沋河城区段水质指标及离子变化特征研究

崔国屹 王康振 吕海波

摘要    为探究沋河城区段水质指标空间变化，对渭南市沋河水库至沋河公园河段进行采样，测定样品的离子指标和总可溶解固体（TDS）、pH值、溶解氧、电导率，并利用相关性分析和聚类分析的方法分析其空间分布特征。结果表明，各离子空间差异度较大，其中K+、NH4+、Na+、Cl-之间成显著正相关;在沋河各段中，由河流上游至下游，NH4、Cl-呈先增后降的趋势，SO42-呈增加趋势，NO3-呈下降趋势。沋河城区段主要受K+、NH4+、Na+、Cl-、SO42-的影响，其中K+、NH4+、Na+、Cl-均可被水体净化;SO42-含量虽然符合国家标准，但是该离子在研究河段呈上升趋势，应重视对SO42-人为来源的控制。

关键词    水质;离子来源;空间变化;沋河

中图分类号    X824;X524        文献标识码    A        文章编号   1007-5739（2019）01-0161-03

Abstract    In order to explore the spatial variation of water quality index in Youhe River，the samples were collected from Youhe River Reservoir to Youhe River Park in Weinan City，ions and total soluble solids（TDS），pH value，dissolved oxygen and conductivity of the sample were measured，and the spatial distribution characteristics were analyzed by correlation analysis and cluster analysis.The results showed that the spatial difference degree of the ions was great，among which K+，NH4+，Na+ and Cl- were positively correlated.In the Youhe River，from upstream to downstream，NH4+ and Cl- showed the trend of first increasing and then decreasing，SO42- showed an increasing trend，NO3- showed a decreasing trend.Youhe River was mainly affected by K+，NH4+，Na+，Cl-，SO42-，while the K+，NH4+，Na+，Cl- could be purified by water body.SO42- content met the national standard，but it showed the increasing trend in the researched reach.Therefore，the control of artificial source of SO42- should be paid attention to.

Key words    water quality;ion source;spatial variation;Youhe River

由于河流水質化学指标受到岩石风化、地下水、大气降水以及人类活动等的影响，并且与流域内的气候、岩性、坡度、土壤、地势起伏、植被等自然因素和人类活动联系密切[1]，探究河流水质化学指标特征可以说明流域水体的环境质量状况、水体元素分布分配情况[2]，从而对河流尤其是城市水景的水质管理提供理论依据。随着城市化的发展，人类工农业生产与生活对河水的干扰作用越来越显著，不同的人类活动方式成为影响河水化学组成的重要因素[3]。城市河流的水质化学指标不仅可以体现周边的自然状况，也反映了城市人类活动状况。因此，通过对城市河流水化学组成的分析，探究河水中离子的主要来源及其成因，对城市河流水化学变化、水质特征以及城市水资源的管理和保护具有重要意义[4]。

目前，国内外学者对河流的离子来源和水化学类型已有一些研究。于  淼等[5]发现，北京市社会经济发展对温榆河水中K+、Cl-、Ca2+和SO42-的浓度变化影响显著。闻欣然等[6]发现，金华江城区段河水电导率的变化范围较大，人类活动对该河的水化学指标产生了很大影响。沋河作为一条流经渭南市的河流，其水质情况关系到城市环境和市民的生活质量。因此，对沋河的水质保护和研究就显得尤为重要。然而，目前对于沋河水化学离子所受的人为影响的研究并不多，本研究通过测定沋河的水化学指标，得出离子、TDS、pH值等指标的相关性和空间分布，推测分析其来源，为沋河的水质治理提供参考。

1    研究区概况与研究方法

1.1    研究区概况

沋河发源于秦岭北麓，地理坐标为北纬34°13′～35°52′、东经108°50′～110°38′，是渭河下游的一条支流，自南向北流经渭南市临渭区最后汇入渭河。流域属暖温带大陆性季风型半湿润气候，夏季炎热多雨，冬季晴冷干燥，年降水量约600 mm，年均温11.3～13.6 ℃。

本次研究的水样采集于沋河水库至沋河公园河段，沋河水库是渭南市的重要水源地，沋河公园是渭南市民休闲娱乐的场所。其采样点北至胜利大街以南的沋河公园，南至沋河水库大坝以北的李家坡，该河段由沋河水库向沋河公园方向流经村落有李家坡、南张村、蒋家村以及灰堆村。沋河于灰堆村之后流入临渭区城区，城区公园内共设有3道橡胶坝拦蓄河水形成水景，此段水域西邻渭花路、东临滨河大道，途经老城街。沋河在临渭区程家乡附近汇入渭河。

1.2    布点采样

2017年11月，根据沋河从南向北的流向，沿沋河水库的李家坡至渭南市临渭区沋河公园一带，共选取13个采样点（图1）。样点1位于沋河水库的李家坡，样点2和样点3位于沋河水库与沋河公园之间的河段，样点4位于李家堡村的排污渠附近，样点5～13位于沋河公园以及附近的朝阳大街。

1.3    样品分析

采集沋河表层河水装入100 mL聚乙烯瓶，样品置于冰箱中保存直至分析。样品测定的主要指标有Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-、NH4+、SO42-、NO3-、NO2-、F-以及pH值、TDS、电导率、溶解氧。使用PHJS-4A（0.001）测试水样的pH值;电导率（EC）和TDS由DDS-308A（0.001）电导率仪测定;溶解氧利用多功能便携式溶解氧测定仪（雷磁JPBJ-608）测定;Ca2+、Mg2+、Na+、K+、NH4+、Cl-、NO3-、SO42-和F-的浓度通过DX320型离子色谱仪进行测定。

1.4    数据分析方法

采用Excel 2010和SPSS 25.0软件进行数据分析。数据的平均值、标准差、变异系数使用Excel的公式计算。离子的相关性分析使用SPSS中的Person法，利用SPSS软件进行各样点数据的系统聚类分析。

2    分析与结果

2.1    水质化学指标特征分析

2.1.1    各样点阴离子总和与阳离子总和变化特点。将离子分成阴离子和阳离子2类并分别求和作图（图2）。可以看出，整个采样河段阴离子与阳离子的变化趋势大致具有相似性。样点1—4，阳离子与阴离子波动上升;样点4—8，阳离子与阴离子波动下降;样点9—13阳离子和阴离子变化较小，趋势稳定。沋河水库（样点1）的离子质量浓度总和最低，李家堡村排污口附近（样点4）离子质量浓度总和最高。对于小流域河流来说，离子的自然来源往往较为单一，河流离子质量浓度总和变化较小。离子质量浓度总和的波动说明其离子空间分布不均匀，可能存在人为活动的干扰。

2.1.2    水质化学指标的统计参数特点。平均值可以反映整个河段的水质指标情况，变异系数和标准差可以反映水质指标的离散程度，故使用Excel 2010软件对所测数据进行相应处理（表1）。

从各指标的统计特征来看，沋河河水的整体pH>7，属于弱碱性水;EC（电导率）的平均值为620.53 μS/cm，电导率的标准差最大，说明采样河段水中的导电物质的含量差异大，空间分布不均匀;TDS值高于世界河流的平均值（115 mg/L）[7]，但小于1 000 mg/L，属于淡水且矿化度较低。溶解氧标准差较小说明整体上空间变化不大，但是最低值出现在样点4，仅为1.3 mg/L，小于2 mg/L，属于国家Ⅴ类水标准，其余各样点均符合国家地表水质量标准GB 3838—2002的Ⅲ类水以上的标准。F-标准差极小，说明该离子空间变化不显著，其来源单一，且含量<1.0 mg/L，符合国家地表水质量标准GB 3838—2002的Ⅲ类水以上的标准。Cl-和SO42-均低于250 mg/L，符合国家地表水质量标准GB 3838—2002的集中式生活用水地表水源地补充项目的标准限值[8];但K+、NH4+、Cl-、SO42-的变异系数较大，说明其空间分布存在较大差异，存在人为影响。

2.2    河水的离子相关性分析

为探究各离子指标之间的共性，对其来源进行分析。使用SPSS 25.0软件对沋河水库及沋河公园一带河段所测离子数据进行双变量相关性处理，分析结果见表2。

相关性分析结果表明，Cl-与NO2-、Na+与Cl-、F-与Ca2+、NH4+与Cl-、NH4+与NO2-、K+与Cl-、K+与NO2-、K+与NH4+、Mg2+与SO42-成显著的正相关;Na+与NO2-、Na+与SO42-成中度的正相关;Ca2+与Mg2+成中度的负相关。结合表1可发现，K+与NH4+正相关性大且两者变异系数较高（分别为0.91和2.32），NH4+与Cl-呈正相关性大且两者变异系数较高（分别为2.32和0.52），说明其离子来源具有共性且空间变化大，受人为干扰显著。

2.3    样点聚类分析

2.3.1    研究区河段样点聚类结果。为了便于分析现将研究区划分不同河段，根据聚类分析的结果和实际情况，将研究区河段分为A（水库段）、B（排污口及公园上游段）、C（沋河公园段）、D（公园下游闹市区段）段。其中，A段样点编号为1、2，B段样点编号为3、4，C段样点编号为5、6、7、8，D段样点编号为9、10、11，然后对A、B、C、D段进行对比分析。

2.3.2    研究區各河段间水质化学指标空间分布差异。选取各离子中变异系数较大和相关性显著的离子（Cl-、NH4+、NO3-、SO42-），分别求取平均值（图3）。

由图3可以看出，NH4+和Cl-质量浓度的空间分布趋势具有相似性且空间变化较大，两者形成的NH4Cl在B段排污口处最高，说明排污口所排出的污水中含有NH4Cl，之后NH4Cl的质量浓度向下游逐渐递减。NO3-质量浓度空间变化较小，由A段至D段呈下降趋势，该离子受河流自净作用较明显。SO42-质量浓度空间变化较大，由A段至D段呈上升趋势，河流对其自净能力较小，在公园下游闹市区（D段）达到最大值。

3    讨论

3.1    各水质污染物的来源

河水中离子的来源往往是多样的，主要与该地区的大气降水、水汽输送、地壳风化物的矿物成分以及人类活动有关[9-10]。本文主要讨论各离子指标的人为来源，根据表1和表2的结果，分析各指标的变异系数大小和相关性，发现NH4+、K+、Cl-、NO2-、NO3-、Na+空间变异程度较大且相关性显著，说明这些离子在一定程度上受人类活动影响干扰。其中，NH4+、K+、Cl-、NO2-、SO42-之间具有显著的正相关性，这些离子所形成的NH4Cl、KCl、NH4NO2、KNO2为研究区河段的主要污染物，其人为来源很可能是农业施肥。Na+、SO42-、Cl-、NO2-也具有正相关性，说明这些离子具有相同的来源，所形成的化学物质是NaCl、Na2SO4、NaNO2。由于沋河附近工厂较少，采样河段流经乡村居民点和市区，因而可以推断NaCl、NaNO2、Na2SO4的来源与乡村居民和市区餐馆的生活污水排放有关[11]。虽然Mg2+与SO42-存在正相关性，但是Mg2+的变异系数较小，受人类活动干扰不明显，故其化合物MgSO4的来源应该与该流域岩石的矿物质成分有关。

针对以上情况，建议对整个沋河附近的村民进行宣传，减少化肥的使用，从而减少NH4+、K+的输入。同时禁止将未经处理的生活污水直接排放于附近的水体中，以减少Na+、SO42-、Cl-的输入。

3.2    沋河城区水质主要污染指标空间分布特征讨论

根据图3可发现，NH4+和Cl-同时在排污口河段达到最大值。NH4Cl的空间变化较大，在沋河水库段处于最低值，这可反映库区管理部门对水质的管理和监测工作较为有效。在李家堡排污口及公园上游河段处于最大值，说明该河段附近的农田和排污口为NH4Cl的主要来源。NH4Cl由B段至D段呈下降趋势，这是因为河水中的微生物和C段分布的芦苇、蒲草群落对NH4Cl有一定的吸收作用[12]。

从A段至D段，NO3-逐渐减少，说明河流对该离子的自净作用较强。NO3-在水库段处于最大值，这是由于水库的出水口附近存在小块农田，所用的化肥随降水进入河流，造成出水口处NO3-增高。沋河公园上游及公园河段NO3-较高，原因是该河段流经农田和市区，受化肥施用、工业活动和汽车尾气所产生的氮氧化合物等物质的影响[13-14]。

从A段至D段，SO42-呈上升趋势，说明河流对该离子的自净作用较弱，水库段为最低值，闹市区段为最大值，说明沋河的SO42-含量与人类活动的密集程度有关，即人类活动越密集，SO42-含量越高。SO42-是自然水体中较常见的阴离子，自然来源包括微生物的化学降解产生的硫化物以及该地区的地质化学成分等因素;而人为来源主要是人类的工业生产活动和酸沉降[15]，例如烟囱所排放的硫化物经过大气降水进入河流或生产污水的排放。

根据各河段水质指标的空间分布，发现李家堡排污口及公园上游河段的NH4Cl浓度较高，说明排污口的污水以农业和生活废水为主。该河段是主要的水质突变处，在以后的水质治理中，可以在排污口处使用景观复氧技术或营造人工湿地，减少该处的NH4Cl浓度。

4    结论

通过统计特征分析，K+、NH4+、Cl-、SO42-的变异系数较大，说明其人为影响较大。其中，NH4+、K+、Cl-、NO2-成显著正相关，说明NH4Cl、KCL、NH4NO2、KNO2为研究区河段的主要污染物。空间分析发现，NH4Cl在上游至下游河段，呈现低—高—低趋势，说明其能被河流自净。SO42-在城区河段呈现上升趋势，不易被河流自净。尽管SO42-含量符合国家地表水标准，但由其空间分布特征可以发现，其含量与人类活动的密集程度有关，在以后的水质治理中应有所防范和采取针对性措施。

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