宿鴨湖水庫水環(huán)境質(zhì)量評估

李中原 王國重 張繼宇 左其亭 程煥玲 郝捷

摘要：為了了解宿鴨湖水庫的環(huán)境生態(tài)狀況，根據(jù)其2009—2015年的水質(zhì)監(jiān)測資料和功能區(qū)水質(zhì)要求，采用單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、有機(jī)污染指數(shù)法對其水環(huán)境質(zhì)量予以評估。結(jié)果表明，TP、TN是該水庫的主要污染因子，其次是COD、BOD5和石油類的影響，這幾項(xiàng)因子的共同作用致使水庫僅有4個(gè)月水質(zhì)合格，有60個(gè)月為劣V類水，年均水質(zhì)始終為污染狀態(tài)。從綜合污染角度，該水庫只有15個(gè)月水質(zhì)合格，其他月份則為污染狀態(tài)，其中有28個(gè)月是重度污染，這導(dǎo)致其年均水質(zhì)和水期絕大部分水質(zhì)為污染甚至重度污染狀態(tài)。從有機(jī)污染角度，水庫有3個(gè)月為輕度有機(jī)污染，其他月份污染指數(shù)在2.0以下，這使得其年均和水期水質(zhì)基本在較好與一般之間變化。

關(guān)鍵詞：宿鴨湖水庫;單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù);綜合污染指數(shù);有機(jī)污染指數(shù);評估

中圖分類號(hào)：X832? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）08-0051-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.08.011? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： Three methods were applied to water quality assessment for the Suyahu reservoir， including the single factor water quality identification index， comprehensive pollution index and organic pollution index methods. The assessment was based on water quality data from 2009 to 2015 in addition to water quality requirements. The results suggested that TP and TN were the main pollution factors and the effect of COD， BOD5 and oil class were secondly in the reservoir， it was the combination of the factors that caused the reservoir water quality only four months qualified， sixty months in bad class water and annual water quality always in pollution; From the perspective of comprehensive pollution， there was only fifteen months that water quality qualified， the rest period in pollution with twenty-eight months in severe polluted， which made its water quality of annual and most of water season was in pollution even severe pollution; From the perspective of organic pollution， there was three months in mild organic pollution for the reservoir and organic pollution index was less than 2.0 in other months， which resulted in its water quality of annual and water season changed between normal and better.

Key words： Suyahu reservoir; single factor water quality identification index; comprehensive pollution index; organic pollution index; assessment

宿鴨湖水庫是亞洲最大的平原水庫，有“人造洞庭”的美譽(yù)[1]，位于淮河支流洪汝河水系汝河干流上，控制流域面積4 498 km2，占汝河全流域面積的61%，總庫容16.0×108 m3，是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)供水、旅游的綜合利用大（I）型水庫，設(shè)計(jì)灌溉面積5.33萬hm2，養(yǎng)殖水面6 667 hm2，占駐馬店地區(qū)養(yǎng)殖水面的25%[2]。作為駐馬店地區(qū)最大的供水水庫，其水質(zhì)的優(yōu)劣影響著該區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[3]?！逗幽鲜…h(huán)境狀況公報(bào)》顯示，2015年淮河流域?yàn)橹卸任廴?，駐馬店地下水水質(zhì)較差，宿鴨湖水庫水質(zhì)為劣V類[4]。對水庫庫底沉積物采樣分析，各種重金屬元素平均質(zhì)量比均超過國家公布的土壤元素背景值，存在一定的重金屬污染，且從岸邊到湖心位置有逐漸增加的趨勢[5]。研究表明，魚體對水庫中的Zn、Sr、Ba、Cu、Cr、Ni、Co、Sn和Cd等重金屬存在富集作用，但對沉積物中除Zn以外的重金屬無明顯的富集作用，與非養(yǎng)殖型湖泊相比，宿鴨湖水庫魚體內(nèi)Pb和Cr的含量明顯偏高，對人體健康構(gòu)成威脅[6]。

根據(jù)環(huán)境功能區(qū)劃和GB 3838-2002，宿鴨湖水庫執(zhí)行Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[7]。為了對該水庫水環(huán)境質(zhì)量有所了解，分析其存在的環(huán)境質(zhì)量問題，根據(jù)2009—2015年的水質(zhì)實(shí)測資料，以6—9月為豐水期、4—5月與10—11月為平水期、12月至次年3月為枯水期[8，9]，采用相應(yīng)的方法對其水污染狀況進(jìn)行評估，為其環(huán)境治理和流域規(guī)劃提供依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來自河南省環(huán)境監(jiān)測中心2009—2015年逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，水質(zhì)樣品的采集、存放與指標(biāo)的檢測嚴(yán)格按照地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（HJ-T91-2002）、地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 838-2002）進(jìn)行，水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)主要有總氮（TN）、總磷（TP）、5 d生化需氧量（BOD5）、溶解氧（DO）、化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、石油類、陰離子表面活性劑。

1.2? 評估方法

分別應(yīng)用單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、有機(jī)污染指數(shù)法對宿鴨湖水庫2009—2015年的水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評估，目的在于能夠全面揭示該水庫的水環(huán)境狀況，剖析其存在的問題。

1.2.1? 單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法? 單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)（Pi）由1位整數(shù)、小數(shù)點(diǎn)后2位或3位有效數(shù)字構(gòu)成，其形式如下[10-12]：

式中，Y1是第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別，該值越大表明監(jiān)測指標(biāo)的污染越嚴(yán)重;Y2表示監(jiān)測數(shù)據(jù)在Y1類水質(zhì)變化區(qū)間所在的位置，根據(jù)四舍五入法在0～9取值，該值越大說明在同類別的水質(zhì)中監(jiān)測指標(biāo)的污染越嚴(yán)重;Y3代表水質(zhì)類別與功能區(qū)劃設(shè)定類別的比較結(jié)果。

1）Y1.Y2的計(jì)算。當(dāng)水質(zhì)處于Ⅰ至Ⅴ類時(shí)，溶解氧指標(biāo)由下式計(jì)算[13-15]：

而非溶解氧指標(biāo)的計(jì)算式如下：

若水質(zhì)低于或等于Ⅴ類水上限，則溶解氧指標(biāo)可改由式（4）計(jì)算：

非溶解氧指標(biāo)的計(jì)算公式則為式（5）：

2）Y3的取值。Y3用于判斷該單項(xiàng)水質(zhì)類別是否劣于水功能區(qū)的類別，如果水質(zhì)達(dá)到或優(yōu)于功能區(qū)類別，則Y3=0;如果水質(zhì)劣于功能區(qū)類別且Y2不為0，則Y3=Y1-Ki;倘若水質(zhì)劣于功能區(qū)類別且Y2為0，則Y3=Y1-Ki-1，其中，Ki為功能區(qū)水質(zhì)類別。

1.2.2? 綜合污染指數(shù)法? 綜合污染指數(shù)法是基于單因子污染指數(shù)法，結(jié)合水體功能要求，對各污染指標(biāo)的相對污染指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算水體的污染程度，用公式表示如下[16，17]：

式中，P表示綜合污染指數(shù);n為污染指標(biāo)總數(shù);pi代表第i項(xiàng)指標(biāo)的污染指數(shù)，計(jì)算見式（7）：

式中，ci表示第i項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測值（mg/L）;bi是第i項(xiàng)指標(biāo)在水功能區(qū)類別的標(biāo)準(zhǔn)濃度（mg/L）。綜合污染指數(shù)的分級(jí)評價(jià)體系詳見表1。

1.2.3? 有機(jī)污染指數(shù)法? 有機(jī)污染指數(shù)可以揭示水體的有機(jī)污染狀況，以5 d生化需氧量（BOD5）、化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、溶解氧（DO）4個(gè)指標(biāo)為評估指標(biāo)，計(jì)算見公式（8）[18，19]：

式中，Gj代表第j月的有機(jī)污染指數(shù);BODj、CODj、NH3-Nj、DOj分表表示第j年5 d生化需氧量、化學(xué)需氧量、氨氮、溶解氧的平均實(shí)測值（mg/L）;BOD0、COD0、NH3-N0、DO0則分別代表各評估指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)濃度（mg/L）。

根據(jù)宿鴨湖水庫實(shí)際情況，各項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值取值為生化需氧量4 mg/L、化學(xué)需氧量20 mg/L、氨氮1.0 mg/L、溶解氧5 mg/L。依照水質(zhì)質(zhì)量評估分級(jí)（表2）即可對水庫的有機(jī)污染狀況進(jìn)行評估。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評估

按照式（1）至式（5）分別計(jì)算宿鴨湖水庫2009—2015年逐月單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)，結(jié)果見圖1，年均各項(xiàng)指標(biāo)pi的值如圖2所示。

從圖1可知，TP、TN是主要的影響因子，兩者都是2012年2月至2013年5月變化幅度較小，其他時(shí)段變化幅度較大，TP在3.20～9.76變化，除2010年3月，2012年2月、5—8月、10—12月，2013年2—4月水質(zhì)基本合格外，其他月份水質(zhì)在Ⅳ類水以下，其中有42個(gè)月為劣Ⅴ類;TN在3.10～7.94變動(dòng)，除2009年6月、2012年3月、2012年5月至2013年2月、2013年5月，水質(zhì)基本合格外，其他月份不能滿足功能區(qū)的水質(zhì)要求，其中有46個(gè)月為劣Ⅴ類。其他幾項(xiàng)指標(biāo)中，DO、BOD5、石油類分別有4、16、19個(gè)月為Ⅳ類水，其他月份都不超標(biāo);COD有3個(gè)月為Ⅴ類水、22個(gè)月為Ⅳ類水，其他月份能滿足功能區(qū)的要求;陰離子表面活性劑各個(gè)月份都能達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

DO、BOD5、COD、TN、TP、石油類、陰離子表面活性劑等水質(zhì)因子的年均變化情況見圖2。由圖2可以看出，TP、TN是主要的污染因子，每年都超標(biāo);其次是COD，2013—2014年為Ⅳ類水，其他年份為Ⅲ類;BOD5雖然連年為Ⅲ類，但有發(fā)展為Ⅳ類水的趨勢;石油類最易發(fā)生突變，其2012、2015年水質(zhì)為Ⅳ類，其他年份接近Ⅱ類水質(zhì);DO和陰離子表面活性劑指標(biāo)都能滿足水庫的水質(zhì)要求，陰離子表面活性劑甚至能達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2? 綜合污染指數(shù)評估

根據(jù)式（6）至式（7），可得到宿鴨湖水庫2009—2015年綜合污染指數(shù)逐月變化過程，如圖3所示，其年均綜合污染指數(shù)見表3，不同水期對綜合污染指數(shù)的影響見圖4。

由圖3可見，宿鴨湖水庫水庫逐月綜合污染指數(shù)在2012年3月至2013年5月變化較為平緩，其他時(shí)間變化比較劇烈，波形忽高忽低差異較大;2010年3月，2012年3—8月、10月、12月至2013年5月，2014年5月這些月份水質(zhì)能保證基本合格，其余時(shí)間則處于污染狀態(tài)，其中有28個(gè)月為重度污染，其綜合污染指數(shù)超過2.0。

從表3可知，宿鴨湖水庫2009—2011年的年均綜合污染呈逐漸增加的趨勢，2012年其綜合污染指數(shù)降至最低，之后又逐年增加。總體而言，2009—2015年水庫始終處于污染狀態(tài)，其中2011年最為嚴(yán)重，為重度污染，需引起重視。

從豐水期、中水期、枯水期時(shí)段（圖4）來看，宿鴨湖水庫各年綜合污染指數(shù)的變化較為復(fù)雜。2009和2012年是枯水期>中水期>豐水期，2010、2013、2015年為枯水期<中水期<豐水期，2011和2014年又分別為中水期<枯水期<豐水期、豐水期<枯水期<中水期;2012年的中水期和豐水期水質(zhì)基本合格，2010和2013年的豐水期、2011全年水庫為重度污染，其他時(shí)期水庫處于污染狀態(tài)。

2.3? 有機(jī)污染指數(shù)評估

由式（8）可得到宿鴨湖水庫2009—2015年有機(jī)污染指數(shù)逐月變化過程，如圖5所示，其年均污染指數(shù)見表4，不同水期污染指數(shù)變化見圖6。

由圖5可見，2009—2015年宿鴨湖水庫有機(jī)污染指數(shù)在-0.290～2.595波動(dòng)，其中有3個(gè)月為輕度有機(jī)污染，2013年7、8月、2014年11月其污染指數(shù)在2.0～3.0變化，其他月份污染指數(shù)在2.0以下，其中有25個(gè)月水質(zhì)為一般，有機(jī)污染指數(shù)在1.00～1.96變動(dòng)。這說明水庫大部分時(shí)間能保證水質(zhì)合格，但偶爾會(huì)發(fā)生輕度有機(jī)污染，需要采取措施予以治理。

由表4可以看出，2009—2015年宿鴨湖水庫年均有機(jī)污染指數(shù)在0.318～1.200變動(dòng)，水質(zhì)在較好與一般之間變化， 2009—2014年有機(jī)污染指數(shù)基本呈逐年增加的趨勢，水質(zhì)由較好逐漸演變?yōu)橐话?，雖然2015年有所減弱但仍需引起重視，及早采取措施，以防漸變?yōu)檩p度有機(jī)污染。

由圖6可以看出，宿鴨湖水庫豐、中、枯水期有機(jī)污染指數(shù)變化特點(diǎn)如下：2009—2014年是枯水期<中水期<豐水期，但2015年卻為豐水期<枯水期<中水期;2009—2015年除2009年枯水期水質(zhì)為良好，2011和2013年豐水期、2014年中水期和豐水期、2015年枯水期和中水期水質(zhì)一般外，其他時(shí)段水質(zhì)為較好，沒有發(fā)生有機(jī)污染。

3? 小結(jié)與討論

根據(jù)宿鴨湖水庫2009—2015年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合其Ⅲ類水功能區(qū)用水要求，采用3種方法對其水環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行了評估，結(jié)論如下：

1）從單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的逐月過程進(jìn)行分析，TP、TN是該水庫的主要污染因子，僅有12個(gè)月能滿足功能區(qū)水質(zhì)要求，其次是COD、BOD5和石油類的影響，有22個(gè)月水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，這幾項(xiàng)因子的作用使得水庫僅有4個(gè)月水質(zhì)合格，有60個(gè)月為劣Ⅴ類水，年均水質(zhì)始終處于污染狀態(tài)。

2）綜合污染指數(shù)的逐月過程顯示，該水庫只有15個(gè)月水質(zhì)合格，其他月份則為污染狀態(tài)，其中有28個(gè)月是重度污染，這導(dǎo)致其年均水質(zhì)和不同水期絕大部分水質(zhì)為污染甚至重度污染狀態(tài)。

3）有機(jī)污染指數(shù)的逐月變化表明，水庫有3個(gè)月為輕度有機(jī)污染，其他月份污染指數(shù)在2.0以下，說明水庫大部分時(shí)間能保證水質(zhì)合格，但偶爾也會(huì)發(fā)生輕度有機(jī)污染，這使得其年均和不同水期水質(zhì)基本在較好與一般之間變化。

本研究結(jié)果表明，TP、TN濃度嚴(yán)重超標(biāo)是宿鴨湖水庫水質(zhì)污染的最主要原因，其次是COD、BOD5和石油類的突然性超標(biāo)。造成宿鴨湖水庫污染的途徑主要有2個(gè)：一是水庫上游的化肥廠、藥廠、鋼鐵廠等企業(yè)的工業(yè)廢水，居民生活污水和餐飲業(yè)的廢棄物等因處置不當(dāng)，隨降雨徑流排入河流、進(jìn)入水庫，使水體中N、P增加，COD、BOD5和石油類濃度驟然升高[20]。二是水產(chǎn)養(yǎng)殖尤其是大量的網(wǎng)箱養(yǎng)殖，加大了水體中自源性污染，養(yǎng)殖飼料、魚類排泄物及人為無序開發(fā)，增加水體中TN含量，使藻類等浮游生物大量繁殖，溶解氧含量降低[21，22]。這些原因?qū)е滤搌喓畮靷€(gè)別月份水質(zhì)基本合格，年均綜合污染指數(shù)則隨豐水期、中水期、枯水期不同時(shí)段而變化。

綜上所述，該水庫的污染狀況使其難以滿足水功能區(qū)對水質(zhì)的要求，需要對上游的工礦企業(yè)、餐飲業(yè)進(jìn)行有效治理，實(shí)現(xiàn)生活污水達(dá)標(biāo)排放;同時(shí)治理水土流失，取締網(wǎng)箱養(yǎng)殖、倡導(dǎo)科學(xué)養(yǎng)殖，確保水庫水質(zhì)。

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收稿日期：2019-01-30

基金項(xiàng)目：河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（GG201604）

作者簡介：李中原（1964-），男，河南鄭州人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，主要從事水土保持方面的工作，（電話）13598835725（電子信箱）lizy0723@163.com。