董立新，白昊陽

(天津市水利科學(xué)研究院 天津 300061)

科學(xué)與社會

引灤黎河段水質(zhì)變化規(guī)律分析

董立新，白昊陽

(天津市水利科學(xué)研究院 天津 300061)

引灤黎河段是天津市城市供水線路的重要部分。為了系統(tǒng)研究引灤黎河段的水質(zhì)問題，采集了大量黎河段水質(zhì)數(shù)據(jù)，開展了水質(zhì)時間分布特征分析、聚類分析、輸水期水質(zhì)分析以及沿程水質(zhì)變化分析，通過多種方法得出TN是黎河段的主要超標(biāo)污染物與控制指標(biāo)，且2、3月份為污染水平最高的時段。闡明了控制污染的關(guān)鍵在于控制沿程污染的匯入，為后續(xù)水質(zhì)改善提供了支撐，有助于天津市城市供水保障水平的逐步提高。

黎河 水質(zhì)變化 水質(zhì)評價 聚類分析

天津市飲用水水源地的水質(zhì)保障一直是天津市供水安全的核心問題之一，特別是近年來水源地局部區(qū)域菹草、藍藻的爆發(fā)使得供水安全問題愈加突出。作為天津市供水的主要工程，引灤輸水過程是影響供水水質(zhì)安全的一個重要因素。從引灤輸水線路來看，包括引灤隧洞、明渠、暗涵等大多數(shù)輸水線路通過治理保護實現(xiàn)了沿岸污染的零匯入，于橋水庫也實施了系統(tǒng)的污染源治理工程，庫周污染匯入得到了有效控制。黎河段污染匯入帶來的水質(zhì)變化日趨突出，引灤黎河段的污染控制和水質(zhì)改善將是下一階段供水安全保障的主要方向之一。為了對引灤黎河段的水質(zhì)安全問題進行系統(tǒng)的研究、評估和解決，需要對黎河段的水質(zhì)變化情況進行總體分析。下面將結(jié)合已有的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，選擇合適的統(tǒng)計分析方法，對黎河段的水質(zhì)變化規(guī)律展開研究。

1 引灤黎河段概況

黎河發(fā)源于河北省遷西縣燕山山脈，流經(jīng)遵化至天津市薊縣西龍虎峪附近與沙河匯流后進入于橋水庫，沿程接納了15條支流，流域面積560,km2，河道全長76,km。河道沿岸分布有79個村莊，居住人口6萬以上，以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，還有部分化工、鋼鐵類企業(yè)。黎河引灤輸水河段上起引灤隧洞出口，下至與沙河交匯口，全長 57.6,km，占黎河總長的 3/4，占引灤入津工程全線的 1/4，河段設(shè)計流量為 60,m3/s。作為引灤入津的重要輸水河段和于橋水庫的主要入庫河道，黎河水質(zhì)的優(yōu)劣直接影響下游于橋水庫的水體質(zhì)量，進而影響著天津市城市供水的水質(zhì)安全。近年來，受兩岸污染匯入的影響，黎河段水質(zhì)一直較差，氮磷超標(biāo)較為突出，隨著于橋水庫周邊污染的逐步削減，黎河段已經(jīng)成為引灤供水水質(zhì)保障的控制要點。

2 數(shù)據(jù)采集

針對水質(zhì)變化情況，結(jié)合引灤黎河段的運行特點，采集了不同時期包括干支流和重要口門的多項水質(zhì)、流量監(jiān)測數(shù)據(jù)加以分析，包括黎河段逐次輸水流量、水量和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)(2001—2012年)，果河橋斷面氨氮、總氮、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、總磷等指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)(2001—2012年)，重點斷面氨氮、總氮、總磷監(jiān)測數(shù)據(jù)(2008—2012年)，重點排水口總氮監(jiān)測數(shù)據(jù)(2013年)。

3 分析方法

考慮到黎河段有著輸水期和非輸水期的不同運行特征，且沿程匯入較多，規(guī)律分析可以從水質(zhì)時間分布特征分析、聚類分析、輸水期水質(zhì)變化分析、沿程水質(zhì)變化分析 4個方面展開。

3.1 水質(zhì)時間分布特征分析

水質(zhì)時間分布特征包括年度分布情況和月度分布情況。分析中，采取了多項污染物指標(biāo)分別比較的方法，以圖表的方式對水質(zhì)隨時間的分布情況進行了對比歸納。

3.2 聚類分析

聚類分析法是一種常見的統(tǒng)計分析方法，適用于對水質(zhì)時空變化規(guī)律的研究。其基本原理是根據(jù)變量或樣品間的親疏程度，以逐次計算判斷的方法，將性質(zhì)最接近的對象結(jié)合在一起，直至聚成一類。在水質(zhì)評價中，根據(jù)采樣點來進行聚類，可以區(qū)分不同區(qū)域的水質(zhì)特征，根據(jù)采樣時間聚類則可以實現(xiàn)對水質(zhì)時間分布的劃分。

3.3 輸水期間水質(zhì)變化分析

由于黎河天然來水量較小，非輸水期和輸水期水量變化較大，水質(zhì)也受到影響，有不同的特征。輸水期間水質(zhì)變化分析主要是通過對輸水過程水質(zhì)的分析以及與非輸水期的水質(zhì)比較，利用圖表歸納總結(jié)對輸水的影響程度。

3.4 水質(zhì)沿程變化分析

黎河沿線村莊、人口眾多，排水口、支流匯入都會影響河道水質(zhì)，水質(zhì)沿程變化分析主要是對比沿程的水質(zhì)情況，獲得變化趨勢，找出河道沿線口門、支流對河道水質(zhì)的影響程度。

4 結(jié)果與討論

4.1 水質(zhì)時間分布特征分析

黎河主要污染物濃度年均值變化和月均值變化分別見圖1和圖2。

圖1 黎河主要污染物濃度年均值變化Fig.1 Annual mean change of main pollutant concentrations in the Lihe River

由圖1可以看出，以年均濃度比較，CODMn、NH3-N濃度值可以達到Ⅲ類限值以下，TP濃度值多數(shù)情況下均在Ⅲ類限值以下，TN濃度則超過了Ⅴ類限值 2,mg/L。從年度變化來看，CODMn、NH3-N、TP濃度值從 2001年以來均呈現(xiàn)出先逐步下降后緩慢上升的趨勢；TN隨時間下降趨勢并不顯著。可以看出，造成黎河水質(zhì)超標(biāo)的主要污染物仍然是TN。

圖2反映的是黎河主要污染物的月度變化情況。可以看出，CODMn月均濃度在 2～4月份最高，11～12月份最低；NH3-N、TN月均濃度呈現(xiàn)出“年初最高、汛期降低、汛后升高”的過程；TP月均濃度在 2、3月份最高，接近 0.45,mg/L，其余月份則分布在0.1,mg/L左右?？梢钥闯?，2、3月份是主要污染物濃度都處于最高水平的階段，這可能是由于長時間未進行調(diào)水，且冬季天然來水少，導(dǎo)致河道自凈能力極低，而周邊污染匯入又長期累積，最終無力稀釋和降解所致。汛期則天然來水最多、水量最充足，因此，NH3-N、TN、TP都處于較低水平。

4.2 聚類分析

根據(jù)上述分析，黎河水質(zhì)年內(nèi)變化規(guī)律性較強。為了進行進一步研究，對其進行月度聚類分析。月度聚類分析結(jié)果見圖3。

圖2 黎河主要污染物濃度月均值變化Fig.2 Monthly mean change of main pollutant concentrations in the Lihe River

圖3 黎河水質(zhì)月度聚類分析結(jié)果Fig.3 Analysis results of monthly cluster analysis of Li River water quality

由圖3，結(jié)合月均水質(zhì)數(shù)據(jù)，可以將年內(nèi)分為 3個階段。階段Ⅰ是 1～3月，該階段 CODMn、NH3-N、TP、TN濃度都為年內(nèi)最高值，水質(zhì)最差；階段Ⅱ是 4、9、10、11、12月，該階段CODMn、TP濃度最低；階段Ⅲ是 5～8月，NH3-N、TN濃度均為年內(nèi)最低，水質(zhì)最好。聚類結(jié)論與前面月均值對比分析一致，1、2、3月污染程度顯著高于其他月份，是黎河水質(zhì)控制的關(guān)鍵階段。

4.3 輸水期水質(zhì)變化分析

選擇了幾次重點輸水期進行分析，期間主要污染物平均濃度見圖4。

圖4 黎河輸水期間各污染物平均濃度Fig.4 Average concentration of pollutants during the period of water delivery of Lihe River

由圖4，多次輸水期間水質(zhì)變化較大，但總體而言，CODMn、NH3-N多數(shù)情況下能達到Ⅲ類水質(zhì)要求，TP多數(shù)情況下均超過了Ⅲ類限值，TN濃度則幾乎都超過了Ⅴ類限值?？梢?，輸水期間超標(biāo)的主要污染物是 TN。與相應(yīng)年度非輸水期均值比較，輸水期間CODMn、NH3-N、TP濃度顯著高于相應(yīng)年非輸水期(見圖5)，但TN則相反?？梢?，盡管黎河水質(zhì)主要超標(biāo)因子是TN，但輸水帶來的TN并不是TN居高不下的主要來源，其他污染源匯入帶來的 TN對河道總體水質(zhì)的影響更大。

圖5 輸水期間污染物濃度與相應(yīng)年份非輸水期比較Fig.5 Comparison of pollutant concentrations during the period of water delivery and non water delivery in the corresponding year

4.4 沿程水質(zhì)變化分析

根據(jù)輸水期與非輸水期水質(zhì)對比分析，黎河非輸水期上游及周邊污染的匯入是造成黎河水質(zhì)較差的重要原因，特別是氮的污染較為關(guān)鍵。因此，沿程水質(zhì)變化針對 TN展開。黎河沿程5個監(jiān)測斷面(隧洞出口處、高各莊2號橋、東灘橋、前毛莊、果河橋)的 TN濃度變化情況見圖6。由圖6可見，除2012年外，其余年TN年均值濃度都大致呈沿程上升的趨勢。顯然，黎河隧洞下游段沿程污染的匯入也是造成黎河氮污染突出的關(guān)鍵因素。根據(jù)統(tǒng)計，隧洞下游段分布有大量的選礦企業(yè)，企業(yè)排水混合周邊點面源污染經(jīng)多條支流匯入黎河，顯然支流匯入水體中含有較高水平的TN。

圖6 黎河水質(zhì)年均值沿程變化過程Fig.6 The change process of the annual mean of the water quality in the Lihe River

圖7是 2013年對黎河沿線多個支流口和排水口水質(zhì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。由圖7，所有支流口、排水口的TN濃度值均高于果河橋濃度數(shù)據(jù)。其中，遵化城區(qū)污水排水口污染物濃度最高，TN濃度值達到了8.69,mg/L，超出果河橋相應(yīng)濃度值0.9倍，其余支流口處 TN濃度值平均也達到 5,mg/L。與前面分析一致，沿程支流口與排水口的氮污染物匯入是造成黎河TN濃度值較高的重要因素。

圖7 黎河重點排水口門TN濃度年均值Fig.7 The annual mean of TN concentration of the main Drain port in the Lihe River

4.5 規(guī)律小結(jié)

根據(jù)以上分析，歸納總結(jié)引灤黎河段水質(zhì)變化規(guī)律如下：

①考慮 TN情況下，黎河水質(zhì)主要為劣Ⅴ類。其中，CODMn、NH3-N、TP濃度值有下降趨勢，但 TN一直處于劣Ⅴ類濃度水平，是造成黎河水質(zhì)超標(biāo)的主要污染物。

②1、2、3月份是黎河主要污染物濃度最高水平的階段，這是由于長時間未進行調(diào)水，且天然來水少，導(dǎo)致河道自凈能力極低，周邊匯入的污染無法降解所致。該階段影響水質(zhì)變化的主要因子是有機物和磷污染。年內(nèi)的其余時間段，污染總體水平較 2、3月低，氮污染控制著黎河水質(zhì)變化，是水質(zhì)改善與控制的關(guān)鍵因子。

③輸水期間，黎河水質(zhì)超標(biāo)污染物是TN、TP，但輸水并不是TN的主要來源，沿程支流口與排水口的氮污染物匯入是造成黎河TN濃度值較高的重要原因，因此是控制入庫氮污染的重點。

5 結(jié) 論

引灤黎河段作為引灤輸水中的重要部分，其水質(zhì)對于整個城市供水有重要影響。根據(jù)分析，黎河段水質(zhì)主要為劣Ⅴ類，以TN為主要超標(biāo)污染物。TN濃度在2、3月達到最高水平，其主要來源除了上游來水外，還包括沿程污染匯入。削減總氮污染的關(guān)鍵就在于沿程污染的控制。通過對沿線污染源的控制和支流口的治理，黎河段的水質(zhì)將能夠得到顯著提升，實現(xiàn)對城市供水安全的保障?！?/p>

［1］ 趙愛華. 于橋水庫入庫河流水質(zhì)評價及其趨勢分析[D]. 天津：天津大學(xué)，2009.

［2］ 陸海明，尹澄清，王夏暉，等. 于橋水庫周邊農(nóng)業(yè)小流域地表徑流和亞表層流的磷素流失濃度特征[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2007，27(10)：1702-1708.

［3］ 劉琰，鄭丙輝，付青，等. 水污染指數(shù)法在河流水質(zhì)評價中的應(yīng)用研究[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測，2013(3)：49-55.

［4］ 呂晉，鄔紅娟，林濟東，等. 主成分及聚類分析在水生態(tài)系統(tǒng)區(qū)劃中的應(yīng)用[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版)，2005(4)：461-466.

［5］ 鄧雪，李家銘，曾浩健，等. 層次分析法權(quán)重計算方法分析及其應(yīng)用研究[J]. 數(shù)學(xué)的實踐與認識，2012，24(7)：93-100.

［6］ 黃崇福. 自然災(zāi)害風(fēng)險評價理論與實踐[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006.

Analysis of Water Quality Variation of Lihe River of Luanhe River Diversion Project

DONG Lixin，BAI Haoyang
(Tianjin Hydraulic Research Institute，Tianjin 300061，China)

Lihe River，Luanhe River Diversion Project(LRDP)is one of the important components of the water supply line in Tianjin city．In order to systematically study the water quality problem in Lihe River，LRDP，water quality analyses from the perspectives of time distribution characteristics，cluster，water delivery period and quality variation along the river were carried out in this paper．The results showed that TN was the main standard pollutant and control index，and February and March were the highest level pollution period．It demonstrated that the key point of pollution control was the control of pollutant deposit along the river．The study may provide support for subsequent water quality improvement and help to improve water supply protection level in Tianjin.

Lihe River；water quality variation；water quality assessment；cluster analysis

X522

A

1006-8945(2015)09-0076-04

國家水體污染與治理科技重大專項課題(2012zx07203-002)；天津市水務(wù)局科技計劃項目(ky2012-17)。

2015-08-05