黃毓林，王雙銀，樊镕鑫，馬雪燕，李 鑫

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊陵 712100)

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)用水安全問題不容忽視，加強(qiáng)水質(zhì)管理是保障灌溉用水安全的重要途經(jīng)[1-3]。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，灌區(qū)灌溉水源地附近交通運(yùn)輸日益頻繁、水污染風(fēng)險源不斷增加，必然會導(dǎo)致水源地水質(zhì)污染風(fēng)險增加以及灌區(qū)農(nóng)業(yè)水環(huán)境狀況發(fā)生變化，灌區(qū)灌溉水源地保護(hù)面臨諸多挑戰(zhàn)[3-6]。

目前，保障灌區(qū)水源水質(zhì)要求，防止農(nóng)田土壤環(huán)境、地下水污染，降低農(nóng)產(chǎn)品安全風(fēng)險等已成為灌區(qū)水源保障的重要任務(wù)[6-7]。寶雞峽灌區(qū)農(nóng)業(yè)供水工程以渭河來水為主要水源，灌區(qū)灌溉主要依靠渭河沿線灌溉水源地供水，環(huán)境風(fēng)險較大，為保障灌區(qū)農(nóng)業(yè)供水安全，需及時掌握水源地水質(zhì)狀況、加強(qiáng)水源地水質(zhì)保護(hù)和綜合管理[1-3]。

水質(zhì)評價方法及其結(jié)果的合理性一直是學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)，目前最常見的水質(zhì)方法有單因子評價法、模糊評價法、綜合評價法以及水污染指數(shù)法(WPI)等[8-14]。其中，單因子評價法操作簡單，但以單一水質(zhì)指標(biāo)為水質(zhì)評價、分級依據(jù)，存在一定片面性[9-11]；而綜合評價法中的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法在凸出污染貢獻(xiàn)率最大指標(biāo)的同時兼顧了其他較好指標(biāo)，在水質(zhì)綜合評價方面具有較好效果[12-14]。因此，文章通過寶雞峽灌區(qū)水源地水資監(jiān)測資料，利用單因子評價法篩選出異常水質(zhì)指標(biāo)，結(jié)合內(nèi)梅羅污染指數(shù)方法對灌區(qū)水源地水質(zhì)進(jìn)行綜合評價，為灌區(qū)生態(tài)環(huán)境和水源地保護(hù)提供依據(jù)。

1 資料來源與研究方法

寶雞峽灌區(qū)位于陜西省關(guān)中平原西部，西起寶雞峽口，東至涇河右岸，南臨渭水，北抵渭北高原腹地。灌區(qū)承擔(dān)著寶雞、楊凌、咸陽、西安4市(區(qū))14個縣(市、區(qū))的近300萬畝的農(nóng)田灌溉任務(wù)。灌區(qū)分為塬下(渭惠渠、渭高抽)與塬上(寶雞峽)兩大灌溉系統(tǒng)，現(xiàn)有林家村渠首樞紐和魏家堡渠首樞紐兩處引水口；林家村水庫、王家崖水庫、信邑溝水庫、大北溝水庫、泔河水庫、泔河二庫6座中型水庫沿寶雞峽灌區(qū)輸水干渠分布如圖1所示。

圖1 寶雞峽灌區(qū)灌溉水源地平面布置圖

1.1 資料來源

目前，寶雞峽灌區(qū)引渭管理局共監(jiān)測轄區(qū)內(nèi)灌溉水源地6處，分別為林家村渠首、林家村水庫、王家崖水庫、大北溝水庫、泔河水庫和魏家堡渠首，其中林家村渠首和魏家堡渠首屬于河流型水源地，取水水源為渭河；水庫型水源地包括林家村水庫、王家崖水庫、大北溝水庫和泔河水庫?？紤]林家村水庫和林家村渠首監(jiān)測斷面距離較近，監(jiān)測結(jié)果相近，因此在后續(xù)評價計算分析過程中合并為同一監(jiān)測斷面，統(tǒng)稱為林家村水庫。

寶雞峽引渭灌溉管理局委托不同監(jiān)測單位對監(jiān)測斷面進(jìn)行水源地水質(zhì)監(jiān)測，見表1，嚴(yán)格按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》對水樣進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測時段集中在灌季，其中春灌時期監(jiān)測頻次較高。根據(jù)獲取的水質(zhì)資料，選取的評價指標(biāo)有懸浮物、全鹽量、CODcr、BOD5、砷、六價鉻、鉛、汞、陰離子洗滌劑、硫化物、糞大腸菌群數(shù)、蛔蟲卵數(shù)、氟、錳、銅、鋅、硒和石油類等共計29項水質(zhì)指標(biāo)[15-16]。

表1 水源地水質(zhì)監(jiān)測情況一覽表

1.2 研究方法

單因子評價法是以各水質(zhì)指標(biāo)與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的比較結(jié)果為基本單元，通過評價指數(shù)、超標(biāo)率、超標(biāo)倍數(shù)等進(jìn)行水質(zhì)評價，將各因子分別與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對分析，計算公式如下[9-11]：

Pi=Ci/Si

(1)

式中，Pi—第i項污染物的污染指數(shù)；Ci—第i項污染物的實(shí)測值；Si—第i項污染物的評價標(biāo)準(zhǔn)值。

內(nèi)梅羅污染指數(shù)法是一種在突出最嚴(yán)重污染指標(biāo)的同時，也一定程度上兼顧其他質(zhì)量較好指標(biāo)的綜合水質(zhì)評價方法，是在單因子評價結(jié)果的基礎(chǔ)上用各種污染物的相對污染指數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)上處理，得到綜合污染指數(shù)[12-14]，從而來評價水環(huán)境質(zhì)量。計算公式為：

(2)

(3)

式中，P綜—內(nèi)梅羅指數(shù);Pmax—監(jiān)測點(diǎn)單因子污染指數(shù)最大值;Pave—監(jiān)測點(diǎn)各項單因子污染指數(shù)平均值;n—參與評價的水質(zhì)指標(biāo)個數(shù)。

在水質(zhì)評價中P綜<1說明水體質(zhì)量較水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求為好；P綜=1說明水體質(zhì)量處于臨界狀態(tài)；P綜>1說明水體質(zhì)量已不能滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，P綜越大，表明水質(zhì)污染情況越嚴(yán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因子評價成果

對各水源地監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行單因子污染指數(shù)計算，將各水源地的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果的污染指數(shù)計算出，最大值見表2。選擇接近或超過標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)項目進(jìn)行監(jiān)測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)限值分灌季(冬灌：12月—次年3月，春灌：4—7月，夏灌：8—11月)進(jìn)行對比分析，分別繪制箱型圖，對比分析各指標(biāo)在3個灌季異常情況的區(qū)別。

根據(jù)收集到的水質(zhì)資料，經(jīng)分析本研究調(diào)查的所有水源地中出現(xiàn)異常的指標(biāo)主要有：懸浮物、總氮、氟和硫酸鹽。

(1)河源型水源地

林家村渠首和魏家堡渠首于2020年7月懸浮物指標(biāo)僅一次嚴(yán)重超標(biāo)，檢測值分別達(dá)到480、2504mg/L，指標(biāo)污染指數(shù)分別為4.8、25.04，其余時間檢測值均明顯小于標(biāo)準(zhǔn)限值，且呈減小趨勢，未存在超標(biāo)情況，如圖2所示。

(2)水庫型水源地

林家村水庫、王家崖水庫、大北溝水庫、泔河水庫2017—2021年間水質(zhì)監(jiān)測項目中常出現(xiàn)超標(biāo)情況的指標(biāo)主要是：總氮指標(biāo)、硫酸鹽指標(biāo)和氟指標(biāo)如圖3—6所示?？偟笜?biāo)于王家崖水庫(10次)、大北溝水庫(7次)水質(zhì)監(jiān)測中多次出現(xiàn)超標(biāo)情況，最高達(dá)到了7.9mg/L(王家崖水庫)，超過標(biāo)準(zhǔn)限值2倍以上，但其整體呈現(xiàn)微弱下降趨勢；硫酸鹽指標(biāo)和氟指標(biāo)僅出現(xiàn)過一兩次超標(biāo)情況，屬于偶然性水環(huán)境污染情況，其中硫酸鹽指標(biāo)四個水庫均出現(xiàn)超標(biāo)情況，分別達(dá)到334.6(林家村水庫)、346(王家崖水庫)、257(大北溝水庫)、291.8和281mg/L(泔河水庫)均超過標(biāo)準(zhǔn)不足一倍，并且整體呈現(xiàn)顯著下降趨勢，近幾次檢測結(jié)果均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)限值；氟指標(biāo)僅于林家村水庫出現(xiàn)一次達(dá)到了2.25mg/L，是突發(fā)偶然性情況，并且整體呈現(xiàn)下降的趨勢，近幾次均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)限值。

表2 各水源地監(jiān)測指標(biāo)污染指數(shù)最大值

圖2 懸浮物指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果

圖3 寶雞峽灌區(qū)林家村水庫近五年易超標(biāo)項目監(jiān)測結(jié)果

各水源地懸浮物指標(biāo)接近或超過標(biāo)準(zhǔn)的箱型圖清晰表現(xiàn)出懸浮物指標(biāo)在3個灌季所有實(shí)際監(jiān)測值的分布情況，林家村水庫、魏家堡渠首懸浮物超標(biāo)情況僅出現(xiàn)在春灌時期如圖7所示。

將寶雞峽灌區(qū)4個水庫是水源地水質(zhì)監(jiān)測中的易超標(biāo)項目進(jìn)行不同灌季對比分析可以得到：總氮指標(biāo)、氟指標(biāo)和硫酸鹽指標(biāo)呈現(xiàn)出的規(guī)律是冬灌時期水源水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)最嚴(yán)重的，其次是春灌時期和夏灌時期。

林家村水庫如圖8所示、王家崖水庫如圖9所示的總氮指標(biāo)呈現(xiàn)出的規(guī)律是冬灌時期水源水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)最嚴(yán)重，其次是夏灌時期，最后是春灌時期；氟指標(biāo)呈現(xiàn)出的規(guī)律是冬灌時期水源水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)最嚴(yán)重，其次是春灌時期，最后是夏灌時期；硫酸鹽指標(biāo)呈現(xiàn)出的規(guī)律是春灌時期水源水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)最嚴(yán)重，其次是冬灌時期，最后是夏灌時期。

圖4 寶雞峽灌區(qū)王家崖水庫近五年易超標(biāo)項目監(jiān)測結(jié)果

圖5 寶雞峽灌區(qū)大北溝水庫近五年易超標(biāo)項目監(jiān)測結(jié)果

圖6 寶雞峽灌區(qū)泔河水庫近五年易超標(biāo)項目監(jiān)測結(jié)果

圖7 懸浮物指標(biāo)不同灌季箱型圖

大北溝水庫如圖10所示的總氮指標(biāo)、氟指標(biāo)和硫酸鹽指標(biāo)呈現(xiàn)出的規(guī)律是冬灌時期水源水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)最嚴(yán)重，其次是春灌時期，最后是夏灌時期。泔河水庫如圖11所示的總氮指標(biāo)和硫酸鹽指標(biāo)均呈現(xiàn)出的規(guī)律是春灌時期水源水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)最嚴(yán)重，其次是冬灌時期，最后是夏灌時期；氟指標(biāo)呈現(xiàn)出的規(guī)律是夏灌時期水源水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)最嚴(yán)重的，其次是冬灌時期和春灌時期。

各水源地中常出現(xiàn)的異常指標(biāo)有懸浮物、總氮、氟和硫酸鹽4項水質(zhì)指標(biāo)。其中，懸浮物與氟指標(biāo)出現(xiàn)超標(biāo)情況頻率極低，屬于突發(fā)偶然情況；總氮指標(biāo)其大部分接近標(biāo)準(zhǔn)限值，但仍出現(xiàn)超標(biāo)情況，是4項水質(zhì)指標(biāo)中出現(xiàn)超標(biāo)數(shù)量與次數(shù)最多的；硫酸鹽指標(biāo)在多個水源地多次出現(xiàn)接近或超標(biāo)情況；以上4種水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)情況大部分在冬灌時期好于其他兩個時期。

圖8 寶雞峽灌區(qū)林家村水庫易超標(biāo)項目不同灌季對比結(jié)果

圖9 寶雞峽灌區(qū)王家崖水庫易超標(biāo)項目不同灌季對比結(jié)果

圖10 寶雞峽灌區(qū)大北溝水庫易超標(biāo)項目不同灌季對比結(jié)果

圖11 寶雞峽灌區(qū)泔河水庫易超標(biāo)項目不同灌季對比結(jié)果

2.2 綜合評價成果

為保證水質(zhì)綜合評價結(jié)果能夠充分反映各灌區(qū)水質(zhì)情況，本文根據(jù)單因子水質(zhì)評價結(jié)果，選擇常用指標(biāo)及易超標(biāo)指標(biāo)共6項：懸浮物、全鹽量、CODcr、BOD5、總氮和硫酸鹽進(jìn)行水質(zhì)綜合評價。

文章采用寶雞峽灌區(qū)4個水庫、2個渠首近一年的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合水質(zhì)評價，因林家村水庫和林家村渠首距離很近，所以將他們的水質(zhì)數(shù)據(jù)合并，統(tǒng)稱林家村水庫，水質(zhì)綜合評價結(jié)果見表3—4。

表3顯示寶雞峽灌區(qū)水庫型水源地2020—2021年間水質(zhì)綜合評價結(jié)果，其中沿寶雞峽灌區(qū)輸水干渠分別為王家崖水庫、大北溝水庫和泔河水庫。3個水源地內(nèi)梅羅污染指數(shù)值排序為大北溝水庫>王家崖水庫>泔河水庫。

表3 寶雞峽灌區(qū)水庫型水源地綜合水質(zhì)評價結(jié)果

表4 寶雞峽灌區(qū)河源型水源地綜合水質(zhì)評價結(jié)果

寶雞峽灌區(qū)3個水庫型水源地2020—2021年間，只有大北溝水庫2021年3月的水質(zhì)指標(biāo)內(nèi)梅羅指數(shù)為1.735，不能滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，其均值型指數(shù)為0.786；王家崖水庫2020—2021年間內(nèi)梅羅污染指數(shù)有所上升，但上升幅度較小。

表4顯示寶雞峽灌區(qū)河源型水源地2020—2021年間2個渠首取水口林家村水庫和魏家堡渠首的水質(zhì)狀況。林家村水庫、魏家堡渠首的水質(zhì)均值型指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)均在2020年7月超標(biāo)，其中林家村水庫的水質(zhì)均值型指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)分別為1.339、3.524，魏家堡渠首的水質(zhì)均值型指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)分別為6.407、18.276。

2020年8月—2021年6月，林家村水庫的均值型指數(shù)均小于0.30，且月際間未有明顯變化。這是由于渭河上游段水質(zhì)較好，上游地區(qū)人煙稀少、水環(huán)境受人類活動影響較小。同時林家村水庫的內(nèi)梅羅指數(shù)均小于0.63，于2021年1月達(dá)到最大值0.624，與2020年9月相比上升幅度為48.69%，2021年1月之后內(nèi)梅羅指數(shù)有所下降，均小于0.60，水質(zhì)向好發(fā)展。魏家堡渠首2020年8月至2021年6月，其均值型指數(shù)均值為0.266，內(nèi)梅羅指數(shù)均值為0.461，與上游林家村水庫的污染指數(shù)值較為接近，水質(zhì)相對較好。

各水源地綜合水質(zhì)評價結(jié)果為：王家崖水庫、泔河水庫水質(zhì)均值型指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)達(dá)標(biāo)率為100%；林家村水庫與魏家堡渠首均值型指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)達(dá)標(biāo)率均為88.9%，2020年7月綜合水質(zhì)指數(shù)超標(biāo)為偶發(fā)性事件；大北溝水庫水質(zhì)內(nèi)梅羅指數(shù)達(dá)標(biāo)率為66.7%，均值型指數(shù)達(dá)標(biāo)率為100%。研究表明寶雞峽灌區(qū)水源地綜合水質(zhì)滿足農(nóng)田灌溉水質(zhì)要求。

3 結(jié)語

在分析寶雞峽灌區(qū)水源地水質(zhì)監(jiān)測資料的基礎(chǔ)上，運(yùn)用單因子評價法分析水源地異常指標(biāo)，采用水質(zhì)綜合評價法對水源地水質(zhì)進(jìn)行綜合評價。評價結(jié)果為探討引起灌區(qū)灌溉水源水質(zhì)變化的情況分析，為改善生態(tài)環(huán)境，加強(qiáng)灌區(qū)水源地綜合管理，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力和保障農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

需要說明的是，上述的水源地水質(zhì)綜合評價，僅利用最近一年的水質(zhì)監(jiān)測資料，對于灌區(qū)水源地水質(zhì)年變化規(guī)律的認(rèn)識有所不足。文章后續(xù)研究的主要方向?qū)@分析灌區(qū)水源地不同年份間水質(zhì)年變化和不同灌季的變化規(guī)律，以此來掌握灌區(qū)水源水質(zhì)演變規(guī)律。