汀江主干流上杭段水质评价与变化趋势分析

吴坤宗

（龙岩市上杭生态环境局 福建龙岩 364200）

1 研究背景

水环境质量（以下称水质）一直是人民群众广泛关注的话题，直接关系当地经济、社会能否可持续发展。对水质进行科学的评价以及对其变化趋势的分析，可以充分了解河流、湖泊的健康状况和污染情况，提供水质预警，为提前防范和相关政府决策提供重要依据。因此对解决水体污染、保护水资源和社会经济发展具有重要的现实意义。

汀江是上杭的母亲河，发源于武夷山南段东南一侧的宁化县治平乡境内木马山北坡，流经长汀、武平、上杭、永定4 县（区），在永定区峰市镇出境后汇入广东韩江。上杭县位于汀江中段，汀江主干流上杭段河长112 km，集水面积1 091 km2。自长汀县羊牯乡流入上杭境内，流经上杭县10 个乡镇，是上杭沿河群众赖以生存的重要水域。近年来，随着汀江两岸生活的人口增加以及人们对环境质量的要求越来越高，汀江水质的好坏及其变化趋势已经成为社会关注的热点问题之一。本文围绕这一热点问题，基于汀江主干流上杭段近10 年水质监测数据，利用单因子评价法结合内梅罗指数法进行水质分析，通过研究汀江主干流上杭段水质发展规律，为保护汀江提供依据，对未来汀江污染控制和综合治理具有一定现实意义。

2 研究方法、数据来源及处理

2.1 研究方法

目前地表水环境质量评价方法有主成分分析法、聚类分析法、污染指数评价法、模糊评价法、灰色系统法、层次分析法、人工神经网络法等［1］。这些水质评价方法都各有其实用性及优缺点，污染指数评价法中单因子评价法具有简单、直观的特点，而内梅罗指数法是进行综合污染指数计算最常用的方法之一。

（1）单因子评价法。单因子评价法是用最差的单项指标所属类别来确定水体综合水质类别，即用水体各评价因子的监测结果对照该项目的分类标准确定其水质类别［2］。使用该方法可直接了解水质状况与评价标准之间的关系。

单因子污染指数计算公式如式（1）：

式中：Ci为第i 种因子污染指数；Cip为在第P 监测点的实际检测值；Li为第i 种污染因子的标准值（溶解氧根据金士博修正式计算）［3］。

（2）内梅罗指数法。作为典型方法之一，内梅罗指数法是一种兼顾最大值的计权型多因子环境质量指数的评价方法。它的优点是在指数计算过程考虑了污染最严重的因子，在加权过程中避免了主观因素的影响。

内梅罗指数计算公式如式（2）：

式中：PIp为P 监测点的环境综合污染指数；Cipmax为P 监测点的最大单项因子污染指数；Cipave为P 监测点的各单项污染指数的平均值。

内梅罗指数评价法根据所计算出的环境综合污染指数PIp 进行水质类别划分。当某监测点P 所得到的PIp＜0.739 时，说明水质未受到污染，状况较好；当0.739≤PIp＜1 时，水质状况可能受到轻微污染；当1≤PIp＜7.280 时，说明水质已经受到中度污染；当PIp≥7.280 时，说明水质受到了严重污染［4］。

2.2 评价标准

根据珠江流域水污染防治规划和福建省有关水污染防治规划的目标要求,汀江干流上杭段（除上游横滩饮用水源保护区）水质管理目标为Ⅲ类；2016 年11 月原福建省环保厅将上杭县李家坪列入国控监测断面，水质管理目标为Ⅱ类。

2.3 数据来源与处理

本文研究引用的水质数据主要来源于汀江主干流上杭段国控监测断面1 个（李家坪）、省控监测断面3 个（涧头自动站、水西大桥、南蛇渡大桥）2010—2019 年水质监测月数据。这4 个断面覆盖整个上杭段水域，数据具有完备性和水质代表性，因此选择这4 个监测断面作为汀江主干流上杭段水质监测代表断面，监测点位分布见图1。

图1 汀江主干流上杭段国、省控断面监测点位分布图

李家坪、涧头自动站、水西大桥、南蛇渡大桥监测断面2010—2019 年水质监测月数据常规监测因子为水温、pH、溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、生化需氧量、氨氮、总磷、总氮、铜、锌、氟化物、硒、砷、汞、镉、六价铬、铅、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂、硫化物、粪大肠菌群24 个（2019年开始增加电导率），经常未检出的因子有铜、锌、硒、砷、汞、镉、六价铬、铅、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂、硫化物等13 个。根据《地表水环境质量评价办法（试行）》，对4个监测断面月监测数据按年度算术平均处理，评价李家坪、涧头自动站、水西大桥、南蛇渡大桥监测断面水质年度结果及年际变化特征。

3 汀江主干流上杭段水质分析与评价

3.1 汀江主干流上杭段年际变化特征

根据4 个监测断面2010—2019 年水质监测年平均数据，采用单因子评价法对2010—2019 年4 个断面水质进行年度评价，评价结果见表1。

表1 2010—2019 年汀江主干流上杭段水质单因子评价结果

评价结果表明：4 个断面2010 年Ⅱ类水占比25%；Ⅲ类水占比75%；2019 年Ⅱ类水占比100%，水质状况于2018—2019年稳定为Ⅱ类。其中，涧头自动站断面水质2010 年、2013—2017 年间为Ⅲ类，总体趋势好转，于2018—2019 年稳定为Ⅱ类；水西大桥断面水质10 年间除2014 年变为Ⅲ类，其余年间均稳定在Ⅱ类；李家坪断面水质在2010 年为Ⅲ类，2011 年转为Ⅱ类后趋于稳定；南蛇渡大桥断面水质情况较为复杂，2010年和2015 年为Ⅲ类，2012 年出现一次Ⅳ类水质，其余年份均为Ⅱ类。总体而言，汀江主干流上杭段除2010 年、2014 年、2015 年为良好外，其他年份水质状况为优。

10 年来4 个断面总体水质趋于向好，仅出现一次Ⅳ类水质，即为2012 年南蛇渡大桥断面，主要原因是2012 年9 月生化需氧量20.5 mg/L，年平均5.1 mg/L，排查的主要原因是水体出现富营养化。涧头水质自动站断面出现Ⅲ类水质6 次，影响水质类别的因子为总磷、氨氮、化学需氧量（总磷影响5 次）。水西大桥断面出现Ⅲ类水质1 次，影响水质类别的因子为总磷、化学需氧量。李家坪断面出现Ⅲ类水质1 次，影响水质类别的因子为氨氮。南蛇渡大桥出现Ⅲ类水质2 次，Ⅳ类水质1次，影响水质类别的因子为总磷、生化需氧量、化学需氧量。

3.2 汀江主干流上杭段铜因子分析

紫金矿业集团股份有限公司紫金山铜矿湿法厂位于汀江上游，其产生的含铜废水对汀江造成一定影响，尤其紫金矿业“7.3”事件（2010 年）汀江局部水域受到严重污染，水质情况受各方关注。本文重点对铜矿湿法厂废水中主要污染物因子铜因子采用原子吸收分光光度法（石墨炉）进行分析，采用的分光光度法2010—2018 年检出限为0.010 mg/L，2019 年5 月在更换检测设备后检出限为0.001 mg/L。对2010—2019 年汀江主干流上杭段4 个断面铜监测因子进行统计（2010 年未采用应急监测数据），结果见表2。

由表2 的统计结果的变化趋势表明：10 年中4 个断面铜检 测 因 子2011 年、2013 年、2014 年、2015 年、2016 年、2017年、2018 年等7 年均未检出（≤0.010 mg/L），只有2010 年、2012 年、2019 年存在检出情况；2010 年、2012 年铜出现检出年均最高浓度为0.014 mg/L，2019 年4 个断面铜年均浓度均为0.003 mg/L；4 个断面的铜在2013 年之后呈下降趋势，尽管在2019 年设备检出限提升为0.001 mg/L 后，铜因子的浓度仍然处于低值水平。综上所述，紫金矿业“7.3”事件（2010 年）后汀江主干流上杭段铜浓度处于低水平，基本能达到I 类水质标准，未出现浓度上升情况。

表2 2010—2019 年汀江主干流上杭段4 个断面铜检测情况 单位：mg／L

3.3 汀江主干流上杭段水质污染指数

评价指标过多，不仅增加评价工作量，也会掩盖重要水质特征。在计算污染指数前，首先要对因子进行筛选。单因子污染指数直观体现出造成水质污染的主要因子［5］，除水温、总氮（河流）、粪大肠菌群（无标准）外，对存在可检出的8 个因子计算2019 年汀江主干流上杭段4 个断面单因子污染指数（Ⅱ类水标准），结果见表3。从表3 可以看出：4 个断面污染指数排名前三因子均为总磷、化学需氧量、高锰酸盐指数,表明当前汀江主干流上杭段主要污染因子为总磷、化学需氧量、高锰酸盐指数。

表3 2019 年汀江主干流上杭段4 个断面单因子污染指数

水质评价因子选取遵循3 个原则［6］：①选取相对污染程度较高的因子，污染程度以污染指数大小确定;②选取因子应包括超标因子和最差因子;③选取因子间不应存在强相关性，以避免反映信息的重叠。上述水质分析中存在超标的因子有总磷、氨氮、化学需氧量、生化需氧量。考虑到比较清洁的水体高锰酸盐指数和化学需氧量之间相关性比较显著［7］以及高锰酸盐指数无超标情况，选择化学需氧量为评价因子后剔除高锰酸盐指数。结合汀江主干流上杭段氟化物浓度近几年来有所增加的特点，选择化学需氧量、生化需氧量、氨氮、总磷、氟化物5 个代表性污染因子计算内梅罗指数。用内梅罗指数法（Ⅲ类水标准）计算的2010—2019 年汀江主干流上杭段环境综合污染指数结果见表4。对应的图2 为环境综合污染指数趋势图。

表4 2010—2019 年汀江主干流上杭段环境综合污染指数

图2 汀江主干流上杭段环境综合污染指数趋势图

分析表明：涧头自动站、水西大桥、李家坪3 个断面内环境综合污染指数10 年均小于0.739，说明水质未受到污染，状况较好。南蛇渡大桥断面2010 年、2012 年、2015 年环境综合污染指数大于0.739 但小于1，水质可能受到轻微污染；其他年度水质未受到污染，状况较好。4 个断面环境综合污染指数2014 年、2015 年达到波峰后出现下降趋势。上杭县政府2013年开始大力开展流域水环境综合整治工作，成效明显。

4 汀江主干流上杭段水质污染变化趋势分析

4.1 污染变化趋势分析方法简介

（1）秩相关系数法。使用《地表水环境质量评价办法（试行）》 污染变化趋势的定量分析方法秩相关系数法，用Daniel的趋势检验衡量环境污染变化。

统计检验用的秩相关系数计算公式如式（3）和式（4）：式中：di为变量Xi与Yi的差值；Xi为周期I 到周期N 按浓度值从小到大排列的序号；Yi为按时间排列的序号。将秩相关系数rs的绝对值同spearman 秩相关系数的临界值Wp进行比较。当|rs|＞Wp表明变化趋势有显著意义；如果rs是负值，表明在评价时段内有关统计量指标变化呈下降趋势或好转趋势；如果rs为正值，表明在评价时段内有关统计量指标变化呈上升趋势或加重趋势。当|rs|≤Wp表明变化趋势没有显著意义,说明在评价时段内水质变化稳定或平稳。查spearman 秩相关系数统计表，在0.05 的显著水平(单侧检验)下，N=5 时，临界值Wp为0.900；N=6 时，临界值Wp为0.829；N=10 时，临 界值Wp为0.564。

（2）Excel 编程计算秩相关系数法。根据黄卫［8］、刘宏燕［9］介绍的Excel 编程计算秩相关系数法，将原始数据列入Excel中，在Excel 中利用数据重新排列函数SMALL，数据位置排位函数RANK，找到变量Xi与Yi，计算di，进而计算出秩相关系数rs。

4.2 汀江主干流上杭段环境综合污染指数变化趋势

采用秩相关系数法分析2010—2019 年（N=10）汀江主干流上杭段环境综合污染指数变化趋势，计算结果见表5。从表5 中可以看出：4 个断面环境综合污染指数秩相关系数rs均为负值，说明污染指数呈下降趋势，只有李家坪呈现显著意义，李家坪断面水质改善明显；南蛇渡大桥秩相关系数rs接近临界值Wp。由此可见，下游2 个断面水质改善情况明显好于上游2 个断面。

表5 汀江主干流上杭段环境综合污染指数秩相关系数

4.3 汀江主干流上杭段监测因子测值变化趋势

采用秩相关系数法分析汀江主干流上杭段4 个断面11个检出监测因子，2010—2019 年年均测值变化趋势计算结果见表6。从表6 中可以看出：4 个断面化学需氧量、生化需氧量、氨氮、粪大肠菌群年均测值秩相关系数rs均为负值，4 项因子年均浓度呈下降趋势，但只有李家坪断面化学需氧量、氨氮以及涧头自动站粪大肠菌群下降趋势有显著意义；另外南蛇渡大桥断面总磷下降趋势有显著意义。

表6 汀江主干流上杭段4 个断面监测因子测值秩相关系数

综上，4 个断面pH、总氮、氟化物年均测值秩相关系数rs均为正值，pH、总氮、氟化物3 项监测因子年均浓度呈上升趋势，但pH、总氮上升趋势无显著意义；除李家坪外其他3 个断面氟化物上升趋势均有显著意义。

5 结论

本文采用单因子评价法结合内梅罗指数法对福建省境内汀江主干流上杭段2010—2019 年水质进行分析、评价，并采用秩相关系数法分析环境综合污染指数及监测因子变化趋势，研究结果表明：

（1）汀江主干流上杭段除2010 年、2014 年、2015 年为良好外，其他年份水质状况为优。汀江主干流上杭段4 个断面除南蛇渡大桥2010 年、2012 年、2015 年水质可能受到轻微污染外，其他断面、其他年度水质状况较好。

（2）紫金矿业“7.3”事件（2010 年）后汀江主干流上杭段铜浓度处于低水平，基本能达到I 类水质标准，未出现浓度上升情况。

（3）当前汀江主干流上杭段主要污染因子为总磷、化学需氧量、高锰酸盐指数。涧头自动站、水西大桥、李家坪3 个断面内水质未受到污染，状况较好。南蛇渡大桥断面在2010 年、2012 年、2015 年期间水质可能受到轻微污染，其他年度水质未受到污染，状况较好。

（4）4 个断面环境综合污染指数呈下降趋势，但只有李家坪断面水质改善明显，下游2 个断面（李家坪、南蛇渡大桥）水质改善情况明显好于上游2 个断面（涧头自动站、水西大桥）。

（5）汀江主干流上杭段氟化物年均浓度呈上升趋势，而且涧头自动站、水西大桥断面、南蛇渡大桥断面3 个断面氟化物上升趋势有显著意义，需要引起警惕，待进一步调查和研究，查找相关原因。