大別山西段羅山縣水環(huán)境特征及其影響因素分析

黃錦彥， 李新， 吳豐， 羅敏玄， 楊濤， 胡庚辛

（中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局長(zhǎng)沙自然資源綜合調(diào)查中心,湖南 長(zhǎng)沙 410600）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)廢水、生活污水排放量也迅速增加，農(nóng)藥、化肥大量施用和畜禽養(yǎng)殖污染等都會(huì)通過(guò)地表徑流和淋濾入滲等方式對(duì)地表水和地下水造成一定程度的污染，導(dǎo)致水生態(tài)環(huán)境惡化，并產(chǎn)生水安全問(wèn)題[1-3]。因此，水體環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[4-12]。

大別山區(qū)作為國(guó)家級(jí)生態(tài)水源涵養(yǎng)功能區(qū)，研究其水環(huán)境質(zhì)量及特征具有重要意義。目前，地方政府多用單因子指數(shù)法來(lái)判斷、評(píng)價(jià)水質(zhì)，且水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面較少，如《羅山縣2019年水資源公報(bào)》就利用單因子指數(shù)法對(duì)7個(gè)水功能區(qū)水質(zhì)進(jìn)行分析。該方法只能夠簡(jiǎn)單、直觀地反映出水質(zhì)等級(jí)及污染物，沒(méi)有區(qū)分多種污染因子的綜合效應(yīng)和空間分析，對(duì)影響水環(huán)境質(zhì)量的自然條件因素及耦合關(guān)系沒(méi)有進(jìn)一步研究。本文以羅山縣為例，結(jié)合水功能區(qū)劃，采用綜合指數(shù)法，對(duì)區(qū)域水環(huán)境特征及土質(zhì)污染因素進(jìn)行了調(diào)查研究，以期為研究區(qū)水污染防治和水源涵養(yǎng)功能保護(hù)修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)水功能區(qū)劃概況

羅山縣位于大別山西北麓，淮河南岸，面積2 077 km2，屬亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡季風(fēng)性氣候，地形為南高北低、由西南向東北傾斜； 地貌分帶明顯，由南至北依次為低山丘陵、黃土壟崗、沿河平原，土地構(gòu)成比例大致為“五山一水四分田”，是中國(guó)典型的南北生態(tài)交錯(cuò)地帶?？h內(nèi)淮河、浉河、竹竿河和小潢河總體自西南向東北流過(guò)（圖1），年平均水資源總量為34.62×108m3。淮河過(guò)羅山縣境內(nèi)全長(zhǎng)46 km，境內(nèi)流域面積為2 044 km2，占全縣總面積的98%； 浉河為淮河干流上游右岸支流，縣域內(nèi)河道長(zhǎng)26 km，流域控制面積約306 km2； 竹竿河為淮河干流上游右岸支流，縣域內(nèi)河長(zhǎng)約86 km，流域控制面積約1 700 km2； 小潢河為竹竿河左岸支流，發(fā)源于河南省羅山縣西南的靈山，河道全長(zhǎng) 98 km，流域面積796 km2。境內(nèi)有石山口水庫(kù)、界牌水庫(kù)、小龍山水庫(kù)等大小水庫(kù)140余座，水量充足，分布均勻，可滿足全縣工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城市居民生活用水。

根據(jù)2017年信陽(yáng)市水利局發(fā)布的《水資源質(zhì)量狀況通報(bào)》，羅山縣范圍內(nèi)共計(jì)有7個(gè)水功能區(qū)，包括一級(jí)水功能區(qū)3個(gè)（保護(hù)區(qū)1個(gè)，保留區(qū)2個(gè)），二級(jí)水功能區(qū)4個(gè)（飲用水源區(qū)1個(gè)，農(nóng)業(yè)用水區(qū)2個(gè)，排污控制區(qū)1個(gè)）。

2 材料和方法

2.1 樣品采集與測(cè)定

2020年10月，在羅山縣境內(nèi)4條主要河流斷面采集了99個(gè)水質(zhì)檢測(cè)樣本，其中河流點(diǎn)50個(gè)、湖泊（水庫(kù)）點(diǎn)49個(gè)。采樣點(diǎn)位分散布設(shè)，覆蓋全區(qū)主要水系和各個(gè)水功能區(qū)。水樣的采集和保存按《GB/T F5750.F2F—2006生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》執(zhí)行。

2.2 水質(zhì)指標(biāo)及檢測(cè)方法

根據(jù)縣區(qū)的水環(huán)境特點(diǎn)，選取pH值、化學(xué)需氧量（COD）、溶解氧（DO）、氨氮、總氮、總磷、銅（Cu）、氟化物（F-）共8種指標(biāo)進(jìn)行了水質(zhì)分析，選用《GB 3838—2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[13]的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)作為水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)限值。除溶解氧使用便攜式水質(zhì)分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定外,其他指標(biāo)分析測(cè)試委托湖南省地質(zhì)測(cè)試研究院完成，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法、離子色譜法、玻璃電極法、容量法和比色法等分析方法（表1）。

表1 水質(zhì)分析方法

2.3 評(píng)價(jià)方法

在單因子分析的基礎(chǔ)上，選取等權(quán)重綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)各水體的相對(duì)污染程度，即采用各水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值與其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之比，作為單項(xiàng)污染指數(shù)（Pi），然后通過(guò)等權(quán)重平均得到一個(gè)綜合污染指數(shù)（P）。本文采用的單項(xiàng)污染指數(shù)有非溶解氧指標(biāo)、溶解氧指標(biāo)和pH值的污染指數(shù)。

非溶解氧指標(biāo)的污染指數(shù)表達(dá)式為

式中:Pi為污染物i的污染指數(shù)；Ci為污染物i的實(shí)測(cè)濃度值；Coi為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。

溶解氧的單項(xiàng)污染指數(shù)表達(dá)式為

式中:P（DO）為溶解氧的污染指數(shù)；C（DO）為溶解氧的實(shí)測(cè)濃度值；Co（DO）為溶解氧的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。

pH值的單項(xiàng)污染指數(shù)表達(dá)式為

式中:P（pH）表示pH的污染指數(shù)； pHi表示pH的實(shí)測(cè)值；pHsd表示評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中pH的下限值； pHsu表示評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中pH的上限值。

綜合污染指數(shù)的表達(dá)式為

式中:P為水體的綜合污染指數(shù);n為參加評(píng)價(jià)的污染物指標(biāo)數(shù)目;Pi為污染物i的污染指數(shù)。

綜合污染指數(shù)P對(duì)應(yīng)的水質(zhì)分級(jí)為： I級(jí)，清潔，P≤0.25; II級(jí)，較清潔，0.25

3 結(jié)果與分析

3.1 水環(huán)境質(zhì)量特征

3.1.1 水環(huán)境的綜合指數(shù)特征

樣品測(cè)定結(jié)果（表2,圖2）表明，研究區(qū)水質(zhì)綜合污染指數(shù)為0.41，屬Ⅲ級(jí)輕污染，總體水質(zhì)一般，與2019年羅山縣水資源公報(bào)評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。各水質(zhì)等級(jí)樣點(diǎn)數(shù)大致呈正態(tài)分布，曲線峰值出現(xiàn)在較清潔級(jí)別，占比37%，其次是清潔和輕污染，均占比23%，中污染和重污染分別占13%和3%。

表2 各樣點(diǎn)單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)

圖2 各樣點(diǎn)水質(zhì)等級(jí)分類統(tǒng)計(jì)Fig.2 Classification and statistics of water quality grades at various points

從樣點(diǎn)類型看，湖泊（水庫(kù)）綜合污染指數(shù)為0.42，河流綜合污染指數(shù)為0.40，數(shù)值相近。湖泊（水庫(kù)）點(diǎn)除總氮指數(shù)外，其他指標(biāo)都高于河流，說(shuō)明污染物種類更多。湖泊（水庫(kù)）清潔樣點(diǎn)數(shù)雖占比34%，但是重污染樣點(diǎn)數(shù)也達(dá)到6%，說(shuō)明水質(zhì)存在兩極分化; 河流雖然沒(méi)有重污染樣點(diǎn)，但是清潔樣點(diǎn)只占12%，輕污染和較清潔樣點(diǎn)占比近80%，說(shuō)明水質(zhì)變化幅度小。

3.1.2 水環(huán)境的單因子特征

大部分樣點(diǎn)水質(zhì)較好，少數(shù)中污染點(diǎn)和重污染點(diǎn)超標(biāo)嚴(yán)重，單點(diǎn)綜合污染指數(shù)總氮最高值為1.64，是平均綜合污染指數(shù)的4倍，對(duì)總體水質(zhì)影響較大。各單因子中，污染指數(shù)較大的依次是總氮、溶解氧（DO）、pH值，標(biāo)準(zhǔn)差較大的依次是總氮、氨氮、pH值，綜合說(shuō)明總氮和pH值對(duì)水質(zhì)的影響最為明顯，是主要污染指標(biāo)?？偟奈廴局笖?shù)是綜合污染指數(shù)的3.6倍，遠(yuǎn)高于其他因子，是首要指標(biāo)。總磷、銅的污染指數(shù)接近0，水體受其污染極其微弱。

3.2 不同水功能區(qū)特征

樣品檢測(cè)結(jié)果表明（表3），7個(gè)水功能區(qū)的水質(zhì)等級(jí)均為Ⅲ類清潔、較清潔和輕污染，在Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)中屬于中上等級(jí)。從綜合污染指數(shù)來(lái)看，水質(zhì)由好到差排序依次是小潢河飲用水源區(qū)、竹竿河保留區(qū)、小潢河農(nóng)業(yè)用水區(qū)、淮河保留區(qū)、小潢河源頭保護(hù)區(qū)、浉河農(nóng)業(yè)用水區(qū)、小潢河排污控制區(qū)。

根據(jù)《GB/T 50594—2010水功能區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)》[15]中對(duì)各類水功能區(qū)的水質(zhì)要求，2個(gè)保留區(qū)、1個(gè)飲用水源區(qū)及2個(gè)農(nóng)業(yè)用水區(qū)的水質(zhì)均達(dá)到要求，對(duì)排污控制區(qū)的水質(zhì)不作要求，而保護(hù)區(qū)水質(zhì)劣于目標(biāo)要求，有改善空間。研究區(qū)總體水環(huán)境良好。

表3 各個(gè)水功能區(qū)綜合污染指數(shù)和水質(zhì)等級(jí)

4 土質(zhì)污染因素分析

總氮和pH值是區(qū)內(nèi)主要污染指標(biāo)。99個(gè)樣本中，總氮重污染點(diǎn)數(shù)量占比超過(guò)77%，主要分布在西南部的林地區(qū)和中部、北部以及東南平原地區(qū)的耕地區(qū)（圖3）。樣本pH值范圍為5.03～7.73、中值6.69、pH≤7.0的樣本占比78%，9個(gè)重污染點(diǎn)均為酸性超標(biāo)，集中在羅山縣南部低山丘陵地區(qū)（圖4）。宏觀上看， 土地利用類型、土壤侵蝕應(yīng)是總氮超標(biāo)、水體普遍酸化的主要影響因素; 局部來(lái)看，石山口水庫(kù)及下游總氮污染較小，南部地區(qū)水質(zhì)呈強(qiáng)酸性，除了受自然條件影響外，水功能區(qū)劃作用明顯。

圖3 總氮重污染點(diǎn)位分布Fig.3 Distribution of TN heavy pollution points

圖4 pH值重污染點(diǎn)位分布Fig.4 Distribution of pH heavy pollution points

4.1 土地利用因素

對(duì)區(qū)內(nèi)土地利用類型的調(diào)查結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。羅山縣耕地在中部、北部和東南平原地區(qū)大范圍分布，占比最大（44%），林地集中在西南部，占比第二（35%）。根據(jù)研究，農(nóng)田地表徑流和土壤侵蝕引起的氮素流失，是造成農(nóng)業(yè)面源污染與地表水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因，不同土地利用類型土壤全氮含量表現(xiàn)為林地>農(nóng)地>草地[16]，且河南省耕地土壤酸化趨勢(shì)明顯，酸性和強(qiáng)酸性耕地土壤主要分布在黃褐土和水稻土上[17]。

圖5 羅山縣土地利用面積占比Fig.5 Proportion of land use area in Luoshan County

圖6 羅山縣土地利用類型Fig.6 Land use types in Luoshan County

4.2 土壤侵蝕因素

羅山縣西南部林地區(qū)地表水總氮和pH值超標(biāo)比例較高。該處位于大別山腹地，屬低山丘陵地帶，地形起伏較大，土壤侵蝕現(xiàn)象最為突出（圖7）。土壤類型多為黃棕壤性土（圖8），呈強(qiáng)酸性，全氮含量為0.9～1.5 g/kg[18]，略高于平均值。大量黃棕壤性土的流失，成為受納水體的重要污染源。初步推斷酸化土壤侵蝕對(duì)地表水總氮和pH值有影響，土壤中的氮肥和酸性物質(zhì)通過(guò)地表徑流流入河流、湖泊、水庫(kù)等水體，造成水體酸化、總氮超標(biāo)。

圖7 羅山縣土壤侵蝕等級(jí)分布Fig.7 Distribution of soil erosion grade in Luoshan County

圖8 羅山縣土壤類型Fig.8 Soil types of Luoshan county

4.3 人類活動(dòng)因素

對(duì)比不同水功能區(qū)內(nèi)水質(zhì)在空間上的變化情況，可以初步反映出人類活動(dòng)對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的影響。以小潢河為例： 作為縣內(nèi)主要河流，小潢河自西南向東北貫穿全縣，并且包含源頭保護(hù)區(qū)、飲用水源區(qū)、排污控制區(qū)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)4個(gè)不同類別水功能區(qū)，其綜合污染指數(shù)分別是0.42、0.21、0.5和0.38，充分體現(xiàn)出水質(zhì)變化與用水功能區(qū)密切相關(guān)。

小潢河源頭保護(hù)區(qū)屬小潢河上游，位于羅山縣南部低山丘陵地區(qū)，為石山口水庫(kù)上游水系主要發(fā)源地。該區(qū)屬于董寨國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)范圍（圖9），水資源開(kāi)發(fā)利用程度較低，人類活動(dòng)影響相對(duì)較小，其水質(zhì)等級(jí)為Ⅲ級(jí)輕污染（綜合污染指數(shù)P=0.42），推斷主要是受自然因素如土壤本底值高、土壤侵蝕等影響。

圖9 不同水功能區(qū)的樣點(diǎn)水質(zhì)等級(jí)Fig.9 Water quality grades of sample points in different water functional areas

小潢河飲用水源區(qū)位于石山口水庫(kù)下游，羅山縣主城區(qū)上游，為飲用水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)，是區(qū)內(nèi)唯一的I級(jí)清潔級(jí)別水質(zhì)（綜合污染指數(shù)P=0.21）。該區(qū)水體受重視和保護(hù)程度高，監(jiān)管力度大，污染較小，水質(zhì)好。

小潢河排污控制區(qū)貫穿羅山縣主城區(qū)，人口相對(duì)密集，生產(chǎn)、生活廢污水排放集中，對(duì)水質(zhì)的影響較大（綜合污染指數(shù)P=0.5），水質(zhì)為輕污染的上限，接近中污染。

小潢河農(nóng)業(yè)用水區(qū)位于小潢河下游，上游連接小潢河排污控制區(qū)，遠(yuǎn)離主城區(qū)后，水質(zhì)呈向好趨勢(shì)，為II級(jí)較清潔水質(zhì)（綜合污染指數(shù)P=0.38）。

從小潢河上游到下游，受自然和人為因素的綜合影響，各水功能區(qū)水質(zhì)變化較大，空間特異性明顯。

5 結(jié)論

（1）羅山縣水質(zhì)總體一般，綜合污染指數(shù) 0.41，為Ⅲ級(jí)輕污染，少數(shù)中污染點(diǎn)和重污染點(diǎn)超標(biāo)嚴(yán)重。總氮和pH值對(duì)水質(zhì)的影響最為明顯，是主要污染物?？偭?、銅的污染指數(shù)接近0，水體受其污染極其微弱。湖泊（水庫(kù)）與河流的污染指數(shù)相近，水質(zhì)差別不大，但河流的總氮污染更嚴(yán)重，湖泊（水庫(kù)）的污染物更多，且水質(zhì)兩極分化更明顯。

（2）羅山縣中部、北部和東南部耕地區(qū)土壤中的污染物通過(guò)農(nóng)田地表徑流造成水體酸化、總氮超標(biāo); 西南部林地區(qū)黃棕壤性土的土壤侵蝕是該處pH值集中酸性超標(biāo)，總氮、總磷污染情況兩極分化的主要原因。因此，在小流域尺度，水體污染與土地利用類型、土壤侵蝕程度以及土壤類型等土壤環(huán)境聯(lián)系密切。

（3）7個(gè)水功能區(qū)中有5個(gè)水質(zhì)達(dá)標(biāo)，小潢河飲用水源區(qū)水質(zhì)最好，小潢河排污控制區(qū)水質(zhì)最差，小潢河源頭保護(hù)區(qū)水質(zhì)有改善空間，水環(huán)境總體良好。從小潢河上游到下游，各水功能區(qū)水質(zhì)變化較大，空間特異性明顯，局部水質(zhì)受自然原因和人為保護(hù)因素的綜合影響。

致謝:論文撰寫(xiě)過(guò)程中得到了中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局長(zhǎng)沙自然資源綜合調(diào)查中心董好剛教授級(jí)高級(jí)工程師和中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心劉紅櫻研究員的精心指導(dǎo)，在此致以誠(chéng)摯的感謝。