2014-2017年赣江上游稀土矿区典型流域水质污染变化及成因

许燕颖, 邹杰平, 刘友存,2, 陈 明,2, 曾金凤, 刘正芳, 李 奇,5

(1.江西理工大学 资源与环境工程学院, 江西 赣州 341000; 2.江西省矿冶环境污染控制重点实验室,江西 赣州 341000; 3.江西理工大学 土木与测绘工程学院, 江西 赣州 341000;4.江西省赣州市水文局, 江西 赣州 341000; 5.江西环境工程职业学院 生态建设与环境保护学院, 江西 赣州341000)

中国南方地区尤其是长江流域的水环境问题一直是中国社会关注的焦点[1]。赣江作为长江的重要支流，其上游地区的离子型稀土储量约占全球总量的30%以上。硫酸铵作为主要浸矿剂，长期以来一直用于离子型稀土矿的开采，然而原地浸矿导致大量硫酸铵浸矿剂残存于稀土尾矿体土壤中，这些硫酸铵在降水的淋洗和水土流失的双重作用下进入河道，加之流域内广泛分布的畜禽养殖和特色果业种植引起的畜禽粪便和农药化肥等污染也在渗浸作用下进入河道，形成了强酸性和高氨氮浓度这一独特的赣江上游稀土矿区水环境特征[2-3]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

桃江流域位于江西省赣州市南部，发源于赣粤交界的九连山脉东北坡，是赣江重要的二级支流，介于24°28′—25°53′N和114°11′—115°19′E之间，流向为北偏东，流域范围涵盖赣南的龙南县、定南县、全南县、信丰县、赣县5个县的大部分区域，流域总面积约8 440 km2，在赣州市赣县区汇入贡江[14-15](图1)。通过泰森多边形法分析2014—2017年桃江流域27个水文站点测得的逐日降水量可知，区域内为典型的亚热带湿润季风气候区，年均降水量2 363.65 mm，且年际变化较大，丰水年与枯水年交替出现，年内差异显著(图2)；流域可划分为平水期(8—11月)、枯水期(12月至翌年3月)和丰水期(4—7月)[16-17]。

图1 桃江流域水系分布与监测断面位置

图2 2014-2017年赣江上游年际和年内降雨状况

据2017年《赣州市年统计年鉴》显示，流域内5个县的总人口数约为2.14×106人，单一稀土金属产品产量9 530余t，稀有稀土金属矿产品产量为4 157 t，锰矿石原矿34 168 t[18]。同年，《定南统计年鉴》显示，仅定南县岭北镇337.14 km2的范围内，就分布有甲子背等30多座稀土矿，且迄今已开采20余年[19]。桃江流域内利税总额排名前10的企业均出自矿业类企业，稀土矿业、有色金属矿业、钨矿业为该流域的工业主导产业。

1.2 数据来源

矿石开采不可避免的导致废石、尾砂大量积存，废水大量排放，这些废石、废水、尾矿中残存的污染物，在降水的淋洗和水土流失的双重作用下进入河道。本文根据江西省赣州市水文局2014—2017年对沿桃江流域自上而下的南迳、黄龙桥、天龙、龙南水厂、峡江口、龙头滩、江口、李屋场、信丰、五羊等10个水质监测断面的实测水质资料，选取了监测数据较为完整，同时可表征水体酸碱度的pH值，衡量水体自净能力的溶解氧，反映水中有机和无机可氧化污染物的高锰酸盐指数，反映水中有机污染物质数量的5 d生化需氧量，工业废水中的主要耗氧污染物氨氮，以及反映生活污水、化肥农药污染的总磷等6种水质指标，分析桃江流域水质的时空分布特征及驱动因素。

1.3 研究方法

1.3.1 描述性统计分析 对水质指标进行描述性统计分析，通过计算3个水文时期各种水质指标的平均值、最大最小值、变异系数等，探究区域内各检测断面水质分布现状及时空差异[20]。

1.3.2 水污染指数法 水污染指数法参考单因子评价法[21]，依据GB 3838-2002水质标准，选取污染最严重的水质指标作为判定水质类别的依据，不仅可将水质污染情况量化，而且能准确反映水质的时空变化特征，进而了解总体变化情况和发展趋势，适用于中国湿润半湿润地区的河流和湖泊水质评价(见表1)。

表1 GB 3838-2002水质标准及对应的水污染指数(WPI)

pH值(属于无量纲值)的WPI计算方法：当6

当溶解氧(DO)浓度大于7.5 mg/L时，WPI=20；当2≤DO≤7.5 mg/L时，WPI值计算公式如下：

〔Cl(i)-C(i)〕

(1)

当水质参数浓度未超过Ⅴ类标准时，WPI值用下式计算：

〔C(i)-Cl(i)〕

(2)

当水质参数浓度超过Ⅴ类标准时，WPI值使用下式计算：

(3)

根据各单项指标的WPI(i)，取其最高值为该断面的水质污染指数，即：

WPI=max〔WPI(i)〕

(4)

式中：C(i)为第i个水质指标的实测值；Cl(i)，Ch(i)和C5(i)分别为第i个水质指标在GB3838-2002中所在类别标准的下限值、上限值和Ⅴ类标准限值;WPIl(i)和WPIh(i)分别为第i个水质指标所在类别标准下限值和上限值所对应的污染指数；WPI(i)为第i个水质指标所在类别对应的污染指数。

1.3.3 相关性分析 Pearson相关系数是描述两个随机变量要素线性相关程度的统计量，本文中用来研究水质指标之间的相关性，并借助其相关性程度来解析水体污染物的主要来源和不同污染物之间的相互关系[22-23]。

2 结果与分析

2.1 水质指标统计学特征

表2是2014—2017年桃江流域各监测站水质参数统计结果。由表2可知，桃江流域河水的pH值在时间上较为稳定，而在空间上存在差异，pH值最低为6.0，最高为8.3。3个时期的溶解氧平均含量都满足Ⅱ类水质标准，但最低值2.8 mg/L，超过了Ⅳ类水质标准。氧气在水中的溶解情况主要与温度有关，呈显著的负相关。在水温较低的枯水期溶解氧平均含量7.39 mg/L，明显高于丰水期和平水期[24]。

表2 桃江流域水质参数统计特征

氨氮和总磷平均含量则随降水量增加而降低。变异系数是标准差与其平均值的比值[25]，它可以反映不同水质参数空间分布的离散程度，CV<0.1为弱变异，0.1≤CV<1为中度变异，CV≥1为强变异。

2.2 水质指标时空分布特征

图3显示了研究期内桃江流域9个监测断面(除龙南水厂断面外，因为其在2015年才开展监测)各项水质指标在时空尺度的变化特征。时间上，桃江流域水质总体达标，除氨氮外，其余单项水质指标的含量在研究时段内均满足Ⅱ类水质标准。其中，桃江流域水体的pH在时间上变化不大，而空间上存在较大差异；溶解氧的浓度集中分布在Ⅰ—Ⅱ类水质标准之间，明显增高的月份为2014年2月、2015年1月，明显降低的月份为2017年7月，这是由于溶解氧与温度呈显著的负相关，温度变化对溶解氧含量影响较大；5 d生化需氧量和高锰酸盐指数在监测时段内均未超出Ⅱ类水质标准，说明流域水体中的有机污染物含量较稳定；丰水期(4—7月)降水增加，氨氮浓度也随之下降(2016年最为明显)，表明降水可对流域水质状况产生影响。空间上，天龙、李屋场断面各项指标与其他断面相比都具优势，表明水质最好。峡江口、龙头滩、江口3个监测断面河水pH值较小，氨氮含量总体上也高于其他监测断面，部分月份达到劣Ⅴ类标准，污染异常严重。

注：纵坐标上的数字1—9为不同监测断面，分别为1南迳，2黄龙桥，3天龙，4峡江口，5龙头滩，6江口，7李屋场，8信丰，9五羊。

2.3 基于水污染指数法的评价结果

基于研究区2014—2017年10个监测断面(其中龙南水厂断面从2015年1月起监测)获得的468组水质数据，运用水污染指数法(WPI)对桃江流域各监测断面的水质污染状况进行评估。基于WPI评估结果，根据每个水文时期的4个月份WPI平均值确定2015—2017年枯水期、平水期、丰水期的WPI值，并用ArcMap软件进行空间插值，绘制2015—2017年桃江流域水质的空间变化图(图4)。

由图4可知，2017年枯水期和丰水期的水质整体上优于前两年、2016年全年的水质都比2015年、2017年差，且该年枯水期的水质最差，这说明水质状况易受降雨的影响。空间上，流域内水质空间变化较大，龙头滩断面位于桃江中上游，是主要的离子型稀土矿生产区，水质状况最差。江口位于龙头滩断面下游，受到龙头滩污染物迁移的影响，大部分月份的水质超过Ⅳ类，水质较差。峡江口位于龙头滩断面上游，水质状况在时间上波动较大，受降雨过程的影响较大，部分月份水质为劣Ⅴ类。信丰等其余7个断面的水质状况相近，根据监测断面的地理位置，相对于龙头滩而言，7个监测断面中，南迳、黄龙大桥、天龙和龙南水厂断面位于其上游，李屋场、信丰和五羊断面则位于其下游，即与龙头滩监测断面距离相近的断面水质状况呈现明显的相似性，而该断面的上游是流域主要的稀土矿区所在地，说明稀土矿的开采对流域水质状况产生了较大的影响，且随着距离变远，污染物质在河流中收到了一定程度的稀释作用。

图4 2015-2017年桃江流域水质的空间变化特征

总结各水质类别的断面情况，见图5，在检测期间，流域水质均未达到I类，大部分断面为Ⅱ类(55%)和Ⅲ类(29%)。枯水期Ⅴ类和劣Ⅴ类水的断面所占比例最高，而丰水期降雨增加导致地表水径流量急剧增加，污染物浓度降低，全河段的水质总体趋好，以上结论与前述水质指标的分析结果相吻合。

图5 2014-2017年桃江流域各水质类别断面比例

2.4 WPI与各项水质指标的相关性分析

桃江流域是中国主要的离子型稀土矿区和赣南脐橙产区，区域内工农业和采矿活动频繁，污染物来源众多，表3是水质污染指数与各项水质指标相关性分析结果，一般而言，若两元素间相关性显著或者极显著，则说明两元素间具有同源性[28]。氨氮、pH值、溶解氧、高锰酸盐指数这几个指标具有显著的相关性，说明这几个指标可能具有同一来源，而与氨氮的相关性最为明显，在3个水文时期相关性系数都>0.94，说明氨氮含量是桃江流域水质最主要的影响因子。同时，依据平水期和丰水期各水质指标间的相关性程度明显高于枯水期，可知降水对污染物的冲刷、稀释和运移作用对水质指标间的关联有强化作用。

表3 2014-2017年桃江流域水质污染指数与各项水质指标相关性分析

3 讨 论

水质恶化是多方面影响的共同结果，桃江流域水质受自然降水和人为污染物排放的共同影响，结合流域相关产业及污染源分布，可知农业发展、工业企业大量增加、稀土资源开发和水体生态环境破坏等都是导致河流断面水质变化的原因。

3.1.1 农业发展导致的水污染 桃江流域人口密集，劳动力资源丰富，气候为亚热带季风气候，土壤主要是红壤或棕红壤，适宜发展种植业，拥有脐橙、柑橘和板栗等特色经济作物，优越的自然资源和气候条件使流域周边地区具备发展农业的先天优势。流域内的土地利用方式以林地和耕地为主，当地居民大多从事以种植业(蔬菜种植、林下产业等)和养殖业(生猪产业)为主的第一产业。种植业生产过程中不合理施用化肥、农药喷洒、污水灌溉等使污染物在农田土壤中积累，随降水的径流和渗流进入地表水和地下水；养殖业对河流水体的污染主要源于禽畜尿液、冲洗场地的污水、雨水冲刷粪堆，畜禽粪便直接还田时使用不当或连续过量使用等，极易导致硝酸盐、磷等重金属的沉积，污染地表水和地下水。

近年来，流域周边的畜禽养殖户大量增加，2015年的统计数据显示，仅龙南县规模以上畜禽养殖户就有30家，规模以下畜禽养殖户有377家，规模以下的畜禽养殖户即以家庭为生产单位经营的养殖户，分布分散，政府难于监管，这些经营者一般不会建设污水处理设施，养殖中产生的污染物基本上直接排入河流中，造成水体污染。

3.1.2 工业发展与生态环境破坏导致的水污染 桃江流域稀土资源丰富，稀土矿业是桃江流域工业主导产业，稀土开采采用原地浸矿的方法，受制于地浸的局限性，浸出液不能完全抽出，无法抽出的浸出液遗留在山体中，通过土壤渗流或雨水冲刷直接进入到河道中，导致河流的氨氮浓度严重超标，直接威胁着流域的生态环境和水体安全。近年来，大批的企业公司进驻桃江流域，也导致流域内的工业废水排放量逐年增加，即使企业废水是在达标情况下排放的，但由于累计效应，对河流也存在一定的污染，废水排放量越大，河流污染越严重，当污染物超出水体环境容量时，会导致水生动、植物死亡，藻类植物大量生长，造成水体富营养化。

4 结 论

(1) 桃江流域不同监测断面的各水质指标在3个水文时期含量都存在差异，且以氨氮含量的时空差异最为明显，表明流域水质状况与人类生产活动(稀土矿山开采、农业活动等)密切相关，同时，降水量与各项水质指标含量也存在联系，总体上与高锰酸盐指数和BOD5含量成正比，与氨氮和总磷的含量成反比。

(2) 水污染指数评价结果显示，大部分监测断面的水质类别为Ⅱ类和Ⅲ类，所占比例分别为55%和29%，龙头滩和江口监测断面附近由于分布着密集的采矿点，水质污染状况几年来在桃江流域都最为严重，而这两个断面的上游及下游的各监测断面氨氮含量逐渐降低，污染程度减轻，验证了采矿点对流域水质的不良影响，同时，丰水期水质优于枯水期也表明降水对水质状况具有一定的调节作用。

(3) 水质指标的相关性分析结果表明，桃江流域水质受自然降水和人为污染物排放的共同影响，氨氮作为影响桃江流域水质的最主要因素，其来源包括各类农业活动和以稀土采选为主的各种工业活动。