综合污染指数评价法在北洛河上的研究应用

张 翔

(黄河流域生态环境监督管理局生态环境监测与科学研究中心，河南 郑州 450004)

北洛河是黄河的二级支流，渭河的一级支流，发源于榆林市定边县西白于山，全长680 km，流域面积26905 km2。经吴旗、富县、白水、澄城、蒲城，在大荔县韦林镇的仓西村汇入渭河。北洛河位于黄土高原典型的丘陵沟壑区，地表植被状况差，受降雨径流影响，暴雨期大量泥沙与污染物进入北洛河水体[1]。同时随着经济社会的发展，流域内企业生产废水、乡镇生活污水排放量逐年增加，由于该地区缺少完善的污水收集处理体系，导致北洛河沿岸水资源短缺、水质污染等问题日益突出。对2014年以来北洛河干流水质监测结果进行评价分析，旨在掌握其水环境状况，为“十四五”期间进一步做好北洛河水环境治理与保护提供基础依据。

1 评价范围与方法

1.1 水质评价范围

根据水利部《全国重要江河湖泊水功能区划(2011—2030年)》，北洛河上共布设5个功能区。本次调查评价从上到下依次选取北洛河吴旗源头水保护区代表断面吴旗、北洛河延安保留区代表断面富县、北洛河延安渭南农业用水区代表断面状头、北洛河大荔农业用水区代表断面北洛河入渭口等4个水功能区代表断面为评价对象。依据2014年以来的北洛河水质监测成果和GB3838—2002《地表水环境质量标准》[2- 3]，从中筛选6项主要评价指标，分别为高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、氟化物等作为本次调查评价的监测因子。

1.2 水质评价方法

1.2.1综合污染指数评价法

常用的河流水质评价方法有很多种，包括单因子指数法、模糊评价法、综合污染指数法、灰色系数评价法、水质标识指数法、层次分析法等，每种评价方法均有其合理性和适用范围，选取不同的评价方法，结果会有不同程度的偏差[4- 5]。单因子指数法是目前水环境影响评价中最常用的方法，优点在于结论清晰明确，计算方法简单，但是该方法为一票否决，在所有评价指标中，只要有一项指标评价结果相对较差，则忽略其余因子的污染评价结果，因而弱化其他因子的作用，该方法不能完全反映水体的整体状况[6]。

水质综合污染指数是对各单项污染指数进行统计，得到表征水体污染程度的评价结果，本方法能够定性反映河流水体综合污染程度。因为综合污染指数结果是一个相对值，只能进行定性评价，采用不同的标准值作为分母，得到的评价数据也是不同的[7- 9]。目前水功能区监督管理办法要求水功能区按照最高水质目标功能实行管理。本次调查评价的断面水功能区目标均为Ⅲ类，因此以GB3838—2002Ⅲ类标准为本次评价衡量标准，见表1。其计算公式如下：

Pi=Ci/Si

(1)

式中，Pi—第i种污染物单项污染指数；Ci—第i种污染物实测浓度，mg/L；Si—第i种污染物环境质量标准，mg/L。

(2)

式中，P—为水质综合污染指数；n—参与评价的污染物种类。

表1 综合污染指数法水质分级标准

1.2.2秩相关系数法

Spearman秩相关系数是一种非参数检验方法，用于衡量2个变量之间关系的强弱，是很多行业在统计分析中广泛采用的方法[10- 11]。其计算公式如下：

(3)

式中，rs—秩相关系数；N—参与评价的时间周期个数；di—变量xi和变量yi的差值。

di=xi-yi

(4)

式中，xi—2014—2019年水质综合污染指数从小到大排列的序号；yi—2014—2019年时间顺序的序号。

将秩相关系数rs的绝对值同Spearman秩相关系数统计表中的临界值Wp进行比较。当N=6时，rs显著性水平0.05的临界值Wp=0.829。

当|rs|>Wp表示变化趋势有显著意义；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；rs是正值，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表示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。

2 北洛河水质变化分析

2.1 沿程变化分析

2014─2019年北洛河水质变化趋势，见表2。

从计算结果上看，北洛河各断面综合污染指数范围为0.45～1.91，其中中度污染9次，占37.5%；重度污染6次，占25%。

从沿程分布上看，富县断面水质状况最好，中度污染占比33.3%；其次为吴旗断面，中度污染占比66.7%；状头断面水质状况最差，重污染占比66.7%。北洛河上游吴旗、富县断面水质明显优于下游河段。说明北洛河延安渭南农业用水区状头沿岸入河污染物的输入，是造成北洛河下游水质污染急剧变化的重要原因。

从时间分布上看，2015年以前北洛河吴旗、富县、状头、北洛河入渭口等4个断面水质污染程度加重，属于中度污染。2015年之后吴旗、富县、状头等3个断面水质呈显著好转趋势，其中状头断面综合污染指数由2015年的1.91重污染水平下降至2019年的0.51轻度污染水平，降幅为73.3%。随着上游来水水质的好转，北洛河入渭口断面水质污染程度逐步下降，其综合污染指数由2017年的1.60重污染降低至2019年的0.64轻度污染，降幅为60.0%。

根据秩相关系数rs的计算结果，吴旗、富县和北洛河入渭口3个断面秩相关系数绝对值均小于Wp，表明2014—2019年水质虽然呈现波动，但是总体变化基本平稳。状头断面秩相关系数显示，自2014年以来其水质污染程度呈下降趋势。

2.2 主要污染指标分析

2014─2019年北洛河水质单项污染指数统计结果，见表3。

表2 2014─2019年北洛河水质变化趋势

表3 2014─2019年北洛河水质单项污染指数统计结果

根据表3北洛河水质单项污染指数统计结果，除化学需氧量和氨氮外，其余监测项目高锰酸盐指数、五日生化需氧量、总磷、氟化物的单项污染指数均值均达标，其中总磷均值最优，Pi为0.41，其次是高锰酸盐指数，Pi为0.63．

化学需氧量被视为衡量水中有机物含量多少的指标，其值越高表明水中有机污染物越多[12]。北洛河化学需氧量单项污染指数均值为1.36，属重度污染；最大值为2015年的2.02，属严重污染。2017年以后，北洛河化学需氧量单项污染指数值逐步降低，2019年为0.64，与2015年相比降幅为68%。氨氮是水体中的营养素，其含量越高越易导致水体富营养化现象产生[13]。北洛河氨氮单项污染指数均值为1.25，属重度污染。与化学需氧量相类似，2017年以后北洛河氨氮单项污染指数值逐步降低，2019年为0.61，与2015年相比降幅为67%。

氨氮/化学需氧量比值变化如图1所示。

图1 氨氮/化学需氧量比值变化图

由图1可看出，2017年以前北洛河氨氮与化学需氧量之比显著上升，虽然之后有所下降，但是2019年比值0.047仍高于2014年的0.031，说明相对于化学需氧量，北洛河氨氮污染是主要因素。

五日生化需氧量/ 化学需氧量比值变化如图2所示。

图2 5d生化需氧量/ 化学需氧量比值变化图

由图2可看出，2016年以前北洛河五日生化需氧量与化学需氧量的比值呈下降趋势，之后逐步上升，2019年比值为0.153与2016年最小值0.085相比，涨幅为80%。说明2016年以来，可生物降解有机物污染比重增加，生活污水对北洛河影响加大。

2.3 主要问题分析

通过上述分析，2014年以来北洛河水质变化主要有以下几个特点：2017年之前北洛河水体污染逐渐加重，2017年之后水质呈现好转趋势；北洛河下游的状头和入渭口断面水质较差，水质污染程度高于上中游河段，说明污染物的排放主要集中在下游地区；相较于其他指标，氨氮、化学需氧量污染问题突出。

分析其原因，有以下几个方面：北洛河下游主要为农业用水区，沿岸取水工程、抽水站大量引水用于农灌，造成下游主流水量偏小。根据朝邑水文站水文资料显示，2000年以来朝邑河段累计断流天数超过900d[14]，说明下游河段断流情况严重，河道生态环境恶化，水资源供需矛盾突出。北洛河流域内分布有石油开采、煤化工、农副产品加工等企业[15]，其尾水排放对水体造成不同程度的污染。下游农业用水区农灌退水口广布，面源污染影响较大[15]，大荔县污水收集处理率较低等。

3 结语

根据2014—2019年北洛河干流4个监测断面的水质监测结果，采用综合污染指数法和秩相关系数法对监测指标进行了评价与分析。综合污染指数法结果表明，北洛河下游延安渭南农业用水区和大荔农业用水区是主要污染河段，氨氮、化学需氧量是主要的污染因子。秩相关系数法表明，状头断面2014年以来水质整体呈现好转趋势，其余断面水质变化基本平稳。

为了在“十四五”期间有效改善河流水体水质，建议从以下几个方面采取措施：科学实施水量调度，维持下游河道的生态流量；加强农业面源污染管理，严禁生活垃圾、污水等直接倾倒入河；强化沿岸工业企业废水排放管理，提高污水处理厂处理能力，严格控制污水的达标排放。