沮漳河流域水质的时空变化与评价

高伊培 黄永文 陈芳清

摘要 [目的]科学研究与评价沮漳河流域污染物排放与水质的时空变化规律。[方法]沿沮漳河流向选取6个断面，于2015—2016年分别进行取样与样品分析，并分别采用单因子污染指数法和综合污染指数法对水质进行分析与评价。[结果]沮漳河流域主要污染物排放在时间分布上没有显著差异，但在空间分布上呈显著差异，其中下游的TN 和CODCr显著高于中上游。单因子污染指数评价表明，沮漳河主要污染物为TN，其次是TP。综合污染指数评价结果表明，沮漳河宜昌河段水质整体较好，但荆州河口断面水质污染严重，水质评价结果达到Ⅳ类，其他断面水质则符合Ⅲ类。[结论]沮漳河流域的水质呈现枯水期劣于丰水期和平水期、下游地区劣于上游地区的特征。

关键词 污染物；水质；时空变化；环境评价；沮漳河流域

中图分类号 X824 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）09-0079-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.09.023

Abstract [Objective] The research aimed to investigate and evaluate the spatiotemporal variation of pollutants and water quality in Juzhang River area.[Method] Six river sections were set up along the river，and water samples were collected and tested from 2015 to 2016.Methods of the single factor pollution index and the comprehensive pollution index were employed to evaluate the water quality.[Result]The difference of monitoring pollutant distribution was significant among different sections，but not significant among times.The assessment of the single factor pollution index indicated that total nitrogen ranked the major pollutant of the river，following by total phosphorus.The assessment of the comprehensive pollution index suggested that the water quality of the total area kept good level.However，water pollution was serious at Jingzhou section （Ⅳ level of water quality standard ）.[Conclusion]The water quality in low water period was worse than that in high water period，so was worse at downstream than that at upstream.

Key words Pollutants；Water quality；Spatialtemporal variation；Environmental evaluation；Juzhang River area

河流是陸地可利用淡水资源的主要组成部分。近年来，随着我国工业化与农业集约化进程，全国范围内众多河流遭到不同程度的污染。据报道，我国有50%的河道受到污染[1-2]。加强河流污染的监测与治理对保障人民的生命安全和促进社会与经济的可持续发展具有重要意义。河流水质的综合评价是水环境治理的重要基础性工作。通过对水质进行动态监测，并对监测数据开展客观科学的分析与评价，能揭示水质的主要污染因子及水质的时空变化规律，为河流污染的治理提供客观的依据[3-5]。目前，最常用河流水质的评价方法包括单因子指数评价法、综合指数评价法等[6-8]。其中单因子指数评价法是将评价因子与评价标准进行比较，确定各个评价因子的水质类别，在所有项目的水质类别中选取水质最差类别作为水体的水质类别，该方法可确定水体中的主要污染因子，是目前使用最多的水质评价法[9]；而综合污染指数评价法是将各项指标实际值分别除以各项指标的评价标准值，得出各项指标的评价指数，再对各项指标评价指数进行加权算术平均，得出综合评价值[10]。综合污染指数评价法能综合反映出河流的水污染状态，有利于比较各监测断面之间的污染程度的差异，得到较为广泛的应用。Vega等[11]、Sundaray[12]和Han等[13]分别用该方法对西班牙Pisuerga河、印度Brahmani河、韩国Nakdong河的水质时空变化进行了分析与评价。龚清莲等[14]和常惠丽等[15]也利用该方案分别对长江宜宾段和浊漳河流域水质的时空变化特征进行了分析与评价。

沮漳河为长江中游北岸一条支流，该河流主要流经湖北省宜昌市的远安县、当阳市、枝江市以及荆州市部分地区。沮漳河流域土壤肥沃、资源丰富，在宜昌市社会经济发展中具有重要的战略地位。该流域总面积约413 831 hm2，总人口77.26万人（其中镇区人口19.82万人），耕地面积73 141 hm2，粮食总产量631 139 t/a，流域沿线乡镇地区生产总值717 365万元，占全市地区生产总值（1 547.32亿元）的4.64%，农民人均纯收入7 389元。沮漳河水质事关远安县、当阳市以及枝江市的饮用水安全以及农业经济的稳定发展。近年来，随着社会经济的迅猛发展，沮漳河流域承载的环境压力日益增大[16]。客观了解沮漳河的水质及其变化对该流域的水环境管理显得尤为重要。黄永文等[17]对该流域当阳段的水环境状况进行了初步报道，但是关于该流域水体的总体情况目前仍缺乏系统的分析与评价。笔者在2015年12月—2016年12月对沮漳河宜昌河段的6个监测断面进行表层水样的采集与分析，采用单因子指数评价法和综合污染指数对水质类别进行评价，以识别该河流的主要污染因子，并对水质的时空变化进行分析与评价，以期为沮漳河流域的水污染防治提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 流域环境概况及采样断面设置

沮漳河在宜昌市境内河长221 km，集水面积3 480 km2，占该河集水面积的47.4%，占全市面积的16.3%，是全市仅次于清江的第二大河流[17]。流域属亚热带季风气候，雨量充沛。年平均降雨量为1 050 mm左右，四季雨量分布不均，多集中在夏季，其中4—10月多年平均降雨量占全年的88.3%。

该研究共设置了6个采样点，各采样点自上游支流至下游干流分布于沮河（马渡河断面、铁路大桥断面）、漳河（白石港断面、淯溪桥断面）、沮漳河（两河口断面、荆州河口断面），采样点的分布与该流域省控监测断面保持一致（图1）。

1.2 水样采集与分析

分别于2015年12月（枯水期）、2016年3月（平水期）、2016年6月（丰水期）、2016年9月（丰水期）、2016年12月（枯水期）在沮漳河流域宜昌河段所设置的6个断面各采样1次。用柱状采水器采集各断面表层水（深度为50 cm）500 mL，用聚乙烯样品瓶密封，并按照《水质样品的保存和管理技术规定》（HJ 493—2009）要求保存，带回实验室后进行分析检测。主要检测指标包括高锰酸盐指数、化学需氧量、总磷、总氮和砷的含量，各指标参照《水和废水监测分析方法》（第四版）[18]进行测定（表1）。

1.3 数据处理与分析

分别以样品取样的断面和时间为自变量，以样品所测水质指标为因变量进行单因子方差分析，揭示河流污染物排放的时空变化特征。然后采用单因子指数评价法，对比各水质测定值和评价标准值，判断水体的主要污染指标。再以各指标的测定值除以评价标准值，得出单因子污染指数，并计算出综合污染指数，评价水体的综合水质类别[19-20]。水质评价的标准参照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）[21]中Ⅲ类水体。相应的水质分类标准：P≤0.422，Ⅰ 类水体；0.422

数据处理中的方差分析采用SPSS 13.0软件进行，单因子污染指数评价和综合污染指数评价采用Excel 2010软件进行，图采用AutoCAD 2010和Origin 10.0进行制作。

2 结果与分析

2.1 河流主要污染物的时空变化

从表2可看出，沮漳河流域CODCr、TP、TN、NH3-N等4类污染物的排放量在空间分布有显著差异（Sig.<0.05），而CODMn、As在空间分布上没有显著差异（Sig.>0.05）。其中CODCr为8.90～25.60 mg/L，荆州河口断面CODCr污染物浓度显著高于铁路大桥、马渡河、白石港、淯溪桥和两河口等5个断面；TP为0.03～0.28 mg/L， 马渡河和荆州河口断面TP浓度显著高于铁路大桥、白石港、淯溪桥和两河口等断面；TN的浓度为1.05～2.30 mg/L，荆州河口断面TN浓度显著高于铁路大桥、马渡河、白石港、淯溪桥、两河口等断面；NH3-N的浓度为0.23～0.82 mg/L，白石港和两河口断面NH3-N的浓度显著高于铁路大桥、马渡河、荆州河口等断面。总体上河流下游的污染物高于上游，沮河的高于漳河。

沮漳河流域所有污染物的浓度在时间上虽然有所变化，但是其差异没有达到显著水平（Sig.>0.05）（表3）。河流的CODCr、CODMn、TP、TN、NH3-N和As分别为2.30～4.14、8.30～15.28、0.04～0.19、1.10～1.87、0.30～0.64和0.01～0.04 mg/L。

2.2 河流污染物的單因子分析

沮漳河流域宜昌段所有监测断面的pH均在6～9，符合我国地表水环境质量标准中I类水体的标准；CODMn的超标率为7%；CODCr的超标率为10%，以荆州河口断面为最高；TP超标率为23%，以马渡河和荆州河口断面最高；TN超标率为90%，NH3-N超标率为13%，均以白石港和两河口断面为较高；As则未超标。因此，该流域污染最严重的监测因子为TN。各监测断面检测指标的单因子污染指数分析显示（表4），TN单因子污染指数为0.723～4.350，均值为1.472，属Ⅳ类水体，其中TN的最高浓度值出现在荆州河口断面，是Ⅲ类标准值的4.3倍，可见TN超标最为严重的监测断面是荆州河口。整个流域监测因子的污染排序为TN>TP>NH3-N>CODCr>CODMn>As。

2.3 河流水质的综合评价

综合指数分析显示（表4），2015—2016年沮漳河流域各监测断面的综合污染指数的平均值为0.633，整个流域水质在时间和空间序列上呈现较大的变化（图2）。从空间上看，监测断面平均综合污染指数大小排序为荆州河口（0.954）>马渡河（0.623）>两河口（0.622）>白石港（0.574）>铁路大桥（0.531）>淯溪桥（0.491）。6个水质监测断面中，荆州河口的水质最差。水质污染状况在空间分布上呈现沮漳河>沮河>漳河的规律，流域污染程度沿河流的走向呈变重趋势，表现出下游高于上游的特征。这主要是由于上游农业区的污染较轻，而中下游分布有城镇及工业园区。同时由于河流的自净能力有限，上游所排放污染物的累积，使得下游污染情况加重。现场调查资料显示，沮漳河流域沿线19个乡镇中生活废水源排放至沮河的有11个，排放至漳河的有3个，因此沮河水体的污染情况比漳河严重。

从时间分布上看，平均综合污染指数在丰水期最低，而在枯水期最高，水质污染状况呈现枯水期高于丰水期和平水期的特征。这是由于河流在丰水期或平水期水流量大，有效降低了水体污染物的浓度，一定程度降低了污染程度。

3 结论

（1）沮漳河流域主要污染物的排放量在时间分布上均没有显著差异，但在空间分布上CODCr、TP、TN、NH3-N等4类污染物的排放量具有显著差异，其中CODCr污染物以荆州河口断面为最高，TP以马渡河和荆州河口断面较高，TN和NH3-N均以白石港和两河口断面为较高。

（2）沮漳河流域大部分监测指标的单因子指数最低值均出现在丰水期或平水期，而最高值则出现在枯水期。河流的主要污染因子为TN，其中TN超标最为严重的监测断面是荆州河口。

（3）综合污染指数评价显示，沮漳河荆州河口断面水质最差，属于国家地表水环境质量标准的Ⅳ类水体。其他断面水质较好，属国家地表水环境质量标准的 Ⅱ 或 Ⅲ 类标准，达到了《湖北省水污染防治行动计划工作方案》（鄂政发[2016]3号）中对沮漳河宜昌市控制单元的水质目标要求。水质污染状况呈现枯水期高于丰水期和平水期、下游高于上游的特征，这主要与不同河段社会经济发展与污染物的排放状况有关。

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