鄧 娟, 呼東峰, 上官周平

(1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.陜西省環(huán)境監(jiān)測中心站, 西安 710054)

水污染是當(dāng)今世界面臨的嚴(yán)重環(huán)境問題之一。2016年全國地表水環(huán)境質(zhì)量狀況顯示：中國7大水系中，除長江、珠江流域水質(zhì)良好外，黃河、松花江、淮河流域?yàn)檩p度污染，遼河流域?yàn)橹卸任廴荆：恿饔驗(yàn)橹囟任廴綶1]。徑流和泥沙是河流水體污染物的主要載體，徑流在運(yùn)載可溶性污染物的同時(shí)，也通過泥沙載體運(yùn)輸吸附性污染物，而這些吸附性污染物是潛在的污染源[2]。一般而言，徑流量較大的水體自凈能力較強(qiáng)，其河流水質(zhì)較好；反之，水質(zhì)較差，但同時(shí)也有研究表明降水沖刷地表物質(zhì)經(jīng)地表徑流進(jìn)入河流，也會(huì)引起河流中各種物質(zhì)濃度的變化[3-4]。因此，不同生態(tài)類型區(qū)河流水質(zhì)與徑流泥沙間的關(guān)系成為地學(xué)和生態(tài)學(xué)目前關(guān)注的學(xué)科熱點(diǎn)。

對(duì)河流水環(huán)境和水質(zhì)而言，河流泥沙不僅本身就是水體污染物，而且具有較大的比表面，含有大量活性官能團(tuán)，在很大程度上決定著污染物在水體中的遷移、轉(zhuǎn)化和生物效應(yīng)等[5]。泥沙的吸附作用及其對(duì)河流水流結(jié)構(gòu)的影響，使得污染物在含沙河流水土中的擴(kuò)散、遷移和轉(zhuǎn)化呈現(xiàn)出與清水河流不同的規(guī)律[6]。我國境內(nèi)的河流多為高含沙水體，已有研究從河流泥沙基本特性[7-8]、泥沙對(duì)污染物的吸附作用[9-10]、泥沙對(duì)水質(zhì)參數(shù)和污染評(píng)價(jià)的影響等[11-12]多個(gè)方面探討了河流水質(zhì)與泥沙的關(guān)系。然而，針對(duì)不同生態(tài)類型區(qū)河流水質(zhì)與徑流泥沙間關(guān)系的對(duì)比研究目前仍然較少，亟待加強(qiáng)。

陜西地跨黃河、長江兩大流域，境內(nèi)的主要河流北有延河，南有漢江，中有渭水，但陜西省水資源十分缺乏，水資源總量為4 421.1億m3，人均水資源占有量僅為全國人均占有量的1/2，世界人均占有量的1/8。近年來，城市化的加劇使水資源的供需矛盾日益突出，農(nóng)業(yè)用水利用率低，水資源的浪費(fèi)和水污染情況逐漸加劇[13]。因此，本研究針對(duì)陜西省不同河流污染物、污染源特征，以明確不同生態(tài)類型區(qū)水質(zhì)污染因子和原因，追溯其污染源，分析3條典型河流不同生態(tài)類型區(qū)水文環(huán)境、徑流量與污染因子之間的關(guān)系，明確不同生態(tài)類型區(qū)區(qū)域環(huán)境對(duì)河流水質(zhì)影響，為陜西省河流水質(zhì)管理提供理論依據(jù)，對(duì)陜西省典型河流水質(zhì)控制，對(duì)流域周邊農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)安全灌溉，保護(hù)農(nóng)業(yè)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)，保障人體健康，維持陜西社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西位于我國中部偏東靠北，位于105°29′—111°15′E，31°42′—39°35′N，總面積20.58萬km2，約占全國總面積的2.1%。北山和秦嶺把陜西分為三大自然區(qū)域：北部是陜北高原，中部是關(guān)中平原，南部是秦巴山地。陜西河流以秦嶺為界，南屬長江水系，北屬黃河水系。長江流域約占全省面積的35%，河流含沙量小，水位季節(jié)變化小，主要支流有漢江，嘉陵江和丹江；黃河流域各河流含沙量大，水位季節(jié)性變化大，主要支流有延河、渭河、無定河等。

陜西省多年地表徑流深212.5 mm，多年平均徑流量420億m3，其中長江流域年平均徑流量313億m3，入境年平均水量71.6億m3；黃河流域年平均徑流量107億m3，入境年平均水量47.4億m3。根據(jù)陜西省的自然地域和實(shí)際情況，為較全面真實(shí)地反映其地表水水質(zhì)狀況，選取延河、渭河和漢江3條主要河流代表黃河、長江兩大流域，從地域上分別代表陜北、關(guān)中、陜南3個(gè)自然區(qū)域地表水狀況。本研究選取，2001—2010年，渭河13個(gè)監(jiān)測斷面、延河5個(gè)監(jiān)測斷面、漢江9個(gè)監(jiān)測斷面，共計(jì)27個(gè)監(jiān)測斷面，進(jìn)行典型河流水質(zhì)污染特征及污染源分析。

1.2 測定指標(biāo)與方法

1.2.1 水質(zhì)監(jiān)測 渭河中下游共設(shè)置13個(gè)水質(zhì)檢質(zhì)監(jiān)控?cái)嗝妫雍恿饔蚬苍O(shè)置5個(gè)水質(zhì)監(jiān)控?cái)嗝?，漢江共設(shè)置9個(gè)水質(zhì)監(jiān)控?cái)嗝?，各監(jiān)控?cái)嗝嬷饕槍?duì)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)中的基本項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測。選取2000—2010年各監(jiān)測站點(diǎn)石油類、揮發(fā)酚、氨氮(NH3-N)、溶解氧(DO)、5日生化需氧量(BOD5)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMN)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)中的5類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水質(zhì)類別評(píng)價(jià)。

1.2.2 徑流泥沙數(shù)據(jù)來源 本研究徑流數(shù)據(jù)來自《中國河流泥沙公報(bào)》，延河(甘谷驛)、渭河(華縣)和漢江(皇莊)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后對(duì)水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。水質(zhì)評(píng)價(jià)采用超標(biāo)倍數(shù)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法[14]。運(yùn)用Excel 2007對(duì)3條河流徑流量、輸沙量、DO、NH3-N、CODMN、BOD5、揮發(fā)酚、石油類污染物的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要河流污染現(xiàn)狀

2001—2010年，渭河13個(gè)監(jiān)測斷面、延河5個(gè)監(jiān)測斷面、漢江9個(gè)監(jiān)測斷面，共計(jì)27個(gè)監(jiān)測斷面，綜合10年評(píng)價(jià)結(jié)果(表1)，2001年滿足功能斷面占40.7%，其中Ⅰ級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的斷面占37.0%，超過國家Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)斷面占59.3%。2010年滿足功能斷面占到66.7%，其中Ⅰ級(jí)斷面占到48.0%，不達(dá)標(biāo)斷面降至33.3%。2001—2010年，斷面達(dá)標(biāo)率逐年攀升，說明陜西省河流水質(zhì)總體逐年改善。其中，長江水系第一大支流漢江流域水質(zhì)持續(xù)優(yōu)良，斷面評(píng)價(jià)結(jié)果多為Ⅰ級(jí)水質(zhì)；延河水質(zhì)居中；渭河污染最為嚴(yán)重，斷面評(píng)價(jià)多為Ⅴ類水質(zhì)(圖1)。

表1 2001-2010年陜西3條河流水質(zhì)狀況變化

圖1 2001-2010年3條河流監(jiān)測斷面水質(zhì)類別

漢江流域在10年中9個(gè)監(jiān)測斷面達(dá)標(biāo)率為100%；延河5個(gè)監(jiān)測斷面隨時(shí)間推移斷面達(dá)標(biāo)率逐年增加，2007年以后達(dá)100%達(dá)標(biāo)率，2007—2010年，延河流域水體滿足功能；而渭河流域水質(zhì)改善于2004年后停滯不前，2001年斷面達(dá)標(biāo)率7.7%，2004年增加到30.8%，直至2010年，達(dá)標(biāo)率仍持續(xù)為30.77%，水質(zhì)未見顯著改善(圖2)。

圖2 3條河流監(jiān)測斷面達(dá)標(biāo)率對(duì)比

2.2 水質(zhì)污染特征對(duì)比

2.2.1 DO監(jiān)測評(píng)價(jià) 3條河流斷面的溶解氧監(jiān)測評(píng)價(jià)結(jié)果表明(圖3)，漢江流域DO檢出平均濃度>延河流域>渭河流域。渭河流域DO濃度最小值為3.5 mg/L(2002年)，污染評(píng)價(jià)為Ⅳ類。過去10年中，隨著渭河污染控制力度加大，DO濃度逐年攀升，2010年DO平均濃度為5.54 mg/L。延河流域DO濃度最小值為2004年6.9 mg/L，2010年延河DO濃度達(dá)8.2 mg/L。漢江水質(zhì)雖為3條河流中最好，DO濃度在3條河流中雖為最高，但在過去10年中，波動(dòng)走低，2010年DO濃度為7.68 mg/L，低于10年的平均值8.19 mg/L。

圖3 3條河流2001-2010年DO監(jiān)測評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

2.2.2 高錳酸鹽指數(shù)(CODMN)指數(shù)監(jiān)測評(píng)價(jià) 2001—2010年，渭河CODMN污染最為嚴(yán)重，其次為延河，漢江CODMN檢出濃度最低，水質(zhì)最好(圖4)。2003年渭河CODMN年平均濃度為10年來最高，34.28 mg/L，超過國家Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)4.7倍，為嚴(yán)重污染，自2003年以后，渭河CODMN濃度持續(xù)降低，到2010年平均濃度為8.85 mg/L。漢江流域CODMN濃度水平比較穩(wěn)定，10年間，CODMN檢出平均值在1.82～2.26 mg/L內(nèi)波動(dòng)，水質(zhì)持續(xù)優(yōu)良。延河流域10年間，CODMN濃度年均值呈現(xiàn)略增加趨勢，延河流域在2010年平均濃度為5.06 mg/L，超過國家Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.3 生化需氧量(BOD5)指數(shù)監(jiān)測評(píng)價(jià) 2001—2010年BOD5濃度大小排序?yàn)椋何己?延河>漢江(圖5)。漢江BOD5污染物濃度最低，自2001—2010年，連續(xù)10年檢出平均值在1.13～1.97 mg/L內(nèi)波動(dòng)，水質(zhì)持續(xù)優(yōu)良。延河在10年中僅有3年達(dá)到國家Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)標(biāo)率僅為30%，超過70%的年度均超過國家Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，其中2001年、2004年BOD5濃度平均值分別為7.52，7.78 mg/L，超過國家Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)0.88倍、0.95倍，而且10年內(nèi)未見明顯降低趨勢。渭河BOD5污染物濃度為3條河流中水質(zhì)最差，污染最嚴(yán)重，2001—2004年，BOD5污染濃度持續(xù)增加，分別為16.2，21.7，23.5，24.2 mg/L，超過國家Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，污染評(píng)價(jià)為劣Ⅴ類，但自2004年以后，渭河BOD5濃度持續(xù)降低，到2010年平均濃度為7.22 mg/L。

圖4 3條河流2001-2010年CODMN監(jiān)測評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

圖5 3條河流2001-2010年BOD5濃度監(jiān)測評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

2.2.4 氨氮(NH3-N)監(jiān)測評(píng)價(jià) 陜西省3條河流27個(gè)斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，渭河氨氮濃度>延河氨氮濃度>漢江氨氮濃度(圖6)。渭河所有斷面氨氮監(jiān)測年平均濃度均超過國家Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，2002年氨氮平均濃度為9.53 mg/L，超過國家Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)8.53倍，自2001—2010年，雖然水質(zhì)持續(xù)改善，但氨氮污染因子評(píng)價(jià)仍為劣Ⅴ類，氨氮污染嚴(yán)重，未能滿足水體功能。延河氨氮濃度2001—2004年持續(xù)增高，污染加重，2006—2010年，氨氮污染得到有效控制，氨氮檢出污染濃度均達(dá)到國家Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。漢江流域10 a檢出平均值在0.26～0.49 mg/L內(nèi)波動(dòng)，持續(xù)穩(wěn)定優(yōu)良。

2.2.5 石油類污染物濃度監(jiān)測評(píng)價(jià) 石油類的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，渭河>延河>漢江石油類年平均濃度(圖7)。渭河2001—2003年石油類污染物濃度自1.0 mg/L增加至2.59 mg/L，自2003年以后逐年減少，但截至2010年，石油類污染物濃度仍高于國家Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。延河2001年石油類污染物檢出平均濃度為1.26 mg/L，超過國家Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)24.2倍，2002年以后水質(zhì)持續(xù)改善，但至2010年，石油類污染仍未達(dá)標(biāo)，水體污染嚴(yán)重。漢江流域2002年石油類污染物年均濃度為0.06 mg/L，超過國家Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)0.2倍，其余年份年檢出平均值在0.02～0.05 mg/L內(nèi)波動(dòng)，持續(xù)穩(wěn)定優(yōu)良。

圖6 3條河流2001-2010年NH3-N濃度監(jiān)測評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

圖7 3條河流2001-2010年石油類污染濃度監(jiān)測評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

2.2.6 揮發(fā)酚濃度監(jiān)測評(píng)價(jià) 2001—2010年，揮發(fā)酚多年均濃度為渭河>延河>漢江(圖8)。延河流域和漢江流域揮發(fā)酚污染物濃度自2001—2010年，連續(xù)10年在0.001～0.004 mg/L內(nèi)波動(dòng)，均未超過國家Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。渭河流域揮發(fā)酚污染比較突出，10年最小檢出年均值為2010年0.01 mg/L，超標(biāo)1倍，最大檢出年均值為2004年0.043 mg/L，超過國家Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)7.6倍，揮發(fā)酚嚴(yán)重污染。

2.3 水質(zhì)污染原因分析

2.3.1 水質(zhì)與水文環(huán)境 隨著徑流量增大，水體的稀釋能力和自凈能力就會(huì)增強(qiáng)，水體污染程度也就相對(duì)減弱。長江流域約占全省面積的35%，水資源量占到全省總量的71%，漢江源于秦嶺西段南坡，從白河縣向東流出省境，省內(nèi)全長652 km，省內(nèi)流域面積54 783 km2，河流含沙量小，水位季節(jié)變化小，河道的生態(tài)水量充足，水質(zhì)較好。3條河流中，漢江徑流量最大，輸沙量最小，為漢江水體稀釋能力和自凈能力提供了保障。同時(shí)，漢江沿途得到長江水系支流徑流補(bǔ)給較多，降雨量補(bǔ)給在3條河流中最大，充足的生態(tài)水量極大保障了漢江水質(zhì)。

黃河流域各河流含沙量大，水位季節(jié)性變化大。黃河流經(jīng)陜、晉邊界，沿途多峽谷。主要支流有渭河、無定河、延河和北洛河。渭河發(fā)源于甘肅省渭源縣烏鼠山，至潼關(guān)港入黃河，干流全長818 km，流域面積134 766 km2，流域多年平均降水量610.4 mm，而多年水面蒸發(fā)量卻高達(dá)700～1 200 mm流域自產(chǎn)水資源總量69.92億m3，渭河流域泥沙輸出量為3條河流中最高，遠(yuǎn)高于其余兩條河流(圖9)，渭河嚴(yán)重缺乏的生態(tài)水量，加上泥沙夾帶著水土流失中的面源污染物進(jìn)入水體，污染河流水質(zhì)。渭河流域的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占陜西農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的50%，渭河的主體功能是農(nóng)業(yè)灌溉。農(nóng)業(yè)污水主要來源于高殘留毒害性農(nóng)藥的應(yīng)用、化肥使用不當(dāng)而導(dǎo)致利用率低下以及禽畜養(yǎng)殖糞便隨意排放3個(gè)方面。陜西是個(gè)水土流失嚴(yán)重的省份，進(jìn)入土壤后的農(nóng)藥大部分隨地表徑流進(jìn)入江河，飄浮在空中的農(nóng)藥隨降雨、地表徑流進(jìn)入河流，最終匯入渭河。

延河全長284.3 km，流域面積7 687 km2，多年平均流量8.56 m3/s，多年平均徑流量27 013萬m3。徑流的年內(nèi)分配很不均勻，主要是受降雨的影響，延河降雨量在3條河流中年均值最小，同時(shí)，延河流域得到降雨徑流補(bǔ)給極小，造成延河河道生態(tài)水量嚴(yán)重缺乏，水體自凈功能較差。

圖9 3條河流2001-2010年水環(huán)境

2.3.2 水質(zhì)污染與泥沙量徑流量的關(guān)系 隨著徑流量增大，水體的稀釋能力和自凈能力就會(huì)增強(qiáng)，水體污染程度也就相對(duì)減弱。為了進(jìn)一步研究渭河、延河、漢江流域水污染與其徑流量的關(guān)系，本文采用相關(guān)分析法對(duì)河流徑流量、輸沙量、DO、CODMN、NH3-N、BOD5、揮發(fā)酚、石油類污染物的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果見圖10。渭河流域DO濃度與徑流量呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢，與輸沙量呈正相關(guān)趨勢，但相關(guān)性并不顯著，氨氮濃度與年徑流量呈顯著負(fù)相關(guān)，徑流量越大，氨氮濃度越低。

圖10 渭河流域徑流量和泥沙量和水質(zhì)污染關(guān)系

延河河流徑流與DO濃度呈顯著正相關(guān)，徑流量越大，DO濃度越高，水質(zhì)越好，相關(guān)系數(shù)表明輸沙量與DO濃度呈負(fù)相關(guān)趨勢，但相關(guān)性不顯著；延河流域揮發(fā)酚濃度與年徑流量呈顯著負(fù)相關(guān)，輸沙量與揮發(fā)酚濃度呈正相關(guān)趨勢，但正相關(guān)關(guān)系并不顯著。漢江徑流與CODMN濃度呈負(fù)相關(guān)趨勢，但相關(guān)性指數(shù)不明顯，年輸沙量和CODMN濃度呈顯著正相關(guān)，輸沙量量越大，CODMN指數(shù)越高，水質(zhì)污染越嚴(yán)重；輸沙量與揮發(fā)酚濃度呈正相關(guān)趨勢，但正相關(guān)關(guān)系并不顯著。

3 結(jié) 論

2001—2010年期間陜西省水質(zhì)污染程度呈減輕趨勢，3條河流優(yōu)良水質(zhì)比例呈上升趨勢，27個(gè)斷面中Ⅰ—Ⅲ類水質(zhì)斷面比例由2001年的40.7%上升為2010年的66.7%，尤其是在2003—2008年這種上升趨勢更為明顯，3條河流污染狀況從大到小排列次序是：渭河>延河>漢江。延河水質(zhì)一直保持輕度污染，以Ⅳ類水質(zhì)為主，但污染因子濃度總體有加重趨勢；漢江水質(zhì)一直保持優(yōu)良，污染因子濃度總體有加重趨勢。

隨著徑流量增大，水體的稀釋能力和自凈能力增強(qiáng)，水體污染程度也就相對(duì)減弱。對(duì)3條河流污染因子與徑流輸沙量回歸分析表明，渭河流域DO濃度與徑流量呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢，氨氮濃度與年徑流量呈顯著負(fù)相關(guān)，徑流量越大，氨氮濃度越低。延河河流徑流與DO濃度呈顯著正相關(guān)，徑流量越大，DO濃度越高，水質(zhì)越好；延河流域揮發(fā)酚濃度與年徑流量呈顯著負(fù)相關(guān)，輸沙量與揮發(fā)酚濃度呈正相關(guān)趨勢，但正相關(guān)關(guān)系并不顯著。漢江徑流與CODMN濃度呈負(fù)相關(guān)趨勢，但相關(guān)性指數(shù)不明顯，年輸沙量和CODMN濃度呈顯著正相關(guān)，輸沙量越大，CODMN指數(shù)越高，水質(zhì)污染越嚴(yán)重；年徑流量與BOD5濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，徑流量越大，BOD5濃度越低，水質(zhì)越好；輸沙量與揮發(fā)酚濃度呈正相關(guān)趨勢，但正相關(guān)關(guān)系并不顯著。

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