田海蘭，程 林，劉西漢，王艷霞

(1.河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所，石家莊 050011；2.河北省地理信息開發(fā)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，石家莊 050011)

秦皇島地處環(huán)渤海中心地帶，為河北省最負(fù)盛名的沿海旅游城市。由于入海河流是陸源污染物的主要攜帶體之一[1]，海水環(huán)境質(zhì)量極大的影響該地區(qū)旅游質(zhì)量以及水平。近年來隨著人類活動(dòng)強(qiáng)度的增加，農(nóng)業(yè)、生活污染以及非點(diǎn)源污染程度在不斷加強(qiáng)[2]，河口區(qū)域水質(zhì)污染嚴(yán)重，導(dǎo)致海域赤潮頻發(fā)等一系列生態(tài)問題。李志偉等[3]研究發(fā)現(xiàn)，秦皇島近岸海域的水質(zhì)主要受到入海河流的影響，二者具有較強(qiáng)的相關(guān)性。因此對(duì)該地區(qū)河流水質(zhì)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，科學(xué)合理地分析河流水質(zhì)變化，對(duì)于開展水污染防治、改善水環(huán)境質(zhì)量和保障流域生態(tài)環(huán)境具有一定的借鑒作用。

對(duì)河流水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法主要包括單因子評(píng)價(jià)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、物元分析法、綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法等，廖杰等[4]運(yùn)用貝葉斯方法對(duì)四川境內(nèi)的八條河流進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)；王玲杰等[5]綜合運(yùn)用多種不確定數(shù)學(xué)分析方法對(duì)河流水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用的適用條件進(jìn)行分析對(duì)比，對(duì)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行改進(jìn)；陳娟等[6]對(duì)物元模型中權(quán)重確定的不足進(jìn)行了改進(jìn)，應(yīng)用于某河流監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)中；夏凡等[7]分別采用單因子評(píng)價(jià)法、綜合污染指數(shù)法和主成分分析法對(duì)丹江口水庫直接入庫河流水質(zhì)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。諸多評(píng)價(jià)方法均存在各自的局限性，比如評(píng)價(jià)計(jì)算過程繁雜、評(píng)價(jià)結(jié)果單一、不直觀，或是缺乏對(duì)水質(zhì)污染程度的直觀判別。綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法建立在單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)法的基礎(chǔ)上，該方法由徐祖信[8,9]提出，并在之后的水質(zhì)評(píng)價(jià)工作中得到一系列的應(yīng)用[10-13]，較其他水質(zhì)評(píng)價(jià)方法而言，該方法可以定性、定量地綜合評(píng)價(jià)水質(zhì)狀況，清晰確定水體質(zhì)量現(xiàn)狀與水質(zhì)功能區(qū)達(dá)標(biāo)的差距，真實(shí)而全面地反映河流在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)水質(zhì)的連續(xù)變化。

本文基于單因子及綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法，以2015年為主要空間評(píng)價(jià)年段，選取8條河流的20個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，對(duì)秦皇島市河流水質(zhì)情況進(jìn)行分析，并評(píng)估其污染風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)基于綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法選取2010-2015年共6年為時(shí)間評(píng)價(jià)年段，對(duì)秦皇島市河流水質(zhì)進(jìn)行時(shí)間演變的影響研究。本研究將水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法用于秦皇島河流水質(zhì)評(píng)價(jià)并對(duì)其時(shí)空變化進(jìn)行解析，確定研究區(qū)域每條河流的污染特征和污染風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，對(duì)地區(qū)水資源評(píng)價(jià)及管理工作具有指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

秦皇島，簡(jiǎn)稱“秦”，位于河北省東北部，是中國首批沿海對(duì)外開放城市，河北三大沿海城市之一。其主要行政區(qū)劃單元包括四區(qū)三縣，分別為山海關(guān)區(qū)、北戴河區(qū)、海港區(qū)、撫寧區(qū)(原撫寧縣)以及青龍滿族自治縣、盧龍縣、昌黎縣，調(diào)查范圍總面積7 812.4 km2，見圖1。秦皇島市境內(nèi)水資源豐富，許多河流天然水質(zhì)較好，支流眾多，屬于灤河及冀東沿海獨(dú)流入海諸河、遼東灣西部沿渤海諸河三個(gè)水系，其中灤河支流青龍河、洋河、石河等是秦皇島市的最主要水源(圖2)。本次研究將秦皇島市范圍內(nèi)主要8條河流作為流域控制單元進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)(表1)。

圖1 秦皇島位置示意圖Fig.1 Map of study area，Qinhuangdao

圖2 秦皇島市河流及監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布圖Fig.2 River and monitoring section distribution of Qinhuangdao

2 研究數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)收集及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)來源于秦皇島市環(huán)境保護(hù)局主辦的秦皇島市環(huán)境保護(hù)網(wǎng)[14]。水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目共31項(xiàng)，本研究在眾多環(huán)境影響因子中找出能反映水質(zhì)特征具有代表性的主要因子進(jìn)行分析，沒有超標(biāo)的項(xiàng)目不作重點(diǎn)評(píng)價(jià)，綜合選取溶解氧、高錳酸鉀指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、氟化物、糞大腸菌群等八項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，選擇的污染指標(biāo)較多可以較好地反映河流污染的程度。

2.2 斷面及采樣點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)流域環(huán)境、沿海污染源排放情況及各條河流的水文特點(diǎn)，從所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中確定了8條主要河流共20個(gè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行水質(zhì)分析(圖2)。在每條河流的重要節(jié)點(diǎn)處設(shè)置采樣點(diǎn)，分別分布于秦皇島市境內(nèi)主要河流的上游、中游以及河流入?？谔?，并在部分典型區(qū)域比如防潮閘、不同河流匯交處等區(qū)域設(shè)置監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)選取控制單元，可以完整的顯示河流不同地段的污染特征。按照河北省水功能區(qū)劃(冀水資[2004]42號(hào))，河流監(jiān)測(cè)斷面所處水功能區(qū)不同，水質(zhì)目標(biāo)不同，詳見表1。

2.3 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

2.3.1 單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法

單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果標(biāo)識(shí)為P，P是由一位整數(shù)、小數(shù)點(diǎn)后面2位或3位有效數(shù)字組成，表達(dá)方式為[15]：

P=X1·X2X3

(1)

式中：X1為某一水質(zhì)指標(biāo)的級(jí)別；X2為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在某一級(jí)別水質(zhì)變化區(qū)間中所處的地位；X3為現(xiàn)狀水質(zhì)級(jí)別與水功能規(guī)劃比較結(jié)果。

具體各因子計(jì)算方法詳見參考文獻(xiàn)[15]。

2.3.2 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法是在單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法基礎(chǔ)上的延伸和發(fā)展[16]，綜合了水質(zhì)類別、與水環(huán)境功能區(qū)類別的比較結(jié)果等有關(guān)內(nèi)容，計(jì)算公式如下：

表1 秦皇島市主要河流監(jiān)測(cè)斷面分布Tab.1 The monitoring sections distribution of rivers in Qinhuangdao

Iwq=X1·X2X3X4

(2)

式中：X1代表河流水質(zhì)級(jí)別；X2代表綜合水質(zhì)在變化區(qū)間所處的位置；X3代表在所有指標(biāo)中，較水體功能區(qū)目標(biāo)劣的指標(biāo)個(gè)數(shù)；X4為水質(zhì)類別與水體功能區(qū)規(guī)劃級(jí)別的比較結(jié)果。

具體各因子計(jì)算方法詳見參考文獻(xiàn)[16]。

3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

3.1 單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法結(jié)果

運(yùn)用單因子指數(shù)法對(duì)秦皇島市2015年河流水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果分析見表2。

溶解氧：參評(píng)的20個(gè)斷面中X3值均為0，說明現(xiàn)階段溶解氧在各條河流的各個(gè)斷面均達(dá)到水功能區(qū)劃的要求，秦皇島市境內(nèi)河流均不存在溶解氧污染。

高錳酸鉀指數(shù)：參評(píng)的20個(gè)斷面中超標(biāo)斷面為6個(gè)，百分比為30%，其中超過水功能區(qū)劃1個(gè)類別斷面有5個(gè)占83%，剩余1個(gè)超標(biāo)斷面超過水功能區(qū)劃2個(gè)類別；監(jiān)測(cè)值在功能區(qū)要求50%的位置有10個(gè)占50%，說明斷面內(nèi)接近超標(biāo)的斷面比例較高，有潛在的高錳酸鉀指數(shù)污染風(fēng)險(xiǎn)。

化學(xué)需氧量：參評(píng)的20個(gè)斷面中超標(biāo)斷面為11個(gè)，百分比為55%，其中超過水功能區(qū)劃1個(gè)類別斷面有10個(gè)占超標(biāo)斷面50%，剩余1個(gè)超標(biāo)斷面超過水功能區(qū)劃2個(gè)類別；監(jiān)測(cè)值在功能區(qū)要求50%的位置有13個(gè)占65%，說明斷面內(nèi)不僅超標(biāo)斷面?zhèn)€數(shù)較多，而且接近超標(biāo)的斷面也存在較高的比例，有潛在的化學(xué)需氧量污染風(fēng)險(xiǎn)。

表2 單因子水質(zhì)識(shí)別指數(shù)計(jì)算結(jié)果分析表Tab.2 The analysis results by single factor water quality identification index of rivers in Qinhuangdao

五日生化需氧量：參評(píng)的20個(gè)斷面中超標(biāo)斷面為6個(gè)，百分比為30%，其中所有超標(biāo)斷面均超過水功能區(qū)劃1個(gè)類別，占100%；監(jiān)測(cè)值在功能區(qū)要求50%的位置有11個(gè)斷面占55%，說明斷面內(nèi)水質(zhì)雖然大部分處于達(dá)標(biāo)狀態(tài)，但接近超標(biāo)的斷面比例較高，有潛在的污染風(fēng)險(xiǎn)。

氨氮：參評(píng)的20個(gè)斷面中超標(biāo)斷面為4個(gè)，百分比為20%，其中人造河以及飲馬河四個(gè)斷面為劣五類，其余斷面水質(zhì)均不存在超標(biāo)現(xiàn)象。監(jiān)測(cè)值在功能區(qū)要求50%的位置占21%，說明個(gè)別河流內(nèi)存在較高污染極值，但整體斷面內(nèi)接近超標(biāo)的斷面比例較低，其余河流該項(xiàng)污染因子風(fēng)險(xiǎn)不高。

總磷：參評(píng)的20個(gè)斷面中超標(biāo)斷面為5個(gè)，百分比為25%，其中劣五類水體飲馬河為3個(gè)斷面占60%，該三個(gè)斷面分別超過水環(huán)境功能區(qū)類別為4個(gè)、6個(gè)以及4個(gè)屬于嚴(yán)重污染級(jí)別，超過水功能區(qū)劃1個(gè)類別斷面有1個(gè)。監(jiān)測(cè)值在功能區(qū)要求50%的位置占50%，說明斷面內(nèi)水質(zhì)雖然達(dá)標(biāo)，但接近超標(biāo)的斷面比例高，有較強(qiáng)潛在的污染風(fēng)險(xiǎn)。

氟化物：參評(píng)的20個(gè)斷面中超標(biāo)斷面為1個(gè)，百分比為5%，該斷面為超過水功能區(qū)劃1個(gè)類別。監(jiān)測(cè)值在功能區(qū)要求50%的位置的斷面不存在，說明秦皇島境內(nèi)河流不存在氟化物污染風(fēng)險(xiǎn)。

糞大腸菌群：參評(píng)的19個(gè)斷面中X3值均為0，說明該因子在各條河流的各個(gè)斷面均達(dá)到水功能區(qū)劃的要求，秦皇島境內(nèi)河流不存在糞大腸菌群污染風(fēng)險(xiǎn)。

利用單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，秦皇島市主要河流斷面高錳酸鉀指數(shù)、化學(xué)需氧量、總磷、氨氮、五日生化需氧量均存在不同程度的超標(biāo)，其中化學(xué)需氧量嚴(yán)重超標(biāo)，在達(dá)標(biāo)斷面中接近超標(biāo)的斷面也達(dá)到了相當(dāng)?shù)谋壤?，為?dǎo)致秦皇島市河流水質(zhì)污染嚴(yán)重的首要因子。

化學(xué)需氧量是海水中有機(jī)物污染的綜合指標(biāo)，國外研究表明，某些地區(qū)如日本瀨戶內(nèi)海水體中化學(xué)需氧量濃度大于2mg/L的時(shí)候，在特定環(huán)境條件下即容易發(fā)生赤潮[17]，且據(jù)黃備[18]研究表明赤潮藻類與COD存在極顯著正相關(guān)。對(duì)于赤潮頻發(fā)的敏感海域，應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格控制[19]。秦皇島近岸海域?yàn)槌喑鳖l發(fā)敏感區(qū)域，按《河北省海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》[20]顯示，自2010～2015年，在河北省海域發(fā)生的赤潮90%發(fā)生在秦皇島海域，赤潮的爆發(fā)對(duì)當(dāng)?shù)睾I浴場(chǎng)旅游業(yè)以及扇貝養(yǎng)殖業(yè)均產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響，因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)秦皇島地區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)控工作，警惕赤潮災(zāi)害發(fā)生。

表3 2015年秦皇島河流水質(zhì)識(shí)別指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.3 The evaluation results by comprehensive water quality identification index of rivers in Qinhuangdao (2015)

3.2 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法結(jié)果

根據(jù)秦皇島市環(huán)境保護(hù)網(wǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)2010-2015年各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面綜合水質(zhì)隨時(shí)間的變化進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖3為近年來各斷面水質(zhì)與水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)情況。

圖3 2010-2015年秦皇島河流監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)分析Fig.3 Analysis of monitoring sections of rivers in Qinhuangdao (2010-2015)

根據(jù)綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法對(duì)水質(zhì)的最終評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)秦皇島市河流水質(zhì)隨時(shí)空變化進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4中，T表示為綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)隨時(shí)間的變化，計(jì)算過程為時(shí)間變化分析起始的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)與結(jié)束時(shí)期水質(zhì)指數(shù)之差的絕對(duì)值與起始標(biāo)識(shí)指數(shù)的比值即T=|(X1·X2)t1-(X1·X2)t2|/(X1·X2)t1；S表示為綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)隨空間的變化，計(jì)算過程為空間間隔比較分析起始的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)與結(jié)束空間間隔時(shí)期水質(zhì)指數(shù)之差的絕對(duì)值與起始標(biāo)識(shí)指數(shù)的比值即T=|(X1·X2)s1-(X1·X2)s2|/(X1·X2)s1。

就石河而言，近年來大壩以及鐵路橋斷面水質(zhì)T≤10%基本不變均為Ⅱ類、Ⅲ類水質(zhì)，2014-2015年下游石河河口水質(zhì)惡化41.67%，為顯著惡化，其主要污染因子為高錳酸鉀指數(shù)、化學(xué)需氧量，但整體水質(zhì)級(jí)別都在水環(huán)境功能區(qū)劃分類別的標(biāo)準(zhǔn)值范圍之內(nèi)。

湯河水質(zhì)近年來均為Ⅲ類水質(zhì)，滿足水環(huán)境要求。

戴河水質(zhì)近年來有整體輕微好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，其中戴河村2015年較2014年改善19.6%，戴河口水質(zhì)2012年水質(zhì)出現(xiàn)輕微惡化，之后趨于正常，尼龍壩斷面水質(zhì)保持基本不變，滿足水環(huán)境要求。

表4 綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)級(jí)別判定及時(shí)空變化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[16]Tab.4 Analysis standard of space-time change of comprehensive water quality [16]

圖4 2010-2015年秦皇島市河流水質(zhì)變化Fig.4 Change trends of water quality of rivers in Qinhuangdao (2010-2015)

圖5 2010年秦皇島市河流監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)狀況圖Fig.5 Water quality of typical stations of Qinhuangdao in 2010

圖6 2015年秦皇島市河流監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)狀況圖Fig.6 Water quality of typical stations of Qinhuangdao in 2015

洋河水質(zhì)波動(dòng)較大，2010-2015年盧王莊斷面水質(zhì)改善90.86%，水庫出口改善33.33%，洋河口改善38.69%，均為顯著改善，改善結(jié)果有最初的劣Ⅴ類到現(xiàn)在的Ⅲ類水質(zhì)，滿足水功能區(qū)劃要求。

這對(duì)于酒店管理專業(yè)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的進(jìn)一步提升起到良好的促進(jìn)作用，同時(shí)也可以使得酒店管理專業(yè)的學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)自身的良好發(fā)展。

飲馬河水質(zhì)整體一直處于較差階段，劣Ⅴ類水體出現(xiàn)的頻率較高，2014年以來在最差的基礎(chǔ)上稍有改善，王店子和飲馬河口均改善28.75%，為顯著改善。歇馬臺(tái)改善16.67%，為輕微改善，但均未達(dá)到水環(huán)境功能區(qū)要求。

青龍河由于地處山區(qū)，流入河流的污染源較少，河流水質(zhì)清潔，2015年較2010年紅旗桿和桃林口均改善50%，田莊子改善66.7%為顯著改善，滿足水環(huán)境功能區(qū)要求。

新開河和人造河只有下游入?？诘谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，新開河近年來一直維持在較為穩(wěn)定的水平，2015年較2010年改善47.82%，水質(zhì)級(jí)別均好于或達(dá)到水環(huán)境功能區(qū)要求；人造河水質(zhì)好轉(zhuǎn)，改善31.94%，為顯著改善，但仍然低于水環(huán)境功能區(qū)要求。

總之，秦皇島市境內(nèi)的河流處在Ⅱ、Ⅲ類級(jí)別比例較高，規(guī)避污染風(fēng)險(xiǎn)能力較強(qiáng)。飲馬河、人造河水質(zhì)劣于水環(huán)境功能區(qū)要求，屬于水質(zhì)不達(dá)標(biāo)河流，斷面為劣五類但不黑臭，但水環(huán)境質(zhì)量較以前仍有所改善，其余河流水質(zhì)呈現(xiàn)為顯著改善或輕微改善狀態(tài)，但均在水環(huán)境功能區(qū)劃要求范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論與建議