周歡歡,劉引鴿,2，胡浩楠

(1.寶雞文理學院地理與環(huán)境學院，陜西 寶雞 721013；2.寶雞文理學院災害監(jiān)測與機理模擬陜西省重點實驗室，陜西 寶雞 721013)

1 前 言

伴隨著城市建成區(qū)的空間擴張和社會經濟的快速發(fā)展，農業(yè)和工業(yè)用水量也不斷增加，排入河流的污染物逐年增多，加之城市河流的人工化，致使城市河流水質嚴重惡化[1]。水質系統(tǒng)是自然與社會系統(tǒng)綜合作用的復雜系統(tǒng)，水質變化不僅反映了各種自然因素如氣象水文特征、流域特征、地質狀況等在河流中形態(tài)表征的變化，同時也體現(xiàn)了流域范圍內社會經濟、人類活動對河流水系作用的響應[2]。因此，綜合采用多種方法更能科學評價河流水質狀況。采用科學的方法評價水體污染指標，確定水體等級及使用方向，成為學者們關注的熱點問題。目前，對水質評價方法主要有單因子評價法[3-4]、綜合污染指數(shù)法[5-6]、模糊綜合評判法[7]、主成分分析法[8～10]、內梅羅指數(shù)法[11]等，主要針對區(qū)域河流水質評價分析，但對城市河流水質污染分析研究較少。

東沙河流域發(fā)源于秦嶺山前殘塬，由南向北最終匯入渭河，流經旭光村、金德工業(yè)園、渭水苑社區(qū)區(qū)域，是渭河南岸的一級支流，也是寶雞市區(qū)傳統(tǒng)農業(yè)生產區(qū)。該流域沿岸工業(yè)集中，農業(yè)發(fā)達，人口稠密，生活污染物大量堆積，加之不完善的排水系統(tǒng)，造成該流域嚴重污染，同時產生了諸多環(huán)境問題，控制河流污染已經成為亟待解決的問題。本文通過東沙河縱剖面進行總磷、化學需氧量、pH值和氨氮的測定，系統(tǒng)分析采樣斷面污染特征、變化趨勢及污染因子，并對水質污染狀況進行評價。這些研究對城市環(huán)境規(guī)劃及污染治理有主要意義。

2 材料與方法

2.1 樣本采集

采樣時間為2017年3月～4月，根據(jù)東沙河流域特征，選擇水流相對緩慢平直的節(jié)點區(qū)域設置采樣點(見圖1)。對每個采樣斷面采樣并編號，每個樣點樣品重約1 000g。將采集的水樣帶回實驗室冰箱儲藏備用。采樣斷面分別為：東沙河河口(S-1)、居民點上游(S-2)、食品藥品監(jiān)督局北(S-3)、旭黃路東(S-4)、寶雞興達有限公司門口東側(S-5)、明基機械化公司東(S-6)、源頭(S-7)。

圖1 東沙河樣本空間分布圖Fig.1 Dongsha River sample spatial distribution map

2.2 樣本處理與測定

實驗所用器皿均用稀硝酸浸泡洗凈，所用試劑均為優(yōu)級純。測試過程中，相同指標不同采樣斷面均單獨標號。

總磷(鉬酸銨分光光度法)：取25mL比色管(每個采樣斷面單獨編號)，潤濕后加入磷酸鹽溶液，加水稀釋至10mL刻度線,加入10mL樣本溶液，放入壓力鍋中消解，消解完成后加入抗壞血酸溶液和鉬酸鹽溶液，靜置10min后，用玻璃比色皿測定溶液吸光度(波長為700nm)?；瘜W需氧量(重鉻酸鹽法)：取錐形瓶潤濕，加入樣本溶液10mL，加入重鉻酸鉀溶液及防沸珠，把容器接入回流裝置，加入硫酸銀-硫酸，加熱兩小時，溶液冷卻后加菲繞啉溶液，再用硫酸亞鐵銨溶液進行滴定，溶液的顏色變?yōu)榧t褐色停止晃動，記錄硫酸亞鐵銨溶液的數(shù)值。氨氮(納氏試劑比色法)：取25mL比色管潤濕，加入銨氮溶液加水稀釋至25mL,加入25mL樣本溶液，加入酒石酸鉀鈉溶液和納氏試劑，用玻璃比色皿測定吸光度(波長設為420nm)。pH值(玻璃電極法)：取7個同等大小的一次性紙杯潤濕，加入10mL的樣本溶液。用水樣潤濕電極，將儀器浸入樣品中，緩慢搖動，靜置1min后，待讀數(shù)穩(wěn)定方可記錄此時的pH值。

2.3 評價方法

2.3.1 單因子評價法

采用單因子評價法確定水質類別，是將水質各參數(shù)實測值與國家標準相比較，進而判定水質類別，從而選擇最低的水質類別作為最終結果。見公式(1)：

(1)

式中:Ii為單因子評價指數(shù);Ci為第i種評價因子的觀測值;Si為第i種評價因子的評價標準值.單因子評價指數(shù)的值越大，表明該參數(shù)在水環(huán)境中的污染程度越重，反之越輕。

2.3.2 綜合污染指數(shù)法

采用綜合污染指數(shù)，可以判定河流的污染物和主要污染程度，見公式(2)：

(2)

式中，Ij表示j斷面m項污染參數(shù)的綜合指數(shù)值;Ci表示j斷面第i項污染參數(shù)的監(jiān)測統(tǒng)計濃度值;Si表示第i項污染參數(shù)的評價標準值(文中?、箢悩藴氏拗?;m為污染參數(shù)的項數(shù)。

2.3.3 改進的內梅羅污染指數(shù)法

采用改進的內梅羅污染指數(shù)法，計算各污染因子的權重，綜合考慮各評價指標的差異性。

2.3.3.1 計算單項污染指數(shù)如公式(3)

(3)

Fi第i項監(jiān)測指標的單項污染指數(shù)，；Ci表示第i項監(jiān)測指標的實測值；Si表示第i項監(jiān)測指標的標準值。

2.3.3.2 計算污染因子的權重Wi

首先確定流域的水質計算標準(本次水質評價選?、箢惖乇硭畼藴蔬M行計算)，先計算各污染因子的權重見公式(4)

(4)

式中，Wi為第i個污染因子的權重值;m為污染因子的個數(shù)。Si為第i個污染因子的計算標準;Smax為m個污染因子計算標準的最大值。

2.3.3.3 確定內梅羅污染指數(shù),見公式(5)

(5)

3 結果與分析

3.1 污染現(xiàn)狀分析

3.1.1 污染物變化特征

東沙河流域各采樣斷面污染源呈現(xiàn)出明顯特征，由圖2可知，7個采樣斷面pH濃度屬于地表水質量標準[12]。S-1檢測面的污染因子為COD、氨氮和磷，污染分擔率分別為43%、30%、3%，流域水體受COD、磷污染較大。S-2斷面COD、氨氮、磷污染因子分擔率分別為63%、10%、2%。S-3斷面COD、氨氮污染分擔率分別是90%、5%，COD污染率在此監(jiān)測面達到峰值。S-4監(jiān)測面COD、氨氮、磷指標污染分擔率分別是61%、20%、2%。S-5河流水質受COD、氨氮、磷污染的影響，污染分擔率為62%、6%、3%。S-6監(jiān)測面COD、氨氮污染因子分擔率分別為80%、2%，COD污染率在此斷面達到次最大值。S-7斷面COD、氨氮含量污染分擔率分別是69%、2%?？傊?，7個采樣斷面中，COD為主要污染物，次要污染物為氨氮，河流水質受到嚴重污染。

圖2 東沙河各采樣斷面污染分擔率Fig.2 Pollution sharing rate of samplingsections in Dongsha River

3.1.2 污染狀況評價

東沙河流域磷含量呈現(xiàn)階段特征，由圖3(a)可見，從S-1到S-2及S-4至S-6監(jiān)測面，磷的含量呈下降趨勢。從S-2到S-4及S-6至S-7，磷的含量呈緩慢增長?？傮w而言，磷含量呈下降趨勢，在S-1斷面達到最大值，S-4斷面次之，S-6斷面達到最小值。

東沙河流域化學需氧量也表現(xiàn)出明顯的階段特征，由圖3(b)可知，從S-3至S-4斷面及S-6至S-7斷面，化學需氧量急速下降，這與嚴懲工業(yè)廢水不達標的國家政策密不可分。從S-1至S-3及S-5至S-6，化學需氧量呈迅猛增長趨勢，總體上看，化學需氧量濃度呈下降趨勢，在S-3達到最高值；在S-6監(jiān)測面次之，S-3斷面達到最低值。

東沙河流域氨氮也呈現(xiàn)出階段特征，由圖3(c)可知，從S-1至S-2及S-3至S-7監(jiān)測面，氨氮含量逐步下降。從S-2至S-3斷面氨氮含量急劇上升，是整個東沙河流域氨氮含量唯一上升的河段?？傮w而言，氨氮含量呈下降趨勢，在S-3監(jiān)測面達到最大值，S-4次之，S-6斷面氨氮含量最小。

東沙河流域pH值分布特征如圖3(d)所示，從S-1至S-2及S-6至S-7，pH值呈下降趨勢；從S-2至明基機械化公司，pH值呈上升趨勢?？傮w而言，pH值上升趨勢顯著，數(shù)值范圍在6～9之間，屬于國家水環(huán)境標準的正常范圍。

3.2 水質污染評價

采用單因子評價法對各采樣斷面的水質進行評價，單因子污染指數(shù)P>1時，表明水質受到污染；P<1時，說明水質越好。以該斷面參評指標中最差類別作為該斷面的水質綜合類別。由圖4可知，東沙河流域的主要污染因子為磷、COD、氨氮。S-1、S-3、S-4監(jiān)測面的污染因子為磷。COD為污染因子的監(jiān)測斷面有S-3、S-6。S-6、S-7監(jiān)測面受氨氮影響最大。由表1可知，S-5及S-1監(jiān)測面水質類別為Ⅳ類，其余5個斷面均為Ⅴ類水，東沙河流域水質嚴重污染。

圖3 東沙河流域磷、化學需氧量、氨氮、pH含量趨勢圖Fig.3 Variation trends of phosphorus,chemical oxygen demand,ammonia nitrogen and pH content in Dongsha River Basin

圖4 東沙河流域各采樣斷面單因子污染指數(shù)效果圖Fig.4 Effect chart of single factor pollution index of each sampling section in Dongsha River Basin

將各斷面實測值與地表水環(huán)境標準[12]相比較，結果見表1，東沙河流域污染因子主要為COD和氨氮。S-3、S-4監(jiān)測面污染因子為COD，氨氮為污染因子的監(jiān)測斷面有：S-1、S-2、S-3、S-4。

采用綜合污染指數(shù)法評價水質綜合級別，綜合污染指數(shù)對應的水質分級為：P≤0.5，輕度污染；0.54，嚴重污染[13]。由表2可知，S-1、S-2、S-4、S-5及S-7監(jiān)測斷面的水質為中度污染，S-3為重度污染，S-6為嚴重污染。整體上看，河流中下游污染屬于重度污染。

表1 東沙河流域各采樣斷面因子等級Tab.1 Water quality category of each sampling section in Dongsha River Basin (mg/L)

根據(jù)地表水環(huán)境質量標準，選取污染因子磷、COD、氨氮，計算得出改進的內梅羅指數(shù)污染分類標準，見公式(4)、(5)：P′<0.426，Ⅰ類；0.426≤P′<0.773，Ⅱ類；0.773≤P′<1.237，Ⅲ類；1.237≤P′<1.685，Ⅳ類；P′≥1.685，Ⅴ類。進而得出用內梅羅指數(shù)劃分的水質級別，由表3可見，S-6斷面水質類別為劣Ⅴ類，S-2及S-3以及S-7的水質類別為Ⅴ類嚴重污染，S-5水質類別為Ⅳ類重度污染，其余2個斷面的內梅羅指數(shù)均為p<1，水質類別達到Ⅲ類以上標準，水質良好。整體上看，東沙河流域上游水質較好，中下游污染嚴重。通過比較改進的內梅羅指數(shù)值的大小，可以得出采樣斷面水質狀況由優(yōu)到劣依次為S-1、S-4、S-5、S-7、S-2、S-3、S-6。

綜合采用3種評價方法對東沙河流域7個斷面進行水質評價，進行對比分析。由表2可知：3種評價方法的結果基本一致，河流上、中、下游水質類別分別為Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類。

表3 各斷面改進的內梅羅污染指數(shù)及水質評價結果Tab.3 Improved Nemero pollution index and water quality evaluation results for each monitoring section

4 水污染原因及治理對策

4.1 污染原因分析

河流上游地區(qū)農田灌溉區(qū)面積廣闊，居民取水灌溉量大，灌溉溢流水流入河道，加之工業(yè)區(qū)分布廣泛，工農業(yè)廢水直排，導致河流上游水質變差。河流中下游鈦工廠數(shù)量繁多，河流沿岸建有大型垃圾站，城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)不完善，加之居民區(qū)分布密集，人口稠密，工業(yè)廢水、生活污水及固體廢棄物大量堆積，成為河流中下游水質較差的直接原因?？傊?，工廠分布數(shù)量及工業(yè)廢水排放量的多少是影響流域水質的主要原因。生活污水排放量及固體廢棄物的多少、農業(yè)廢水溢流量的大小對河流水質的變化有重要作用。

4.2 治理對策

增加水資源總量，提高河流自凈能力。一是根據(jù)近年來寶雞城市河流“筑堤攔水”的成功經驗，建議將上游下泄的洪水存儲，待到枯水期放閘啟用[14]；二是增加河流上游來水量，在河道修建堤壩，限制上游引水量及下游泄水量，保證流域內的充足水源。

調整產業(yè)發(fā)展模式，狠抓源頭治理。工業(yè)方面，提高企業(yè)入駐門檻，嚴格監(jiān)測工廠的排污量，搬遷、關閉高耗能高污染企業(yè)[15]。農業(yè)方面，改變傳統(tǒng)的滴灌、漫灌方式，推行環(huán)?？茖W的灌溉方式和理念，從源頭杜絕污染，改善水質狀況。

積極推行流域問責機制，建立科學合理的監(jiān)管體系[16-17]。首先，對企業(yè)和居民區(qū)的排污量進行實時監(jiān)測；其次，推行“誰投資，誰管理，誰受益”及“污染問責到人”的機制，明確流域監(jiān)管中的責權體系；最后，設立明確的污染舉報獎勵機制，將污染治理成果劃分等級，納入領導人考核評定體系。

完善公眾參與機制。利用社區(qū)的基層組織作用，成立社區(qū)污染防治咨詢小組，通過社區(qū)訪談，污染防治宣講會等形式，鼓勵公眾參與污染防治[18]。

5 結 論

流域內各監(jiān)測斷面首要污染因子為COD，其次為氨氮，磷污染最小。且磷、化學需氧量、氨氮濃度呈下降趨勢，pH含量緩慢上升。流域水體受到嚴重污染，上游污染因子為COD，主要污染源為農業(yè)廢水。下游污染因子分別為COD、氨氮及磷。主要污染源來自工業(yè)污水及固體廢棄物。

單因子評價法評價結果為：河流中下游水質較差，為Ⅴ類水；綜合污染指數(shù)法評價結果為：河流中下游受到嚴重污染；改進的內梅羅指數(shù)法評價結果為：東沙河流域上游水質較好，中下游污染嚴重。三種評價方法的結果基本一致，河流上、中、下游水質類別分別為Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類。

根據(jù)東沙河水質污染狀況，從增加水資源總量、調整產業(yè)發(fā)展模式，狠抓源頭治理、積極推行流域問責機制、完善公眾參與機制等方面提出合理措施。