基于统计分析的长宁河水质时空变化特征研究

孟春晓，俸 强，黄 芸，谢小红，杨媛媛

(四川省生态环境监测总站，成都 610091)

1 引 言

2018年4月26日习近平总书记在深入推动长江经济带发展座谈会上发表重要讲话，强调“要坚持把修复长江生态环境摆在推动长江经济带发展工作的重要位置，共抓大保护，不搞大开发”[1]。作为长江经济带的重要组成，长宁河发源于宜宾市兴文县，由南向北在宜宾市江安区汇入长江，全长110km，是长江上游南岸重要的一级支流，也是宜宾市的重要经济发展区域。近几十年来长宁河流域经济发展迅速，沿河大量工矿企业的工业废水及城镇生活污水对长宁河水质造成了较严重的水污染问题[2]。作为宜宾市环境质量底线的重要组成部分，长宁河的水环境质量是宜宾市长江经济带规划环评“三线一单”编制工作的重要内容之一。目前水质评价的方法很多，常用的评价方法可概括为单因子评价法和综合评价法两大类[3～6]。综合评价法中包括污染指数评价法、模糊评价法、主成分分析法、灰色系统分析法等[7]。单因子评价法是根据“悲观评价原则”，在各个水质单项评价指标中选取最差的一项作为水质级别的最终评价依据，该方法对管理部门的监察有重要意义[8]。本文利用2016、2017年长宁河干流及3条支流上共6个监测断面的监测数据，利用单因子评价法、统计分析等方法对长宁河水质的时空变化特征进行分析，以期实现对长宁河水质进行科学判断。

2 数据与方法

2.1 采样点与评价指标

宜宾市环境监测站在长宁河干流及3条支流上设置了6个例行监测断面(图1)，分别为渔箭滩、翡翠峡、红桥园田、平桥、绵溪河桥、七里半。采样频率为1次/月，月初采样分析。采样、分析方法分别按照《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91-2002)和《水和废水监测分析方法》(第四版)要求进行。本论文共收集了6个断面2016和2017年的数据，选择了DO、高锰酸钾指数(CODMn)、BOD5、NH3-N和TP作为水质评价指标。依据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅲ类水质标准进行水质类别评价。根据当地多年降雨经验，将6～10月确定为丰水期，5、11月为平水期，12月～次年4月为枯水期。

图1 长宁河监测断面分布图Fig.1 Distribution of monitoring sections in Changning River

2.2 分析方法

2.2.1 单因子评价法

单因子水质评价采用单因子标准指数法，各评价指标标准指数计算方法如下：

溶解氧(DO)标准指数的计算式：

SDOj=(DOf-DOj)/(DOf-DOs)(DOj≥DOs)

SDOj=10-9×DOj/DOs(DOj

(1)

式中：SDoj——DO在j点的标准指数；

DOj——DO在j点的浓度，mg/L；

DOf——饱和溶解氧浓度mg/L，由下式计算DOf=468/(31.6+T)；

DOs——DO的地表水水质标准值，mg/L。

其他指标在j点的标准指数计算式：

Sij=Cij/Csi

(2)

式中：Sij——指标i在j点的标准指数；

Cij——指标i在j点的浓度，mg/L；

Csi——指标i的地表水水质标准值，mg/L。

当标准指数≤1时，表明该指标满足规定的水质标准；当标准指数>1时，则不能满足。

2.2.2 统计分析法

在单因子评价的基础上，本文利用箱式数据统计图法，来分析长宁河各断面的水质评价指标质量浓度随时间、空间的变化情况。对5种评价指标不同时空下的值采用柱状图描述，并对每种评价指标进行不同时间下的方差分析。

3 结果与讨论

3.1 断面水质评价结果

采用单因子评价法对长宁河6个断面2016年、2017年的监测结果进行评价，各断面的水质评价结果如表1、表2所示。从评价结果可以看出，渔箭滩、红桥园田、绵溪河桥、平桥、七里半等5个断面水质均符合Ⅲ类水质要求，翡翠峡断面除了2016年7月、2017年7月、8月、10月、11月能达到Ⅲ类水外，其余时段均超出Ⅴ类水质标准，主要的污染物为TP。

3.2 断面水质污染特征

为了比较长宁河各监测断面水质评价指标的平均水平和变异程度，绘制了各个断面水质指标的箱式数据统计图，不仅可以反映出监测结果的变化程度，亦能直观了解各水质评价指标的最大值和最小值，分析结果如图2～图6所示。

表1 单因子指数评价法水质评价结果(2016年)Tab.1 Results of water quality evaluation by single factor index method(2016)

表2 单因子指数评价法水质评价结果(2017年)Tab.2 Results of water quality evaluation by single factor index method(2017)

图2 长宁河2016～2017年DO箱式数据统计图Fig.2 Box chart of DO concentration in Changning River from 2016 to 2017

图3 长宁河2016～2017年CODMn箱式数据统计图Fig.3 Box chart of CODMn concentration in Changning River from 2016 to 2017

图4 长宁河2016～2017年BOD5箱式数据统计图Fig.4 Box chart of BOD5 concentration in Changning River from 2016 to 2017

图5长宁河2016～2017年NH3-N箱式数据统计图Fig.5 Box chart of NH3-N concentration in Changning River from 2016 to 2017

图6 长宁河2016～2017年TP箱式数据统计图Fig.6 Box chart of TP concentration in Changning River from 2016 to 2017

从图2～图6可以看出，DO、CODMn、BOD5、NH3-N在各断面的值均未超出Ⅲ类水质标准，而变化最大的则是TP。渔箭滩、红桥园田、平桥、绵溪河桥的TP平均水平均小于0.14mg/L，七里半断面尽管均值在0.14mg/L之上，但其最大值未超过Ⅲ类水质限值。翡翠峡有79%的月份TP浓度超过Ⅲ类水限值(0.2mg/L)，该断面的TP最大值(1.21mg/L)为最小值(0.12mg/L)的10倍，但CODMn、BOD5、NH3-N等指标均不高，故推测造成翡翠峡断面TP超标的主要原因很可能为含磷工业废水影响，而非生活污水或农村面源污染。

3.3 断面水质的水期敏感性分析

为了比较不同水期长宁河各监测断面水质评价指标随时间变化的差异，对5种水质指标进行不同时间下的方差分析，结果如图7～图11所示。总体来看，各断面的水质指标月平均值变化幅度较为稳定。相同水期各断面的DO和NH3-N变幅较为稳定；除渔箭滩外，相同水期其余断面的CODMn和BOD5变幅较为稳定；相同水期翡翠峡的TP浓度均高于其他断面。而同一断面的枯水期、平水期和丰水期水质并无明显的变化，表明水量对河流水质影响较小。

图7 长宁河不同水期DO比较图Fig.7 Comparison of DO concentrations in different water period in Changning River

图8 长宁河不同水期CODMn比较图Fig.8 Comparison of CODMn concentrations in different water period in Changning River

图9 长宁河不同水期BOD5比较图Fig.9 Comparison of BOD5 concentrations in different water period in Changning River

图10 长宁河不同水期NH3-N比较图Fig.10 Comparison of NH3-N concentrations in different water period in Changning River

图11 长宁河不同水期TP比较图Fig.11 Comparison of TP concentrations in different water period in Changning River

4 结 论

长宁河流域作为宜宾市的重要经济发展区域，曾受工矿企业废水、城镇生活污水、生活垃圾和农村面源污染的多重影响。随着重点流域水污染防治规划的实施，近年来长宁河流域强化了工矿企业废水的深度治理，开展了沿河县级生活污水处理厂及配套管网建设，使得长宁河水质得到了极大的提升。采用单因子评价法和统计分析方法可以看出，长宁河各断面总体水质较好，TP是该河流监测断面水质超标的主要污染物。从空间上看，除TP外，各断面的监测指标均满足Ⅲ类水质标准。从时间上看，各断面在不同水期的水质指标变化幅度不大，表明水量对河流水质影响较小。因此，建议加大沿河两岸污染源排查工作，尤其是翡翠峡断面上游的污染源排查，找出污染源，列出问题清单和责任清单，才能有效解决水体污染问题。