吳坤宗

（龍巖市上杭生態(tài)環(huán)境局 福建龍巖 364200）

1 研究背景

水環(huán)境質(zhì)量（以下稱(chēng)水質(zhì)）一直是人民群眾廣泛關(guān)注的話題，直接關(guān)系當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會(huì)能否可持續(xù)發(fā)展。對(duì)水質(zhì)進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)以及對(duì)其變化趨勢(shì)的分析，可以充分了解河流、湖泊的健康狀況和污染情況，提供水質(zhì)預(yù)警，為提前防范和相關(guān)政府決策提供重要依據(jù)。因此對(duì)解決水體污染、保護(hù)水資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

汀江是上杭的母親河，發(fā)源于武夷山南段東南一側(cè)的寧化縣治平鄉(xiāng)境內(nèi)木馬山北坡，流經(jīng)長(zhǎng)汀、武平、上杭、永定4 縣（區(qū)），在永定區(qū)峰市鎮(zhèn)出境后匯入廣東韓江。上杭縣位于汀江中段，汀江主干流上杭段河長(zhǎng)112 km，集水面積1 091 km2。自長(zhǎng)汀縣羊牯鄉(xiāng)流入上杭境內(nèi)，流經(jīng)上杭縣10 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，是上杭沿河群眾賴(lài)以生存的重要水域。近年來(lái)，隨著汀江兩岸生活的人口增加以及人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量的要求越來(lái)越高，汀江水質(zhì)的好壞及其變化趨勢(shì)已經(jīng)成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。本文圍繞這一熱點(diǎn)問(wèn)題，基于汀江主干流上杭段近10 年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用單因子評(píng)價(jià)法結(jié)合內(nèi)梅羅指數(shù)法進(jìn)行水質(zhì)分析，通過(guò)研究汀江主干流上杭段水質(zhì)發(fā)展規(guī)律，為保護(hù)汀江提供依據(jù)，對(duì)未來(lái)汀江污染控制和綜合治理具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

2 研究方法、數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

2.1 研究方法

目前地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法有主成分分析法、聚類(lèi)分析法、污染指數(shù)評(píng)價(jià)法、模糊評(píng)價(jià)法、灰色系統(tǒng)法、層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等［1］。這些水質(zhì)評(píng)價(jià)方法都各有其實(shí)用性及優(yōu)缺點(diǎn)，污染指數(shù)評(píng)價(jià)法中單因子評(píng)價(jià)法具有簡(jiǎn)單、直觀的特點(diǎn)，而內(nèi)梅羅指數(shù)法是進(jìn)行綜合污染指數(shù)計(jì)算最常用的方法之一。

（1）單因子評(píng)價(jià)法。單因子評(píng)價(jià)法是用最差的單項(xiàng)指標(biāo)所屬類(lèi)別來(lái)確定水體綜合水質(zhì)類(lèi)別，即用水體各評(píng)價(jià)因子的監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)照該項(xiàng)目的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)確定其水質(zhì)類(lèi)別［2］。使用該方法可直接了解水質(zhì)狀況與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系。

單因子污染指數(shù)計(jì)算公式如式（1）：

式中：Ci為第i 種因子污染指數(shù)；Cip為在第P 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際檢測(cè)值；Li為第i 種污染因子的標(biāo)準(zhǔn)值（溶解氧根據(jù)金士博修正式計(jì)算）［3］。

（2）內(nèi)梅羅指數(shù)法。作為典型方法之一，內(nèi)梅羅指數(shù)法是一種兼顧最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的評(píng)價(jià)方法。它的優(yōu)點(diǎn)是在指數(shù)計(jì)算過(guò)程考慮了污染最嚴(yán)重的因子，在加權(quán)過(guò)程中避免了主觀因素的影響。

內(nèi)梅羅指數(shù)計(jì)算公式如式（2）：

式中：PIp為P 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境綜合污染指數(shù)；Cipmax為P 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大單項(xiàng)因子污染指數(shù)；Cipave為P 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各單項(xiàng)污染指數(shù)的平均值。

內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)法根據(jù)所計(jì)算出的環(huán)境綜合污染指數(shù)PIp 進(jìn)行水質(zhì)類(lèi)別劃分。當(dāng)某監(jiān)測(cè)點(diǎn)P 所得到的PIp＜0.739 時(shí)，說(shuō)明水質(zhì)未受到污染，狀況較好；當(dāng)0.739≤PIp＜1 時(shí)，水質(zhì)狀況可能受到輕微污染；當(dāng)1≤PIp＜7.280 時(shí)，說(shuō)明水質(zhì)已經(jīng)受到中度污染；當(dāng)PIp≥7.280 時(shí)，說(shuō)明水質(zhì)受到了嚴(yán)重污染［4］。

2.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)珠江流域水污染防治規(guī)劃和福建省有關(guān)水污染防治規(guī)劃的目標(biāo)要求,汀江干流上杭段（除上游橫灘飲用水源保護(hù)區(qū)）水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅲ類(lèi)；2016 年11 月原福建省環(huán)保廳將上杭縣李家坪列入國(guó)控監(jiān)測(cè)斷面，水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅱ類(lèi)。

2.3 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文研究引用的水質(zhì)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于汀江主干流上杭段國(guó)控監(jiān)測(cè)斷面1 個(gè)（李家坪）、省控監(jiān)測(cè)斷面3 個(gè)（澗頭自動(dòng)站、水西大橋、南蛇渡大橋）2010—2019 年水質(zhì)監(jiān)測(cè)月數(shù)據(jù)。這4 個(gè)斷面覆蓋整個(gè)上杭段水域，數(shù)據(jù)具有完備性和水質(zhì)代表性，因此選擇這4 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面作為汀江主干流上杭段水質(zhì)監(jiān)測(cè)代表斷面，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布見(jiàn)圖1。

圖1 汀江主干流上杭段國(guó)、省控?cái)嗝姹O(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布圖

李家坪、澗頭自動(dòng)站、水西大橋、南蛇渡大橋監(jiān)測(cè)斷面2010—2019 年水質(zhì)監(jiān)測(cè)月數(shù)據(jù)常規(guī)監(jiān)測(cè)因子為水溫、pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、生化需氧量、氨氮、總磷、總氮、銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鎘、六價(jià)鉻、鉛、氰化物、揮發(fā)酚、石油類(lèi)、陰離子表面活性劑、硫化物、糞大腸菌群24 個(gè)（2019年開(kāi)始增加電導(dǎo)率），經(jīng)常未檢出的因子有銅、鋅、硒、砷、汞、鎘、六價(jià)鉻、鉛、氰化物、揮發(fā)酚、石油類(lèi)、陰離子表面活性劑、硫化物等13 個(gè)。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法（試行）》，對(duì)4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按年度算術(shù)平均處理，評(píng)價(jià)李家坪、澗頭自動(dòng)站、水西大橋、南蛇渡大橋監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)年度結(jié)果及年際變化特征。

3 汀江主干流上杭段水質(zhì)分析與評(píng)價(jià)

3.1 汀江主干流上杭段年際變化特征

根據(jù)4 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面2010—2019 年水質(zhì)監(jiān)測(cè)年平均數(shù)據(jù)，采用單因子評(píng)價(jià)法對(duì)2010—2019 年4 個(gè)斷面水質(zhì)進(jìn)行年度評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 2010—2019 年汀江主干流上杭段水質(zhì)單因子評(píng)價(jià)結(jié)果

評(píng)價(jià)結(jié)果表明：4 個(gè)斷面2010 年Ⅱ類(lèi)水占比25%；Ⅲ類(lèi)水占比75%；2019 年Ⅱ類(lèi)水占比100%，水質(zhì)狀況于2018—2019年穩(wěn)定為Ⅱ類(lèi)。其中，澗頭自動(dòng)站斷面水質(zhì)2010 年、2013—2017 年間為Ⅲ類(lèi)，總體趨勢(shì)好轉(zhuǎn)，于2018—2019 年穩(wěn)定為Ⅱ類(lèi)；水西大橋斷面水質(zhì)10 年間除2014 年變?yōu)棰箢?lèi)，其余年間均穩(wěn)定在Ⅱ類(lèi)；李家坪斷面水質(zhì)在2010 年為Ⅲ類(lèi)，2011 年轉(zhuǎn)為Ⅱ類(lèi)后趨于穩(wěn)定；南蛇渡大橋斷面水質(zhì)情況較為復(fù)雜，2010年和2015 年為Ⅲ類(lèi)，2012 年出現(xiàn)一次Ⅳ類(lèi)水質(zhì)，其余年份均為Ⅱ類(lèi)?？傮w而言，汀江主干流上杭段除2010 年、2014 年、2015 年為良好外，其他年份水質(zhì)狀況為優(yōu)。

10 年來(lái)4 個(gè)斷面總體水質(zhì)趨于向好，僅出現(xiàn)一次Ⅳ類(lèi)水質(zhì)，即為2012 年南蛇渡大橋斷面，主要原因是2012 年9 月生化需氧量20.5 mg/L，年平均5.1 mg/L，排查的主要原因是水體出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化。澗頭水質(zhì)自動(dòng)站斷面出現(xiàn)Ⅲ類(lèi)水質(zhì)6 次，影響水質(zhì)類(lèi)別的因子為總磷、氨氮、化學(xué)需氧量（總磷影響5 次）。水西大橋斷面出現(xiàn)Ⅲ類(lèi)水質(zhì)1 次，影響水質(zhì)類(lèi)別的因子為總磷、化學(xué)需氧量。李家坪斷面出現(xiàn)Ⅲ類(lèi)水質(zhì)1 次，影響水質(zhì)類(lèi)別的因子為氨氮。南蛇渡大橋出現(xiàn)Ⅲ類(lèi)水質(zhì)2 次，Ⅳ類(lèi)水質(zhì)1次，影響水質(zhì)類(lèi)別的因子為總磷、生化需氧量、化學(xué)需氧量。

3.2 汀江主干流上杭段銅因子分析

紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司紫金山銅礦濕法廠位于汀江上游，其產(chǎn)生的含銅廢水對(duì)汀江造成一定影響，尤其紫金礦業(yè)“7.3”事件（2010 年）汀江局部水域受到嚴(yán)重污染，水質(zhì)情況受各方關(guān)注。本文重點(diǎn)對(duì)銅礦濕法廠廢水中主要污染物因子銅因子采用原子吸收分光光度法（石墨爐）進(jìn)行分析，采用的分光光度法2010—2018 年檢出限為0.010 mg/L，2019 年5 月在更換檢測(cè)設(shè)備后檢出限為0.001 mg/L。對(duì)2010—2019 年汀江主干流上杭段4 個(gè)斷面銅監(jiān)測(cè)因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（2010 年未采用應(yīng)急監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)），結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果的變化趨勢(shì)表明：10 年中4 個(gè)斷面銅檢 測(cè) 因 子2011 年、2013 年、2014 年、2015 年、2016 年、2017年、2018 年等7 年均未檢出（≤0.010 mg/L），只有2010 年、2012 年、2019 年存在檢出情況；2010 年、2012 年銅出現(xiàn)檢出年均最高濃度為0.014 mg/L，2019 年4 個(gè)斷面銅年均濃度均為0.003 mg/L；4 個(gè)斷面的銅在2013 年之后呈下降趨勢(shì)，盡管在2019 年設(shè)備檢出限提升為0.001 mg/L 后，銅因子的濃度仍然處于低值水平。綜上所述，紫金礦業(yè)“7.3”事件（2010 年）后汀江主干流上杭段銅濃度處于低水平，基本能達(dá)到I 類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，未出現(xiàn)濃度上升情況。

表2 2010—2019 年汀江主干流上杭段4 個(gè)斷面銅檢測(cè)情況 單位：mg／L

3.3 汀江主干流上杭段水質(zhì)污染指數(shù)

評(píng)價(jià)指標(biāo)過(guò)多，不僅增加評(píng)價(jià)工作量，也會(huì)掩蓋重要水質(zhì)特征。在計(jì)算污染指數(shù)前，首先要對(duì)因子進(jìn)行篩選。單因子污染指數(shù)直觀體現(xiàn)出造成水質(zhì)污染的主要因子［5］，除水溫、總氮（河流）、糞大腸菌群（無(wú)標(biāo)準(zhǔn)）外，對(duì)存在可檢出的8 個(gè)因子計(jì)算2019 年汀江主干流上杭段4 個(gè)斷面單因子污染指數(shù)（Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)），結(jié)果見(jiàn)表3。從表3 可以看出：4 個(gè)斷面污染指數(shù)排名前三因子均為總磷、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù),表明當(dāng)前汀江主干流上杭段主要污染因子為總磷、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)。

表3 2019 年汀江主干流上杭段4 個(gè)斷面單因子污染指數(shù)

水質(zhì)評(píng)價(jià)因子選取遵循3 個(gè)原則［6］：①選取相對(duì)污染程度較高的因子，污染程度以污染指數(shù)大小確定;②選取因子應(yīng)包括超標(biāo)因子和最差因子;③選取因子間不應(yīng)存在強(qiáng)相關(guān)性，以避免反映信息的重疊。上述水質(zhì)分析中存在超標(biāo)的因子有總磷、氨氮、化學(xué)需氧量、生化需氧量?？紤]到比較清潔的水體高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量之間相關(guān)性比較顯著［7］以及高錳酸鹽指數(shù)無(wú)超標(biāo)情況，選擇化學(xué)需氧量為評(píng)價(jià)因子后剔除高錳酸鹽指數(shù)。結(jié)合汀江主干流上杭段氟化物濃度近幾年來(lái)有所增加的特點(diǎn)，選擇化學(xué)需氧量、生化需氧量、氨氮、總磷、氟化物5 個(gè)代表性污染因子計(jì)算內(nèi)梅羅指數(shù)。用內(nèi)梅羅指數(shù)法（Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)）計(jì)算的2010—2019 年汀江主干流上杭段環(huán)境綜合污染指數(shù)結(jié)果見(jiàn)表4。對(duì)應(yīng)的圖2 為環(huán)境綜合污染指數(shù)趨勢(shì)圖。

表4 2010—2019 年汀江主干流上杭段環(huán)境綜合污染指數(shù)

圖2 汀江主干流上杭段環(huán)境綜合污染指數(shù)趨勢(shì)圖

分析表明：澗頭自動(dòng)站、水西大橋、李家坪3 個(gè)斷面內(nèi)環(huán)境綜合污染指數(shù)10 年均小于0.739，說(shuō)明水質(zhì)未受到污染，狀況較好。南蛇渡大橋斷面2010 年、2012 年、2015 年環(huán)境綜合污染指數(shù)大于0.739 但小于1，水質(zhì)可能受到輕微污染；其他年度水質(zhì)未受到污染，狀況較好。4 個(gè)斷面環(huán)境綜合污染指數(shù)2014 年、2015 年達(dá)到波峰后出現(xiàn)下降趨勢(shì)。上杭縣政府2013年開(kāi)始大力開(kāi)展流域水環(huán)境綜合整治工作，成效明顯。

4 汀江主干流上杭段水質(zhì)污染變化趨勢(shì)分析

4.1 污染變化趨勢(shì)分析方法簡(jiǎn)介

（1）秩相關(guān)系數(shù)法。使用《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法（試行）》 污染變化趨勢(shì)的定量分析方法秩相關(guān)系數(shù)法，用Daniel的趨勢(shì)檢驗(yàn)衡量環(huán)境污染變化。

統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)用的秩相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如式（3）和式（4）：式中：di為變量Xi與Yi的差值；Xi為周期I 到周期N 按濃度值從小到大排列的序號(hào)；Yi為按時(shí)間排列的序號(hào)。將秩相關(guān)系數(shù)rs的絕對(duì)值同spearman 秩相關(guān)系數(shù)的臨界值Wp進(jìn)行比較。當(dāng)|rs|＞W(wǎng)p表明變化趨勢(shì)有顯著意義；如果rs是負(fù)值，表明在評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計(jì)量指標(biāo)變化呈下降趨勢(shì)或好轉(zhuǎn)趨勢(shì)；如果rs為正值，表明在評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計(jì)量指標(biāo)變化呈上升趨勢(shì)或加重趨勢(shì)。當(dāng)|rs|≤Wp表明變化趨勢(shì)沒(méi)有顯著意義,說(shuō)明在評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)水質(zhì)變化穩(wěn)定或平穩(wěn)。查spearman 秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表，在0.05 的顯著水平(單側(cè)檢驗(yàn))下，N=5 時(shí)，臨界值Wp為0.900；N=6 時(shí)，臨界值Wp為0.829；N=10 時(shí)，臨 界值Wp為0.564。

（2）Excel 編程計(jì)算秩相關(guān)系數(shù)法。根據(jù)黃衛(wèi)［8］、劉宏燕［9］介紹的Excel 編程計(jì)算秩相關(guān)系數(shù)法，將原始數(shù)據(jù)列入Excel中，在Excel 中利用數(shù)據(jù)重新排列函數(shù)SMALL，數(shù)據(jù)位置排位函數(shù)RANK，找到變量Xi與Yi，計(jì)算di，進(jìn)而計(jì)算出秩相關(guān)系數(shù)rs。

4.2 汀江主干流上杭段環(huán)境綜合污染指數(shù)變化趨勢(shì)

采用秩相關(guān)系數(shù)法分析2010—2019 年（N=10）汀江主干流上杭段環(huán)境綜合污染指數(shù)變化趨勢(shì)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。從表5 中可以看出：4 個(gè)斷面環(huán)境綜合污染指數(shù)秩相關(guān)系數(shù)rs均為負(fù)值，說(shuō)明污染指數(shù)呈下降趨勢(shì)，只有李家坪呈現(xiàn)顯著意義，李家坪斷面水質(zhì)改善明顯；南蛇渡大橋秩相關(guān)系數(shù)rs接近臨界值Wp。由此可見(jiàn)，下游2 個(gè)斷面水質(zhì)改善情況明顯好于上游2 個(gè)斷面。

表5 汀江主干流上杭段環(huán)境綜合污染指數(shù)秩相關(guān)系數(shù)

4.3 汀江主干流上杭段監(jiān)測(cè)因子測(cè)值變化趨勢(shì)

采用秩相關(guān)系數(shù)法分析汀江主干流上杭段4 個(gè)斷面11個(gè)檢出監(jiān)測(cè)因子，2010—2019 年年均測(cè)值變化趨勢(shì)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。從表6 中可以看出：4 個(gè)斷面化學(xué)需氧量、生化需氧量、氨氮、糞大腸菌群年均測(cè)值秩相關(guān)系數(shù)rs均為負(fù)值，4 項(xiàng)因子年均濃度呈下降趨勢(shì)，但只有李家坪斷面化學(xué)需氧量、氨氮以及澗頭自動(dòng)站糞大腸菌群下降趨勢(shì)有顯著意義；另外南蛇渡大橋斷面總磷下降趨勢(shì)有顯著意義。

表6 汀江主干流上杭段4 個(gè)斷面監(jiān)測(cè)因子測(cè)值秩相關(guān)系數(shù)

綜上，4 個(gè)斷面pH、總氮、氟化物年均測(cè)值秩相關(guān)系數(shù)rs均為正值，pH、總氮、氟化物3 項(xiàng)監(jiān)測(cè)因子年均濃度呈上升趨勢(shì)，但pH、總氮上升趨勢(shì)無(wú)顯著意義；除李家坪外其他3 個(gè)斷面氟化物上升趨勢(shì)均有顯著意義。

5 結(jié)論

本文采用單因子評(píng)價(jià)法結(jié)合內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)福建省境內(nèi)汀江主干流上杭段2010—2019 年水質(zhì)進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)，并采用秩相關(guān)系數(shù)法分析環(huán)境綜合污染指數(shù)及監(jiān)測(cè)因子變化趨勢(shì)，研究結(jié)果表明：

（1）汀江主干流上杭段除2010 年、2014 年、2015 年為良好外，其他年份水質(zhì)狀況為優(yōu)。汀江主干流上杭段4 個(gè)斷面除南蛇渡大橋2010 年、2012 年、2015 年水質(zhì)可能受到輕微污染外，其他斷面、其他年度水質(zhì)狀況較好。

（2）紫金礦業(yè)“7.3”事件（2010 年）后汀江主干流上杭段銅濃度處于低水平，基本能達(dá)到I 類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，未出現(xiàn)濃度上升情況。

（3）當(dāng)前汀江主干流上杭段主要污染因子為總磷、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)。澗頭自動(dòng)站、水西大橋、李家坪3 個(gè)斷面內(nèi)水質(zhì)未受到污染，狀況較好。南蛇渡大橋斷面在2010 年、2012 年、2015 年期間水質(zhì)可能受到輕微污染，其他年度水質(zhì)未受到污染，狀況較好。

（4）4 個(gè)斷面環(huán)境綜合污染指數(shù)呈下降趨勢(shì)，但只有李家坪斷面水質(zhì)改善明顯，下游2 個(gè)斷面（李家坪、南蛇渡大橋）水質(zhì)改善情況明顯好于上游2 個(gè)斷面（澗頭自動(dòng)站、水西大橋）。

（5）汀江主干流上杭段氟化物年均濃度呈上升趨勢(shì)，而且澗頭自動(dòng)站、水西大橋斷面、南蛇渡大橋斷面3 個(gè)斷面氟化物上升趨勢(shì)有顯著意義，需要引起警惕，待進(jìn)一步調(diào)查和研究，查找相關(guān)原因。