趙口引黃灌區(qū)二期工程區(qū)域地表水水質(zhì)評價

逯林方，王輝輝，胡亞偉，靳曉輝

趙口引黃灌區(qū)二期工程區(qū)域地表水水質(zhì)評價

逯林方1，王輝輝2, 3*，胡亞偉2, 3，靳曉輝2, 3

（1.河南省趙口引黃灌區(qū)二期工程建設(shè)管理局，河南 開封 475000；2.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003；3.河南省農(nóng)村水環(huán)境治理工程技術(shù)研究中心，鄭州 450003）

【目的】研究趙口引黃灌區(qū)二期工程建設(shè)期間區(qū)域地表水環(huán)境質(zhì)量狀況?！痉椒ā糠謩e于2020年11月和2021年1、3、5月對灌區(qū)內(nèi)渦河、惠濟河河段21個監(jiān)測點位進行調(diào)查分析，并采用單因子評價法、綜合污染指數(shù)法和綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法3種方法相結(jié)合，對灌區(qū)地表水水質(zhì)進行全面評價?！窘Y(jié)果】灌區(qū)地表水總氮和總磷超標(biāo)嚴(yán)重，是最主要的2種污染物，導(dǎo)致單因子評價法的評價結(jié)果較差。2020年11月—次年3月V類及劣V類水質(zhì)占比均超過95%，只有在5月整體達到IV類水質(zhì)；綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果顯示，2020年11月—次年5月水質(zhì)從輕度污染向清潔狀態(tài)改善，且存在一定的空間分布規(guī)律；綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價結(jié)果中，4個月水質(zhì)整體滿足IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)?！窘Y(jié)論】當(dāng)前趙口引黃灌區(qū)二期工程區(qū)域地表水水質(zhì)不容樂觀，特別是枯水期水質(zhì)較差，總氮和總磷是主要的污染指標(biāo)，開展農(nóng)業(yè)面源污染治理是改善灌區(qū)地表水水質(zhì)的重要途徑。

灌區(qū)；水質(zhì)評價；單因子評價法；綜合污染指數(shù)法；綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法

0 引言

【研究意義】水資源是經(jīng)濟社會發(fā)展的重要支撐，水環(huán)境質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到人類的生存環(huán)境[1]。當(dāng)前日趨劇烈的人類活動不斷對地表水造成破壞，河流生態(tài)系統(tǒng)趨于退化，服務(wù)功能逐漸喪失[2]。2012年1月，國務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于實行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》，確定了水功能區(qū)限制納污紅線[3-4]。水利部提出至2030年我國水功能區(qū)達標(biāo)率要達到95%以上[5]。趙口引黃灌區(qū)作為我國的特大型灌區(qū)，二期工程范圍內(nèi)河流長期無地表水補充，大部分水質(zhì)較差，部分河流已成為排污渠道，無法滿足生產(chǎn)生活的需要。二期工程的實施將向渦河、惠濟河等輸水河道補充黃河水，同時提高水系連通性，對改善灌區(qū)地表水環(huán)境具有積極作用。水環(huán)境質(zhì)量評價是水資源綜合管理和水生態(tài)環(huán)境保護的基礎(chǔ)[6]，開展趙口引黃灌區(qū)二期主體工程建設(shè)期間的區(qū)域地表水環(huán)境質(zhì)量評價，既是對習(xí)近平總書記“生態(tài)文明”思想的貫徹，又是“十四五”期間保障灌區(qū)高質(zhì)量發(fā)展的必然要求，有利于持續(xù)跟蹤水質(zhì)變化，為趙口生態(tài)型灌區(qū)建設(shè)與水量調(diào)度提供技術(shù)支撐?！狙芯窟M展】目前，國內(nèi)外水質(zhì)評價方法主要有單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、模糊評價法、灰色系統(tǒng)評價法和水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法[7-8]。侯蕾等[9]利用單因子評價法對牟汶河流域水質(zhì)狀況進行評價，發(fā)現(xiàn)總氮的單因子評價指數(shù)較高，導(dǎo)致多年水質(zhì)評價結(jié)果為嚴(yán)重污染，忽略了其他水質(zhì)指標(biāo)的影響；丘冬琳[10]利用單因子評價法對某水庫水質(zhì)進行評價，也得出了相同的結(jié)論。但是喬倩倩等[3]指出，單因子評價法雖然呈過保護，但從保障水生態(tài)環(huán)境安全的角度，此方法較為合理。游如玥等[11]利用綜合污染指數(shù)法對小安溪流域的水質(zhì)進行評價，研究表明，針對小流域水質(zhì)評價，綜合污染指數(shù)法有其獨特的優(yōu)勢。相比單因子評價法，綜合污染指數(shù)法可以消除單個嚴(yán)重污染指標(biāo)產(chǎn)生的影響[12]。綜合污染指數(shù)法雖然不適用于有明確水質(zhì)類別要求的流域，但可以作為整體水質(zhì)變化分析的方法[13]。徐祖信[14]以單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法為基礎(chǔ)，進一步提出了綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法，并對上海市河流的水質(zhì)進行評價，認為綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法計算簡單、結(jié)論合理，實現(xiàn)了定性與定量評價相結(jié)合。李永軍等[15]運用綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對黃河河口三角洲的濕地水質(zhì)狀況進行了分析與評價，明確了主要的污染物種類，并提出針對性的治理措施。關(guān)于模糊評價法和灰色系統(tǒng)評價法的研究也有報道，如唐賀[16]以大連市復(fù)州河流域為研究對象，利用改進的灰色關(guān)聯(lián)分析法對水環(huán)境質(zhì)量進行了評價。劉雯雯[17]利用模糊綜合評價法對遼寧省地表水環(huán)境質(zhì)量狀況進行評價。這2種方法都是基于矩陣運算，其科學(xué)合理性也已經(jīng)被證實，但計算相對復(fù)雜[18]。近年來，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和集對分析等新型研究方法開始應(yīng)用于河流水質(zhì)的綜合評價當(dāng)中，但研究尚不成熟，仍然存在結(jié)果易受影響、偏差大等缺點[19]?！厩腥朦c】單因子評價法、綜合污染指數(shù)法和綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法具有特點鮮明、應(yīng)用廣泛的優(yōu)點，已有學(xué)者對這3種方法進行了研究，但是大多是對某一種或幾種方法的簡單應(yīng)用分析，這3種方法在實際應(yīng)用中的差異性與互補性的系統(tǒng)研究相對匱乏。因此，本研究采用此3種方法對趙口引黃灌區(qū)二期主體工程建設(shè)期間區(qū)域地表水水質(zhì)進行評價。以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）中規(guī)定的單因子評價法來判別灌區(qū)河流水質(zhì)類別，在此基礎(chǔ)上，以綜合污染指數(shù)法對灌區(qū)河流的整體水質(zhì)狀況及變化趨勢進行評價和分析，實現(xiàn)灌區(qū)地表水評價的點面結(jié)合；最后為了彌補單因子評價法缺乏連續(xù)性，以及評價結(jié)果過保護的缺點，進一步采用綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法判定水質(zhì)類別，與標(biāo)準(zhǔn)方法形成對比，以保證評價結(jié)果的準(zhǔn)確性?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究對趙口引黃灌區(qū)二期工程區(qū)域內(nèi)地表水質(zhì)進行綜合評價，分析地表水體的主要污染指標(biāo)以及時空變化特點。研究結(jié)果將為趙口引黃灌區(qū)二期工程區(qū)域水環(huán)境管理與水污染防治提供科學(xué)的理論依據(jù)[20-21]，對于進一步改善灌區(qū)水生態(tài)環(huán)境狀況具有重要意義[22]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

趙口引黃灌區(qū)位于黃河南岸豫東平原，介于北緯33°40′—34°54′，東經(jīng)113°58′—115°48′之間，面積約6 341 km2。灌區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降雨量為729 mm。灌區(qū)水資源供需矛盾突出，灌區(qū)內(nèi)河流多為季節(jié)性河流，補給來源主要為降水。其中渦河和惠濟河作為趙口引黃灌區(qū)二期工程區(qū)域的邊界河流，是灌區(qū)地表水的主要構(gòu)成，也是灌區(qū)的主要輸排水通道。灌區(qū)范圍內(nèi)農(nóng)藥化肥過量施用，生活污水肆意排放，加之地下水嚴(yán)重超采，造成水質(zhì)惡化，威脅灌區(qū)水生態(tài)環(huán)境安全[23]。

趙口引黃灌區(qū)二期工程是建設(shè)趙口引黃灌區(qū)的關(guān)鍵，工程涉及鄭州、開封、周口、商丘等4個市[24]，設(shè)計灌溉面積為14.7萬hm2，建成后趙口灌區(qū)設(shè)計灌溉面積將達到39.1萬hm2，成為河南省第1、全國第4大灌區(qū)。主要建設(shè)內(nèi)容包括新改建渠道425 km，治理溝道414.7 km，布置建筑物及田間工程1 181座。建成后可實現(xiàn)年新增引黃水量2.37億m3，將有效提高灌區(qū)內(nèi)渦河、惠濟河等輸排水通道的連通性，改善灌區(qū)范圍內(nèi)的水生態(tài)環(huán)境。

1.2 研究方法

1.2.1 采樣點布設(shè)

渦河和惠濟河作為淮北平原區(qū)主要河道，同時又是趙口引黃灌區(qū)二期工程區(qū)域最大的邊界河流，與灌區(qū)范圍內(nèi)的河溝渠交錯縱橫，擔(dān)任著灌區(qū)輸排水的重要角色?？紤]到渦河和惠濟河的重要地位，以及灌區(qū)范圍內(nèi)的其他河流常出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，無法保證取樣監(jiān)測。本研究選取渦河和惠濟河為研究對象，沿2條河流在與灌區(qū)重要排水溝渠的交匯點處設(shè)置取樣點進行水質(zhì)監(jiān)測。分別在趙口灌區(qū)引水口、惠濟河與上惠賈渠交匯點、渦河與渦河故道交匯點、…、渦河與惠濟河交匯點等處設(shè)置21個取樣點，涵蓋了灌區(qū)范圍內(nèi)通許邸閣、鹿邑付橋、畢橋、柘城磚橋、太平崗、東孫營等國控和省控斷面。具體監(jiān)測點位名稱及編號如表1所示。監(jiān)測點位具體分布如圖1所示。

表1 監(jiān)測點位名稱及編號

圖1 監(jiān)測點位分布

1.2.2 數(shù)據(jù)采集與分析

本研究分別于2020年11月、2021年1月（枯水期）、3月（平水期）和5月（豐水期）對各測點共進行了4次取樣檢測，取樣時間覆蓋了冬小麥苗期、越冬、拔節(jié)、抽穗和灌漿等灌溉需水期。取樣時使用取樣器采集5 L水樣，水樣采集后立即用0.45 μm濾膜過濾雜質(zhì)，放入保溫箱中4 ℃左右避光冷藏保存，進入實驗室后立即進行水質(zhì)指標(biāo)的檢測。參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002和GHZB1—1999）[25]對水質(zhì)評價基本指標(biāo)的要求，并結(jié)合相關(guān)文獻分析，選取了水溫、pH值、溶解氧（DO）、氨態(tài)氮（NH4+-N）、總氮（TN）、總磷（TP）和硝態(tài)氮（NO3--N）7個代表性的指標(biāo)進行測定。選取氨態(tài)氮、總氮、總磷和硝態(tài)氮共4項反映灌區(qū)水體面源污染的水質(zhì)指標(biāo)，及衡量水體自凈能力的溶解氧指標(biāo)進行水質(zhì)評價。水質(zhì)檢測方法依據(jù)《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法》（GB/T 5750—2006）以及《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）的要求[26]。

1.2.3 水質(zhì)評價方法

1）單因子評價法

單因子評價法是最直接的水質(zhì)評價方法，依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定，綜合水質(zhì)類別由計算結(jié)果最差的指標(biāo)所屬類別決定[27]。依據(jù)地表水水域環(huán)境功能和保護目標(biāo)，灌區(qū)范圍內(nèi)渦河和惠濟河以地表水Ⅳ類水質(zhì)限值為標(biāo)準(zhǔn)，將達到或優(yōu)于限值的水質(zhì)認定為清潔狀態(tài)，將劣于限值的水質(zhì)認定為污染狀態(tài)。超標(biāo)倍數(shù)排名前3項的指標(biāo)即為該水體主要污染物。

超標(biāo)倍數(shù)=（監(jiān)測濃度值-IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值）/IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值）。

地表水水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 地表水水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)

2）綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法以單因子污染指數(shù)法為基礎(chǔ)，通過對各指標(biāo)的單項污染指數(shù)進行加權(quán)平均等數(shù)學(xué)計算，得到一個用于評價水質(zhì)的綜合指數(shù)。該方法可以直接判斷某個測點或斷面的綜合污染程度，但多指標(biāo)混合后，會削弱有毒有害指標(biāo)對水體的影響。

水質(zhì)綜合污染指數(shù)的計算式為：

式中：為平均綜合污染指數(shù)；P為第項污染物的單因子污染指數(shù)；C為第項污染物的污染質(zhì)量濃度；C0為第項污染物的IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值；為參與評價的污染項目數(shù)。

由于溶解氧特殊性，采用倒數(shù)計算，計算式為：

綜合污染指數(shù)法的水質(zhì)評價分級標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

表3 綜合污染指數(shù)法水質(zhì)評價分級標(biāo)準(zhǔn)

3）綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法

綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法是一種既能定量污染程度，又能定性水質(zhì)類別的方法。它可以使不同的因子標(biāo)準(zhǔn)化從而進行比較，也可以對劣V類水質(zhì)做更細的劃分，得出水質(zhì)是否出現(xiàn)惡臭現(xiàn)象。

綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)wq由整數(shù)位1位、小數(shù)位3位或4位數(shù)字組成，可表示為：

wq123.4， （4）

式中：1為參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》所得的綜合水質(zhì)類別；2為綜合水質(zhì)在相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限值區(qū)間內(nèi)所處位置，便于與相近水質(zhì)進行優(yōu)劣比較；3為水質(zhì)指標(biāo)中劣于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的單項指標(biāo)個數(shù)；4為綜合水質(zhì)類別與水體功能區(qū)類別的比較結(jié)果。

水體的綜合水質(zhì)級別由1.2的值可以判定，判斷關(guān)系見表4。

表4 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法水質(zhì)評價分級標(biāo)準(zhǔn)[28]

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)

灌區(qū)21個地表水監(jiān)測點位的各項水質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計結(jié)果詳見表5。表5中最大值反映了水質(zhì)最大污染程度；平均值表征水質(zhì)指標(biāo)的整體水平。

由表5可知，灌區(qū)地表水的溶解氧質(zhì)量濃度范圍為2.24～19.06 mg/L，其中大于3 mg/L的占97.6%，能夠滿足IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；2020年11月—次年5月，溶解氧質(zhì)量濃度平均值呈先升高后降低的趨勢。所有監(jiān)測點位的溶解氧質(zhì)量濃度平均值為9.89 mg/L，表明水體自凈能力較好[29]。

表5 水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果

氨態(tài)氮質(zhì)量濃度范圍為0～4.01 mg/L，滿足IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的比例占90.5%。2020年11月—次年5月，氨態(tài)氮平均質(zhì)量濃度先下降后上升，與溶解氧質(zhì)量濃度變化趨勢相反，也從側(cè)面反映了溶解氧質(zhì)量濃度上升和下降帶來的水體自凈能力的變化。氨態(tài)氮平均質(zhì)量濃度為0.52 mg/L，接近地表水II類標(biāo)準(zhǔn)，說明總體上氨態(tài)氮并未對水質(zhì)造成影響。此外，氨態(tài)氮質(zhì)量濃度超出V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的點位主要分布于惠濟河上游，說明此段河流的污染情況較為嚴(yán)重，這與靠近開封城區(qū)存在一定的關(guān)系。硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度范圍為0.01～8.88 mg/L，均滿足I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，與較低的氨態(tài)氮質(zhì)量濃度有直接的關(guān)系。

總氮質(zhì)量濃度范圍為0.1～13.4 mg/L，優(yōu)于IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的比例僅占19%，劣于V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的比例占76.2%。總氮平均質(zhì)量濃度為4.11 mg/L，超出水環(huán)境功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)限值1.7倍，遠高于V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，說明灌區(qū)范圍內(nèi)的地表水總氮污染嚴(yán)重超標(biāo)。2020年11月—次年1月，總氮平均質(zhì)量濃度有所上升，1月以后，總氮質(zhì)量濃度逐步下降。此外，惠濟河的總氮平均質(zhì)量濃度為5.8 mg/L，而渦河的總氮平均質(zhì)量濃度為3.41 mg/L，這也是惠濟河水質(zhì)劣于渦河的重要原因。

總磷的質(zhì)量濃度范圍為0.15～2.99 mg/L，其中優(yōu)于IV水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的僅占15.5%，劣于V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的占65.5%?？偭椎钠骄|(zhì)量濃度為0.59 mg/L，超出水環(huán)境功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)限制0.9倍，高于V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)0.4 mg/L的限制，說明總磷同樣是灌區(qū)地表水污染的重要指標(biāo)。2020年11月—次年1月，總磷的平均質(zhì)量濃度下降明顯，此后又有所升高。

故總氮和總磷是影響灌區(qū)地表水水質(zhì)最重要的2種污染物。主要是因為灌區(qū)以農(nóng)業(yè)為主，不合理的氮肥、磷肥施用，隨地表徑流進入水體，造成氮、磷量超標(biāo)，水體富營養(yǎng)化加劇[26]?？刂频⒘着欧攀枪鄥^(qū)今后治理面源污染和保障水生態(tài)環(huán)境安全的重要方向。

2.2 水質(zhì)評價

2.2.1 單因子評價法

利用單因子評價法對各監(jiān)測點位進行水質(zhì)評價的結(jié)果如表6所示。2020年11月、2021年1、3、5月，每個測點的水質(zhì)類別占比如圖2所示?？梢钥闯?，2020年11月—次年3月，灌區(qū)范圍內(nèi)渦河和惠濟河總體水質(zhì)較差，劣V類水質(zhì)占比均超過71%。根據(jù)《水功能區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50594—2010），渦河和惠濟河水質(zhì)整體無法滿足灌溉用水標(biāo)準(zhǔn)，總氮和總磷是影響水質(zhì)的主要污染指標(biāo)。5月渦河和惠濟河IV類水占比71.4%，水質(zhì)基本能夠滿足水質(zhì)功能區(qū)要求；V類水及更優(yōu)水質(zhì)類別占比90.5%，整體能夠滿足灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。說明隨著豐水期的到來，河流水環(huán)境容量也有所增加，水質(zhì)呈逐漸轉(zhuǎn)好的趨勢。另外，根據(jù)《河南省水資源公報》以及《河南統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)，2021年趙口引黃灌區(qū)二期工程區(qū)域所涉及4個市的農(nóng)田畝均灌溉用水量、畝均化肥和農(nóng)藥使用量，相比2020年均有所下降，農(nóng)田退水量和進入河流污染物的量也相應(yīng)降低，這是水質(zhì)隨時間好轉(zhuǎn)的另一因素?？臻g分布方面可以看出，灌區(qū)范圍內(nèi)渦河和惠濟河整體水質(zhì)變化程度不大，只有渦河流出灌區(qū)范圍后的玄武閘和付橋閘水質(zhì)改善明顯。主要是因為灌區(qū)范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染分布較為均勻，而灌區(qū)外面源污染有較大程度的減輕，依靠水體的自凈能力，水質(zhì)有所改善。

表6 單因子評價法水質(zhì)類別

2.2.2 綜合污染指數(shù)法

各監(jiān)測點位不同時間水質(zhì)綜合污染指數(shù)法的評價結(jié)果如圖3和表7所示。2020年11月、2021年1、3、5月，21個取樣斷面中水質(zhì)狀態(tài)為尚清潔及清潔的比例分別為33.3%、42.9%、80.1%和95.2%，綜合污染指數(shù)平均值分別為1.29、1.05、0.92和0.71，灌區(qū)地表水質(zhì)呈逐漸轉(zhuǎn)好狀態(tài)。2020年11月和2021年1月，惠濟河和渦河水質(zhì)空間變化較為明顯，2021年3月和5月變化較小，各監(jiān)測點位水質(zhì)整體相差不大。除與枯水期到豐水期的改變密切相關(guān)外，趙口引黃灌區(qū)二期工程主體工程的建設(shè)也是一個不可忽視的原因。

圖2 水質(zhì)類別占比

圖3 各監(jiān)測點位不同時間的綜合污染指數(shù)

從空間分布來看，灌區(qū)引水經(jīng)過干渠進入惠濟河和渦河后，水質(zhì)沒有明顯的變化。灌區(qū)范圍內(nèi)沿惠濟河流向，除與杞河西支交匯處水質(zhì)有所改善外，其余監(jiān)測點位變化不大。分析水質(zhì)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，2020年11月和2021年1月，惠濟河與杞河西支交匯處水體中氨態(tài)氮質(zhì)量濃度明顯低于其他監(jiān)測點位，可能是由于氨態(tài)氮較為活躍，在多重因素的作用下發(fā)生了轉(zhuǎn)化。2020年11月和2021年1月，灌區(qū)范圍內(nèi)沿渦河方向水質(zhì)呈階段性變化。渦河流入灌區(qū)內(nèi)的水質(zhì)為輕度污染狀態(tài)，至渦河與渦河故道交匯處水質(zhì)才有所改善，主要是由于此監(jiān)測點位的總氮、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮質(zhì)量濃度較低，原因可能是氮的遷移轉(zhuǎn)化較為活躍，水體中的氮污染物轉(zhuǎn)化為氮氣逸散到空氣當(dāng)中。此后受王河和團結(jié)干渠污染的影響，渦河水質(zhì)變差。與清水河交匯處以及玄武閘和付橋閘處的水質(zhì)又恢復(fù)較好的狀態(tài)，這與渦河接納農(nóng)田排水面積的減少密切相關(guān)。渦河出灌區(qū)與惠濟河交匯后受惠濟河污染的影響，水質(zhì)有所降低。

表7 綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果

2.2.3 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法

各監(jiān)測點位不同時期的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法計算結(jié)果和水質(zhì)評價類別如表8所示。由表8可知，綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的范圍在2.410～6.231之間，水質(zhì)類別從II類至劣V類不等。從圖4可以看出，2020年11月（枯水期）—次年5月（豐水期）IV類水及更優(yōu)的水質(zhì)占比逐步提高，由81%提高至100%，V類和劣V類水的比例明顯降低，由19%降低為0，水質(zhì)提升明顯，整體上滿足渦河惠濟河的水環(huán)境功能區(qū)要求，這在很大程度上優(yōu)于單因子評價法所得的評價結(jié)果，也進一步驗證了單因子評價法的過保護性。從空間分布來看，渦河的水質(zhì)整體上優(yōu)于惠濟河，原因是渦河和惠濟河雖然都是灌排合一的河流，但是受地勢影響，惠濟河承擔(dān)更多的農(nóng)田排水功能，且惠濟河距離開封市區(qū)較近，更多的產(chǎn)業(yè)和人口可能會對河流水生態(tài)環(huán)境造成更大的壓力。灌區(qū)范圍內(nèi)沿2條河流流向的水質(zhì)變化情況與綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果相似。

2.3 3種方法對比分析

采用單因子評價法、綜合污染指數(shù)法和綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對趙口引黃灌區(qū)二期工程區(qū)域內(nèi)的代表性河流渦河和惠濟河進行水質(zhì)評價可以發(fā)現(xiàn)，單因子評價法所得水質(zhì)結(jié)果中，2020年11月（枯水期）—2021年3月（平水期）3個月基本均為V類及劣V類水質(zhì)，無法滿足惠濟河和渦河的水質(zhì)功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，只有在5月（豐水期）IV類水質(zhì)占比達到71.4%，且均分布在渦河?？偟涂偭壮瑯?biāo)嚴(yán)重，是影響單因子評價法評價結(jié)果的主要指標(biāo)。綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果顯示，2020年11月—2021年5月，灌區(qū)地表水質(zhì)整體逐漸改善，分別屬于輕微污染、輕微污染、尚清潔和尚清潔的狀態(tài)。此外，灌區(qū)范圍內(nèi)沿河流方向水質(zhì)變化也呈一定的空間變化。綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對灌區(qū)地表水水質(zhì)進行了更加細致的劃分和評價，所得水質(zhì)評價結(jié)果較單因子評價法也有很大的改善。2020年11月—2021年5月，優(yōu)于IV類水質(zhì)的監(jiān)測點位占比由81%提高至100%，整體上滿足水質(zhì)功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。

3種方法的評價結(jié)果有所差異，但同時反映一些共同點，例如從2020年11月—2021年5月，水質(zhì)逐漸改善，這與枯水期至豐水期水質(zhì)逐漸改善的趨勢相符。此外，灌區(qū)范圍內(nèi)沿著河流流向，水質(zhì)變化呈相似的空間分布。

表8 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)及評價結(jié)果

圖4 不同時間的水質(zhì)類別占比

3 討論

通過對趙口引黃灌區(qū)二期范圍內(nèi)渦河和惠濟河的水質(zhì)分析可以發(fā)現(xiàn)，溶解氧、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度較低，而總氮和總磷2項指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，是影響灌區(qū)地表水質(zhì)的主要污染物，這與灌區(qū)范圍內(nèi)過量的化肥使用密切相關(guān)[30]。李玖穎等[31]也指出，化肥中氮、磷元素流失是造成灌區(qū)地表水質(zhì)污染的重要因素。

3種評價方法中，單因子評價法無法很好地實現(xiàn)連續(xù)定量的分析，容易出現(xiàn)跳躍性從而造成誤差[10]，且受總氮和總磷的影響，導(dǎo)致水質(zhì)評價結(jié)果較差，基本為V類和劣V類水質(zhì)。但單因子評價法明確了地表水體的主要污染物總氮和總磷，也為嚴(yán)格的水環(huán)境保護與治理提供了依據(jù)[3]。綜合污染指數(shù)法實現(xiàn)了對灌區(qū)地表水整體狀態(tài)和變化趨勢的評價分析，更能呈現(xiàn)水質(zhì)的空間變化規(guī)律，對于整體把控區(qū)域水質(zhì)，統(tǒng)籌采取保護措施具有重要作用[12]，也被認為是最適合小流域水質(zhì)評價的方法[11]。綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法克服了單因子評價法過保護的缺點，能夠?qū)λ|(zhì)類別做出更加客觀和細致的判斷[32-33]，可以作為單因子評價法的補充，為水環(huán)境保護與治理提供更加科學(xué)的參考。

本研究結(jié)合單子評價法、綜合污染指數(shù)法和綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法，對趙口引黃灌區(qū)二期工程區(qū)域內(nèi)渦河和惠濟河進行了水質(zhì)評價，實現(xiàn)了多種方法的相互借鑒，克服了單一方法造成評價結(jié)果片面性的問題。但是對灌區(qū)水質(zhì)進行評價還存在尚待改進之處，如本次研究的監(jiān)測數(shù)據(jù)有限，無法滿足長序列研究要求。因此，應(yīng)當(dāng)進一步開展相關(guān)研究，持續(xù)為趙口灌區(qū)水質(zhì)改善提供理論支撐的同時，也為其他灌區(qū)水質(zhì)評價提供參考。

4 結(jié)論與建議

1）渦河和惠濟河氨態(tài)氮、硝態(tài)氮未超出水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，但總氮和總磷超標(biāo)嚴(yán)重，這與灌區(qū)氮肥、磷肥的過量施用密切相關(guān)，表明農(nóng)業(yè)面源污染是影響灌區(qū)地表水水質(zhì)的主要因素。應(yīng)當(dāng)減少化肥使用量，增大有機肥施用比例，加大對農(nóng)業(yè)廢棄物和畜禽糞便的資源化利用力度，禁止生活污水未經(jīng)處理排入水體。

2）單因子評價法明確了灌區(qū)地表水質(zhì)的主要污染物，確定了水質(zhì)類別；綜合污染指數(shù)法揭示了地表水質(zhì)的整體狀態(tài)和變化趨勢；綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法結(jié)合以上2種方法的優(yōu)點，對水質(zhì)類別進行了更為客觀的判斷。3種方法相結(jié)合，實現(xiàn)了地表水評價的全面性和科學(xué)性。

3）3種評價方法均展現(xiàn)出灌區(qū)地表水質(zhì)的共性：2020年11月（枯水期）—2021年5月（豐水期），水質(zhì)逐漸改善；灌區(qū)范圍內(nèi)水質(zhì)較差，流出灌區(qū)后水質(zhì)有所改善。灌區(qū)水環(huán)境保護與治理應(yīng)當(dāng)充分考慮時間和空間的變化，針對性采取措施。另外，應(yīng)當(dāng)加快推進引黃工程建設(shè)，對灌區(qū)內(nèi)的河、溝、渠展開系統(tǒng)治理，提高水系連通性。

[1] 丁剛益, 毛小云, 陳柯瑾, 等. 昭通市地表水水質(zhì)評價與變化趨勢分析[J]. 水利水電快報, 2021, 42(4): 75-78, 82.

DING Gangyi, MAO Xiaoyun, CHEN Kejin, et al. Evaluation and trend analysis of surface water quality in Zhaotong City[J]. Express Water Resources & Hydropower Information, 2021, 42(4):75-78, 82.

[2] 涂敏. 基于水功能區(qū)水質(zhì)達標(biāo)率的河流健康評價方法[J]. 人民長江, 2008, 39(23): 130-133.

TU Min. The river health assessment method based on the water quality compliance rate of water function zones[J]. Yangtze River, 2008, 39(23): 130-133.

[3] 喬倩倩, 許鑫, 駱?biāo)啬? 水功能區(qū)水質(zhì)達標(biāo)評價方法分析[J]. 東北水利水電, 2013, 31(8): 5-7.

QIAO Qianqian, XU Xin, LUO Suna. Analysis on the evaluation methods of water quality compliance in water function zones[J]. Water Resources & Hydropower of Northeast China, 2013, 31(8): 5-7.

[4] 韓艷利, 靳會姣, 高天立, 等. 黃河流域重要水功能區(qū)水質(zhì)達標(biāo)及趨勢分析[J]. 人民黃河, 2018, 40(3): 68-71.

HAN Yanli, JIN Huijiao, GAO Tianli, et al. Water quality evaluation and trend analysis in the key water function zones of the Yellow River Basin[J]. Yellow River, 2018, 40(3): 68-71.

[5] 馮堂武. 基于頻次法與均值法的水質(zhì)評價方法比較研究[J]. 河北地質(zhì)大學(xué)學(xué)報, 2020, 43(3): 72-76.

FENG Tangwu. Comparative study on water quality evaluation methods based on frequency method and mean value method[J]. Journal of Shijiazhuang University of Economics, 2020, 43(3): 72-76.

[6] 寧忠瑞, 李虹彬. 基于水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的黃河寧夏段水質(zhì)評價與分析[J].灌溉排水學(xué)報, 2020, 39(S1): 56-61.

NING Zhongrui, LI Hongbin. Assessment and analysis of water quality in Ningxia section of the Yellow River Based on comprehensive water quality identification index[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(S1): 56-61.

[7] 裴曉龍, 丁強, 楊玉珍, 等. 地表水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的定量分級及其適用性[J]. 水土保持通報, 2020, 40(5): 146-151.

PEI Xiaolong, DING Qiang, YANG Yuzhen, et al. Quantitative classification and applicability of surface water environmental quality index[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2020, 40(5): 146-151.

[8] 陳攀, 韓麗娟. 不同模糊組合模型在水質(zhì)評價中的應(yīng)用比較[J]. 人民黃河, 2018, 40(12): 100-105.

CHEN Pan, HAN Lijuan. Comparison of application of different fuzzy combination models in water quality assessment[J]. Yellow River, 2018, 40(12): 100-105.

[9] 侯蕾, 于新雨, 燕振華, 等. 牟汶河鋼城區(qū)河段地表水水質(zhì)評價與變化趨勢分析[J]. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）, 2021, 52(4): 670-674.

HOU Lei, YU Xinyu, YAN Zhenhua, et al. Evaluation and variation trend analysis on surface water quality in gangcheng district of Muwen river[J]. Journal of Shandong Agricultural University(Natural Science Edition), 2021, 52(4): 670-674.

[10] 丘冬琳. 不同水質(zhì)評價方法對水庫水質(zhì)趨勢分析的影響比較[J]. 廣東水利水電, 2018(7): 13-15.

QIU Donglin. Comparison on influence of various water quality assessment methods in reservoir water quality tendency analysis[J]. Guangdong Water Resources and Hydropower, 2018(7): 13-15.

[11] 游如玥, 敖天其, 朱虹, 等. 小流域水質(zhì)評價方法對比研究[J]. 四川環(huán)境, 2021, 40(2): 73-81.

YOU Ruyue, AO Tianqi, ZHU Hong, et al. Comparative study on water quality evaluation methods of small watersheds[J]. Sichuan Environment, 2021, 40(2): 73-81.

[12] 孫濤, 張妙仙, 李苗苗, 等. 基于對應(yīng)分析法和綜合污染指數(shù)法的水質(zhì)評價[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2014, 37(4): 185-190.

SUN Tao, ZHANG Miaoxian, LI Miaomiao, et al. River water quality evaluation based on correspondence analysis and comprehensive pollution index method [J]. Environmental Science &Technology, 2014, 37(4): 185-190.

[13] 費卓越. 葫蘆島市沿海地區(qū)地表水評價[J]. 黑龍江水利科技, 2021, 49(9): 195-200.

FEI Zhuoyue. Evaluation of surface water in coastal area of Huludao city[J]. Heilongjiang Hydraulic Science and Technology, 2021, 49(9): 195-200.

[14] 徐祖信. 我國河流綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價方法研究[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）, 2005, 33(4): 482-488.

XU Zuxin. Comprehensive water quality identification index for environmental quality assessment of surface water[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2005, 33(4): 482-488.

[15] 李永軍, 宋穎, 李華棟. 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法在黃河口濕地水質(zhì)評價中的應(yīng)用[C]//2020（第八屆）中國水生態(tài)大會論文集, 中國學(xué)術(shù)期刊電子出版社, 2020: 158-163.

LI Yongjun, SONG Ying, LI Huadong. Application of comprehensive water quality identification index in water quality evaluation of the Yellow River estuary wetland[C]//Proceedings of the 2020 (8th) China Water Ecology Conference, China Academic Journal Electronic Publishing House, 2020: 158-163.

[16] 唐賀. 基于改進的灰色關(guān)聯(lián)分析法在地表水環(huán)境評價中的應(yīng)用[J]. 海河水利, 2020(4): 36-39.

TANG He. Application of improved grey relational analysis method in environmental quality assessment of surface water[J]. Haihe Water Resources, 2020(4): 36-39.

[17] 劉雯雯. 遼寧省地表水水環(huán)境質(zhì)量評價[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2019(3): 146-148, 152.

LIU Wenwen. Evaluation of surface water environment quality in Liaoning Province[J]. Technical Supervision in Water Resources, 2019(3): 146-148, 152.

[18] 杜娟娟, 李榮峰, 胡炎. 不同方法在沁河水質(zhì)評價中的應(yīng)用與分析[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2015, 34(S2): 125-127.

DU Juanjuan, LI Rongfeng, HU Yan. Application and analysis of different methods in Qinhe water quality evaluation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2015, 34(S2): 125-127.

[19] 黃瑞, 韓龍喜, 張防修, 等. 模糊區(qū)間型綜合決策方法在水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J]. 人民黃河, 2021, 43(5): 104-109.

HUANG Rui, HAN Longxi, ZHANG Fangxiu, et al. Application of the fuzzy interval multi-attribute assessment in the analysis of water quality[J]. Yellow River, 2021, 43(5): 104-109.

[20] 李蓮芳, 曾希柏, 李國學(xué), 等. 利用模糊綜合評判法評價潮白河流域水質(zhì)[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2006, 2(25): 471-476.

LI Lianfang, ZENG Xibo, LI Guoxue, et al. Water quality assessment in chaobai river by fuzzy synthetic evaluation method[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2006, 2(25): 471-476.

[21] 徐祖信. 我國河流單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價方法研究[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）, 2005, 33(3): 321-325.

XU Zuxin. Single factor water quality identification index for environmental quality assessment of surface water[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2005, 33(3): 321-325.

[22] 馬莉. “四水同治”推進趙口引黃灌區(qū)二期工程建設(shè)[J]. 河南水利與南水北調(diào), 2019(3): 93-94.

MA Li. “Same treatment of four waters” promotes the construction of the second phase of the Zhaokou Yellow River Diversion Irrigation District[J]. Water Resources & South to North Water Diversion, 2019(3): 93-94.

[23] 侯君, 王汴歌, 孫國恩, 等. 趙口引黃灌區(qū)建設(shè)與管理的思考[J]. 河南水利與南水北調(diào), 2018, 47(8): 25-26.

HOU Jun, WANG Biange, SUN Guoen, et al. Reflections on the construction and management of Zhaokou Yellow River irrigation district[J]. Water Resources & South to North Water Diversion, 2018, 47(8): 25-26.

[24] 崔宏艷. 趙口引黃灌區(qū)二期工程進度控制措施[J]. 河南水利與南水北調(diào), 2021, 50(4): 49-50.

CUI Hongyan. Progress control measures of the second phase project of Zhaokou Yellow River diversion irrigation district[J]. Water Resources & South to North Water Diversion, 2021, 50(4): 49-50.

[25] 國家環(huán)境保護總局, 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn): GB3838—2002[S]. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2002.

State Environmental Protection Administration, General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine. Surface water environmental quality standard: GB 3838—2002[S]. Beijing: China Environmental Science Press, 2002.

[26] 申洪鑫, 牛蓓蓓, 李富強, 等. 大汶河水質(zhì)狀況評價和污染源分析[J]. 安全與環(huán)境工程, 2021, 28(5):176-185, 195.

SHEN Hongxin, NIU Beibei, LI Fuqiang, et al. Water quality assessment and pollution source analysis of the Dawen River[J]. Safety and Environmental Engineering, 2021, 28(5): 176-185, 195.

[27] 胡海翔. 呂梁市三川河水質(zhì)分析評價[J]. 山西水土保持科技, 2021(2): 11-13.

HU Haixiang. Analysis and evaluation of water quality of Sanchuan River in Luliang City[J]. Soil and Water Conservation Science and Technology in Shanxi, 2021(2): 11-13.

[28] 李雪. 鞍山市重要水質(zhì)站水質(zhì)分析與評價[J]. 水資源開發(fā)與管理, 2021(1): 11-16, 27.

LI Xue. Analysis and evaluation of water quality of important water quality stations in Anshan City[J]. The Global Seabuckthorn Research and Development, 2021(1): 11-16, 27.

[29] 張凱奇, 夏飛, 王海波. 鹽城市第Ⅲ防洪區(qū)典型河流水質(zhì)分析[J]. 江蘇水利, 2021(3): 31-34.

ZHANG Kaiqi, XIA Fei, WANG Haibo. Analysis of water quality of typical rivers in the third flood control area of Yancheng City[J]. Jiangsu Water Resources, 2021(3): 31-34.

[30] 高福, 馮棣, 孫池濤, 等. 農(nóng)業(yè)面源污染指標(biāo)與地表水質(zhì)量的相關(guān)性研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2021, 40(6): 119-124.

GAO Fu, FENG Di, SUN Chitao, et al. Research on the correlation between agricultural non-point source pollution indicators and surface water quality[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(6): 119-124.

[31] 李玖穎, 彭翌豪, 柳真楊, 等. 黑龍江省地表水灌溉水質(zhì)評價分析[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2019, 38(12): 115-120.

LI Jiuying, PENG Yihao, LIU Zhenyang, et al. Evaluation and analysis of surface water irrigation quality in Heilongjiang Province[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(12): 115-120.

[32] 張潔, 焦樹林, 趙夢, 等. 貴州百花湖流域主要地表河流水質(zhì)評價分析[J]. 人民長江, 2021, 52(6): 13-19.

ZHANG Jie, JIAO Shulin, ZHAO Meng, et al. Evaluation and analysis of water quality of main surface rivers in Baihua Lake Basin in Guizhou[J]. Yangtze River, 2021, 52(6): 13-19.

[33] 鄧建明. 水質(zhì)級別指數(shù)法在水質(zhì)評價和預(yù)警方面的應(yīng)用：以桂南沿海地區(qū)地表水評價為例[J]. 人民長江, 2021, 52(2): 18-24.

DENG Jianming. Application of water quality grade index method in water quality evaluation and early warning: Taking the evaluation of surface water in the coastal areas of southern Guangxi as an example[J]. Yangtze River, 2021, 52(2): 18-24.

Surface Water Quality in Second-phase Zhaokou Yellow River Irrigation District Project

LU Linfang1, WANG Huihui2, 3*, HU Yawei2, 3, JIN Xiaohui2, 3

(1. Construction Administration of the Second Phase Project of Zhaokou Yellow River Irrigation District in Henan Province, Kaifeng 475000, China; 2. Yellow River Institute of Hydraulic Research, Zhengzhou 450003, China; 3. Henan Province Rural Water Environment Management Engineering Technology Research Center, Zhengzhou 450003, China)

【Objective】The irrigation district at Zhaokou in east Henan province is a project to provide the Yellow River water for irrigation and industrial usage in this region. It is constructed in several phases. The purpose of this paper is to analyze the quality of the water after the second-phase of the project was completed.【Method】Water samples were taken from the sections of Guo River and Huiji River in November 2020, January, March, and May 2021 at 21 locations. Their chemical components were analyzed. The pollution index used to evaluate the water quality was calculated using single factor evaluation method, comprehensive pollution index method, and comprehensive water quality labeling index method. 【Result】The total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) in the water exceeded the standard substantially. From November 2020 to March 2021, water with quality at the Grade V or lower accounted for more than 95%, while in May 2021, the quality of all water reached Grade IV. The results calculated from the comprehensive pollution index method showed that from November 2020 to May 2021, water quality improved from moderate pollution to least or no pollution. It was also found the water quality varied spatially. The results calculated from the comprehensive water quality labeling index method showed that water quality from November 2020 to May 2021 reached Grade IV, the demand for irrigation water quality. 【Conclusion】The quality of surface water in the second-phase Zhaokou Yellow River Irrigation District project is not optimistic, especially in the dry season. Its TN and TP are the main pollutants. Alleviating non-point source pollution from cropping fields is an important way to improve the water quality.

irrigation area; water quality evaluation; single factor evaluation method; comprehensive pollution index method; comprehensive water quality labeling index method

1672 - 3317（2022）09 - 0117 - 08

X824；TV882.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022067

逯林方, 王輝輝, 胡亞偉, 等. 趙口引黃灌區(qū)二期工程區(qū)域地表水水質(zhì)評價[J]. 灌溉排水學(xué)報,2022, 41(9): 117-124.

LU Linfang, WANG Huihui, HU Yawei, et al.Surface Water Quality in Second-phase Zhaokou Yellow River Irrigation District Project[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(9): 117-124.

2022-02-04

2020年度水利科技攻關(guān)項目（GG202063）

逯林方（1973-），男。高級工程師，主要從事工程建設(shè)管理和灌區(qū)水資源管理研究。E-mail:1752755805@qq.com

王輝輝（1992-），男。助理工程師，碩士，主要從事高濃度有機廢水的處理與利用研究。E-mail:whh1320@126.com

責(zé)任編輯：白芳芳