南充西充河流域水体高锰酸盐指数和氨氮时空分布特征的分析

何虎军，蔡金王，都 雯，李文明，权秋梅，钱一凡

(1.南充市环境监测中心站，四川 南充 637000；2.川北幼儿师范高等专科学校，四川 广元 628017； 3.南充市防雷中心，四川 南充 637000；4.西华师范大学环境科学与工程学院，四川 南充 637009)

1 前 言

西充河是嘉陵江中游的一级支流，位于四川省南充市境内，流经西充县、嘉陵区和顺庆区3个县(区)，是四川省32条重点治理的小流域之一。按照省政府部署，省环保厅要求全省各市(州)开展实施重点小流域污染防治规划，大力推进重点小流域的水质监控与污染整治。南充市政府于2014年在西充河沿岸县(区)行政区域交界断面修建水质自动监测站4座，对西充河流域的水质状况进行实时监控，并按照生态补偿政策对三个县(区)的水质状况进行考核，全面推进西充河流域污染整治工作。

本文以西充河流域为研究对象，对西充河水体中IMn和NH3-N两项污染物指标的时空分布特征进行分析，以期为西充河流域的水质污染防治工作提供理论依据。

2 研究地点与研究方法

2.1 研究地点

西充河发源于西充县境内，由象溪河汇入虹溪河后再与龙滩河交汇而成，流经西充县、嘉陵区和顺庆区三县(区)后在南充市主城区汇入嘉陵江。西充河全长121km，流域面积450km2，回水面积658km2，流域内有29个场镇、205个行政村和32万人口。

西充河流域水质自动监测站点分别为位于西充县晏家乡(入嘉陵区断面)、西充县莲池镇(入嘉陵区断面)、嘉陵区新复乡(入顺庆区断面)和顺庆区华凤镇(入市主城区断面)。具体监测点位情况见图1。

图1 西充河流域及监测断面分布Fig.1 The monitoring sections of Xichong River basin

2.2 数据来源

2015～2017年西充河流域水质IMn和NH3-N污染物浓度数据及水温数据来源于四川省南充市环境监测中心站；2015～2017年降雨量数据来源于南充市气象局。

2.3 监测仪器与监测方法

2.3.1 监测仪器

IMn在线监测仪为德国科泽公司生产的K-301型；NH3-N在线监测仪为德国WTW公司生产的TresCon UNO型；水温在线测定仪为德国WTW公司生产的MIQ/2020型。

2.3.2 监测方法

2015～2017年西充河流域的4个地表水监测断面的IMn和NH3-N污染物数据及水温数据在每日0:00、4:00、8:00、12:00、16:00和20:00六个时次同步自动采样并进行分析。IMn和NH3-N分别根据高锰酸盐氧化-滴定法[2]和氨气敏电极法[3]的技术要求进行测定；水温根据温度传感器法测定。

2.3.3 水质标准

西充河流域的水质状况以IMn和NH3-N两项污染物浓度来判定，评价标准根据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)和《地表水环境质量评价办法(试行)》(环办[2011]22号)及其附件相关环境质量评价办法进行判定[4]，即采用单因子评价法来判定西充河流域的水质状况，西充河水域执行Ⅲ类水质标准。

2.4 数据处理

运用统计学软件SPSS19.0对2015～2017年西充河流域的IMn和NH3-N两项污染物进行差异显著性分析，运用Spearman相关性分析对IMn和NH3-N与降雨量、水温之间的相关性进行分析，监测数据采用Origin8.6绘图。

3 结 果

3.1 西充河流域水质总体情况

2015年和2016年，西充河流域的水质整体较好，晏家乡、莲池镇、新复镇和华凤镇4个监测断面的水质均达到Ⅲ类及Ⅲ类以上水质标准。2017年西充河流域的水质状况总较2015年和2016年有所恶化，具体表现为：西充河四个监测断面的水质出现Ⅲ类及Ⅲ类以下水质的月份增多，且上游的水质恶化情况较下游严重，上游的两个监测断面出现了Ⅳ类及以下水质，尤其是莲池镇监测断面在2017年2月甚至出现劣Ⅴ类水质(见下表)，而西充河下游的两个监测断面(新复镇和华凤镇)水质达到Ⅲ类及Ⅲ类以上标准。

西充河流域4个水质监测断面的主要污染物以IMn为主，IMn和NH3-N同为主要污染物的频率次之，以NH3-N为主要污染物的频率最低。晏家乡和新复镇两个水质监测断面的主要污染物以IMn、IMn和NH3-N两种类型为主，莲池镇和华凤镇两个水质监测断面则出现了IMn、NH3-N、IMn和NH3-N三种类型；IMn为主要污染物的水质状况在一年中任何时段均可出现，NH3-N为主要污染物的水质状况仅在春、秋和冬季出现，而以IMn和NH3-N同为主要污染物的水质状况虽在一年中任何时段均可出现，但在夏季出现的频率较低，且仅存在于莲池镇和新复镇两个监测断面。

表 西充河流域水质类别及主要污染物Tab. The water quality classifications and primary pollutants of Xichong river basin

续表

3.2 IMn分析

3.2.1IMn年度变化特征

2015～2017年，西充河流域的IMn浓度空间差异年度变化趋势不一致，但4个水质监测断面的IMn污染呈现逐年恶化的趋势。其中，西充河上游的两个水质监测断面(晏家乡和莲池镇)的IMn浓度虽然在2016年有好转的趋势，进入2017年后急剧恶化，莲池镇监测断面的IMn浓度恶化程度达到显著水平(P<0.05)，而晏家乡监测断面的IMn浓度则达到极显著水平(P<0.01)(见图2)；西充河下游的两个监测断面(新复镇和华凤镇)的IMn浓度呈逐年恶化趋势，但是其变化趋势均未达到显著水平(P>0.05)(见图2)。

图2 西充河流域水质IMn年度变化趋势Fig.2 The annual variation of Permanganate index in Xichong river basin

3.2.2IMn季节变化特征

2015～2017年，西充河流域4个水质监测断面的IMn浓度总体上呈春季最高，夏、秋季次之，冬季最低的变化趋势。其中，西充河上游的莲池镇监测断面三年的IMn浓度季节间差异均较小，未达到显著水平(P>0.05)，而晏家乡监测断面的IMn浓度季节间差异仅在2016年达到显著水平(P<0.05)(见图3)，其余年份的IMn浓度季节间差异均未达到显著水平(P>0.05)(见图3)；西充河下游的新复镇监测断面2015年的IMn浓度季节间差异达极显著水平(P<0.01)，此后两年呈逐年减小趋势，2017年的差异不显著(P>0.05)，而华凤镇的IMn浓度季节间差异三年均达到显著水平(P<0.05)(见图3)。

图3 西充河流域水质IMn季节变化趋势Fig.3 The seasonal variation of Permanganate index in Xichong river basin

3.2.3IMn与水温和降雨量的相关性分析

西充河流域的4个水质监测断面的IMn浓度与水温均呈正相关的关系，IMn浓度随着河水水温的升高而升高。其中，西充河流域上游的晏家乡和莲池镇两个监测断面的IMn与水温的相关性不显著(P>0.05)；西充河流域下游的新复镇和华凤镇两个监测断面的IMn与水温的极显著相关(P<0.05)。

西充河流域的4个水质监测断面的IMn浓度与降雨量均呈正相关的关系，河水中的IMn浓度随降雨量的增多而升高。其中，西充河上游的晏家乡监测断面的IMn与降雨量的相关性达到显著水平(P<0.05)，而莲池镇监测断面的IMn与降雨量的相关性不显著(P>0.05)；西充河下游的两个水质监测断面(新复镇和华凤镇)的IMn与降雨量的相关性均达到显著水平(P<0.05)，而华凤镇监测断面的IMn与降雨量的相关性达到极显著水平(P<0.01)。

3.3 NH3-N分析

3.3.1 NH3-N年度变化特征

2015～2017年，西充河流域四个水质监测断面的NH3-N污染总体为莲池镇监测断面最高，华凤镇监测断面次之，晏家乡和新复镇最低，4个监测断面的NH3-N浓度年度变化趋势则不一致。其中，西充河上游的晏家乡水质监测断面的NH3-N污染总体呈现逐年好转的趋势，但是变化趋势不显著(P>0.05)，而莲池镇水质监测断面的NH3-N污染在2016年虽有些许改善，但在2017年却出现急剧恶化现象，NH3-N年均浓度较2016年增加了2.271倍，变化达到极显著水平(P<0.01)(见图4)；西充河下游的新复镇水质监测断面的NH3-N污染总体呈现逐年好转的趋势，变化趋势不显著(P>0.05)，华凤镇水质监测断面的NH3-N呈现出逐年恶化的趋势，变化趋势不显著(P>0.05)(见图4)。

图4 西充河流域水质NH3-N年度变化趋势Fig.4 The annual variation of Ammonia Nitrogen concentrations in Xichong river basin

3.3.2 NH3-N季节变化特征

2015～2017年，西充河流域4个水质监测断面NH3-N浓度总体上呈春、秋和冬季较高，夏季低的趋势。其中，西充河上游的两个水质监测断面(晏家乡和莲池镇)三年的NH3-N浓度季节间差异均未达到显著水平(P>0.05)；西充河下游的新复镇水质监测断面的NH3-N浓度季节间差异仅在2016年达到极显著水平(F3,12=8.588，P=0.007)，其余两年的季节间差异均为达到显著水平，而华凤镇水质监测断面三年的NH3-N浓度均未呈现出明显的季节差异(P>0.05)，见图5。

图5 西充河流域水质NH3-N季节变化趋势Fig.5 The seasonal variation of Ammonia Nitrogen concentrations in Xichong river basin

3.3.3 NH3-N与水温、降雨量的相关性分析

西充河流域4个水质监测断面的NH3-N浓度与水温均呈负相关的关系。其中，西充河上游的晏家乡水质监测断面的NH3-N浓度与水温相关性达到显著水平(P<0.05)，而莲池镇的NH3-N浓度与水温相关性不显著(P>0.05)；西充河下游的新复镇两个水质监测断面的NH3-N浓度与水温相关性达到显著水平(P<0.05)，而华凤镇两个水质监测断面的NH3-N浓度与水温相关性则不显著(P>0.05)。

西充河流域4个水质监测断面的NH3-N浓度与降雨量均呈负相关的关系。其中，西充河上游的晏家乡和莲池镇两个水质监测断面的NH3-N浓度与降雨量的相关性均未达到显著水平(P>0.05)；西充河下游的华凤镇的监测断面的NH3-N浓度与降雨量的相关性也未达到显著水平(P>0.05)，仅新复镇水质监测断面的NH3-N浓度与水温相关性达到显著水平(P<0.05)。

4 讨 论

4.1 土地利用形式对西充河水质的影响

土地利用/覆盖变化(LUCC)与水体的质量有着紧密的相互作用关系，土地利用的方式和土地覆被的类型可以显著地影响周围地表水体的水质和水量[5-6]。其中，城镇建设用地、耕地、草地和农村居民点等土地利用类型都会对周围水体IMn和NH3-N等污染物浓度升高产生促进作用，而林地对污染物的的吸附和吸收作用较好，会降低周围地表水体中污染物的浓度[7]。

以农业耕作为利用类型的土地，因土地利用面积广，且耕作方式受到地形和水文条件等的影响，在非降雨时期，农村居民在农业耕作过程中施用的化肥、农药等被农作物吸收剩余的部分在地表浅层累积，极易形成面污染源[8-9]，当出现降雨现象且降雨达到一定的强度时，这些在地表浅层累积的未被农作物吸收利用的化肥、农药物质会通过渗透或漫流等作用进入周围水体，造成地表水体污染。杨金玲等[10]和李俊然等[11]对土地利用类型对水质影响的研究结果表明：以耕地为主的土地利用类型对周边水体易形成非点源污染，且耕地在所有的土地利用中的占比增大时，周边河流中的污染物浓度有明显增加的趋势。而农村居民在畜牧业或养殖业产生的污染物以及生活过程中产生的污水及其它污染物因处理不当，直接被排放到环境中，会加重周边地表水体的污染。

西充县是南充市的一个农业大县，工业基础薄弱，经济欠发达，经济活动多以农业生产、畜牧养殖业为主，2016的实有耕地面积仅为49 815公顷，农村人口为48.84万人，人均耕地面积仅为0.099公顷左右，农业耕作密度较大，是典型的人多地少地区，土地利用类型以耕地为主且拓荒情况严重，农作物耕种面积为108 901公顷，粮食作物的耕种面积为72 114公顷(数据来源于2017年南充市统计年鉴)，植被覆盖率较低，流域内居民生产和生活过程中排放的污染物在地表累积，当降雨出现时，面源内的污染物会随着地表漫流进入西充河，造成水体污染，水质变差，而流域内拓荒耕种，进一步加重了地表水体的污染。周理等[12]运用内梅罗指数法和污染评估法两种方法对2011年的西充县境内西充河水质污染状况进行研究发现：流域内人口密度过大、农业化肥施用不当和畜禽养殖污染是造成西充县境内西充河水质发生严重污染的主要原因。而王小霞等[13]运用输出系数法对2012年西充河流域(西充县境内)的水质污染来源进行了研究，进一步论证了西充河河流中的污染物主要来源为农村面源污染。

西充河流域内城镇化建设速度加快，土地使用趋于集中，造成小范围内人口密度过大大，污染物排放也较为集中，但污水收集处理设施等辅助设施建设步伐滞后，部分生活污水直接排放进入环境中，而被收集的污水由于处理能力或者处理工艺未达到要求，在未处理(或未完全处理)的情况下被排入地表水体中，进一步加剧了水体污染变差，这就相当于形成了许多个污水排放点源。据调查统计：截止2017年底，西充河流域内有28个乡镇所在地和1个县城所在地，70%的乡镇所在地的常住人口超过了2 000人，西充县城所在地(晋城镇)的人口甚至超过了10万人，人口居住情况相对集中，虽然大部分乡镇和晋城镇均建立了污水处理厂(站)，但是污水处理设施不完善或者处理能力不够，大部分的污水直接被排入西充河中，王小霞等[13]对西充河水体污染的研究也表明：城镇生活污水是西充河水体发生污染的一个重要原因。通过比较分析西充河上游两个监测断面(晏家乡和莲池镇)2015～2017年的IMn和NH3-N监测数据可知，莲池镇监测断面的污染程度总体高于晏家乡，其主要原因可能是西充县城位于莲池镇监测断面上游，城镇居民生产和生活过程中排放的污染物加重了水体污染。而张殷俊等人[9]的研究表明：城镇建设用地也是造成周边河流水质发生恶化现象的原因之一，且随着城镇建设用地比例增加，水质恶化情况将加重。

4.2 降雨量、水温对IMn浓度的影响

IMn主要是衡量地表水中能被KMnO4氧化有机物和无机性还原物质的量，其主要来源于生活污水和工业废水。在西充河流域内，居民的生产活动以农业和养殖业为主，因而IMn主要来源于流域内的农田废水、养殖业产生的污染物和居民生活污水。2015～2017年，西充河流域的IMn浓度总体维持在Ⅲ类水质标准以下，但是IMn浓度在季节间存在一定的差异，总体为春季最高，夏、秋季次之，冬季最低。通过分析降雨量和水温等气象条件对西充河的IMn浓度的影响可知：降雨量和水温均可对西充河四个水质监测断面的IMn浓度产生正相关影响。

相关的研究表明：在农业生产区域内，居民生产和生活过程中会直接排放出许多污染物，可在地表浅层累积，形成一个较大的面污染源，在非降雨时段，河流水量多以地下水补充，污染物不易进入周边水体，当出现一定量的降雨时，污染物会随着地表漫流而进入河流，造成河流中污染物的量会增多，当增加的污染物超过河流的稀释和净化能力时，河流中污染物浓度上升，水质下降[14-15]。通过分析西充河四个水质监测断面的IMn浓度与降雨量的相关关系可知：四个监测断面的IMn浓度与降雨量均呈正相关关系，除莲池镇的IMn浓度与降雨量的相关性不显著外，其余三个监测断面的IMn浓度与降雨量的相关性均达到了显著正相关水平(P<0.05)。在非降雨时段，西充河流域内的居民生产和生活中排放的污染物的地表浅层高度累积，在降雨出现时随地表漫流进入河流，造成河流中的污染物总量增加并超过了河水的稀释和自净能力，IMn浓度随之升高。虽然南充地区的年降雨量充沛，多年平均降雨总量为1 100mm左右，但是在年度内分布不均，夏、秋季降雨量最多，春季次之，冬季最少。一年内夏、秋季的降雨量最多，地表漫流带入水体的污染物也较春季多，但是较大的水量对流入水体的污染物稀释作用较春季大，因而造成春季的IMn浓度高于夏、秋季；冬季的降雨量最少，河流的水量主要靠地下水补充，在地表累积的大部分污染物未能通过漫流作用进入河流，因而冬季的IMn浓度最低。莲池镇监测断面的IMn浓度与降雨量的相关性未达到显著水平主要是由于西充县城所在地位于莲池镇的上游，县城常住人口数量超过10万人，城镇居民在生产和生活过程中产生的污水量太大，大量污水在未被处理达标直接排放到河流中，而且全年均可排放，可能对河流水质产生较大的影响，造成莲池镇监测断面的IMn浓度与降雨量的相关性未达到显著水平。

气温的变化对地表水体的温度产生影响，水温的变化趋势与周围气温基本一致，进而对河流中的污染物浓度产生一定的影响，当气温升高时，水温会相应升高，河流的蒸发量增加，污染物浓度升高。相关数据分析表明：西充河四个水质监测断面的IMn浓度与水温均呈正相关关系，水温升高，西充河水中的IMn浓度升高，虽然西充河夏、秋季的水量较冬季大得多，但是进入河流的污染物也相应增加，蒸发量也较冬季大，河水中的污染物浓度也因蒸发而相应升高。此外，西充河上、下游的IMn浓度对水温的响应程度不同，下游的两个水质监测断面的IMn浓度与水温呈极显著水平(P<0.01)，而上游的晏家乡和莲池镇水质监测断面的IMn浓度与水温相关性则未达到显著水平(P>0.05)。造成此差异的主要原因是西充河下游河道上修建的堰塘较多，水流较上游平缓，水深较深，河底沉积的淤泥较多。水温升高，水中的微生物的活性增强，进而促使底泥中的有机物被释放出来，也可以促使IMn浓度上升。潘俊等人[16]对浑河沈阳城区段河水底泥中污染物释放研究表明，适宜的温度将促进河水底泥中的污染物释放，温度降低，河水底泥中的污染物释放过程将被抑制。

4.3 降雨量、温度对NH3-N浓度的影响

以农业生产为主的区域地表水体中NH3-N的主要来源为周边居民在农业生产施用的含氮肥料和生活中排放的生活污水。西充河流域内的居民的经济活动多以农业和畜禽养殖业生产为主，河流中NH3-N的主要有两方面的来源：一是河流周边的农村居民生产和生活过程中施用的含氮肥料和生活污水，受降雨影响较大，排放过程零散且不连续；二是西充河周边城镇居民的生产和生活产生的污水，排放点较为集中，含氮污水排放量较为固定且排放过程是连续的。氮肥作为农作物的必需元素，农村居民生产过程中施用的含氮肥料和生活过程中排放的含氮污染物可被作物直接吸收利用，因而河流周边的农作物对含氮污染物有吸收、吸附和滞留作用，河流周边的耕地面积增大有一定程度的消减总氮的作用[17]。降雨虽然可将地表累积的含氮污染物带入河流，造成河流中的NH3-N总量升高，但是河水也可对进入河流的NH3-N起稀释作用，随着降雨量的增大，河流中的NH3-N被稀释的倍数越大，浓度也越低。在非降雨时期，由于河流的流量较小，进入河流的NH3-N较为固定，因而浓度较高，特别是冬季，降水最少，河流的流量最小，冬季时四个监测断面的NH3-N浓度显著高于春、夏和秋季。通过分析西充河NH3-N浓度与降水量相关性可知：晏家乡、莲池镇和华凤镇3个监测断面的NH3-N浓度与降水量均呈负相关关系。这与张尚清等人[18]对苏锡常地区农村地表水水质研究结果一致：降雨可对地表水体中的NH3-N起稀释作用。

西充河流域四个监测断面中，新复镇的NH3-N浓度和降雨量、水温的相关性与其它3个监测断面相反，呈显著正相关(P<0.05)，造成此种差异的主要原因可能为新复镇监测断面位于虹溪河和龙滩河交汇处的下游，河道中修筑的堤坝较多，上游河流冲刷下来的淤泥大量沉积，造成河底淤泥中沉积的NH3-N较多，当降雨量增加造成河流的流量增加，对河底的淤泥冲刷能力加强，造成河流底泥中的含氮物质大量逸出，或水温升高，加速河流底泥中的含氮物质分解，从而造成新复镇监测断面的NH3-N浓度与其它3个监测断面呈相反的趋势。

5 对 策

5.1 工业污染治理：关闭、搬迁沿河两岸的工业污染企业，加强流域沿线工业企业日常监管，确保企业污染治理达标。

5.2 畜禽养殖治理：科学规划畜禽养殖区域，河道500m范围内设置为禁养区，1 000m范围内设置为限养区，严格控制污染源；建设规模化畜禽养殖点，配套建设畜禽养殖污染治理设施，加强禁养限养区畜禽养殖行为监管。

5.3 乡镇生活污染治理：流域沿线建设乡镇垃圾收集站和污水处理站，加强对入河排污口的监管工作，大力推广农村户用沼气池建设与使用。

5.4 主城区河道治理：建设西充河污水截流工程、西充县污水处理厂等重点治理项目，加强对沿线河道的清理和两岸垃圾清运的日常监管，确保河道清洁和垃圾日产日清。

5.5 生态补水：针对西充河径流量小、河水自净能力差等突出问题，实施“引嘉陵江入西河”工程，即通过提水泵站从南充市城区荆溪片区附近引嘉陵江水入西充河，增强西充河水质自净能力，改善水环境质量。

5.6 生态环境保护：加快建设河流景观长廊建设和生态护岸工程，加强流域沿线绿化建设与维护。

6 结 论

6.1 西充河流域内的IMn和NH3-N污染的主要来源为流域内的农村居民在农业生产和生活过程中排放污染物形成的面污染源以及河流沿岸的城镇居民生活过程中排放的生活污水形成的点污染源。

6.2 西充河流域内的IMn污染总体呈现逐年恶化的趋势，且上游的两个水质监测断面(晏家乡和莲池镇)的IMn污染恶化趋势较下游两个监测断面(新复镇和华凤镇)严重，表明流域内上游的IMn类污染物排放量有增加的趋势，应加大此类污染物的治理与管控措施；西充河流域IMn污染总体呈现春季最高，夏、秋季次之，冬季最低的趋势；IMn浓度与水温、降雨量均呈正相关关系，表明水温的升高和降雨量的增加均西充河水体的IMn浓度升高有促进作用。

6.3 西充河流域内的晏家乡和新复镇的NH3-N污染总体呈现逐年好转的趋势，而莲池镇和华凤镇的NH3-N污染则呈现逐年恶化的趋势，尤其是2017年莲池镇的NH3-N浓度较2016年增加了2.271倍，应加大莲池镇监测断面上游的NH3-N污染排放源的排查力度，并进行整治；春季、秋季和冬季的NH3-N浓度差异不大，但明显高于夏季；主要是因为NH3-N浓度与水温、降雨量均呈负相关关系，表明适宜的水温能增加水体中藻类的繁殖，消耗河水中的NH3-N，此外，降雨量的增加能增加河水流量NH3-N浓度有一定的稀释作用。