稅永紅，盧永洪，羅 靖，羅永軍，毛紅梅，彭黎帆

(1.成都紡織高等專(zhuān)科學(xué)校 輕工與材料學(xué)院，成都 611731； 2.四川新聞網(wǎng)傳媒(集團(tuán))股份有限公司，成都 610031；3.四川省環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì),成都 610030)

1 研究背景

沱江是長(zhǎng)江及三峽庫(kù)區(qū)上游的重要一級(jí)支流，全長(zhǎng)636 km。沱江流域跨成都、德陽(yáng)、綿陽(yáng)、內(nèi)江、瀘州、自貢、樂(lè)山、眉山、宜賓、資陽(yáng)10個(gè)市36個(gè)縣(市、區(qū))[1]，是長(zhǎng)江上游生態(tài)屏障的腹心地帶和重要組成部分，其水質(zhì)對(duì)長(zhǎng)江上游、三峽庫(kù)區(qū)水質(zhì)有著重要的影響。長(zhǎng)期以來(lái)，沱江以僅占四川省3.5%的水資源，支撐著全省30%的經(jīng)濟(jì)總量和26.2%的人口生活生產(chǎn)，嚴(yán)重“超載”導(dǎo)致沱江“久治難清”，成為四川省水污染最為嚴(yán)重的流域。隨著“長(zhǎng)江大保護(hù)”攻堅(jiān)戰(zhàn)的打響，在習(xí)近平總書(shū)記生態(tài)文明思想的指引下，沱江迎來(lái)污染治理的新時(shí)代，沱江成為了四川省委、省政府在全省水污染防治攻堅(jiān)的“主戰(zhàn)場(chǎng)”。

流域水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)作為水資源保護(hù)的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)性工作, 是進(jìn)行水資源系統(tǒng)管理的一項(xiàng)重要依據(jù)，是進(jìn)行流域管理重要而有效的技術(shù)手段。研究者們從不同層次對(duì)沱江流域水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)[2-5]，評(píng)價(jià)方法主要有單因素評(píng)價(jià)法、模糊數(shù)學(xué)法、生物評(píng)價(jià)法、綜合水質(zhì)指數(shù)法、最少指標(biāo)水質(zhì)指數(shù)法等[6]。

最少指標(biāo)水質(zhì)指數(shù)(WQImin)是基于國(guó)際普遍采用水質(zhì)指數(shù)(WQI)，選擇具有代表性的最少參數(shù)測(cè)試結(jié)果，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)化值及WQImin值后進(jìn)行評(píng)價(jià)的，該方法具有成本低、速度快的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多地被應(yīng)用于流域水質(zhì)評(píng)價(jià)中。Wu等[7]、Naveedullah(納維德)[8]在流域尺度上進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，WQImin表現(xiàn)出了良好的可行性與準(zhǔn)確性。但這種評(píng)價(jià)方法是基于給定的權(quán)重進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，不能充分體現(xiàn)參評(píng)因子的污染貢獻(xiàn)情況，而綜合水質(zhì)指數(shù)法能基于水體功能標(biāo)準(zhǔn)對(duì)污染因子的污染貢獻(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以彌補(bǔ)最少指標(biāo)水質(zhì)指數(shù)在快速評(píng)價(jià)過(guò)程水體綜合水質(zhì)信息表達(dá)不完整的不足[9]。

長(zhǎng)江流域大部分江段水質(zhì)枯季達(dá)標(biāo)率相對(duì)較差[10]，沱江流域流量受季節(jié)因素影響顯著[11]，從沱江流域季節(jié)水質(zhì)變化來(lái)看，每年2—5月份是沱江流域農(nóng)業(yè)用水高峰期，再加上處于枯季，用水量大而補(bǔ)給少，因而水質(zhì)差[12]。每年2月份又處于冬春交替之際，是沱江流域水質(zhì)變差的一個(gè)轉(zhuǎn)折期。因此，本文將WQImin與綜合水質(zhì)指數(shù)法相結(jié)合，選擇沱江流域16個(gè)國(guó)控?cái)嗝婧?個(gè)對(duì)照省控?cái)嗝?，?duì)2016—2019年2月份水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析了冬春交替之際流域不同斷面水質(zhì)差異及變化，并對(duì)2019年各斷面參評(píng)因子污染貢獻(xiàn)率作了分析，以期為檢驗(yàn)“四大治理機(jī)制”“五大重點(diǎn)領(lǐng)域”“三大預(yù)警能力”“三大督查手段”綜合施策成效[13]，為沱江后續(xù)污染治理、 打贏“長(zhǎng)江大保護(hù)”攻堅(jiān)戰(zhàn)和保護(hù)長(zhǎng)江上游生態(tài)屏障提供科學(xué)決策依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域

沱江有3個(gè)源頭，主源為發(fā)源于茂縣九頂山南麓的綿遠(yuǎn)河，源頭—金堂縣趙鎮(zhèn)三江口134 km為沱江上游；三江口—內(nèi)江椑木鎮(zhèn)300 km為沱江中游；椑木鎮(zhèn)—沱江匯入長(zhǎng)江202 km為沱江下游[14]。河道總落差4 756.7 m，平均比為7.58%[15-16]。

研究區(qū)域以沱江主源綿遠(yuǎn)河發(fā)源地清平鄉(xiāng)起，沿沱江經(jīng)德陽(yáng)、成都、資陽(yáng)、內(nèi)江、自貢、瀘州及眉山，至瀘州管驛嘴匯入長(zhǎng)江止，布設(shè)點(diǎn)位包括了1個(gè)作為對(duì)照的背景省控?cái)嗝婕叭饔?6個(gè)國(guó)考斷面。各斷面位置及基本信息如圖1和表1所示。

圖1 沱江流域各斷面位置示意圖Fig.1 Sketch of location ofsampling points

表1 沱江流域各斷面基本信息Table 1 Basic information of investigated sectionsin Tuojiang River Basin

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與指標(biāo)測(cè)試

本文中2016—2018年數(shù)據(jù)來(lái)源于四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，2019年數(shù)據(jù)自主采樣分析測(cè)試。測(cè)試指標(biāo)根據(jù)歷年沱江水質(zhì)污染狀況[17]，參考“基于多參數(shù)指標(biāo)的河流水質(zhì)評(píng)價(jià)方法”中WQImin參數(shù)，選取pH值、溶解氧(Dissolved oxygen，DO)、總磷(Total Phosphorus，TP)、總氮(Total Nitrogen，TN)、氨氮(Ammonia-nitrogen，NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(Permanganate index，CODMn)、電導(dǎo)率(Electricalcon ductivity，EC)7個(gè)指標(biāo)，測(cè)試方法按《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第4版)》進(jìn)行。

2.3 評(píng)價(jià)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法(試行)》(環(huán)辦〔2011〕22號(hào))、《城市地表水環(huán)境質(zhì)量排名技術(shù)規(guī)定》及各斷面功能規(guī)劃，背景斷面和各國(guó)考斷面分別選取地表水Ⅰ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值作評(píng)價(jià)，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)及《地表水資源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(SL 63—94)確定評(píng)價(jià)參數(shù)Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)值(表2)。

表2 評(píng)價(jià)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值Table 2 Standard values of evaluation parameters

2.4 數(shù)學(xué)模型

2.4.1 WQImin

河流最少指標(biāo)水質(zhì)指數(shù)(WQImin)計(jì)算與數(shù)學(xué)模型參考文獻(xiàn)[18]，其公式為

(1)

式中：Mi是第i參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化值；Fi是第i參數(shù)的權(quán)重。

各標(biāo)準(zhǔn)化值及權(quán)重按參考文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[19]進(jìn)行計(jì)算。WQImin評(píng)分值范圍為0～100，分值標(biāo)準(zhǔn)分別為優(yōu)(91～100)、良(71～90)、中(51～70)、差(26～50)、極差(0～25)[20]，分值越高水質(zhì)越好。

2.4.2 綜合水質(zhì)指數(shù)Pw

綜合水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)模型參照相關(guān)文獻(xiàn)[5]進(jìn)行，相關(guān)計(jì)算按式(2)—式(5)進(jìn)行，分級(jí)與定性評(píng)價(jià)根據(jù)文獻(xiàn)[21]進(jìn)行，即優(yōu)(Pw≤0.62)、良(0.622.18)。綜合水質(zhì)指數(shù)計(jì)算如下所述。

(1)河流綜合水質(zhì)指數(shù)Pw按式(2)計(jì)算，即

(2)

式中：Pi為單項(xiàng)水質(zhì)指數(shù)；Ci為污染物實(shí)測(cè)濃度；Si為相應(yīng)功能類(lèi)別標(biāo)準(zhǔn)值；n為參與評(píng)價(jià)的水質(zhì)項(xiàng)目。

(2)溶解氧PDO、pH值水質(zhì)指數(shù)PpH按《城市地表水環(huán)境質(zhì)量排名技術(shù)規(guī)定》(試行)中公式進(jìn)行計(jì)算，分別為：

(3)

(4)

(3)污染貢獻(xiàn)率Ki反映不同指標(biāo)對(duì)水體的污染貢獻(xiàn)，單位為%,計(jì)算公式為

(5)

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及Kruskal-Wallis檢驗(yàn)采用SPSS15.0進(jìn)行。

3 結(jié)果及分析

3.1 冬春交替期沱江流域水質(zhì)特征

表3列出了冬春交替期沱江流域17個(gè)斷面的7個(gè)參數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以2016—2019年2月份平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，同時(shí)列出了各斷面間及不同年份采用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)結(jié)果。從表3可看出：

表3 2016—2019年冬春交替期沱江流域水質(zhì)特征統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of water quality characteristics of Tuojiang River Basin in WSA from 2016 to 2019

(1)在冬春交替之際時(shí)空上沱江流域水質(zhì)都存在一定的差異。2016—2019年2月同期水質(zhì)差異主要表現(xiàn)在pH值、DO、CODMn、TP 4個(gè)方面，K檢驗(yàn)P值均<0.05，年份差異顯著，特別是DO和TP，差異極顯著；2016—2019年不同斷面水質(zhì)差異主要表現(xiàn)在CODMn、NH3-N、TN、TP 4個(gè)方面， K檢驗(yàn)P值均<0.05，差異顯著，特別是TN，P=0.000 1，差異極顯著。

(2)冬春交替期沱江流域水質(zhì)的特征為，電導(dǎo)率最大值出現(xiàn)在廖家堰斷面(1 079.50±351.14)μs/cm，其次是炭研所斷面(1 028.33±304.31)μs/cm，顯著高于其他斷面； pH值最高點(diǎn)在沱江大橋(8.09±0.12)，最低在碳研所(7.66±0.08), 碳研所斷面溶解氧(5.85±1.93)，顯著低于其他各斷面，而CODMn(5.60±3.00)、NH3-N(2.43±1.35)、TN(6.34±1.31)均顯著高于其他各斷面；TP最大值出現(xiàn)在球溪河口(0.47±0.12)。除鐵索橋外在16個(gè)國(guó)考斷面中，電導(dǎo)率最低點(diǎn)(324.00±72.55)、NH3-N最低點(diǎn)(0.38±0.16)、TN最低點(diǎn)(1.49±1.04)和TP最低點(diǎn)(0.08±0.01)均出現(xiàn)在三邑大橋。

3.2 WQImin評(píng)價(jià)結(jié)果

圖2為2016—2019年沱江流域背景斷面和16個(gè)國(guó)考斷面冬春交替期2月份水質(zhì)同期對(duì)比?？傮w來(lái)看，這4 a冬春交替期沱江流域71.6%斷面水質(zhì)等級(jí)處于中等，10.3%斷面水質(zhì)為良，僅鐵索橋(2016—2017年)水質(zhì)為優(yōu)，11.8%斷面水質(zhì)較差，特別是碳研所(2016—2018年)和廖家堰(2016年)水質(zhì)極差，2019年冬春交替期沱江流域無(wú)極差水質(zhì)。

圖2 2016—2019年2月沱江流域WQImin評(píng)價(jià)對(duì)比Fig.2 Comparison of WQImin in Tuojiang RiverBasin in Februrary from 2016 to 2019

3.3 污染貢獻(xiàn)評(píng)價(jià)

表4列出了2019年2月份沱江流域各斷面(評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)除鐵索橋按Ⅰ類(lèi)外，其余斷面均按Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn))綜合水質(zhì)指數(shù)法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果及參評(píng)因子的貢獻(xiàn)率。

從表4可以看出，鐵索橋斷面綜合水質(zhì)指數(shù)Pw為0.67，定性結(jié)果為良，評(píng)價(jià)結(jié)果與WQImin結(jié)果一致，最大污染因子為T(mén)P，其次為NH3-N。其他16個(gè)國(guó)考斷面綜合水質(zhì)指數(shù)Pw變化范圍為0.48～1.67之間，優(yōu)良好水體占比37.5%，56.3%水體受輕度污染，6.2%水體受中度污染。2019年冬春交替期無(wú)受重度污染水體，與WQImin評(píng)價(jià)無(wú)極差水質(zhì)結(jié)果一致。

表4 2019年2月沱江流域國(guó)考斷面污染因子貢獻(xiàn)率Table 4 Pollution load rates of national control sections in Tuojiang River Basin in Februrary 2019

從污染貢獻(xiàn)率來(lái)看，16個(gè)國(guó)考斷面的KTP、KTN、KNH3-N、KCODMn、KEC、KDO、KpH污染貢獻(xiàn)率分別介于1.53%～23.51%、25.95%～64.23%、5.55%～25.17%、1.03%～8.67%、1.94%～6.86%、4.32%～17.487%、4.27%～11.73%。第1污染因子為T(mén)N，最高出現(xiàn)在碳研所，占7項(xiàng)參評(píng)因子的64.23%，第2污染因子分別為NH3-N和TP，最高分別出現(xiàn)在胡市大橋和201醫(yī)院斷面。沱江流域污染表現(xiàn)為全流域國(guó)考斷面TN污染，且呈現(xiàn)上游NH3-N、中游TP、下游NH3-N污染為主的分布特征。

4 討 論

4.1 沱江流域水質(zhì)總體變化

由于冬春交替期流域水質(zhì)較差，從2016—2019年2月份沱江流域WQImin評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，綜合施策有較好的成效，16個(gè)國(guó)考斷面水質(zhì)總體呈現(xiàn)向好趨勢(shì)，水質(zhì)差的斷面由2016年的5個(gè)逐年下降到2017年3個(gè)，2018年1個(gè)和2019年1個(gè)，且2019年消除了極差水質(zhì)斷面。但同時(shí)應(yīng)該看到，沱江流域源頭水質(zhì)正在變差，鐵索橋斷面由2016—2017年水質(zhì)優(yōu)，下降為2018—2019年水質(zhì)良。引起沱江流域源頭水質(zhì)下降的主要原因?yàn)門(mén)P，其次為NH3-N。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研(圖2)，分析其原因主要有3方面:一方面鐵索橋斷面位于綿竹市西北部山區(qū)清平鄉(xiāng)，平均海拔高于1 000 m，鄉(xiāng)內(nèi)磷礦石資源豐富，當(dāng)?shù)亓资V的開(kāi)采是導(dǎo)致源頭TP污染的原因之一；另一方面與地質(zhì)災(zāi)害密切相關(guān)，雖然山里的眾多磷石礦廠已基本關(guān)閉，但在經(jīng)歷過(guò)“5·12”和“8·13” 特大山洪泥石流兩次自然災(zāi)害后，鐵索橋背景斷面一帶河床已抬高5～8 m，地表水水量明顯減少，河灘裸露，滑坡時(shí)有發(fā)生，也加劇了源頭水體磷的污染；第三是小水電廠運(yùn)行及人為活動(dòng)干擾，不經(jīng)處理的污水排放，有部分水體嚴(yán)重污染呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。

4.2 沱江流域氮污染

沱江流域氮污染特別是TN污染非常突出，16個(gè)國(guó)考斷面最大污染因子均為T(mén)N(表4)，這與符東等[5]采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)2018—2019年10月沱江水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果一致。沱江TN污染治理不容忽視。

圖3為2019年2月份沱江流域TN和NH3-N污染貢獻(xiàn)率變化趨勢(shì)。從圖3(a)可以看出，支流的TN污染較干流高，特別是在下游。這一方面可能與河道沉積物污染冬季向水體釋放向下游遷移有關(guān)。有研究表明，沱江上游沉積物綿遠(yuǎn)河中TN含量平均值為0.535%，石亭江中TN含量平均值為0.027%，這與調(diào)研結(jié)果“八角(綿遠(yuǎn)河)總氨污染指數(shù)高于雙江橋(石亭江)”是一致的；另一方面與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、生產(chǎn)生活污染排放有關(guān)，截至2015年，流域境內(nèi)總?cè)丝?.7×107人，人均GDP達(dá)4.12×104元/人，較2000年增長(zhǎng)近8倍[22]。從TN貢獻(xiàn)率最高的碳研所斷面也進(jìn)一步得以證實(shí)。該斷面TN污染貢獻(xiàn)率達(dá)到64.23%，這與釜溪河穿自貢城區(qū)而過(guò)接納城區(qū)生活污染，城市發(fā)展與污染的排放導(dǎo)致該河流長(zhǎng)期以來(lái)污染嚴(yán)重，底質(zhì)發(fā)黑。

圖3 沱江流域TN、NH3-N污染貢獻(xiàn)率變化趨勢(shì)Fig.3 Change trends of contribution rates of TN andNH3-N pollutions in Tuojiang River Basin

結(jié)合NH3-N污染貢獻(xiàn)率(表4),從圖3(b)可看出，若不考慮TN污染，16個(gè)國(guó)考斷面中第1污染因子為NH3-N的有9個(gè)斷面(表4)，88.9%集中在上游和下游。上游除雙江橋、三川污染貢獻(xiàn)率<10%外，其余斷面NH3-N貢獻(xiàn)率均>10%，下游自李家灣開(kāi)始，NH3-N污染指數(shù)貢獻(xiàn)率呈上升趨勢(shì)，且干流NH3-N污染高于支流(圖3(b))。下游NH3-N污染突出，大磨子、胡市大橋和沱江大橋NH3-N污染貢獻(xiàn)率均>20%，特別是胡市大橋達(dá)到25.17%。有研究表明，2014年沱江流域成都段NH3-N最高超標(biāo)倍數(shù)為3.69倍[16]，生活污水排放造成的污染貢獻(xiàn)率最大，農(nóng)業(yè)面源排放污染貢獻(xiàn)率次之，因此，今后在生活污水和農(nóng)業(yè)面源排放污染的防控與治理上，源沱江流域特別是下游是重點(diǎn)。

4.3 沱江流域磷污染

磷礦開(kāi)發(fā)是沱江流域TP長(zhǎng)期成為主要污染物的主要原因，圖4是沱江干流及支流TP污染變化趨勢(shì)，從圖4可看出，支流的TP污染較干流高，這與占全省磷總產(chǎn)量95%以上的金河、清平和什邡三大磷礦山處于支流[23]且分布著全國(guó)磷礦石開(kāi)采量最大的10家企業(yè)中的 4 家相關(guān)[24]。

圖4 沱江流域TP污染貢獻(xiàn)率變化趨勢(shì)Fig.4 Change trend of contribution rate of TP pollutionin Tuojiang River Basin

資料顯示沱江上游沿岸附近與表層沉積物TP濃度超出四川省土壤背景值2～6倍，沱江流域超過(guò)80%的監(jiān)測(cè)斷面受TP 污染水質(zhì)劣于Ⅳ類(lèi)[25]，2014年沱江流域成都段總磷最高超標(biāo)倍數(shù)1.5倍[26]。若不考慮TN因素，16個(gè)國(guó)考斷面中第1污染因子為T(mén)P的有7個(gè)斷面(表4)，85.7%處于中下游，結(jié)合圖4、表4可看出，上游除三邑大橋和201醫(yī)院外，貢獻(xiàn)率均在5%以內(nèi)；從201醫(yī)院到碳研所，總磷污染貢獻(xiàn)率>10%；這表明沱江流域總磷污染在上游已經(jīng)得到了有效控制，但進(jìn)入中游后磷污染又有所升高，可能與沿江磷廠和底泥沉積污染釋放有關(guān)。楊耿等[24]研究表明，水體鹽度越高，越有利于磷釋放，而沱江流域磷石膏TP濃度達(dá)3.70 mg/g，這與本次調(diào)研沱江流域17個(gè)斷面總磷與電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果呈顯著正相關(guān)(r=0.798)是一致的。

5 結(jié) 論

(1)沱江流域水質(zhì)不斷改善，攻堅(jiān)戰(zhàn)的成效在不斷顯現(xiàn)，流域水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)的同時(shí)，流域污染治理仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，背景斷面水質(zhì)污染問(wèn)題已呈現(xiàn)。

(2)沱江流域TN污染突出，16個(gè)國(guó)考斷面最大污染因子均為T(mén)N，貢獻(xiàn)率最大達(dá)到64.23%，TN污染治理不容忽視。

(3)沱江流域總磷污染在上游已經(jīng)得到了有效的控制，中、下游磷污染是沱江流域治理的重點(diǎn)，沱江流域特別是下游治理重點(diǎn)應(yīng)在生活污水和農(nóng)業(yè)面源的控制上。