贾鲁河郑州段水质评价和污染源解析

刘修英，黄功学，郑志宏，高镜清，朱崇梅

(1.河南水利与环境职业学院，河南 郑州 450008； 2.河南省湖库水生态环境保护与修复工程实验室，河南 郑州 450008； 3.郑州大学生态与环境学院，河南 郑州 450001)

水质评价和污染源解析是河流有效管理和污染防治的基础工作[1]。在常见的水质评价方法中，单因子评价法不能反映水体综合情况，污染指数法不能评出水质类别，模糊数学法、灰色系统评价法、层次分析法、神经网络法对劣Ⅴ类水质评价结论偏保守[2]。综合水质标识指数法能对Ⅰ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水做出合理的定性和定量评价，在我国水环境研究中常用于综合水质及水质时空变化评价[3-5]。因子分析可将多个水质指标转化为几个综合因子，避免信息损失，还可根据研究区域因子载荷得分识别污染因子的空间分布规律[6]，自此广泛应用于国内外水环境污染源解析[7-8]。

1 研究区概况

贾鲁河郑州段位于郑州贾鲁河水系(图1)，介于东经113°34′24″～114°06′33″、北纬34°40′53″～34°41′32″之间，包括贾鲁河干流、常庄水库、索须河、七里河。贾鲁河属于淮河二级支流，发源于河南省新密市，由郑州市西南部蜿蜒而下，从中牟县出郑州，至周口市汇入沙颍河。贾鲁河郑州段长137 km，流域面积2 750 km2。郑州市城区河流皆为贾鲁河支流，常庄水库位于贾鲁河支流贾峪河的中下游，七里河和索须河是贾鲁河郑州段两个最大支流。根据

图1 郑州贾鲁河水系及采样点分布

《河南省水环境功能区划》(豫环2006)，贾鲁河郑州段划分为3段：上段为水源至尖岗水库出口，为Ⅱ类水质；中段尖岗水库出口至西流湖南阳坝，为Ⅲ类水质；下段南阳坝至郭辛庄，为Ⅳ类水质。贾鲁河源头泉水早已干枯，在西流湖以下沿途接收郑州市排水为水源。2014—2016年，郑州实施了水生态文明建设试点工程，对城区大部分河道进行了截污和清淤，并向贾鲁河水系间歇式引入黄河水[18]，贾鲁河的水质有所改善，但距离郑州市规划的“水清岸绿、鸟鸣鱼戏、人水和谐”的景观河流目标还差很远。

2 研究方法

2.1 采样点布设

根据SL219—2013《水环境监测规范》和《河南省水环境功能区划》(豫环2006)，在郑州贾鲁河水系设9个采样点(图1)，其中，贾鲁河干流设6个采样点：尖岗水库(S1)、西流湖南阳坝(S2)、中州大道断面(S3)、郑开大道断面(S4)、中牟水文站断面(S5)、中牟陈桥断面(S6)；支流设3个采样点：常庄水库(CS)、索须河的大河路断面(SD)和七里河的万三公路断面(QW)。S1、CS、S2位于贾鲁河郑州饮用水源区，S3、S4、QW位于贾鲁河郑州排污控制区，S5、S6和SD分别位于贾鲁河郑州中牟农业用水区、贾鲁河中牟排污控制区、荥阳郑州过渡区。

2.2 水样采集与分析方法

水样采集时间为2016年7月8—10日和9月16—18日。水样采集后带回实验室立即分析，当天不能分析的置于4 ℃冰箱保存，待次日分析。7月采样时，杨桥干渠正向贾鲁河输入黄河水。

2.3 综合水质及其时空变化评价方法

水质评价和水质时空变化评价采用综合水质标识指数法，该法以GB 3838—2002《地表水质量标准》和单因子标识指数为基础，综合评价水质级别、功能区目标达标状况、水质时空变化程度。

2.3.1综合水质标识指数计算方法

综合水质标识指数(IWQ)由整数位和3位小数排列构成，结构式为：R1.R2R3R4，其中R1、R2、R3和R4分别表示综合水质级别、水质判断为该等级的隶属度、未达到水环境功能区目标的单因子水质指标个数、综合水质级别劣于水环境功能区划目标几个等级。综合水质级别标识指数G的计算公式[19]为

(1)

其中

2.3.2综合水质级别及其时空变化评价方法

综合水质级别和水质时空变化评价按照表1进行。

表1 水质级别及其时空变化评价标准

水质随时间和空间变化程度分别根据水质时间变化率T和空间变化率S判断，T、S的计算公式[21]为

(4)

(5)

式中：Gt1、Gt2分别为比较时间内起始时刻和终止时刻采样点综合水质级别标识指数；GS1、GS2分别为比较空间内起始断面和终止断面采样点综合水质级别标识指数。

2.4 污染源解析方法

污染源解析采用因子分析法。因子分析从原始变量的相关系数矩阵出发，通过降维找出少数几个不可观测的隐变量(因子)，少量因子通常能揭示出隐含在原始变量之间的内部联系和重要信息，尤其是成因上(污染源)的联系，解释基于获得的旋转因子载荷、旋转特征值和采样点因子得分[22]。因子分析之前原数据经过Z标准化(Z-Score)，以消除不同污染物浓度量程差异的影响[23]。

2.5 数据处理方法

数据处理采用ArcGIS10.5和IBM SPSS Statistic19软件。

3 结果与分析

3.1 采样点污染物质量浓度

7月和9月采样点污染物质量浓度见表2，各污染物质量浓度为3个平行样测定的平均值。

表2 采样点污染物质量浓度

3.2 综合水质级别和水质时空变化评价

3.2.1综合水质级别评价

表3为采样点综合水质评价结果，7月除S1、S4综合水质类别达到水功能区划目标外，其余均超标；9月所有采样点综合水质均超标。9月水质与7月相比，S1、S4、S5分别由Ⅱ类、Ⅳ类、Ⅴ类降为Ⅲ类、Ⅴ类、劣Ⅴ类；S3水质由劣Ⅴ类变为Ⅴ类；S2、CS、S5、S6、SD、QW仍然为劣Ⅴ类，QW仍黑臭。7月采样点综合水质从优到劣顺序为：S1、CS、S4、S2、S5、SD、S3、S6、QW;9月采样点综合水质从优到劣排序为：CS、S1、S2、S4、S3、S5、S6、SD、QW，除了S4外，干流水质从上游到下游逐步恶化，支流水质劣于干流。

表3 采样点综合水质级别评价

3.2.2水质时空变化评价

表4显示，9月水质与7月相比，采样点S1和S4皆明显恶化(|T|>20%)，S3有轻微改善(10%<|T|<20%)，而CS、S2、SD、QW、S5、S6变化不明显(|T|<10%)。尖岗水库(S1)是郑州市反季节调蓄备用水源，因为夏季用水高峰时库水被调用，9月采样时水位比7月下降，加上夏季雨水带来的面源性污染，从而造成9月水质变差。7月采样时贾鲁河采样点S3上游有城中村排水明渠截污施工，9月采样时此排水口未见有水流入贾鲁河，也许造成了9月采样点S3水质比7月的稍微改善。7月采样时位于S4上游杨桥干渠正在向贾鲁河引入黄河水，而9月采样时无此引黄补水，故9月S4水质比7月明显恶化，说明通过杨桥干渠向贾鲁河引黄补水只能当时改变最近受水河段水质。

表4 采样点水质时空变化

选择贾鲁河干流下游采样点S3—S6段分析水质空间变化，原因是上游湖库(S1、S2)平常与贾鲁河下游隔离，CS、SD、QW位于贾鲁河支流，故这5个采样点不参与水质空间变化分析。表4显示，采样点S4水质比S3在7月明显改善(S>20%)，在9月无明显变化(S<10%)。无论7月或9月采样点S5水质比S4的均明显恶化(|S|>20%)；而采样点S6水质比S5的在7月轻微恶化(10%<|S|<20%)，在9月没变化(S=0)。

贾鲁河郑州段为典型基流匮乏型河流，除雨季外，水源主要为6个市政污水处理厂和工业排水，间歇式引黄补水。采样点S3～S4段位于贾鲁河郑州市污染控制区，S3的水源主要有位于郑州市西部的五龙口污水处理厂一级B排水(约10万m3/d)，在S3—S4段先后汇入了污染较重的索须河水、陈三桥污水处理厂一级A排水(约10万m3/d)、马头岗污水处理厂水质较好的排水(约60万m3/d)，各种水源混合后S4水质与S3水质相比一般变化不明显(9月)，但在S3—S4之间杨桥干渠进行引黄补水时(7月)，黄河水的稀释作用使S4比S3水质明显改善。S4—S5段汇入大量七里河黑臭水，其中包括王新庄污水处理厂二级B排水(约40万m3/d)和南三环污水处理厂一级A排水(约10万m3/d)，造成S5的水质比S4的水质无论7月或9月均明显恶化。采样点S5—S6段汇入了中牟县污水处理厂二级B排水(约2.0万m3/d)和少量农村生活污水，因上游黄河引水的稀释作用，7月采样时采样点S5比S6污染稍轻，9月采样二者无明显差别。由此说明，因大量王新庄污水处理厂出水汇入贾鲁河，通过杨桥干渠对贾鲁河进行引黄补水只能改善受水区一段水质，对S5和S6水质影响不明显。

郑州市是水源型缺水和水质型缺水并存的城市[24]，引黄补水是郑州市水系连通不可缺的方法，根据郑州水务局公布数据，郑州每年向贾鲁河水系引黄补水约1.2亿m3。本研究发现，通过杨桥干渠引黄补水不能有效解决贾鲁河出郑州断面的劣Ⅴ类水质问题。建议加强贾鲁河受水区和黄河水源的水质、水量监测，按照贾鲁河目标水质科学计算需水量，合理调配引水量，提高贾鲁河引黄补水的生态效益和经济效益。

3.3 污染来源分析

表5 污染物旋转因子载荷

表6 采样点因子得分

在因子2上得分为正的采样点有SD、S6及7月的S3和QW(表6)，说明这些采样点CODMn与CODCr质量浓度对因子2贡献较大。一般认为CODMn和CODCr与城市化带来的生活污水排放相关[28]。根据郑州市环保局统计，郑州市2016年污水排放CODCr为28 196.94 t，其中生活源、工业源、农业源CODCr分别占总排放量的80.85%、18.38%和0.72%。由于郑州市生活污水和工业污水多经处理排放，且我国污水处理厂CODCr消除率高，推定这4个采样点CODMn和CODCr高主要与某些未处理污水相关。采样点QW上游的王新庄污水处理厂污水溢流入七里河，是造成QW、S6的CODMn与CODCr质量浓度高的主要原因。此外，采样时调查发现：S3上游城中村(7月)，七里河的支流十七里河、S5—S6段中牟县沿河农村都有生活污水直排现象。近几年郑州西部城市化加快，荥阳市城镇人口和工厂增多而污水处理厂建设滞后，造成索河严重污染，索河入索须河口日排污水量约为1.6万m3[29]；但索须河水源还有执行一级A标准的马寨污水处理厂排水和上游水库间歇式下泄，采样点SD总体表现为CODMn和CODCr质量浓度高、TN质量浓度比贾鲁河下游低(表2)，所以SD对因子2方差贡献率最大，在因子1上得分低于平均值。以上分析说明因子2主要与未处理污水有关。

采样点S1、CS、S2、S4在因子1、2上得分为负值(表6)，说明这4个采样点污染物与因子1、2相关程度低于平均值。采样点S1、CS、S2水源主要为黄河水。尖岗水库库形狭长，流域内马寨镇、白寨镇和侯寨乡的工业、畜禽养殖和旅游业发达，水库上游所受面源性污染压力大[30]。常庄水库库区小流域属土质浅山丘陵区，耕地多为坡地或阶田，水土流失、农业施肥和周围村庄等给水库带来面源性污染。多年来，西流湖周围城中村的生活污水直排入湖，湖底积累很深黑色淤泥，采样时尽管已经实施截污工程，不能避免来自城中村的面源性污染随雨水入湖，这些因素导致湖水富营养化，只因为其水源为黄河水，水质比贾鲁河下游好。因此，郑州贾鲁河中上游现在主要为面源性污染和内源性污染。采样点S4水源主要为水质较好的马头岗和陈三桥污水处理厂排水，故无论杨桥干渠有无引黄补水，采样点S4污染物质量浓度在贾鲁河下游最低，从而使其与因子1、2的相关程度低于平均值。

以上分析说明，贾鲁河各控制单元彻底控源截污、上游库区农业面源污染治理、河湖清淤疏浚、市政污水处理厂提标改造是贾鲁河郑州段水质改善的必要措施。

4 结 论

a. 郑州贾鲁河上游水库综合水质为Ⅱ类或Ⅲ类，中游湖泊Ⅳ类，干流下游一般为Ⅳ类～劣Ⅴ类；索须河和七里河水质分别为劣Ⅴ类或劣Ⅴ类并黑臭。9个采样点两次采样中只有7月尖岗水库和郑开大道断面达到水质规划目标，其他全超标。

b. 在无引水情况下，贾鲁河干流水质从上游到下游逐步恶化，支流水质劣于干流；通过杨桥干渠向贾鲁河应急性引黄补水仅当时改善最近受水区河段水质，对贾鲁河出郑州断面水质无明显改变。