沙颍河重要闸控断面水质变化及影响因素分析

胡小阳，徐 源，王红萍，2，刘 建

(1.武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉 430072；2.水资源安全保障湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430072；3.淮河流域水资源保护局水资源保护科学研究所，安徽 蚌埠 233001)

沙颍河是淮河最大的支流。多年来，淮河干流多次发生的较大污染事件都与其有关[1-2]，主要是沙颍河重污染水体随汛期洪水集中下泄所致。近年来，虽水污染得到了有效控制，但其水环境状况依旧不容乐观。在水资源日益短缺的背景下，水质问题在有限的水资源中也显得更加重要。很多学者在沙颍河水质方面做了大量的工作，如左其亭及其团队等以槐店闸为研究对象，实施闸坝调控实验，分析了闸坝对氨氮和高锰酸盐指数浓度的影响[3-7]，高红莉和王园欣对沙颍河水质时空变化及成因做了较为细致的的分析[8-9]，葛红莲等对沙颍河周口段水质进行生物学分析，并结合理化检测对沙颍河水质做出评价[10]；但其都是针对某个时间段或者某个断面而言，鲜有对河道整体情况的分析。

本文通过分析2009年～2013年沙颍河沿线周口闸、槐店闸、界首和颍上断面氨氮和高锰酸盐指数浓度的变化，找出年内水质最差的时期和年际整体的变化规律；在此基础上，对影响水质变化的主要因素进行分析和讨论，并提出改善沙颍河水质状况的途径。

1 研究区概况

沙颍河流域面积占淮河流域的7%左右，且地处我国南北气候过渡地带，流域内地形复杂，冷暖气团交汇频繁，冬春干旱少雨，夏秋季降水量集中，易造成洪涝灾害。沙颍河发源于河南省伏牛山区，跨河南、安徽两省，河南省境内河道长410 km，安徽省境内河道长210 km。沿线闸坝众多，选取沙颖河交汇处周口闸、中游晴雨表槐店闸、省界界首断面、入淮口颍上闸为代表分析。

图1 沙颍河重要闸坝及水系概化

2 数据来源及研究方法

由淮河流域水资源公报可知，淮河流域主要污染物为氨氮和高锰酸盐指数。本文采用2009年～2013年沙颍河各重要闸坝及控制断面的水质监测数据，水质评价按照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》进行评定，各断面均采用Ⅲ类水标准限值。用箱线图定性看各断面水质的年际变化趋势及分散程度[11-13]；在此基础上，用水质标识指数法定量分析各断面氨氮和高锰酸盐指数的变化规律[14-15]。

3 水质变化及成因分析

3.1 定性分析

2009年～2013年，周口闸、槐店闸和界首的氨氮浓度中位数均从最初超过Ⅲ类水限值到后来位于标准值及以下，周口闸和槐店闸水质浓度变化范围呈现出缩小的趋势，分散程度减弱，说明氨氮有一定程度的改善；但同时也应当看到并不是大多数值都位于标准限值以下，氨氮污染依旧面临挑战。入淮口颍上闸的氨氮浓度值普遍较低，浓度变化范围较小，污染较轻。周口闸、槐店闸高锰酸盐指数并无明显改善，浓度中位数基本都在限值以上，污染较重。界首的高锰酸盐指数中位数都在Ⅲ类水限值以下，污染较其上游的周口闸、槐店闸轻。颍上闸的高锰酸盐指数绝大多数都在标准限值以下，浓度变化范围也略有缩小，污染较轻(见图2)。总体来说，近年来沙颍河污染治理已见成效，但依旧不能掉以轻心。

3.2 定量分析

由于箱线图只能粗略的看出水质年内的分散程度，为进一步看出水质变化及影响因素，通过计算水质标识指数Pi可以更好的对水质进行定性和定量的一个综合判断(见表1、2)。即

Pi=X1·X2·X3

(1)

式中，X1为第i项水质指标的水质类别，是与国家标准比较后的水质类别；X2为监测数据在X1类水质变化区间中所处的位置；X3为水质类别与功能区划设定类别的比较结果。

当水质好于Ⅴ类水上限值，非溶解氧指标计算

(2)

式中，C为各项水质指标的实测质量浓度；Ck下≤C≤Ck上；Ck下、Ck上分别为水质指标第k类水区间质量浓度的下限值和上限值，k=X1。

当水质劣于或等于Ⅴ类水上限值时，则

X1·X2=6+(C-C5上)/C5上

(3)

式中，C5上为水质指标第5类水区间质量浓度上限值。如果水质类别好于或达到功能区类别fi，则X3=0；如果水质类别差于功能区类别且X2不为0，则有X3=X1-fi；如果水质类别差于功能区类别且X2为0，则有X3=X1-fi-1。

2009年～2013年，自周口闸起，氨氮在汛期(6月～9月)开始之后开始降低，而汛期结束之后又逐渐累积，在下一次汛期开始之前的一段时间4月～5月达到最大值。氨氮在汛期基本上都能达标，非汛期基本都超标且污染较为严重，年内差异较大。4个重要断面的氨氮指数较高主要是在每年的1月～4月份，随月份变化规律显示了其在枯水期的逐步积累作用和洪水期冲刷作用，主要跟化肥农药的施用和废水的排放有关。自周口闸开始，相较于氨氮，高锰酸盐指数污染较轻，汛期和非汛期的值差别不大，都在Ⅲ～Ⅳ类水之间，年内变化较为平稳。高锰酸盐指数在汛期快开始之后降低，12月份以后一直处于一个较高值。而河流中高锰酸盐指数的变化受到流域内土壤中有机质含量、植被覆盖率、污水的排放等因素的影响。

图2 2009年～2013年沙颍河重要断面水质箱线

年份断面1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月汛期非汛期年均值2009周口7.148.557.246.136.234.713.603.605.024.714.916.534.216.636.33槐店7.447.9410.276.636.834.513.703.303.303.206.236.733.707.146.63界首6.736.738.456.336.433.403.602.602.602.404.216.233.106.436.03颍上4.315.024.816.634.913.403.302.70203.503.104.513.104.814.312010周口6.236.336.436.734.813.503.202.803.803.705.125.523.306.135.32槐店8.357.445.423.905.523.502.902.402.203.304.716.332.806.335.72界首6.837.346.836.136.133.603.202.603.902.403.304.913.406.235.52颍上4.415.626.234.414.513.604.713.903.903.402.903.204.014.414.312011周口6.336.537.046.636.433.905.126.022.303.302.904.114.416.135.82槐店4.315.926.236.336.235.122.903.203.103.803.803.803.605.324.71界首5.526.236.336.336.335.222.602.502.502.703.804.213.305.624.81颍上3.103.504.414.914.613.602.702.903.503.202.803.703.203.803.602012周口3.704.714.816.336.332.803.302.402.102.702.705.822.704.914.21槐店4.414.414.414.714.513.103.202.703.102.802.903.103.103.903.60界首4.414.415.925.925.223.303.102.102.202.502.704.912.704.513.90颍上3.603.803.804.314.113.102.502.102.201.801.801.902.403.303.102013周口6.636.035.224.614.913.502.702.902.903.305.225.123.105.324.61槐店3.306.636.234.914.713.603.103.702.902.703.504.413.404.814.31界首6.536.937.045.325.423.903.102.502.502.302.302.903.105.724.91颍上2.603.906.536.433.602.402.101.902.301.901.901.902.304.113.60

表2 高锰酸盐单因子水质评价指数

3.3 水质变化影响因素分析

沙颍河的水质污染来源主要有生活污水、工业废水和农业污染。沙颍河两岸的生活污水，有些未经处理通过管道或泵站直接排入河流[16]；上游区域的重污染企业依然很多，如造纸、酿造、化工、制药等，其排放的污水势必会对沙颖河水质产生影响；沙颍河流域是我国重要的产粮地，每年会施用化肥和农药，施用后残留的肥料、农药等经地表水和地下水循环系统而进入河流。沙颍河流域主要种植的小麦在春季和秋冬季节需要大量施肥和喷洒农药，这也是枯水期氨氮污染较为严重的原因。

根据2011年淮河流域入河排污口调查成果(见表3)，从排污口情况可以看出槐店到界首段排污口较多，氨氮和高锰酸盐的排放量高，这也是槐店闸和界首污染依然较重的原因。阜阳虽然排污口较少，但是排污量高，到达入淮口颍上闸后，排污口较少，污染物浓度降低，这应该跟阜阳到颍上段河流的稀释降解作用和闸坝的运行状况有关。

表3 2011年沙颍河周口及以下排污口及排污情况统计 万t/a

实际上，水质变化过程不仅跟来源相关，跟其产生后的降解或者稀释过程及闸坝的运行状况也密不可分。闸坝的开启天数说明闸坝运行会影响河流水质，周口闸的开闸次数较少且主要集中在汛期，非汛期基本不开闸，而槐店闸几乎全年开闸，且槐店闸的月开闸天数从2011年开始变多，颍上闸每个月都有较多的开启天数，这也是周口闸水质仍有挑战、槐店闸水质明显好转、颍上闸水质浓度一直保持在低水平的原因。具体的闸门开度和开启方式跟河道流量还有水位相关，流量大、水位高的时候闸门开度大。

表4 闸坝开启天数 d

氨氮和高锰酸盐指数在河流中的迁移降解过程主要通过影响扩散系数和降解系数来影响污染物浓度的变化，其影响因素主要有河道参数和温度、河道流量、污染物浓度、水力条件和支流的水文情势。

4 结论和建议

2009年～2013年，沙颍河水污染治理颇具成效。从年际方面来说，重要断面的氨氮和高锰酸盐指数的浓度降低，年内的分散程度减弱；在年内方面，氨氮季节性波动较大，汛期基本都能达标，非汛期严重超标，主要跟作物生长季农药化肥的施用和降解过程相关；高锰酸盐指数年内波动较小，全年都在Ⅲ～Ⅳ类水之间，污染较轻，工农业污水排放和城市化依然是造成其污染的主因，同时也跟闸坝运行状况和河流的稀释降解作用有关。

在众多影响沙颍河水质变化的因素中，可以调控的因素有污染物的浓度和河道流量；而污染物浓度主要通过控制排污解决，河道流量则主要通过调度闸坝来实现。 沙颍河流域闸坝多，淮河流域开展沙颍河水污染联防工作也已见成效，闸坝联合调度成为解决淮河水污染问题的重要手段。