甘秀梅

(廣東華南環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司， 廣東 廣州 510000)

1 引言

河流水資源是一種寶貴的自然資源，與人類的生存、發(fā)展息息相關(guān)[1]。近年來，隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，河流流域生活污水及工業(yè)廢水的排放對(duì)河流水體水質(zhì)造成了一定程度的污染[2]。開展河流水體水質(zhì)評(píng)價(jià)、識(shí)別水質(zhì)變化趨勢(shì)是水生態(tài)環(huán)境治理中的重要基礎(chǔ)性工作。因此，通過對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分析和評(píng)價(jià)，有利于掌握河流的水環(huán)境污染特征，進(jìn)而為河流水資源的合理開發(fā)利用和污染防治提供科學(xué)的技術(shù)支撐[1～4]。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于河流水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法有多種，如單因子評(píng)價(jià)法[5]、內(nèi)梅羅指數(shù)法、污染指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)分析、模糊綜合評(píng)價(jià)法[6]、水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法[7]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]等。其中，單因子評(píng)價(jià)法操作方便，但不能反映水體的總體污染狀況，且評(píng)價(jià)方式過于保守，存在一定的局限性[8]。模糊綜合評(píng)價(jià)法能夠體現(xiàn)水環(huán)境的復(fù)雜性和模糊性，但確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重存在一定的難度[9]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法能夠?qū)λ|(zhì)進(jìn)行連續(xù)性評(píng)價(jià)，但對(duì)于劣Ⅴ類水體，其評(píng)價(jià)結(jié)果不具備確定性[10]。綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法是一種新興的指數(shù)評(píng)價(jià)法，通過選取具有代表性的水質(zhì)指標(biāo)，結(jié)合水體環(huán)境功能區(qū)劃類別，得出一個(gè)綜合水質(zhì)系數(shù)；該系數(shù)既能定性判定河流水體綜合水質(zhì)類別，又能定量描述同一水質(zhì)類別中綜合水質(zhì)的污染程度及連續(xù)性，此外還能夠用于黑臭水體的判定分析[11～14]。喬俊等[15]、趙海生等[16]、解瑩等[17]、王敦球等[18]分別利用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法對(duì)松花江黑龍江段、丹河晉城段、灤河、湘江永州流域進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，闡明了河流水環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化規(guī)律，并取得了滿意的評(píng)價(jià)結(jié)果。

本文采用水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法對(duì)烏坎河2017～2021年的水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并根據(jù)Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法分析了烏坎河干流烏坎水閘國(guó)考斷面這5年間的綜合水質(zhì)變化趨勢(shì)，以期為烏坎河流域水環(huán)境污染防治工作提供技術(shù)依據(jù)。

2 研究對(duì)象與方法

2.1 研究對(duì)象

烏坎河發(fā)源于陸豐市境內(nèi)羅徑嶂，全長(zhǎng)約48 km，流徑八萬、陂洋、博美、內(nèi)湖、南塘、橋沖、城東、金廂、銅鑼湖等場(chǎng)鎮(zhèn)，經(jīng)烏坎港匯入南海碣石灣，沿途有陂溝河、長(zhǎng)山河等19條支流匯入。烏坎河流域東臨鰲江流域、西臨螺河流域、南以西山山脈與沿海諸小河流分界、北以隆江上游龍?zhí)逗佣螢榻?，呈扇形分布，流域面積約610.48 km2，土地利用類型主要為耕地、林地和灘地。

流域地處南亞熱帶，氣候溫和、雨量充沛，大量降水以鋒面雨和臺(tái)風(fēng)雨為主，暴雨多發(fā)生于每年的5～7月份，流域多年平均雨量為1933 mm。因地形關(guān)系，西南氣流對(duì)流域影響較大，造成流域降雨時(shí)空分布不均，河流北岸雨量充沛，八萬雙沛站多年平均雨量2301 mm，歷史最大年雨量高達(dá)3041 mm；而河流南岸雨量稀少，烏坎水閘多年平均雨量1561 mm，歷史最小年雨量?jī)H673 mm[19]。

“十三五”期間，烏坎河干流烏坎水閘斷面被列入國(guó)家入海河流控制斷面(以下簡(jiǎn)稱烏坎水閘國(guó)考斷面)，執(zhí)行的水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)[20]。

2.2 數(shù)據(jù)來源

為保證評(píng)價(jià)分析的可靠性，本文收集了廣東省汕尾生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站提供的烏坎水閘國(guó)考斷面2017～2021年逐月水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)區(qū)域水質(zhì)特點(diǎn)，選取溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(CODCr)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮( NH3-N)及總磷(TP)6個(gè)常見水質(zhì)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子，得出評(píng)價(jià)指標(biāo)的年均監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 2017～2021年烏坎水閘國(guó)考斷面年均監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) mg/L

3 研究方法

3.1 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法是建立在單因子水質(zhì)指數(shù)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)水質(zhì)指標(biāo)的單因子水質(zhì)指數(shù)計(jì)算

得出綜合水質(zhì)指數(shù)，該指數(shù)能夠用于判別水體污染程度、水質(zhì)類別以及是否能達(dá)到水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)等，具有定性、定量評(píng)價(jià)的特點(diǎn)，可對(duì)河流水質(zhì)做出較為合理的評(píng)價(jià)[21，22]。

3.1.1 單因子水質(zhì)指數(shù)

單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Pi由 1 位整數(shù)、小數(shù)點(diǎn)后 2 位有效數(shù)字組成，可用式(1)表示：

Pi=X1X2X3

(1)

式(1)中X1為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別，數(shù)值越大，則表示該項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的水質(zhì)污染越嚴(yán)重；X2為指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間中所處的位置，取值越大，則表示在同一類別水質(zhì)中監(jiān)測(cè)指標(biāo)的水質(zhì)污染越嚴(yán)重；X3為水質(zhì)類別與功能區(qū)劃設(shè)定類別的比較結(jié)果。

3.1.2 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Iwq由整數(shù)位、小數(shù)點(diǎn)后3位或4位有效數(shù)字組成，可用下式表示：

Iwq=X1.X2X3X4

(2)

式(2)中：X1.X2為綜合水質(zhì)指數(shù)(單因子水質(zhì)指數(shù)均值的前兩位)；X3為水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)識(shí)碼；X4為綜合水質(zhì)類別標(biāo)識(shí)碼。

式(2)中的X1.X2通過計(jì)算獲得，X3、X4根據(jù)比較結(jié)果得到,具體計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)[21]、[22]。其中,X1為河流總體的綜合水質(zhì)類別；X2為綜合水質(zhì)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處位置，體現(xiàn)同類水中進(jìn)行水質(zhì)優(yōu)劣比較；X3為參與綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)的水質(zhì)指標(biāo)中，劣于水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)的單項(xiàng)指標(biāo)個(gè)數(shù)；X4為綜合水質(zhì)類別與水體功能區(qū)類別的比較結(jié)果，視綜合水質(zhì)的污染程度，X4為1位或2位有效數(shù)字。

總體而言，綜合水質(zhì)指數(shù)X1.X2數(shù)值越大，水質(zhì)越差。采用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Iwq中的綜合水質(zhì)指數(shù)X1.X2，可判定綜合水質(zhì)級(jí)別，判定關(guān)系如表2，具體判別方法詳見文獻(xiàn)[21]。

表2 基于綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的綜合水質(zhì)級(jí)別判定

3.2 水質(zhì)變化趨勢(shì)分析方法

根據(jù)生態(tài)環(huán)境部頒布的《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法》(試行)的規(guī)定[23]，河流水質(zhì)變化趨勢(shì)分析采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法，判斷在評(píng)價(jià)時(shí)期內(nèi)河流水質(zhì)是呈好轉(zhuǎn)、惡化或平穩(wěn)變化趨勢(shì)，秩相關(guān)系數(shù)rs按下式計(jì)算[23，24]：

(3)

di=Xi-Yi

(4)

式(3)、(4)中：di為變量Xi與Yi差值；Xi為周期1到周期N按綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)從小到大排列的序號(hào)；Yi為按時(shí)間排列的序號(hào)；N為周期次數(shù)；rs為秩相關(guān)系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算得秩相關(guān)系數(shù)rs，若計(jì)算結(jié)果為負(fù)值，則表明斷面處綜合水質(zhì)好轉(zhuǎn)，若為正值，表明綜合水質(zhì)變差；同時(shí)，結(jié)合顯著性檢驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)表中臨界值Wp進(jìn)行定量比較，可判斷在評(píng)價(jià)時(shí)期內(nèi)河流水質(zhì)的變化趨勢(shì)，具體判別方法詳見文獻(xiàn)[23]。

rs的絕對(duì)值|rs|>WP時(shí)為顯著，|rs|

表3 不分秩相關(guān)系數(shù)的臨界值顯著性水平(單測(cè)檢驗(yàn))

4 結(jié)果與分析

4.1 烏坎河水質(zhì)分析

4.1.1 計(jì)算結(jié)果

依據(jù)上述理論計(jì)算方法計(jì)算得出的烏坎水閘國(guó)考斷面2017～2021年的DO、CODCr、CODMn、BOD5、NH3-N及TP 6個(gè)常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)濃度年平均值的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Pi及綜合水質(zhì)因子指數(shù)Iwq結(jié)果，詳見表4。

表4 水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)計(jì)算結(jié)果

4.1.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

4.1.2.1 單因子水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)表4烏坎水閘國(guó)考斷面2017～2021年各評(píng)價(jià)指標(biāo)五年的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)可得圖1。

圖1 2017～2021年烏坎水閘國(guó)考斷面單因子水質(zhì)指數(shù)

分析2017～2021 年烏坎水閘國(guó)考斷面6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的單因子水質(zhì)指標(biāo)Pi值可發(fā)現(xiàn)，BOD5和TP的單因子水質(zhì)指數(shù)為該斷面6個(gè)參與評(píng)價(jià)指標(biāo)中的較優(yōu)項(xiàng)，且變化趨勢(shì)不明顯。而NH3-N的單因子水質(zhì)指數(shù)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，DO的單因子水質(zhì)指數(shù)波動(dòng)性最大，最高為2020年的2.91，最低為2021年的1.4，相差1.5個(gè)數(shù)值。CODcr及CODMn兩項(xiàng)指標(biāo)的單因子水質(zhì)指數(shù)也存在一定的波動(dòng)性，但波動(dòng)范圍較DO水質(zhì)指數(shù)小，其中CODcr整體呈波動(dòng)性上升，而CODMn整體呈現(xiàn)波動(dòng)性下降趨勢(shì)。6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)整體單因子水質(zhì)指數(shù)符合國(guó)家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838～2002)中Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，滿足“十三五”期間該斷面的水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)；而個(gè)別年份，如2017年及2021年，部分指標(biāo)處于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，超出其水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別。

從水質(zhì)指數(shù)計(jì)算結(jié)果來看，2017年 NH3-N的Pi值為3.19，處于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)范圍，劣于該斷面“十三五”期間水環(huán)境功能區(qū)劃1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別，也是2017～2021年參與評(píng)價(jià)的6個(gè)指標(biāo)中單因子水質(zhì)指數(shù)最高的，但是由于其X2值不高，表明污染程度不大。除此之外，CODCr單因子水質(zhì)指數(shù)在2017年和2021年均為3.00，也是處于國(guó)家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，超出水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)1個(gè)級(jí)別。其余4個(gè)指標(biāo)在2017～2021年水質(zhì)指數(shù)均在2.8以下，處于Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，符合該斷面水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)。DO的單因子水質(zhì)指數(shù)在2021年為1.4 ，處于Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，且X2值不高，進(jìn)一步被污染的風(fēng)險(xiǎn)不大；TP及BOD5的X2值在2021年達(dá)到6，表明存在進(jìn)一步被污染的風(fēng)險(xiǎn)。總體來說，參與評(píng)價(jià)的6個(gè)指標(biāo)在2018～2020年間均達(dá)到其水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)。

4.1.2.2 綜合水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

運(yùn)用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法計(jì)算2017～2021年烏坎水閘國(guó)考斷面綜合水質(zhì)指數(shù)的結(jié)果見表4。由表中數(shù)據(jù)分析可知，2017～2021年烏坎水閘國(guó)考斷面的綜合水質(zhì)類別均為Ⅱ類，能夠達(dá)到該斷面的水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)。參與本次評(píng)價(jià)年份的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)第3位小數(shù)X4均為0，說明評(píng)價(jià)年份綜合水質(zhì)類別均能達(dá)到其水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)。同時(shí)2018～2020年綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的第 2 位小數(shù)X3均為0，表明這三年該斷面參與評(píng)價(jià)的水質(zhì)指標(biāo)均未超標(biāo)。斷面2017年綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的X3為2，說明這一年參與評(píng)價(jià)的水質(zhì)指標(biāo)有2項(xiàng)超標(biāo)，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)超標(biāo)項(xiàng)目為CODCr和NH3-N；2021年綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的X3為1，說明這一年參與評(píng)價(jià)的水質(zhì)指標(biāo)有1項(xiàng)超標(biāo)，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)超標(biāo)項(xiàng)目為CODCr。

4.2 烏坎河水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

根據(jù)2017～2021年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制烏坎水閘國(guó)考斷面各指標(biāo)濃度變化過程，如圖2所示，其中DO和CODMn呈現(xiàn)波動(dòng)性上升趨勢(shì)，而BOD5呈波動(dòng)性下降趨勢(shì)，其余指標(biāo)變化不明顯。

圖2 2017～2021年烏坎水閘國(guó)考斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

分析結(jié)果表明，參與評(píng)價(jià)的各指標(biāo)變化趨勢(shì)不同，無法直接判斷歷年綜合水質(zhì)的變化趨勢(shì)。因此，研究應(yīng)用Speraman秩相關(guān)分析法對(duì)2017～2021年間參與評(píng)價(jià)的6項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)綜合污染指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果rs= -0.9 < 0，表明該斷面處水體的綜合水質(zhì)有好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。查表可知，當(dāng)n為5時(shí)，秩相關(guān)系數(shù)rs的臨界值WP為0.9，結(jié)合顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明，該斷面的水質(zhì)綜合污染指數(shù)的rs絕對(duì)值|rs|≤Wp0.05(0.9)，表明斷面在近5年間變化趨勢(shì)不明顯，水質(zhì)較穩(wěn)定。

5 結(jié)論

(1)烏坎河干流地表水中CODCr和氨氮在參與水質(zhì)評(píng)價(jià)的6項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)中，年際超標(biāo)頻次較高，是影響水質(zhì)的主要污染物質(zhì)。

(2)應(yīng)用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法對(duì)烏坎河干流烏坎水閘國(guó)考斷面水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果可知，2017～2021年間該斷面水質(zhì)均能夠達(dá)到“十三五”期間水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)要求。

(3)各個(gè)評(píng)價(jià)方法比較結(jié)果基本一致，單因子指數(shù)法能夠較清晰地發(fā)現(xiàn)超標(biāo)因子，綜合指數(shù)法含有信息量更大，能充分表述每個(gè)斷面的超標(biāo)項(xiàng)個(gè)數(shù)以及污染程度。

(4)根據(jù)Spearman秩相關(guān)系數(shù)，得到2017～2021年間烏坎水閘國(guó)考斷面水質(zhì)較為穩(wěn)定，總體上有好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。