大别山西段罗山县水环境特征及其影响因素分析

黄锦彦， 李新， 吴丰， 罗敏玄， 杨涛， 胡庚辛

（中国地质调查局长沙自然资源综合调查中心,湖南 长沙 410600）

0 引言

随着我国经济的快速发展，工业废水、生活污水排放量也迅速增加，农药、化肥大量施用和畜禽养殖污染等都会通过地表径流和淋滤入渗等方式对地表水和地下水造成一定程度的污染，导致水生态环境恶化，并产生水安全问题[1-3]。因此，水体环境质量评价一直受到国内外学者的广泛关注[4-12]。

大别山区作为国家级生态水源涵养功能区，研究其水环境质量及特征具有重要意义。目前，地方政府多用单因子指数法来判断、评价水质，且水质监测断面较少，如《罗山县2019年水资源公报》就利用单因子指数法对7个水功能区水质进行分析。该方法只能够简单、直观地反映出水质等级及污染物，没有区分多种污染因子的综合效应和空间分析，对影响水环境质量的自然条件因素及耦合关系没有进一步研究。本文以罗山县为例，结合水功能区划，采用综合指数法，对区域水环境特征及土质污染因素进行了调查研究，以期为研究区水污染防治和水源涵养功能保护修复提供基础数据支撑。

1 研究区水功能区划概况

罗山县位于大别山西北麓，淮河南岸，面积2 077 km2，属亚热带向暖温带过渡季风性气候，地形为南高北低、由西南向东北倾斜； 地貌分带明显，由南至北依次为低山丘陵、黄土垄岗、沿河平原，土地构成比例大致为“五山一水四分田”，是中国典型的南北生态交错地带。县内淮河、浉河、竹竿河和小潢河总体自西南向东北流过（图1），年平均水资源总量为34.62×108m3。淮河过罗山县境内全长46 km，境内流域面积为2 044 km2，占全县总面积的98%； 浉河为淮河干流上游右岸支流，县域内河道长26 km，流域控制面积约306 km2； 竹竿河为淮河干流上游右岸支流，县域内河长约86 km，流域控制面积约1 700 km2； 小潢河为竹竿河左岸支流，发源于河南省罗山县西南的灵山，河道全长 98 km，流域面积796 km2。境内有石山口水库、界牌水库、小龙山水库等大小水库140余座，水量充足，分布均匀，可满足全县工业、农业和城市居民生活用水。

根据2017年信阳市水利局发布的《水资源质量状况通报》，罗山县范围内共计有7个水功能区，包括一级水功能区3个（保护区1个，保留区2个），二级水功能区4个（饮用水源区1个，农业用水区2个，排污控制区1个）。

2 材料和方法

2.1 样品采集与测定

2020年10月，在罗山县境内4条主要河流断面采集了99个水质检测样本，其中河流点50个、湖泊（水库）点49个。采样点位分散布设，覆盖全区主要水系和各个水功能区。水样的采集和保存按《GB/T F5750.F2F—2006生活饮用水标准检验方法》执行。

2.2 水质指标及检测方法

根据县区的水环境特点，选取pH值、化学需氧量（COD）、溶解氧（DO）、氨氮、总氮、总磷、铜（Cu）、氟化物（F-）共8种指标进行了水质分析，选用《GB 3838—2002地表水环境质量标准》[13]的Ⅲ类标准作为水质评价标准限值。除溶解氧使用便携式水质分析仪现场测定外,其他指标分析测试委托湖南省地质测试研究院完成，采用电感耦合等离子体质谱法、离子色谱法、玻璃电极法、容量法和比色法等分析方法（表1）。

表1 水质分析方法

2.3 评价方法

在单因子分析的基础上，选取等权重综合污染指数评价各水体的相对污染程度，即采用各水质指标的实测值与其评价标准之比，作为单项污染指数（Pi），然后通过等权重平均得到一个综合污染指数（P）。本文采用的单项污染指数有非溶解氧指标、溶解氧指标和pH值的污染指数。

非溶解氧指标的污染指数表达式为

式中:Pi为污染物i的污染指数；Ci为污染物i的实测浓度值；Coi为污染物i的评价标准值。

溶解氧的单项污染指数表达式为

式中:P（DO）为溶解氧的污染指数；C（DO）为溶解氧的实测浓度值；Co（DO）为溶解氧的评价标准值。

pH值的单项污染指数表达式为

式中:P（pH）表示pH的污染指数； pHi表示pH的实测值；pHsd表示评价标准中pH的下限值； pHsu表示评价标准中pH的上限值。

综合污染指数的表达式为

式中:P为水体的综合污染指数;n为参加评价的污染物指标数目;Pi为污染物i的污染指数。

综合污染指数P对应的水质分级为： I级，清洁，P≤0.25; II级，较清洁，0.25

3 结果与分析

3.1 水环境质量特征

3.1.1 水环境的综合指数特征

样品测定结果（表2,图2）表明，研究区水质综合污染指数为0.41，属Ⅲ级轻污染，总体水质一般，与2019年罗山县水资源公报评价结果基本一致。各水质等级样点数大致呈正态分布，曲线峰值出现在较清洁级别，占比37%，其次是清洁和轻污染，均占比23%，中污染和重污染分别占13%和3%。

表2 各样点单因子污染指数和综合污染指数

图2 各样点水质等级分类统计Fig.2 Classification and statistics of water quality grades at various points

从样点类型看，湖泊（水库）综合污染指数为0.42，河流综合污染指数为0.40，数值相近。湖泊（水库）点除总氮指数外，其他指标都高于河流，说明污染物种类更多。湖泊（水库）清洁样点数虽占比34%，但是重污染样点数也达到6%，说明水质存在两极分化; 河流虽然没有重污染样点，但是清洁样点只占12%，轻污染和较清洁样点占比近80%，说明水质变化幅度小。

3.1.2 水环境的单因子特征

大部分样点水质较好，少数中污染点和重污染点超标严重，单点综合污染指数总氮最高值为1.64，是平均综合污染指数的4倍，对总体水质影响较大。各单因子中，污染指数较大的依次是总氮、溶解氧（DO）、pH值，标准差较大的依次是总氮、氨氮、pH值，综合说明总氮和pH值对水质的影响最为明显，是主要污染指标。总氮的污染指数是综合污染指数的3.6倍，远高于其他因子，是首要指标。总磷、铜的污染指数接近0，水体受其污染极其微弱。

3.2 不同水功能区特征

样品检测结果表明（表3），7个水功能区的水质等级均为Ⅲ类清洁、较清洁和轻污染，在Ⅲ类标准中属于中上等级。从综合污染指数来看，水质由好到差排序依次是小潢河饮用水源区、竹竿河保留区、小潢河农业用水区、淮河保留区、小潢河源头保护区、浉河农业用水区、小潢河排污控制区。

根据《GB/T 50594—2010水功能区划分标准》[15]中对各类水功能区的水质要求，2个保留区、1个饮用水源区及2个农业用水区的水质均达到要求，对排污控制区的水质不作要求，而保护区水质劣于目标要求，有改善空间。研究区总体水环境良好。

表3 各个水功能区综合污染指数和水质等级

4 土质污染因素分析

总氮和pH值是区内主要污染指标。99个样本中，总氮重污染点数量占比超过77%，主要分布在西南部的林地区和中部、北部以及东南平原地区的耕地区（图3）。样本pH值范围为5.03～7.73、中值6.69、pH≤7.0的样本占比78%，9个重污染点均为酸性超标，集中在罗山县南部低山丘陵地区（图4）。宏观上看， 土地利用类型、土壤侵蚀应是总氮超标、水体普遍酸化的主要影响因素; 局部来看，石山口水库及下游总氮污染较小，南部地区水质呈强酸性，除了受自然条件影响外，水功能区划作用明显。

图3 总氮重污染点位分布Fig.3 Distribution of TN heavy pollution points

图4 pH值重污染点位分布Fig.4 Distribution of pH heavy pollution points

4.1 土地利用因素

对区内土地利用类型的调查结果见图5、图6。罗山县耕地在中部、北部和东南平原地区大范围分布，占比最大（44%），林地集中在西南部，占比第二（35%）。根据研究，农田地表径流和土壤侵蚀引起的氮素流失，是造成农业面源污染与地表水体富营养化的主要原因，不同土地利用类型土壤全氮含量表现为林地>农地>草地[16]，且河南省耕地土壤酸化趋势明显，酸性和强酸性耕地土壤主要分布在黄褐土和水稻土上[17]。

图5 罗山县土地利用面积占比Fig.5 Proportion of land use area in Luoshan County

图6 罗山县土地利用类型Fig.6 Land use types in Luoshan County

4.2 土壤侵蚀因素

罗山县西南部林地区地表水总氮和pH值超标比例较高。该处位于大别山腹地，属低山丘陵地带，地形起伏较大，土壤侵蚀现象最为突出（图7）。土壤类型多为黄棕壤性土（图8），呈强酸性，全氮含量为0.9～1.5 g/kg[18]，略高于平均值。大量黄棕壤性土的流失，成为受纳水体的重要污染源。初步推断酸化土壤侵蚀对地表水总氮和pH值有影响，土壤中的氮肥和酸性物质通过地表径流流入河流、湖泊、水库等水体，造成水体酸化、总氮超标。

图7 罗山县土壤侵蚀等级分布Fig.7 Distribution of soil erosion grade in Luoshan County

图8 罗山县土壤类型Fig.8 Soil types of Luoshan county

4.3 人类活动因素

对比不同水功能区内水质在空间上的变化情况，可以初步反映出人类活动对水环境质量的影响。以小潢河为例： 作为县内主要河流，小潢河自西南向东北贯穿全县，并且包含源头保护区、饮用水源区、排污控制区、农业用水区4个不同类别水功能区，其综合污染指数分别是0.42、0.21、0.5和0.38，充分体现出水质变化与用水功能区密切相关。

小潢河源头保护区属小潢河上游，位于罗山县南部低山丘陵地区，为石山口水库上游水系主要发源地。该区属于董寨国家级自然保护区范围（图9），水资源开发利用程度较低，人类活动影响相对较小，其水质等级为Ⅲ级轻污染（综合污染指数P=0.42），推断主要是受自然因素如土壤本底值高、土壤侵蚀等影响。

图9 不同水功能区的样点水质等级Fig.9 Water quality grades of sample points in different water functional areas

小潢河饮用水源区位于石山口水库下游，罗山县主城区上游，为饮用水源地一级保护区，是区内唯一的I级清洁级别水质（综合污染指数P=0.21）。该区水体受重视和保护程度高，监管力度大，污染较小，水质好。

小潢河排污控制区贯穿罗山县主城区，人口相对密集，生产、生活废污水排放集中，对水质的影响较大（综合污染指数P=0.5），水质为轻污染的上限，接近中污染。

小潢河农业用水区位于小潢河下游，上游连接小潢河排污控制区，远离主城区后，水质呈向好趋势，为II级较清洁水质（综合污染指数P=0.38）。

从小潢河上游到下游，受自然和人为因素的综合影响，各水功能区水质变化较大，空间特异性明显。

5 结论

（1）罗山县水质总体一般，综合污染指数 0.41，为Ⅲ级轻污染，少数中污染点和重污染点超标严重。总氮和pH值对水质的影响最为明显，是主要污染物。总磷、铜的污染指数接近0，水体受其污染极其微弱。湖泊（水库）与河流的污染指数相近，水质差别不大，但河流的总氮污染更严重，湖泊（水库）的污染物更多，且水质两极分化更明显。

（2）罗山县中部、北部和东南部耕地区土壤中的污染物通过农田地表径流造成水体酸化、总氮超标; 西南部林地区黄棕壤性土的土壤侵蚀是该处pH值集中酸性超标，总氮、总磷污染情况两极分化的主要原因。因此，在小流域尺度，水体污染与土地利用类型、土壤侵蚀程度以及土壤类型等土壤环境联系密切。

（3）7个水功能区中有5个水质达标，小潢河饮用水源区水质最好，小潢河排污控制区水质最差，小潢河源头保护区水质有改善空间，水环境总体良好。从小潢河上游到下游，各水功能区水质变化较大，空间特异性明显，局部水质受自然原因和人为保护因素的综合影响。

致谢:论文撰写过程中得到了中国地质调查局长沙自然资源综合调查中心董好刚教授级高级工程师和中国地质调查局南京地质调查中心刘红樱研究员的精心指导，在此致以诚挚的感谢。