2013-2017年延河水质变化及其影响因素

裴晓龙, 丁 强, 杨玉珍, 程俊侠, 郭 琦

(陕西省环境监测中心站 水环境监测室, 陕西 西安 710054)

延河发源于陕西省靖边县天赐湾乡周山，由西北向东南，流经志丹、安塞、延安，于延长县南河沟附近汇入黄河，全长286.9 km，流域面积7 687 km2，落差938 m，平均比降3.3‰，主要有杏子河、西川河、蟠龙川等14条支流，是陕北第2大河。延河多年平均年降雨量520 mm，多年平均年水面蒸发量980 mm，干旱指数在1.57～1.92[1]。随着工业化进程的推进，特别是陕北油气煤等资源的开发，以及人们生产生活方式的改变，人类活动的影响使得延河的水质发生变化，而针对延河水质的变化趋势鲜有研究。因此，本研究应用Pearson相关性原理[2]，建立适用于延河水质评价的指标体系。在此基础上对2013—2017年延河水质状况进行分析，分析水质变化趋势，研究各指标污染贡献程度及影响延河水质的因素，以期为延河水质状况评估和治理提供科学依据。

1 评价方法

选择内梅罗指数法进行水质定量评价，用Spearman秩相关系数法进行水质变化趋势分析，用污染分担率研究指标体系中各项污染因子的贡献程度。

1.1 内梅罗指数法[3]

内梅罗指数是当前国内外进行综合污染指数计算最常用的方法之一，是一种兼顾极值或称突出最大值的计权型多因子环境质量指数。该方法先求出各因子的分指数，然后求出各分指数的平均值，取最大分指数和平均值计算。

1.1.1 单因子指数 通过单因子评价，可以确定主要污染物及其危害程度。一般以污染指数来表示，其表达式为：

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi——i因子的污染指数；Ci——i因子实测值；Si——i因子环境质量标准值(地表水环境质量Ⅲ类标准值[4])。

1.1.2 综合指数 综合污染指数兼顾了单因子污染指数平均值和最高值，可以突出污染最重因子的作用。其表达式为：

(2)

式中：P综——断面(或河流)的内梅罗指数； maxPi——该断面(或河流)单因子指数中的最大值； avgPi——该断面(或河流)单因子指数平均值。

1.2 Spearman秩相关系数法[5]

采用Spearman秩相关系数法分析断面(或河流)污染状况随时间变化的趋势，其计算公式为：

(3)

di=Xi-Yi

(4)

式中：Xi——周期i到周期N按浓度值从小到大排列的序号；Yi——按时间排列的序号；N——周期次数；rs——秩相关系数。

1.3 污染分担率[6]

污染分担率是指各项污染因子的分指数在综合污染指数中的比例，是反映污染构成的一个指标。其计算公式为：

(5)

式中：Fi——第i项污染因子的污染分担率；Pi——第i项污染因子的污染指数；n——污染因子的总个数。

2 指标体系

水质评价指标体系[7]是用来全面衡量水质的尺度，是综合水中各因子的标识。从水质评价过程以及相关评价实例来看，单个指标存在不能准确、合理的表征水质实际状况的可能性，却能直接影响评价结果。由此基于评价结果来筛选指标进而构建针对一条河流的评价指标体系成为一个新的思路。为了能够更直观、更清晰地分析延河水质变化的情况，在满足科学性、合理性的前提下，设计了3个指标体系方案。①方案1：地表水河流评价指标，即《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》中除水温、总氮、粪大肠菌群以外的21项指标。②方案2：省政府考核指标化学需氧量、氨氮，同时兼顾特征污染物石油类和总磷，合计4项指标。③方案3：用地表水环境质量评价办法评价，对延河2013—2017年共计283条监测数据进行统计分析，样品超标率大于10%的指标有化学需氧量、氨氮、高锰酸盐指数、5 d生化需氧量、总磷、石油类，结合自动站监测指标，增加溶解氧，确定以上7项指标。应用内梅罗指数法，采用以上3种方案分别对陕西省环境监测网络中延河上5个断面2013—2017年每月监测数据进行统计评价，结果详见表1。

表1 不同指标体系方案年均值内梅罗指数评价结果

将每种方案评价结果作为变量，导入SPSS统计软件进行定量相关性分析，采用双侧显著性检验，计算Pearson相关系数r(r>0时正相关，r<0时负相关，其绝对值大小反映变量相关程度高低)详见表2。按照Pearson相关性原理，若某两个变量的r绝对值接近1，显著性p<0.01，可以认为两个变量具有普遍相似性，两个变量可以相互替代。

表2 水质评价指标体系不同方案相关性分析结果

注：N表示每组变量的数据量。

表2显示，在0.01的显著水平下，方案2，方案3与方案1的Pearson相关系数分别为0.978和0.993，大于0.9，呈现高度显著正相关。根据SPSS统计软件Pearson相关性原理，可以推出方案2，方案3均可以替代方案1。方案1中指标全，能全面、综合地反映水质状况，但评价参数较多，评价的计算量较大，且不能突出重点因子；方案2，3与方案1的相关程度都很高，参数量小，操作性较强。根据评价指标体系筛选原则，在满足科学性、合理性和可操作性的前提下，可以尽量选择参数少，代表性强的指标进行评价。因此确定方案2为延河水质评价中的优选评价指标体系。

3 延河水质变化趋势及影响因素分析

3.1 水质变化情况

采用方案2中的指标体系对延河2013—2017年水质状况进行评价(表3)。2013—2017年延河内梅罗指数的Spearman秩相关系数是1，有着显著的上升意义。由此可见5 a间延河水质状况呈明显下降趋势。从表3还可看出，氨氮的污染指数、污染分担率均呈现与延河总体内梅罗指数相同的变化趋势，表明延河水质变化主要受氨影响。另外，氨氮的污染指数5 a间增长了168.7%，污染分担率增长了60.8%，延河氨氮污染的典型特征愈发明显。

3.2 影响因素分析

为了研究延河水质变化的原因，引入以下数据： ①水质内梅罗指数，用来表征水质污染状况； ②河流年径流量，用来表征河流的自然来水量； ③地区生产总值，用来表征人类生产生活强度。统计结果如图1所示。沿延河各县区生产总值在2013—2014年经历小幅上升后，呈现明显的下降趋势，而这一时间段内的延河水质呈现明显的下降趋势，可以推断经济增长不是造成延河水质持续下降的主要原因；延河年径流量从2013年开始有明显的下降趋势，特别是2015年的年径流量仅为1.39×108m3，远远低于延河的多年平均径流量2.82×108m3，2014—2015年延河内梅罗指数增长率33.55%也远超其他年份，由此可见，延河径流量的多少对延河水质的影响较大。

图1 延河水质变化多重因素分析

4 结 论

(1) 针对延河水质进行评价研究，在满足科学性、合理性的前提下，使用由氨氮、总磷、石油类、化学需氧量这4个因子组成指标体系，可以将评价工作简化，操作性更强。

(2) 2013—2017年中，延河水质的内梅罗指数逐年上升，水质状况逐年下降。

(3) 延河水质变化中，氨氮在评价指标体系中的贡献率逐年增大，2017年已经达到38.7%，远超其他污染物。改善延河水质，应该主要控制氨氮的总量。

(4) 延河生态水量是影响延河水质的主要因素，改善河流的生态水补给状况同时控制入河污染物总量是延河水质健康的保障。