黃錦彥， 李新， 吳豐， 羅敏玄， 楊濤， 胡庚辛

（中國地質(zhì)調(diào)查局長沙自然資源綜合調(diào)查中心,湖南 長沙 410600）

0 引言

隨著我國經(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)殖污染等都會通過地表徑流和淋濾入滲等方式對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)生水安全問題[1-3]。因此，水體環(huán)境質(zhì)量評價一直受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[4-12]。

大別山區(qū)作為國家級生態(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)法來判斷、評價水質(zhì)，且水質(zhì)監(jiān)測斷面較少，如《羅山縣2019年水資源公報》就利用單因子指數(shù)法對7個水功能區(qū)水質(zhì)進(jìn)行分析。該方法只能夠簡單、直觀地反映出水質(zhì)等級及污染物，沒有區(qū)分多種污染因子的綜合效應(yīng)和空間分析，對影響水環(huán)境質(zhì)量的自然條件因素及耦合關(guān)系沒有進(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”，是中國典型的南北生態(tài)交錯地帶?？h內(nèi)淮河、浉河、竹竿河和小潢河總體自西南向東北流過（圖1），年平均水資源總量為34.62×108m3?；春舆^羅山縣境內(nèi)全長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 98 km，流域面積796 km2。境內(nèi)有石山口水庫、界牌水庫、小龍山水庫等大小水庫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年信陽市水利局發(fā)布的《水資源質(zhì)量狀況通報》，羅山縣范圍內(nèi)共計有7個水功能區(qū)，包括一級水功能區(qū)3個（保護(hù)區(qū)1個，保留區(qū)2個），二級水功能區(qū)4個（飲用水源區(qū)1個，農(nóng)業(yè)用水區(qū)2個，排污控制區(qū)1個）。

2 材料和方法

2.1 樣品采集與測定

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

2.2 水質(zhì)指標(biāo)及檢測方法

根據(jù)縣區(qū)的水環(huán)境特點，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)評價標(biāo)準(zhǔn)限值。除溶解氧使用便攜式水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測定外,其他指標(biāo)分析測試委托湖南省地質(zhì)測試研究院完成，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 評價方法

在單因子分析的基礎(chǔ)上，選取等權(quán)重綜合污染指數(shù)評價各水體的相對污染程度，即采用各水質(zhì)指標(biāo)的實測值與其評價標(biāo)準(zhǔn)之比，作為單項污染指數(shù)（Pi），然后通過等權(quán)重平均得到一個綜合污染指數(shù)（P）。本文采用的單項污染指數(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的實測濃度值；Coi為污染物i的評價標(biāo)準(zhǔn)值。

溶解氧的單項污染指數(shù)表達(dá)式為

式中:P（DO）為溶解氧的污染指數(shù)；C（DO）為溶解氧的實測濃度值；Co（DO）為溶解氧的評價標(biāo)準(zhǔn)值。

pH值的單項污染指數(shù)表達(dá)式為

式中:P（pH）表示pH的污染指數(shù)； pHi表示pH的實測值；pHsd表示評價標(biāo)準(zhǔn)中pH的下限值； pHsu表示評價標(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為參加評價的污染物指標(biāo)數(shù)目;Pi為污染物i的污染指數(shù)。

綜合污染指數(shù)P對應(yīng)的水質(zhì)分級為： I級，清潔，P≤0.25; II級，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級輕污染，總體水質(zhì)一般，與2019年羅山縣水資源公報評價結(jié)果基本一致。各水質(zhì)等級樣點數(shù)大致呈正態(tài)分布，曲線峰值出現(xiàn)在較清潔級別，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 各樣點單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)

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

從樣點類型看，湖泊（水庫）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）點除總氮指數(shù)外，其他指標(biāo)都高于河流，說明污染物種類更多。湖泊（水庫）清潔樣點數(shù)雖占比34%，但是重污染樣點數(shù)也達(dá)到6%，說明水質(zhì)存在兩極分化; 河流雖然沒有重污染樣點，但是清潔樣點只占12%，輕污染和較清潔樣點占比近80%，說明水質(zhì)變化幅度小。

3.1.2 水環(huán)境的單因子特征

大部分樣點水質(zhì)較好，少數(shù)中污染點和重污染點超標(biāo)嚴(yán)重，單點綜合污染指數(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，綜合說明總氮和pH值對水質(zhì)的影響最為明顯，是主要污染指標(biāo)。總氮的污染指數(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)?？偭住~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

樣品檢測結(jié)果表明（表3），7個水功能區(qū)的水質(zhì)等級均為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。從綜合污染指數(shù)來看，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]中對各類水功能區(qū)的水質(zhì)要求，2個保留區(qū)、1個飲用水源區(qū)及2個農(nóng)業(yè)用水區(qū)的水質(zhì)均達(dá)到要求，對排污控制區(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 各個水功能區(qū)綜合污染指數(shù)和水質(zhì)等級

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個樣本中，總氮重污染點數(shù)量占比超過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個重污染點均為酸性超標(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; 局部來看，石山口水庫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 總氮重污染點位分布Fig.3 Distribution of TN heavy pollution points

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

4.1 土地利用因素

對區(qū)內(nèi)土地利用類型的調(diào)查結(jié)果見圖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)通過地表徑流流入河流、湖泊、水庫等水體，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 人類活動因素

對比不同水功能區(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對水環(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)，為石山口水庫上游水系主要發(fā)源地。該區(qū)屬于董寨國家級自然保護(hù)區(qū)范圍（圖9），水資源開發(fā)利用程度較低，人類活動影響相對較小，其水質(zhì)等級為Ⅲ級輕污染（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)的樣點水質(zhì)等級Fig.9 Water quality grades of sample points in different water functional areas

小潢河飲用水源區(qū)位于石山口水庫下游，羅山縣主城區(qū)上游，為飲用水源地一級保護(hù)區(qū)，是區(qū)內(nèi)唯一的I級清潔級別水質(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)，人口相對密集，生產(chǎn)、生活廢污水排放集中，對水質(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，為II級較清潔水質(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級輕污染，少數(shù)中污染點和重污染點超標(biāo)嚴(yán)重?？偟蚿H值對水質(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）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）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個水功能區(qū)中有5個水質(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:論文撰寫過程中得到了中國地質(zhì)調(diào)查局長沙自然資源綜合調(diào)查中心董好剛教授級高級工程師和中國地質(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)，在此致以誠摯的感謝。