沙潁河重要閘控?cái)嗝嫠|(zhì)變化及影響因素分析

胡小陽，徐 源，王紅萍，2，劉 建

(1.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430072；3.淮河流域水資源保護(hù)局水資源保護(hù)科學(xué)研究所，安徽 蚌埠 233001)

沙潁河是淮河最大的支流。多年來，淮河干流多次發(fā)生的較大污染事件都與其有關(guān)[1-2]，主要是沙潁河重污染水體隨汛期洪水集中下泄所致。近年來，雖水污染得到了有效控制，但其水環(huán)境狀況依舊不容樂觀。在水資源日益短缺的背景下，水質(zhì)問題在有限的水資源中也顯得更加重要。很多學(xué)者在沙潁河水質(zhì)方面做了大量的工作，如左其亭及其團(tuán)隊(duì)等以槐店閘為研究對象，實(shí)施閘壩調(diào)控實(shí)驗(yàn)，分析了閘壩對氨氮和高錳酸鹽指數(shù)濃度的影響[3-7]，高紅莉和王園欣對沙潁河水質(zhì)時空變化及成因做了較為細(xì)致的的分析[8-9]，葛紅蓮等對沙潁河周口段水質(zhì)進(jìn)行生物學(xué)分析，并結(jié)合理化檢測對沙潁河水質(zhì)做出評價(jià)[10]；但其都是針對某個時間段或者某個斷面而言，鮮有對河道整體情況的分析。

本文通過分析2009年～2013年沙潁河沿線周口閘、槐店閘、界首和潁上斷面氨氮和高錳酸鹽指數(shù)濃度的變化，找出年內(nèi)水質(zhì)最差的時期和年際整體的變化規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，對影響水質(zhì)變化的主要因素進(jìn)行分析和討論，并提出改善沙潁河水質(zhì)狀況的途徑。

1 研究區(qū)概況

沙潁河流域面積占淮河流域的7%左右，且地處我國南北氣候過渡地帶，流域內(nèi)地形復(fù)雜，冷暖氣團(tuán)交匯頻繁，冬春干旱少雨，夏秋季降水量集中，易造成洪澇災(zāi)害。沙潁河發(fā)源于河南省伏牛山區(qū)，跨河南、安徽兩省，河南省境內(nèi)河道長410 km，安徽省境內(nèi)河道長210 km。沿線閘壩眾多，選取沙穎河交匯處周口閘、中游晴雨表槐店閘、省界界首斷面、入淮口潁上閘為代表分析。

圖1 沙潁河重要閘壩及水系概化

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

由淮河流域水資源公報(bào)可知，淮河流域主要污染物為氨氮和高錳酸鹽指數(shù)。本文采用2009年～2013年沙潁河各重要閘壩及控制斷面的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，水質(zhì)評價(jià)按照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行評定，各斷面均采用Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值。用箱線圖定性看各斷面水質(zhì)的年際變化趨勢及分散程度[11-13]；在此基礎(chǔ)上，用水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法定量分析各斷面氨氮和高錳酸鹽指數(shù)的變化規(guī)律[14-15]。

3 水質(zhì)變化及成因分析

3.1 定性分析

2009年～2013年，周口閘、槐店閘和界首的氨氮濃度中位數(shù)均從最初超過Ⅲ類水限值到后來位于標(biāo)準(zhǔn)值及以下，周口閘和槐店閘水質(zhì)濃度變化范圍呈現(xiàn)出縮小的趨勢，分散程度減弱，說明氨氮有一定程度的改善；但同時也應(yīng)當(dāng)看到并不是大多數(shù)值都位于標(biāo)準(zhǔn)限值以下，氨氮污染依舊面臨挑戰(zhàn)。入淮口潁上閘的氨氮濃度值普遍較低，濃度變化范圍較小，污染較輕。周口閘、槐店閘高錳酸鹽指數(shù)并無明顯改善，濃度中位數(shù)基本都在限值以上，污染較重。界首的高錳酸鹽指數(shù)中位數(shù)都在Ⅲ類水限值以下，污染較其上游的周口閘、槐店閘輕。潁上閘的高錳酸鹽指數(shù)絕大多數(shù)都在標(biāo)準(zhǔn)限值以下，濃度變化范圍也略有縮小，污染較輕(見圖2)?？傮w來說，近年來沙潁河污染治理已見成效，但依舊不能掉以輕心。

3.2 定量分析

由于箱線圖只能粗略的看出水質(zhì)年內(nèi)的分散程度，為進(jìn)一步看出水質(zhì)變化及影響因素，通過計(jì)算水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)Pi可以更好的對水質(zhì)進(jìn)行定性和定量的一個綜合判斷(見表1、2)。即

Pi=X1·X2·X3

(1)

式中，X1為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別，是與國家標(biāo)準(zhǔn)比較后的水質(zhì)類別；X2為監(jiān)測數(shù)據(jù)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間中所處的位置；X3為水質(zhì)類別與功能區(qū)劃設(shè)定類別的比較結(jié)果。

當(dāng)水質(zhì)好于Ⅴ類水上限值，非溶解氧指標(biāo)計(jì)算

(2)

式中，C為各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)測質(zhì)量濃度；Ck下≤C≤Ck上；Ck下、Ck上分別為水質(zhì)指標(biāo)第k類水區(qū)間質(zhì)量濃度的下限值和上限值，k=X1。

當(dāng)水質(zhì)劣于或等于Ⅴ類水上限值時，則

X1·X2=6+(C-C5上)/C5上

(3)

式中，C5上為水質(zhì)指標(biāo)第5類水區(qū)間質(zhì)量濃度上限值。如果水質(zhì)類別好于或達(dá)到功能區(qū)類別fi，則X3=0；如果水質(zhì)類別差于功能區(qū)類別且X2不為0，則有X3=X1-fi；如果水質(zhì)類別差于功能區(qū)類別且X2為0，則有X3=X1-fi-1。

2009年～2013年，自周口閘起，氨氮在汛期(6月～9月)開始之后開始降低，而汛期結(jié)束之后又逐漸累積，在下一次汛期開始之前的一段時間4月～5月達(dá)到最大值。氨氮在汛期基本上都能達(dá)標(biāo)，非汛期基本都超標(biāo)且污染較為嚴(yán)重，年內(nèi)差異較大。4個重要斷面的氨氮指數(shù)較高主要是在每年的1月～4月份，隨月份變化規(guī)律顯示了其在枯水期的逐步積累作用和洪水期沖刷作用，主要跟化肥農(nóng)藥的施用和廢水的排放有關(guān)。自周口閘開始，相較于氨氮，高錳酸鹽指數(shù)污染較輕，汛期和非汛期的值差別不大，都在Ⅲ～Ⅳ類水之間，年內(nèi)變化較為平穩(wěn)。高錳酸鹽指數(shù)在汛期快開始之后降低，12月份以后一直處于一個較高值。而河流中高錳酸鹽指數(shù)的變化受到流域內(nèi)土壤中有機(jī)質(zhì)含量、植被覆蓋率、污水的排放等因素的影響。

圖2 2009年～2013年沙潁河重要斷面水質(zhì)箱線

年份斷面1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月汛期非汛期年均值2009周口7.148.557.246.136.234.713.603.605.024.714.916.534.216.636.33槐店7.447.9410.276.636.834.513.703.303.303.206.236.733.707.146.63界首6.736.738.456.336.433.403.602.602.602.404.216.233.106.436.03潁上4.315.024.816.634.913.403.302.70203.503.104.513.104.814.312010周口6.236.336.436.734.813.503.202.803.803.705.125.523.306.135.32槐店8.357.445.423.905.523.502.902.402.203.304.716.332.806.335.72界首6.837.346.836.136.133.603.202.603.902.403.304.913.406.235.52潁上4.415.626.234.414.513.604.713.903.903.402.903.204.014.414.312011周口6.336.537.046.636.433.905.126.022.303.302.904.114.416.135.82槐店4.315.926.236.336.235.122.903.203.103.803.803.803.605.324.71界首5.526.236.336.336.335.222.602.502.502.703.804.213.305.624.81潁上3.103.504.414.914.613.602.702.903.503.202.803.703.203.803.602012周口3.704.714.816.336.332.803.302.402.102.702.705.822.704.914.21槐店4.414.414.414.714.513.103.202.703.102.802.903.103.103.903.60界首4.414.415.925.925.223.303.102.102.202.502.704.912.704.513.90潁上3.603.803.804.314.113.102.502.102.201.801.801.902.403.303.102013周口6.636.035.224.614.913.502.702.902.903.305.225.123.105.324.61槐店3.306.636.234.914.713.603.103.702.902.703.504.413.404.814.31界首6.536.937.045.325.423.903.102.502.502.302.302.903.105.724.91潁上2.603.906.536.433.602.402.101.902.301.901.901.902.304.113.60

表2 高錳酸鹽單因子水質(zhì)評價(jià)指數(shù)

3.3 水質(zhì)變化影響因素分析

沙潁河的水質(zhì)污染來源主要有生活污水、工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)污染。沙潁河兩岸的生活污水，有些未經(jīng)處理通過管道或泵站直接排入河流[16]；上游區(qū)域的重污染企業(yè)依然很多，如造紙、釀造、化工、制藥等，其排放的污水勢必會對沙穎河水質(zhì)產(chǎn)生影響；沙潁河流域是我國重要的產(chǎn)糧地，每年會施用化肥和農(nóng)藥，施用后殘留的肥料、農(nóng)藥等經(jīng)地表水和地下水循環(huán)系統(tǒng)而進(jìn)入河流。沙潁河流域主要種植的小麥在春季和秋冬季節(jié)需要大量施肥和噴灑農(nóng)藥，這也是枯水期氨氮污染較為嚴(yán)重的原因。

根據(jù)2011年淮河流域入河排污口調(diào)查成果(見表3)，從排污口情況可以看出槐店到界首段排污口較多，氨氮和高錳酸鹽的排放量高，這也是槐店閘和界首污染依然較重的原因。阜陽雖然排污口較少，但是排污量高，到達(dá)入淮口潁上閘后，排污口較少，污染物濃度降低，這應(yīng)該跟阜陽到潁上段河流的稀釋降解作用和閘壩的運(yùn)行狀況有關(guān)。

表3 2011年沙潁河周口及以下排污口及排污情況統(tǒng)計(jì) 萬t/a

實(shí)際上，水質(zhì)變化過程不僅跟來源相關(guān)，跟其產(chǎn)生后的降解或者稀釋過程及閘壩的運(yùn)行狀況也密不可分。閘壩的開啟天數(shù)說明閘壩運(yùn)行會影響河流水質(zhì)，周口閘的開閘次數(shù)較少且主要集中在汛期，非汛期基本不開閘，而槐店閘幾乎全年開閘，且槐店閘的月開閘天數(shù)從2011年開始變多，潁上閘每個月都有較多的開啟天數(shù)，這也是周口閘水質(zhì)仍有挑戰(zhàn)、槐店閘水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)、潁上閘水質(zhì)濃度一直保持在低水平的原因。具體的閘門開度和開啟方式跟河道流量還有水位相關(guān)，流量大、水位高的時候閘門開度大。

表4 閘壩開啟天數(shù) d

氨氮和高錳酸鹽指數(shù)在河流中的遷移降解過程主要通過影響擴(kuò)散系數(shù)和降解系數(shù)來影響污染物濃度的變化，其影響因素主要有河道參數(shù)和溫度、河道流量、污染物濃度、水力條件和支流的水文情勢。

4 結(jié)論和建議

2009年～2013年，沙潁河水污染治理頗具成效。從年際方面來說，重要斷面的氨氮和高錳酸鹽指數(shù)的濃度降低，年內(nèi)的分散程度減弱；在年內(nèi)方面，氨氮季節(jié)性波動較大，汛期基本都能達(dá)標(biāo)，非汛期嚴(yán)重超標(biāo)，主要跟作物生長季農(nóng)藥化肥的施用和降解過程相關(guān)；高錳酸鹽指數(shù)年內(nèi)波動較小，全年都在Ⅲ～Ⅳ類水之間，污染較輕，工農(nóng)業(yè)污水排放和城市化依然是造成其污染的主因，同時也跟閘壩運(yùn)行狀況和河流的稀釋降解作用有關(guān)。

在眾多影響沙潁河水質(zhì)變化的因素中，可以調(diào)控的因素有污染物的濃度和河道流量；而污染物濃度主要通過控制排污解決，河道流量則主要通過調(diào)度閘壩來實(shí)現(xiàn)。 沙潁河流域閘壩多，淮河流域開展沙潁河水污染聯(lián)防工作也已見成效，閘壩聯(lián)合調(diào)度成為解決淮河水污染問題的重要手段。