排水溝2009—2015年水環(huán)境因子指標基礎上，運用綜合污染指數(shù)、相關分析和灰關聯(lián)法，以地級市為單位研究排水溝綜合污染指數(shù)與社會經(jīng)濟指標之間的相關性以及影響水質的主要指標，旨在為排水溝水體污染綜合整治提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

按照引黃灌區(qū)排水溝在寧夏回族自治區(qū)的位置，分別收集中衛(wèi)市、吳忠市、銀川市、石嘴山市的各項社會經(jīng)濟指標的原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于2009—2015年寧夏各類統(tǒng)計年鑒、水資源公報；水質評價因子數(shù)據(jù)取自《寧夏回族自治區(qū)環(huán)境狀況公報》。由于四二干溝、銀新干溝、靈武東溝、吳忠南干溝、吳忠清水溝、第3和5排水溝匯入黃河口、第1排水溝、第4排水溝、銀川中干溝、銀川永二干溝、吳忠羅家河為寧夏入黃13條重點排水溝，也能代表其他排水溝的特性，因此，選擇這些主要的排水溝作為研究對象(表1)。

表1 寧夏引黃灌區(qū)主要排水溝的排水情況

注：排水結構為農(nóng)耕退水、工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)生活污水混合；排水特點為季節(jié)性排水，時間集中在4與11月份。

1.2 水環(huán)境因子數(shù)據(jù)選取和預處理

由于水質各個指標的類型和量綱不同，各個指標之間不具有可比性，因此在評價的時候要對水質評價的分級標準和待評價水質監(jiān)測數(shù)據(jù)進行無量綱化處理[8]。本文采用極差變換方法[9]對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理及消除數(shù)值數(shù)量級差別，再將原始數(shù)據(jù)進行處理。為了得出更為準確的綜合污染指數(shù)，以便更好得進行相關性和灰關聯(lián)分析，則選取高錳酸鹽指數(shù)、化學需氧量、氨氮、生化需氧量、揮發(fā)酚、總磷、氟化物、氰化物、硫化物作為評價因子。

1.3 社會經(jīng)濟指標的選取

社會經(jīng)濟指標選擇與水質密切相關的農(nóng)業(yè)耗水量、農(nóng)業(yè)人口、化肥使用量、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、林業(yè)產(chǎn)值、牧業(yè)產(chǎn)值、漁業(yè)產(chǎn)值、工業(yè)總產(chǎn)值、工業(yè)廢水排放總量、城鎮(zhèn)生活污水排放量作為影響排水溝水質的因素。

1.4 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法是對各污染指標的相對污染指數(shù)進行統(tǒng)計，得出代表水體污染程度的數(shù)值，來確定研究水體的污染程度[10]。求綜合污染指數(shù)需要先對單項污染指數(shù)進行求解。

水質單項污染指數(shù)(pij)計算方法為[11]：

Pij=Cij/Sij

(1)

對于pH值，

Pij=(Cij-7.0)/(8.5-7.0) (pH≥7.0)

(2)

或，Pij=(7.0-Cji)/(7.0-6.5) (pH≤7.0)

(3)

當Pij<1時，表示水體未污染；當Pij>1時，表示水體污染。具體數(shù)值直接反映污染物超標程度[12]。

綜合污染指數(shù)法的計算公式為：

(4)

綜合污染指標評價分級詳見表2。

表2 綜合污染指標評價分級

1.5 相關分析

計算社會經(jīng)濟指標與排水溝綜合污染指數(shù)之間的相關系數(shù)，并進行分析討論。

1.6 灰關聯(lián)法

灰關聯(lián)法就是以各排水溝為母序列，影響因子為子序列，計算各排水溝與影響因子的關聯(lián)度，根據(jù)關聯(lián)度的大小確定影響因子的作用大小[13-14]。

1.7 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用DPS統(tǒng)計軟件進行。

2 結果與分析

2.1 寧夏引黃灌區(qū)主要排水溝水質狀況

寧夏引黃灌區(qū)主要排水溝水質類別(2009—2015主要的水質類別)及主要污染指標詳見表3。排水溝的水質類別主要以劣Ⅴ類為主，主要污染指標為氨氮、總磷、化學需氧量、生化需氧量等。由于第1排水溝和羅家河的治理效果突出，水質好轉，水質類別分別為Ⅲ類和Ⅳ類，且羅家河的污染指標主要以氨氮為主。

表3 寧夏引黃灌區(qū)主要排水溝的水質狀況

2.2 水質綜合污染指數(shù)

水質綜合污染指數(shù)的高低直接反映水體質量的好壞，當綜合污染指數(shù)越高，水質越差；綜合污染指數(shù)越低，水質越好。從圖1可以看出，吳忠南干溝水質總體上呈逐年轉好趨勢，2010—2011年為好轉的最快時期；吳忠清水溝水質總體上也呈好轉趨勢，僅在2009—2010年突然惡化，且在2010年達到污染最嚴重時期；銀新干溝水質在2009—2012年呈穩(wěn)步轉好趨勢，卻在2012—2013年突然惡化，在2013年到達污染最嚴重時期，之后又呈轉好趨勢。其他排水溝水質變化趨勢較平穩(wěn)，沒有明顯的變化。

圖1 綜合污染指數(shù)變化趨勢

2.3 排水溝綜合污染指數(shù)與社會經(jīng)濟指標的相關分析

2.3.1 銀川市排水溝綜合污染指數(shù)與社會經(jīng)濟指標的相關分析 由表4可以看出，四二干溝、銀新干溝和永二干溝與社會經(jīng)濟指標之間相關關系不顯著。靈武東溝與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值和工業(yè)總產(chǎn)值之間呈極顯著正相關；與牧業(yè)產(chǎn)值和漁業(yè)產(chǎn)值之間呈顯著正相關；與農(nóng)業(yè)耗水量之間呈顯著負相關；與其他指標相關關系不顯著。中干溝與化肥使用量、林業(yè)產(chǎn)值和工業(yè)廢水排放總量之間呈極顯著正相關；與漁業(yè)產(chǎn)值和工業(yè)產(chǎn)值之間呈極顯著負相關；與農(nóng)業(yè)耗水量和城鎮(zhèn)生活污水排放量之間呈顯著正相關；與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值之間呈顯著負相關；其他指標相關關系不顯著。

表4 銀川市的排水溝綜合污染指數(shù)與其社會經(jīng)濟指標相關系數(shù)矩陣

注：*,**分別表示顯著相關和極顯著相關。下同。

2.3.2 吳忠市排水溝綜合污染指數(shù)與社會經(jīng)濟指標的相關分析 由表5可知，南干溝與工業(yè)廢水排放總量之間呈極顯著正相關；與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、林業(yè)產(chǎn)值、漁業(yè)產(chǎn)值、工業(yè)總產(chǎn)值之間呈極顯著負相關；與其他指標相關關系不顯著。清水溝與工業(yè)廢水排放總量之間呈極顯著正相關；與工業(yè)總產(chǎn)值之間呈極顯著負相關；與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、林業(yè)產(chǎn)值和漁業(yè)產(chǎn)值之間呈顯著負相關；與其他指標相關關系不顯著。羅家河與農(nóng)業(yè)耗水量之間呈極顯著正相關；與其他指標相關關系不顯著。

表5 吳忠市的排水溝綜合污染指數(shù)與其社會經(jīng)濟指標相關系數(shù)矩陣

2.3.3 中衛(wèi)市排水溝綜合污染指數(shù)與社會經(jīng)濟指標的相關分析 由表6可知，第1排水溝與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值之間呈極顯著正相關；與工業(yè)總產(chǎn)值之間呈極顯著負相關；與其他社會經(jīng)濟指標之間相關關系不顯著。第4排水溝與農(nóng)業(yè)人口、化肥使用量、林業(yè)產(chǎn)值、牧業(yè)產(chǎn)值、城鎮(zhèn)生活污水排放量之間呈極顯著負相關；與漁業(yè)產(chǎn)值之間呈顯著相關。

表6 中衛(wèi)市的排水溝綜合污染指數(shù)與其社會經(jīng)濟指標的相關系數(shù)矩陣

2.3.4 石嘴山市排水溝綜合污染指數(shù)與社會經(jīng)濟指標的相關分析 由表7可知，第3,5排水溝匯入黃河口綜合污染指數(shù)與經(jīng)濟社會指標相關關系不顯著。

表7 石嘴山市的排水溝綜合污染指數(shù)與其社會經(jīng)濟指標相關系數(shù)矩陣

2.4 排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的灰關聯(lián)分析

灰色關聯(lián)法分析中，關聯(lián)度越高，表明排水溝水質受社會經(jīng)濟指標的影響程度越高，以此來判定其主要影響因子。

2.4.1 銀川市排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的灰關聯(lián)分析 銀川市的排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的關聯(lián)度和排列順序詳見表8。影響四二干溝水質主要影響因子依次為漁業(yè)產(chǎn)值、工業(yè)總產(chǎn)值等；影響銀新干溝水質主要影響因子依次為農(nóng)業(yè)耗水量、化肥使用量等；影響靈武東溝水質主要影響因子依次為漁業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值；影響永二干溝水質主要影響因子依次為農(nóng)業(yè)耗水量、工業(yè)廢水排放總量等。由于中干溝的數(shù)據(jù)過少，因此不能用DPS進行關聯(lián)度的計算。

表8 銀川市的排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的關聯(lián)度和排列順序

2.4.2 吳忠市排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的灰關聯(lián)分析 吳忠市的排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的關聯(lián)度和排列順序詳見表9。由表9可知，影響吳忠南干溝和吳忠清水溝水質主要影響因子依次為工業(yè)廢水排放總量、農(nóng)業(yè)人口等；影響吳忠羅家河水質主要影響因子依次為農(nóng)業(yè)人口、牧業(yè)產(chǎn)值等。

表9 吳忠市的排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的關聯(lián)度和排列順序

2.4.3 中衛(wèi)市排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的灰關聯(lián)分析 中衛(wèi)市的排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的關聯(lián)度和排列順序詳見表10。

表10 中衛(wèi)市的排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的關聯(lián)度和排列順序

從表10可以看出，影響第1排水溝水質主要影響因子依次為牧業(yè)產(chǎn)值、工業(yè)廢水排放總量等；影響第4排水溝水質主要影響因子依次為工業(yè)廢水排放總、城鎮(zhèn)生活污水排放量等。

2.4.4 石嘴山市排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的灰關聯(lián)分析 石嘴山市的排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的關聯(lián)度和排列順序詳見表11。由表11可知，影響第3，5排水溝匯入黃河口水質主要影響因子依次為農(nóng)業(yè)耗水量、工業(yè)廢水排放總量等。

3 討論與結論

從綜合污染指數(shù)、相關性及關聯(lián)度分析結果來看，吳忠南干溝水質呈現(xiàn)逐年好轉趨勢，可能主要由于對造紙廠、包裝廠等工廠的廢水排放總量進行了控制，強化對企業(yè)主要污染物控制。銀新干溝水質急劇惡化，可能主要由于農(nóng)田退水和化肥使用量急劇增加，大多數(shù)畜禽養(yǎng)殖固廢和污水沒有處理設施，大量營養(yǎng)物質和殘留農(nóng)藥隨農(nóng)田退水進入排水溝。因此，控制因農(nóng)業(yè)面源污染引起的排水污染對保障銀新干溝水質有現(xiàn)實迫切性。由于造紙廠等工廠排入清水溝的工業(yè)廢水增多，工業(yè)廢水排放總量增加，導致吳忠清水溝水質急劇惡化。其他排水溝的綜合污染指數(shù)變化趨勢較平穩(wěn)，且水質總體狀況較好?？傮w上，排水溝的水質變化趨勢受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)的影響較大。

表11 石嘴山市的排水溝綜合污染指數(shù)與影響因子的關聯(lián)度和排列順序

在銀川市排水溝中，中干溝較其他排水溝與社會經(jīng)濟指標相關性較高，其中與化肥使用量的相關系數(shù)高達0.998。在吳忠市排水溝中，南干溝和清水溝與社會經(jīng)濟指標的相關性比羅家河較高。在中衛(wèi)市排水溝中，第4排水溝與社會經(jīng)濟指標相關性較高。石嘴山市的排水溝與社會經(jīng)濟指標的相關性都普遍較低，與漁業(yè)產(chǎn)值的相關性最高，僅達到0.666。以地級市為單位，綜合污染指數(shù)與社會經(jīng)濟指標相關性大小排序依次為吳忠市、銀川市、中衛(wèi)市、石嘴山市。

原因解析上，根據(jù)分析結果來看，可能由于中干溝途經(jīng)人口較密集區(qū)，接納了銀川市大量的工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水；南干溝與第4排水溝分別沿途接納了其所在地級市的大量的工業(yè)廢水和生活污水。因此，這幾個排水溝與所在地級市經(jīng)濟社會指標的相關性比其他排水溝較高。從區(qū)域的角度來看，銀川市、吳忠市和中衛(wèi)市污染物排放量較高，而石嘴山市人口較少，農(nóng)業(yè)人口也較少，工業(yè)相對落后，因此，排水溝水質與經(jīng)濟社會指標相關性不高。

相關分析與灰關聯(lián)分析結果有較好的一致性。在銀川市排水溝中，四二干溝與漁業(yè)產(chǎn)值和工業(yè)總產(chǎn)值的關聯(lián)度最高，同時相關性也較高；靈武東溝與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值和漁業(yè)產(chǎn)值的關聯(lián)度最高，相關系數(shù)也分別高達0.947，0.813。在吳忠市排水溝中，南干溝和清水溝與工業(yè)廢水排放總量的關聯(lián)度分別高達0.755 69和0.619 264，相關系數(shù)也分別高達0.983，0.965；在中衛(wèi)市排水溝中，第4排水溝與工業(yè)廢水排放總量和城鎮(zhèn)生活排放量的關聯(lián)度最高，相關性也較高且為均反向相關。石嘴山市排水溝與經(jīng)濟社會指標的相關性都較小，關聯(lián)度也較小，且相關系數(shù)與關聯(lián)度聯(lián)系也較小?？傮w上，各市的相關分析與灰關聯(lián)分析結果之間一致性大小依次為吳忠市、中衛(wèi)市、銀川市、石嘴山市。

原因解析上，相關分析是對兩者之間的相關聯(lián)系做一個具體數(shù)值和相關方向的研究，而灰關聯(lián)分析是通過一定方法清理系統(tǒng)中各因素間的主要關系，找出系統(tǒng)中最大的影響因素，二者之間相互聯(lián)系、相輔相成。當關聯(lián)度較高時，相關系數(shù)也較高。因此，以相關性為輔，關聯(lián)度為主來確定各排水溝最主要的影響因子。

影響四二干溝的最主要影響因子為漁業(yè)產(chǎn)值和工業(yè)總產(chǎn)值；影響銀新干溝的最主要影響因子為農(nóng)業(yè)耗水量和化肥使用量；影響靈武東溝的最主要影響因子為農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值和漁業(yè)產(chǎn)值；影響永二干溝的最主要影響因子為農(nóng)業(yè)耗水量和工業(yè)廢水排放總量；影響吳忠南干溝和吳忠清水溝的最主要影響因子為工業(yè)廢水排放總量和農(nóng)業(yè)人口；影響吳忠羅家河的最主要影響因子為農(nóng)業(yè)耗水量和農(nóng)業(yè)人口；影響第一排水溝的最主要影響因子為工業(yè)廢水排放總量和牧業(yè)產(chǎn)值；影響第4排水溝最主要影響因子為工業(yè)廢水排放總量和城鎮(zhèn)生活污水；影響第三、五排水溝匯入黃河口最主要影響因子為工業(yè)廢水排放總量和農(nóng)業(yè)耗水量；影響中干溝的最主要影響因子僅從相關性分析，則為化肥施用量、工業(yè)廢水排放總量和林業(yè)產(chǎn)值。通過控制這些最主要的影響因子，對排水溝水環(huán)境治理具有現(xiàn)實的迫切性和長遠戰(zhàn)略意義。

根據(jù)分析結果，綜合比較判斷，總體上引黃灌區(qū)排水溝水質狀況主要以劣Ⅴ類為主。各市的影響因素不一樣，主要是因為各市排水溝主要承載的退水的類型及水量各不相同。銀川市和石嘴山市的排水溝主要承載農(nóng)田退水，主要污染物為氨氮、總磷等，因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對銀川市和石嘴山市排水溝水質影響較大；吳忠市和中衛(wèi)市的排水溝主要承載工業(yè)退水，主要污染物為生化需氧量、氨氮等，因此，工業(yè)生產(chǎn)對吳忠市和中衛(wèi)市排水溝的影響較大?？傮w上，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)導致的農(nóng)業(yè)面源污染比工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的工業(yè)廢水對排水溝水質狀況影響程度大。由于條件所限沒有對排水溝的污染來源進行深入分析，后續(xù)需要再加強研究。