引滦黎河段水质变化规律分析

董立新，白昊阳

(天津市水利科学研究院 天津 300061)

科学与社会

引滦黎河段水质变化规律分析

董立新，白昊阳

(天津市水利科学研究院 天津 300061)

引滦黎河段是天津市城市供水线路的重要部分。为了系统研究引滦黎河段的水质问题，采集了大量黎河段水质数据，开展了水质时间分布特征分析、聚类分析、输水期水质分析以及沿程水质变化分析，通过多种方法得出TN是黎河段的主要超标污染物与控制指标，且2、3月份为污染水平最高的时段。阐明了控制污染的关键在于控制沿程污染的汇入，为后续水质改善提供了支撑，有助于天津市城市供水保障水平的逐步提高。

黎河 水质变化 水质评价 聚类分析

天津市饮用水水源地的水质保障一直是天津市供水安全的核心问题之一，特别是近年来水源地局部区域菹草、蓝藻的爆发使得供水安全问题愈加突出。作为天津市供水的主要工程，引滦输水过程是影响供水水质安全的一个重要因素。从引滦输水线路来看，包括引滦隧洞、明渠、暗涵等大多数输水线路通过治理保护实现了沿岸污染的零汇入，于桥水库也实施了系统的污染源治理工程，库周污染汇入得到了有效控制。黎河段污染汇入带来的水质变化日趋突出，引滦黎河段的污染控制和水质改善将是下一阶段供水安全保障的主要方向之一。为了对引滦黎河段的水质安全问题进行系统的研究、评估和解决，需要对黎河段的水质变化情况进行总体分析。下面将结合已有的水质监测数据，选择合适的统计分析方法，对黎河段的水质变化规律展开研究。

1 引滦黎河段概况

黎河发源于河北省迁西县燕山山脉，流经遵化至天津市蓟县西龙虎峪附近与沙河汇流后进入于桥水库，沿程接纳了15条支流，流域面积560,km2，河道全长76,km。河道沿岸分布有79个村庄，居住人口6万以上，以农业生产为主，还有部分化工、钢铁类企业。黎河引滦输水河段上起引滦隧洞出口，下至与沙河交汇口，全长 57.6,km，占黎河总长的 3/4，占引滦入津工程全线的 1/4，河段设计流量为 60,m3/s。作为引滦入津的重要输水河段和于桥水库的主要入库河道，黎河水质的优劣直接影响下游于桥水库的水体质量，进而影响着天津市城市供水的水质安全。近年来，受两岸污染汇入的影响，黎河段水质一直较差，氮磷超标较为突出，随着于桥水库周边污染的逐步削减，黎河段已经成为引滦供水水质保障的控制要点。

2 数据采集

针对水质变化情况，结合引滦黎河段的运行特点，采集了不同时期包括干支流和重要口门的多项水质、流量监测数据加以分析，包括黎河段逐次输水流量、水量和水质监测数据(2001—2012年)，果河桥断面氨氮、总氮、溶解氧、高锰酸盐指数、总磷等指标监测数据(2001—2012年)，重点断面氨氮、总氮、总磷监测数据(2008—2012年)，重点排水口总氮监测数据(2013年)。

3 分析方法

考虑到黎河段有着输水期和非输水期的不同运行特征，且沿程汇入较多，规律分析可以从水质时间分布特征分析、聚类分析、输水期水质变化分析、沿程水质变化分析 4个方面展开。

3.1 水质时间分布特征分析

水质时间分布特征包括年度分布情况和月度分布情况。分析中，采取了多项污染物指标分别比较的方法，以图表的方式对水质随时间的分布情况进行了对比归纳。

3.2 聚类分析

聚类分析法是一种常见的统计分析方法，适用于对水质时空变化规律的研究。其基本原理是根据变量或样品间的亲疏程度，以逐次计算判断的方法，将性质最接近的对象结合在一起，直至聚成一类。在水质评价中，根据采样点来进行聚类，可以区分不同区域的水质特征，根据采样时间聚类则可以实现对水质时间分布的划分。

3.3 输水期间水质变化分析

由于黎河天然来水量较小，非输水期和输水期水量变化较大，水质也受到影响，有不同的特征。输水期间水质变化分析主要是通过对输水过程水质的分析以及与非输水期的水质比较，利用图表归纳总结对输水的影响程度。

3.4 水质沿程变化分析

黎河沿线村庄、人口众多，排水口、支流汇入都会影响河道水质，水质沿程变化分析主要是对比沿程的水质情况，获得变化趋势，找出河道沿线口门、支流对河道水质的影响程度。

4 结果与讨论

4.1 水质时间分布特征分析

黎河主要污染物浓度年均值变化和月均值变化分别见图1和图2。

图1 黎河主要污染物浓度年均值变化Fig.1 Annual mean change of main pollutant concentrations in the Lihe River

由图1可以看出，以年均浓度比较，CODMn、NH3-N浓度值可以达到Ⅲ类限值以下，TP浓度值多数情况下均在Ⅲ类限值以下，TN浓度则超过了Ⅴ类限值 2,mg/L。从年度变化来看，CODMn、NH3-N、TP浓度值从 2001年以来均呈现出先逐步下降后缓慢上升的趋势；TN随时间下降趋势并不显著。可以看出，造成黎河水质超标的主要污染物仍然是TN。

图2反映的是黎河主要污染物的月度变化情况。可以看出，CODMn月均浓度在 2～4月份最高，11～12月份最低；NH3-N、TN月均浓度呈现出“年初最高、汛期降低、汛后升高”的过程；TP月均浓度在 2、3月份最高，接近 0.45,mg/L，其余月份则分布在0.1,mg/L左右。可以看出，2、3月份是主要污染物浓度都处于最高水平的阶段，这可能是由于长时间未进行调水，且冬季天然来水少，导致河道自净能力极低，而周边污染汇入又长期累积，最终无力稀释和降解所致。汛期则天然来水最多、水量最充足，因此，NH3-N、TN、TP都处于较低水平。

4.2 聚类分析

根据上述分析，黎河水质年内变化规律性较强。为了进行进一步研究，对其进行月度聚类分析。月度聚类分析结果见图3。

图2 黎河主要污染物浓度月均值变化Fig.2 Monthly mean change of main pollutant concentrations in the Lihe River

图3 黎河水质月度聚类分析结果Fig.3 Analysis results of monthly cluster analysis of Li River water quality

由图3，结合月均水质数据，可以将年内分为 3个阶段。阶段Ⅰ是 1～3月，该阶段 CODMn、NH3-N、TP、TN浓度都为年内最高值，水质最差；阶段Ⅱ是 4、9、10、11、12月，该阶段CODMn、TP浓度最低；阶段Ⅲ是 5～8月，NH3-N、TN浓度均为年内最低，水质最好。聚类结论与前面月均值对比分析一致，1、2、3月污染程度显著高于其他月份，是黎河水质控制的关键阶段。

4.3 输水期水质变化分析

选择了几次重点输水期进行分析，期间主要污染物平均浓度见图4。

图4 黎河输水期间各污染物平均浓度Fig.4 Average concentration of pollutants during the period of water delivery of Lihe River

由图4，多次输水期间水质变化较大，但总体而言，CODMn、NH3-N多数情况下能达到Ⅲ类水质要求，TP多数情况下均超过了Ⅲ类限值，TN浓度则几乎都超过了Ⅴ类限值。可见，输水期间超标的主要污染物是 TN。与相应年度非输水期均值比较，输水期间CODMn、NH3-N、TP浓度显著高于相应年非输水期(见图5)，但TN则相反。可见，尽管黎河水质主要超标因子是TN，但输水带来的TN并不是TN居高不下的主要来源，其他污染源汇入带来的 TN对河道总体水质的影响更大。

图5 输水期间污染物浓度与相应年份非输水期比较Fig.5 Comparison of pollutant concentrations during the period of water delivery and non water delivery in the corresponding year

4.4 沿程水质变化分析

根据输水期与非输水期水质对比分析，黎河非输水期上游及周边污染的汇入是造成黎河水质较差的重要原因，特别是氮的污染较为关键。因此，沿程水质变化针对 TN展开。黎河沿程5个监测断面(隧洞出口处、高各庄2号桥、东滩桥、前毛庄、果河桥)的 TN浓度变化情况见图6。由图6可见，除2012年外，其余年TN年均值浓度都大致呈沿程上升的趋势。显然，黎河隧洞下游段沿程污染的汇入也是造成黎河氮污染突出的关键因素。根据统计，隧洞下游段分布有大量的选矿企业，企业排水混合周边点面源污染经多条支流汇入黎河，显然支流汇入水体中含有较高水平的TN。

图6 黎河水质年均值沿程变化过程Fig.6 The change process of the annual mean of the water quality in the Lihe River

图7是 2013年对黎河沿线多个支流口和排水口水质的监测数据。由图7，所有支流口、排水口的TN浓度值均高于果河桥浓度数据。其中，遵化城区污水排水口污染物浓度最高，TN浓度值达到了8.69,mg/L，超出果河桥相应浓度值0.9倍，其余支流口处 TN浓度值平均也达到 5,mg/L。与前面分析一致，沿程支流口与排水口的氮污染物汇入是造成黎河TN浓度值较高的重要因素。

图7 黎河重点排水口门TN浓度年均值Fig.7 The annual mean of TN concentration of the main Drain port in the Lihe River

4.5 规律小结

根据以上分析，归纳总结引滦黎河段水质变化规律如下：

①考虑 TN情况下，黎河水质主要为劣Ⅴ类。其中，CODMn、NH3-N、TP浓度值有下降趋势，但 TN一直处于劣Ⅴ类浓度水平，是造成黎河水质超标的主要污染物。

②1、2、3月份是黎河主要污染物浓度最高水平的阶段，这是由于长时间未进行调水，且天然来水少，导致河道自净能力极低，周边汇入的污染无法降解所致。该阶段影响水质变化的主要因子是有机物和磷污染。年内的其余时间段，污染总体水平较 2、3月低，氮污染控制着黎河水质变化，是水质改善与控制的关键因子。

③输水期间，黎河水质超标污染物是TN、TP，但输水并不是TN的主要来源，沿程支流口与排水口的氮污染物汇入是造成黎河TN浓度值较高的重要原因，因此是控制入库氮污染的重点。

5 结 论

引滦黎河段作为引滦输水中的重要部分，其水质对于整个城市供水有重要影响。根据分析，黎河段水质主要为劣Ⅴ类，以TN为主要超标污染物。TN浓度在2、3月达到最高水平，其主要来源除了上游来水外，还包括沿程污染汇入。削减总氮污染的关键就在于沿程污染的控制。通过对沿线污染源的控制和支流口的治理，黎河段的水质将能够得到显著提升，实现对城市供水安全的保障。■

［1］ 赵爱华. 于桥水库入库河流水质评价及其趋势分析[D]. 天津：天津大学，2009.

［2］ 陆海明，尹澄清，王夏晖，等. 于桥水库周边农业小流域地表径流和亚表层流的磷素流失浓度特征[J]. 环境科学学报，2007，27(10)：1702-1708.

［3］ 刘琰，郑丙辉，付青，等. 水污染指数法在河流水质评价中的应用研究[J]. 中国环境监测，2013(3)：49-55.

［4］ 吕晋，邬红娟，林济东，等. 主成分及聚类分析在水生态系统区划中的应用[J]. 武汉大学学报(理学版)，2005(4)：461-466.

［5］ 邓雪，李家铭，曾浩健，等. 层次分析法权重计算方法分析及其应用研究[J]. 数学的实践与认识，2012，24(7)：93-100.

［6］ 黄崇福. 自然灾害风险评价理论与实践[M]. 北京：科学出版社，2006.

Analysis of Water Quality Variation of Lihe River of Luanhe River Diversion Project

DONG Lixin，BAI Haoyang
(Tianjin Hydraulic Research Institute，Tianjin 300061，China)

Lihe River，Luanhe River Diversion Project(LRDP)is one of the important components of the water supply line in Tianjin city．In order to systematically study the water quality problem in Lihe River，LRDP，water quality analyses from the perspectives of time distribution characteristics，cluster，water delivery period and quality variation along the river were carried out in this paper．The results showed that TN was the main standard pollutant and control index，and February and March were the highest level pollution period．It demonstrated that the key point of pollution control was the control of pollutant deposit along the river．The study may provide support for subsequent water quality improvement and help to improve water supply protection level in Tianjin.

Lihe River；water quality variation；water quality assessment；cluster analysis

X522

A

1006-8945(2015)09-0076-04

国家水体污染与治理科技重大专项课题(2012zx07203-002)；天津市水务局科技计划项目(ky2012-17)。

2015-08-05