許燕穎, 鄒杰平, 劉友存,2, 陳 明,2, 曾金鳳, 劉正芳, 李 奇,5

(1.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 江西 贛州 341000; 2.江西省礦冶環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 贛州 341000; 3.江西理工大學(xué) 土木與測(cè)繪工程學(xué)院, 江西 贛州 341000;4.江西省贛州市水文局, 江西 贛州 341000; 5.江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院 生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)學(xué)院, 江西 贛州341000)

中國(guó)南方地區(qū)尤其是長(zhǎng)江流域的水環(huán)境問題一直是中國(guó)社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。贛江作為長(zhǎng)江的重要支流，其上游地區(qū)的離子型稀土儲(chǔ)量約占全球總量的30%以上。硫酸銨作為主要浸礦劑，長(zhǎng)期以來一直用于離子型稀土礦的開采，然而原地浸礦導(dǎo)致大量硫酸銨浸礦劑殘存于稀土尾礦體土壤中，這些硫酸銨在降水的淋洗和水土流失的雙重作用下進(jìn)入河道，加之流域內(nèi)廣泛分布的畜禽養(yǎng)殖和特色果業(yè)種植引起的畜禽糞便和農(nóng)藥化肥等污染也在滲浸作用下進(jìn)入河道，形成了強(qiáng)酸性和高氨氮濃度這一獨(dú)特的贛江上游稀土礦區(qū)水環(huán)境特征[2-3]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

桃江流域位于江西省贛州市南部，發(fā)源于贛粵交界的九連山脈東北坡，是贛江重要的二級(jí)支流，介于24°28′—25°53′N和114°11′—115°19′E之間，流向?yàn)楸逼珫|，流域范圍涵蓋贛南的龍南縣、定南縣、全南縣、信豐縣、贛縣5個(gè)縣的大部分區(qū)域，流域總面積約8 440 km2，在贛州市贛縣區(qū)匯入貢江[14-15](圖1)。通過泰森多邊形法分析2014—2017年桃江流域27個(gè)水文站點(diǎn)測(cè)得的逐日降水量可知，區(qū)域內(nèi)為典型的亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量2 363.65 mm，且年際變化較大，豐水年與枯水年交替出現(xiàn)，年內(nèi)差異顯著(圖2)；流域可劃分為平水期(8—11月)、枯水期(12月至翌年3月)和豐水期(4—7月)[16-17]。

圖1 桃江流域水系分布與監(jiān)測(cè)斷面位置

圖2 2014-2017年贛江上游年際和年內(nèi)降雨?duì)顩r

據(jù)2017年《贛州市年統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，流域內(nèi)5個(gè)縣的總?cè)丝跀?shù)約為2.14×106人，單一稀土金屬產(chǎn)品產(chǎn)量9 530余t，稀有稀土金屬礦產(chǎn)品產(chǎn)量為4 157 t，錳礦石原礦34 168 t[18]。同年，《定南統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，僅定南縣嶺北鎮(zhèn)337.14 km2的范圍內(nèi)，就分布有甲子背等30多座稀土礦，且迄今已開采20余年[19]。桃江流域內(nèi)利稅總額排名前10的企業(yè)均出自礦業(yè)類企業(yè)，稀土礦業(yè)、有色金屬礦業(yè)、鎢礦業(yè)為該流域的工業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

礦石開采不可避免的導(dǎo)致廢石、尾砂大量積存，廢水大量排放，這些廢石、廢水、尾礦中殘存的污染物，在降水的淋洗和水土流失的雙重作用下進(jìn)入河道。本文根據(jù)江西省贛州市水文局2014—2017年對(duì)沿桃江流域自上而下的南逕、黃龍橋、天龍、龍南水廠、峽江口、龍頭灘、江口、李屋場(chǎng)、信豐、五羊等10個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的實(shí)測(cè)水質(zhì)資料，選取了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為完整，同時(shí)可表征水體酸堿度的pH值，衡量水體自凈能力的溶解氧，反映水中有機(jī)和無機(jī)可氧化污染物的高錳酸鹽指數(shù)，反映水中有機(jī)污染物質(zhì)數(shù)量的5 d生化需氧量，工業(yè)廢水中的主要耗氧污染物氨氮，以及反映生活污水、化肥農(nóng)藥污染的總磷等6種水質(zhì)指標(biāo)，分析桃江流域水質(zhì)的時(shí)空分布特征及驅(qū)動(dòng)因素。

1.3 研究方法

1.3.1 描述性統(tǒng)計(jì)分析 對(duì)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，通過計(jì)算3個(gè)水文時(shí)期各種水質(zhì)指標(biāo)的平均值、最大最小值、變異系數(shù)等，探究區(qū)域內(nèi)各檢測(cè)斷面水質(zhì)分布現(xiàn)狀及時(shí)空差異[20]。

1.3.2 水污染指數(shù)法 水污染指數(shù)法參考單因子評(píng)價(jià)法[21]，依據(jù)GB 3838-2002水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，選取污染最嚴(yán)重的水質(zhì)指標(biāo)作為判定水質(zhì)類別的依據(jù)，不僅可將水質(zhì)污染情況量化，而且能準(zhǔn)確反映水質(zhì)的時(shí)空變化特征，進(jìn)而了解總體變化情況和發(fā)展趨勢(shì)，適用于中國(guó)濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)的河流和湖泊水質(zhì)評(píng)價(jià)(見表1)。

表1 GB 3838-2002水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)應(yīng)的水污染指數(shù)(WPI)

pH值(屬于無量綱值)的WPI計(jì)算方法：當(dāng)6

當(dāng)溶解氧(DO)濃度大于7.5 mg/L時(shí)，WPI=20；當(dāng)2≤DO≤7.5 mg/L時(shí)，WPI值計(jì)算公式如下：

〔Cl(i)-C(i)〕

(1)

當(dāng)水質(zhì)參數(shù)濃度未超過Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，WPI值用下式計(jì)算：

〔C(i)-Cl(i)〕

(2)

當(dāng)水質(zhì)參數(shù)濃度超過Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，WPI值使用下式計(jì)算：

(3)

根據(jù)各單項(xiàng)指標(biāo)的WPI(i)，取其最高值為該斷面的水質(zhì)污染指數(shù)，即：

WPI=max〔WPI(i)〕

(4)

式中：C(i)為第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值；Cl(i)，Ch(i)和C5(i)分別為第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)在GB3838-2002中所在類別標(biāo)準(zhǔn)的下限值、上限值和Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)限值;WPIl(i)和WPIh(i)分別為第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)所在類別標(biāo)準(zhǔn)下限值和上限值所對(duì)應(yīng)的污染指數(shù)；WPI(i)為第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)所在類別對(duì)應(yīng)的污染指數(shù)。

1.3.3 相關(guān)性分析 Pearson相關(guān)系數(shù)是描述兩個(gè)隨機(jī)變量要素線性相關(guān)程度的統(tǒng)計(jì)量，本文中用來研究水質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性，并借助其相關(guān)性程度來解析水體污染物的主要來源和不同污染物之間的相互關(guān)系[22-23]。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)學(xué)特征

表2是2014—2017年桃江流域各監(jiān)測(cè)站水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表2可知，桃江流域河水的pH值在時(shí)間上較為穩(wěn)定，而在空間上存在差異，pH值最低為6.0，最高為8.3。3個(gè)時(shí)期的溶解氧平均含量都滿足Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但最低值2.8 mg/L，超過了Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。氧氣在水中的溶解情況主要與溫度有關(guān)，呈顯著的負(fù)相關(guān)。在水溫較低的枯水期溶解氧平均含量7.39 mg/L，明顯高于豐水期和平水期[24]。

表2 桃江流域水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征

氨氮和總磷平均含量則隨降水量增加而降低。變異系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)差與其平均值的比值[25]，它可以反映不同水質(zhì)參數(shù)空間分布的離散程度，CV<0.1為弱變異，0.1≤CV<1為中度變異，CV≥1為強(qiáng)變異。

2.2 水質(zhì)指標(biāo)時(shí)空分布特征

圖3顯示了研究期內(nèi)桃江流域9個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(除龍南水廠斷面外，因?yàn)槠湓?015年才開展監(jiān)測(cè))各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)在時(shí)空尺度的變化特征。時(shí)間上，桃江流域水質(zhì)總體達(dá)標(biāo)，除氨氮外，其余單項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的含量在研究時(shí)段內(nèi)均滿足Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。其中，桃江流域水體的pH在時(shí)間上變化不大，而空間上存在較大差異；溶解氧的濃度集中分布在Ⅰ—Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)之間，明顯增高的月份為2014年2月、2015年1月，明顯降低的月份為2017年7月，這是由于溶解氧與溫度呈顯著的負(fù)相關(guān)，溫度變化對(duì)溶解氧含量影響較大；5 d生化需氧量和高錳酸鹽指數(shù)在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)均未超出Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，說明流域水體中的有機(jī)污染物含量較穩(wěn)定；豐水期(4—7月)降水增加，氨氮濃度也隨之下降(2016年最為明顯)，表明降水可對(duì)流域水質(zhì)狀況產(chǎn)生影響?？臻g上，天龍、李屋場(chǎng)斷面各項(xiàng)指標(biāo)與其他斷面相比都具優(yōu)勢(shì)，表明水質(zhì)最好。峽江口、龍頭灘、江口3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面河水pH值較小，氨氮含量總體上也高于其他監(jiān)測(cè)斷面，部分月份達(dá)到劣Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，污染異常嚴(yán)重。

注：縱坐標(biāo)上的數(shù)字1—9為不同監(jiān)測(cè)斷面，分別為1南逕，2黃龍橋，3天龍，4峽江口，5龍頭灘，6江口，7李屋場(chǎng)，8信豐，9五羊。

2.3 基于水污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果

基于研究區(qū)2014—2017年10個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(其中龍南水廠斷面從2015年1月起監(jiān)測(cè))獲得的468組水質(zhì)數(shù)據(jù)，運(yùn)用水污染指數(shù)法(WPI)對(duì)桃江流域各監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)污染狀況進(jìn)行評(píng)估?；赪PI評(píng)估結(jié)果，根據(jù)每個(gè)水文時(shí)期的4個(gè)月份WPI平均值確定2015—2017年枯水期、平水期、豐水期的WPI值，并用ArcMap軟件進(jìn)行空間插值，繪制2015—2017年桃江流域水質(zhì)的空間變化圖(圖4)。

由圖4可知，2017年枯水期和豐水期的水質(zhì)整體上優(yōu)于前兩年、2016年全年的水質(zhì)都比2015年、2017年差，且該年枯水期的水質(zhì)最差，這說明水質(zhì)狀況易受降雨的影響?？臻g上，流域內(nèi)水質(zhì)空間變化較大，龍頭灘斷面位于桃江中上游，是主要的離子型稀土礦生產(chǎn)區(qū)，水質(zhì)狀況最差。江口位于龍頭灘斷面下游，受到龍頭灘污染物遷移的影響，大部分月份的水質(zhì)超過Ⅳ類，水質(zhì)較差。峽江口位于龍頭灘斷面上游，水質(zhì)狀況在時(shí)間上波動(dòng)較大，受降雨過程的影響較大，部分月份水質(zhì)為劣Ⅴ類。信豐等其余7個(gè)斷面的水質(zhì)狀況相近，根據(jù)監(jiān)測(cè)斷面的地理位置，相對(duì)于龍頭灘而言，7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面中，南逕、黃龍大橋、天龍和龍南水廠斷面位于其上游，李屋場(chǎng)、信豐和五羊斷面則位于其下游，即與龍頭灘監(jiān)測(cè)斷面距離相近的斷面水質(zhì)狀況呈現(xiàn)明顯的相似性，而該斷面的上游是流域主要的稀土礦區(qū)所在地，說明稀土礦的開采對(duì)流域水質(zhì)狀況產(chǎn)生了較大的影響，且隨著距離變遠(yuǎn)，污染物質(zhì)在河流中收到了一定程度的稀釋作用。

圖4 2015-2017年桃江流域水質(zhì)的空間變化特征

總結(jié)各水質(zhì)類別的斷面情況，見圖5，在檢測(cè)期間，流域水質(zhì)均未達(dá)到I類，大部分?jǐn)嗝鏋棰蝾?55%)和Ⅲ類(29%)?？菟冖躅惡土英躅愃臄嗝嫠急壤罡撸S水期降雨增加導(dǎo)致地表水徑流量急劇增加，污染物濃度降低，全河段的水質(zhì)總體趨好，以上結(jié)論與前述水質(zhì)指標(biāo)的分析結(jié)果相吻合。

圖5 2014-2017年桃江流域各水質(zhì)類別斷面比例

2.4 WPI與各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析

桃江流域是中國(guó)主要的離子型稀土礦區(qū)和贛南臍橙產(chǎn)區(qū)，區(qū)域內(nèi)工農(nóng)業(yè)和采礦活動(dòng)頻繁，污染物來源眾多，表3是水質(zhì)污染指數(shù)與各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果，一般而言，若兩元素間相關(guān)性顯著或者極顯著，則說明兩元素間具有同源性[28]。氨氮、pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)這幾個(gè)指標(biāo)具有顯著的相關(guān)性，說明這幾個(gè)指標(biāo)可能具有同一來源，而與氨氮的相關(guān)性最為明顯，在3個(gè)水文時(shí)期相關(guān)性系數(shù)都>0.94，說明氨氮含量是桃江流域水質(zhì)最主要的影響因子。同時(shí)，依據(jù)平水期和豐水期各水質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性程度明顯高于枯水期，可知降水對(duì)污染物的沖刷、稀釋和運(yùn)移作用對(duì)水質(zhì)指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)有強(qiáng)化作用。

表3 2014-2017年桃江流域水質(zhì)污染指數(shù)與各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析

3 討 論

水質(zhì)惡化是多方面影響的共同結(jié)果，桃江流域水質(zhì)受自然降水和人為污染物排放的共同影響，結(jié)合流域相關(guān)產(chǎn)業(yè)及污染源分布，可知農(nóng)業(yè)發(fā)展、工業(yè)企業(yè)大量增加、稀土資源開發(fā)和水體生態(tài)環(huán)境破壞等都是導(dǎo)致河流斷面水質(zhì)變化的原因。

3.1.1 農(nóng)業(yè)發(fā)展導(dǎo)致的水污染 桃江流域人口密集，勞動(dòng)力資源豐富，氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，土壤主要是紅壤或棕紅壤，適宜發(fā)展種植業(yè)，擁有臍橙、柑橘和板栗等特色經(jīng)濟(jì)作物，優(yōu)越的自然資源和氣候條件使流域周邊地區(qū)具備發(fā)展農(nóng)業(yè)的先天優(yōu)勢(shì)。流域內(nèi)的土地利用方式以林地和耕地為主，當(dāng)?shù)鼐用翊蠖鄰氖乱苑N植業(yè)(蔬菜種植、林下產(chǎn)業(yè)等)和養(yǎng)殖業(yè)(生豬產(chǎn)業(yè))為主的第一產(chǎn)業(yè)。種植業(yè)生產(chǎn)過程中不合理施用化肥、農(nóng)藥噴灑、污水灌溉等使污染物在農(nóng)田土壤中積累，隨降水的徑流和滲流進(jìn)入地表水和地下水；養(yǎng)殖業(yè)對(duì)河流水體的污染主要源于禽畜尿液、沖洗場(chǎng)地的污水、雨水沖刷糞堆，畜禽糞便直接還田時(shí)使用不當(dāng)或連續(xù)過量使用等，極易導(dǎo)致硝酸鹽、磷等重金屬的沉積，污染地表水和地下水。

近年來，流域周邊的畜禽養(yǎng)殖戶大量增加，2015年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，僅龍南縣規(guī)模以上畜禽養(yǎng)殖戶就有30家，規(guī)模以下畜禽養(yǎng)殖戶有377家，規(guī)模以下的畜禽養(yǎng)殖戶即以家庭為生產(chǎn)單位經(jīng)營(yíng)的養(yǎng)殖戶，分布分散，政府難于監(jiān)管，這些經(jīng)營(yíng)者一般不會(huì)建設(shè)污水處理設(shè)施，養(yǎng)殖中產(chǎn)生的污染物基本上直接排入河流中，造成水體污染。

3.1.2 工業(yè)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境破壞導(dǎo)致的水污染 桃江流域稀土資源豐富，稀土礦業(yè)是桃江流域工業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，稀土開采采用原地浸礦的方法，受制于地浸的局限性，浸出液不能完全抽出，無法抽出的浸出液遺留在山體中，通過土壤滲流或雨水沖刷直接進(jìn)入到河道中，導(dǎo)致河流的氨氮濃度嚴(yán)重超標(biāo)，直接威脅著流域的生態(tài)環(huán)境和水體安全。近年來，大批的企業(yè)公司進(jìn)駐桃江流域，也導(dǎo)致流域內(nèi)的工業(yè)廢水排放量逐年增加，即使企業(yè)廢水是在達(dá)標(biāo)情況下排放的，但由于累計(jì)效應(yīng)，對(duì)河流也存在一定的污染，廢水排放量越大，河流污染越嚴(yán)重，當(dāng)污染物超出水體環(huán)境容量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水生動(dòng)、植物死亡，藻類植物大量生長(zhǎng)，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化。

4 結(jié) 論

(1) 桃江流域不同監(jiān)測(cè)斷面的各水質(zhì)指標(biāo)在3個(gè)水文時(shí)期含量都存在差異，且以氨氮含量的時(shí)空差異最為明顯，表明流域水質(zhì)狀況與人類生產(chǎn)活動(dòng)(稀土礦山開采、農(nóng)業(yè)活動(dòng)等)密切相關(guān)，同時(shí)，降水量與各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)含量也存在聯(lián)系，總體上與高錳酸鹽指數(shù)和BOD5含量成正比，與氨氮和總磷的含量成反比。

(2) 水污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，大部分監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)類別為Ⅱ類和Ⅲ類，所占比例分別為55%和29%，龍頭灘和江口監(jiān)測(cè)斷面附近由于分布著密集的采礦點(diǎn)，水質(zhì)污染狀況幾年來在桃江流域都最為嚴(yán)重，而這兩個(gè)斷面的上游及下游的各監(jiān)測(cè)斷面氨氮含量逐漸降低，污染程度減輕，驗(yàn)證了采礦點(diǎn)對(duì)流域水質(zhì)的不良影響，同時(shí)，豐水期水質(zhì)優(yōu)于枯水期也表明降水對(duì)水質(zhì)狀況具有一定的調(diào)節(jié)作用。

(3) 水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析結(jié)果表明，桃江流域水質(zhì)受自然降水和人為污染物排放的共同影響，氨氮作為影響桃江流域水質(zhì)的最主要因素，其來源包括各類農(nóng)業(yè)活動(dòng)和以稀土采選為主的各種工業(yè)活動(dòng)。