水質(zhì)變化趨勢及影響因素研究

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摘要：基于２０１１—２０２０年桃河陽泉段水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、化學(xué)需氧量、氨氮、陰離子表面活性劑和總磷為評價指標，運用改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、Ｄａｎｉｅｌ趨勢檢驗法和Ｐｅａｒｓｏｎ相關(guān)性分析方法，對河流水質(zhì)變化趨勢及影響因素進行討論。結(jié)果表明：２０１１—２０１６年桃河水質(zhì)狀況持續(xù)惡化，自２０１７年起呈顯著好轉(zhuǎn)趨勢，沿程水體受污染程度呈現(xiàn)“兩頭低、中間高”現(xiàn)象；白羊墅斷面水體受匯水范圍內(nèi)煤炭行業(yè)廢水不達標排放影響，水質(zhì)污染最為嚴重；娘子關(guān)作為出境斷面，ＮＨ３－Ｎ質(zhì)量濃度超標主要與白羊墅斷面水體水質(zhì)有關(guān)。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)；工業(yè)廢水；Ｐｅａｒｓｏｎ相關(guān)性；桃河

陽泉市位于山西省東部，總面積４５５９ｋｍ２。陽泉市煤炭資源儲量大、易開采、質(zhì)量高，是我國最大的無煙煤產(chǎn)地。近年來焦化、煤炭洗選等行業(yè)廢水存在不達標排放現(xiàn)象，排放廢水成分復(fù)雜、毒性大、難降解，對桃河水資源的可持續(xù)利用及社會經(jīng)濟發(fā)展造成嚴重危害［１］。依據(jù)２０１１—２０２０年陽泉市地表水環(huán)境監(jiān)測資料，采用改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、Ｄａｎｉｅｌ趨勢檢驗法和Ｐｅａｒｓｏｎ相關(guān)性分析，對桃河水質(zhì)變化趨勢及影響因素進行分析，以期為桃河水環(huán)境治理提供參考。

１河流概況

桃河發(fā)源于山西省晉中市壽陽縣，自陽泉市郊區(qū)新店村西入境，流域面積１０８６ｋｍ２，桃河屬季節(jié)性河流，水體自凈和生態(tài)補償調(diào)控能力有限，加上沿河人口分布密集、工業(yè)企業(yè)集中，桃河水質(zhì)面臨嚴峻考驗。

２研究方法

桃河陽泉段控制斷面主要有曉莊、白羊墅和娘子關(guān)斷面，各監(jiān)測斷面相對位置見圖１。２０１１—２０２０年桃河陽泉段水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于山西省陽泉生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心。對歷年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行匯總分析，選取高錳酸鹽指數(shù)（ＣＯＤＭｎ）、生化需氧量（ＢＯＤ５）、化學(xué)需氧量（ＣＯＤＣｒ）、氨氮（ＮＨ３－Ｎ）、陰離子表面活性劑（ＬＡＳ）和總磷（ＴＰ）作為桃河水質(zhì)的代表性評價指標。（２）Ｄａｎｉｅｌ趨勢檢驗法。Ｄａｎｉｅｌ趨勢檢驗法用以定量評價水質(zhì)變化趨勢有無顯著性。經(jīng)計算得到秩相關(guān)系數(shù)ｒｓ，將其絕對值同Ｓｐｅａｒｍａｎ秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表中的臨界值Ｗｐ進行比較。如果｜ｒｓ｜＞Ｗｐ，則表明水質(zhì)變化趨勢顯著；如果｜ｒｓ｜≤Ｗｐ，則表明水質(zhì)變化平穩(wěn)；ｒｓ為負呈下降趨勢，ｒｓ為正呈上升趨勢。秩相關(guān)系數(shù)ｒｓ計算公式：；Ｎ為時間周期的數(shù)量，Ｎ≥５。（３）Ｐｅａｒｓｏｎ相關(guān)性分析。利用ＩＢＭＳＰＳＳＳｔａｔｉｓｔｉｃｓ２５軟件進行Ｐｅａｒｓｏｎ相關(guān)性分析，以評價連續(xù)變量之間的相關(guān)性。

３結(jié)果與討論

３．１水質(zhì)類別分析

以地表水Ⅲ類水標準值為計算依據(jù)，各評價指標的權(quán)重見·２４·表１。在歷年監(jiān)測數(shù)據(jù)中，曉莊和娘子關(guān)斷面ＬＡＳ未見檢出，因此ＬＡＳ僅作為白羊墅斷面和桃河陽泉段綜合水質(zhì)的評價指標。改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)法劃分水質(zhì)類別標準［２］：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類水Ｐ′分別為＜０．５５、０．５５～０．６９、０．６９～１．００、１．００～３．５３、≥３．５３。２０１１—２０２０年曉莊、白羊墅、娘子關(guān)斷面以及桃河陽泉段改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)和水質(zhì)類別劃分結(jié)果見表２，可以看出，曉莊斷面作為桃河陽泉段上游，改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)較低，水質(zhì)類別多年穩(wěn)定在Ⅰ～Ⅱ類，水質(zhì)狀況為優(yōu)；白羊墅斷面在２０１１—２０１３年水質(zhì)狀況穩(wěn)定，２０１４年水體受到明顯污染并不斷惡化，２０１４—２０１６年斷面改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)逐年增大，２０１６年高達２０．４９，河流水質(zhì)惡化明顯，隨著水體污染治理措施的實施，２０１７年水質(zhì)污染指數(shù)大幅度下降至３．０４，水質(zhì)狀況明顯好轉(zhuǎn)，之后水質(zhì)保持穩(wěn)中向好趨勢，２０２０年斷面污染指數(shù)已降為０．９５；娘子關(guān)斷面改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)相較白羊墅斷面大幅降低，但水質(zhì)狀況在２０１４—２０１６年也呈惡化趨勢，上游水體受污染程度嚴重時會對下游水質(zhì)造成一定影響。依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法（試行）》中河流水質(zhì)評價方法，對桃河陽泉段綜合水質(zhì)進行評價。從河流流向來看，桃河入境時水體清潔，流經(jīng)礦區(qū)、城區(qū)后水質(zhì)惡化，出境時水質(zhì)有所改善。從年際變化來看，桃河流域綜合水質(zhì)在陽泉境內(nèi)經(jīng)歷了污染到改善的過程。以歷年改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)為變量，２０１６年為時間分割點進行污染趨勢分析，２０１１—２０１６年桃河陽泉段水質(zhì)污染指數(shù)的秩相關(guān)系數(shù)為１．０００＞０．８２９，表明水質(zhì)狀況逐年下降且呈顯著性趨勢；２０１６—２０２０年秩相關(guān)系數(shù)為－１．０００，其絕對值＞０．９００，表明水質(zhì)逐年好轉(zhuǎn)亦呈顯著性趨勢，見表３。

３．２白羊墅斷面水質(zhì)分析

以地表水Ⅲ類水為計算標準，２０１１—２０２０年白羊墅斷面各污染指標超標倍數(shù)見圖２，可以看出，ＴＰ超標倍數(shù)較為穩(wěn)定，其數(shù)值基本在０～１范圍內(nèi)波動，其他污染指標超標倍數(shù)變化趨勢相似。ＮＨ３－Ｎ作為白羊墅斷面水質(zhì)惡化的主要污染物，其超標倍數(shù)在２０１６年高達２６．８，這主要與當?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)有關(guān)。陽泉市煤炭資源豐富，且主要集中分布在礦區(qū)，煤炭焦化是研究河段主要衍生行業(yè)。根據(jù)黃源凱等［３］對焦化廢水污染構(gòu)成的研究，焦化廢水具有ＣＯＤＣｒ和ＮＨ３－Ｎ濃度高的特征。相比其他污染因子，ＮＨ３－Ｎ超標倍數(shù)劇增主要原因是，焦化廢水有機物濃度高且毒性強，抑制硝化細菌的正常生長代謝，導(dǎo)致傳統(tǒng)脫氮技術(shù)很難實現(xiàn)穩(wěn)定的氨氮硝化［４］。ＬＡＳ在２０１４—２０１７年存在超標污染情況，依據(jù)田冬梅等［５］對陰離子表面活性劑的研究，其在煤炭行業(yè)應(yīng)用廣泛，ＬＡＳ在煤炭開采過程中不僅具有抑塵效果，而且可以應(yīng)用于煤炭洗選，改善精煤品質(zhì)。利用ＳＰＳＳ統(tǒng)計軟件，對２０１１—２０２０年白羊墅斷面污染指標進行相關(guān)性分析，以ＣＯＤＣｒ為自變量，其他污染指標為因變量，采用雙側(cè)顯著性檢驗計算Ｐｅａｒｓｏｎ相關(guān)系數(shù)ｒ和顯著性水平Ｐ。由表４可知，白羊墅斷面ＣＯＤＣｒ與ＣＯＤＭｎ、ＢＯＤ５、ＮＨ３－Ｎ、ＬＡＳ的相關(guān)系數(shù)ｒ均大于０．８，且Ｐ＜０．０１，具有極強相關(guān)性；ＣＯＤＣｒ與ＴＰ相關(guān)性不強。白羊墅斷面匯水范圍內(nèi)煤炭、化工、洗選企業(yè)多，而這些行業(yè)廢水幾乎不含磷，但陽泉市各匯水范圍白羊墅常住人口最多，沿河城鎮(zhèn)生活污水收集管網(wǎng)的不完善及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)化肥農(nóng)藥的施用等面源排放造成水體中ＴＰ超標。由此可知，２０１４—２０１６年白羊墅斷面水質(zhì)惡化與匯水范圍內(nèi)工業(yè)企業(yè)廢水不達標排放密切相關(guān)。

３．３娘子關(guān)斷面水質(zhì)分析

娘子關(guān)斷面２０１１—２０２０年污染指標超標倍數(shù)見圖３。娘子關(guān)斷面匯水范圍內(nèi)工業(yè)企業(yè)污染源少，并且距上游白羊墅斷面約４０ｋｍ，污染物經(jīng)河水自凈降解，加之娘子關(guān)斷面前設(shè)有污水處理廠，因此娘子關(guān)斷面水體水質(zhì)得到極大改善，除氨氮外其他指標基本達到地表水Ⅲ類水標準。氨氮作為主要污染物，２０１１—２０１３年出現(xiàn)部分月份氨氮超標現(xiàn)象，主要原因是娘子關(guān)匯水范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)豐富，存在化肥農(nóng)藥的大量施用。２０１４—２０１６年氨氮超標加重，變化趨勢與白羊墅斷面相同。隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)污染防控措施的實施，２０１７年氨氮年平均質(zhì)量濃度降為０．４４ｍｇ／Ｌ。２０１５年３月至２０１６年１２月白羊墅和娘子關(guān)斷面ＣＯＤＣｒ、ＮＨ３－Ｎ質(zhì)量濃度變化見圖４。當白羊墅斷面ＣＯＤＣｒ質(zhì)量濃度連續(xù)數(shù)月高達２００ｍｇ／Ｌ以上時，娘子關(guān)斷面ＣＯＤＣｒ質(zhì)量濃度始終在２０ｍｇ／Ｌ上下波動。白羊墅斷面ＮＨ３－Ｎ質(zhì)量濃度在２０１５年１０月至２０１６年５月劇增，而同時期娘子關(guān)斷面的質(zhì)量濃度也比以往要高，之后隨著白羊墅斷面ＮＨ３－Ｎ質(zhì)量濃度的下降娘子關(guān)斷面ＮＨ３－Ｎ質(zhì)量濃度呈回落趨勢。利用ＳＰＳＳ統(tǒng)計軟件對２０１１—２０２０年白羊墅與娘子關(guān)斷面ＮＨ３－Ｎ質(zhì)量濃度進行相關(guān)性分析，計算結(jié)果顯示Ｐｅａｒｓｏｎ相關(guān)系數(shù)ｒ＝０．５８０，且Ｐ＜０．０１，具有顯著相關(guān)性。因此得出，娘子關(guān)斷面水體中的ＮＨ３－Ｎ易受白羊墅斷面水質(zhì)影響，而其他污染指標受影響較小，推測與污水處理廠脫氮系統(tǒng)的超負荷運行及處理工藝的局限性有關(guān)。

３．４水質(zhì)影響因素分析

２０１１—２０１６年桃河陽泉段水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)惡化主要原因包括：企業(yè)環(huán)保設(shè)施污染治理績效低下，工業(yè)廢水無法穩(wěn)定達標排放，依舊存在個別企業(yè)偷排漏排的現(xiàn)象；沿河村鎮(zhèn)生活面源、農(nóng)業(yè)面源排放造成河段水體水質(zhì)惡化；城鎮(zhèn)污水處理廠污水處理工藝存在一定短板，處理能力不足。十三五期間，陽泉市積極開展水生態(tài)修復(fù)與保護工作，一是通過改造優(yōu)化現(xiàn)有企業(yè)工業(yè)廢水處理工藝，提高工業(yè)廢水排放標準；二是加強農(nóng)村環(huán)境綜合整治；三是提標增效治理城鎮(zhèn)污水，補齊城鎮(zhèn)污水收集和處理設(shè)施短板。

４結(jié)語

２０１１—２０２０年桃河陽泉段水質(zhì)經(jīng)歷從急劇惡化到顯著改善的過程，沿程水體污染程度呈現(xiàn)“兩頭低、中間高”的現(xiàn)象。桃河陽泉段水質(zhì)主要受中游白羊墅斷面匯水范圍內(nèi)工業(yè)企業(yè)廢水處理效果的影響，并且下游娘子關(guān)斷面水體中ＮＨ３－Ｎ質(zhì)量濃度受白羊墅斷面水質(zhì)影響。受陽泉市煤炭產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)影響，河流水體中ＣＯＤＣｒ、ＮＨ３－Ｎ和ＬＡＳ為特征污染因子。由于傳統(tǒng)脫氮工藝對ＮＨ３－Ｎ處理效果差，ＮＨ３－Ｎ成為河流水體的主要污染物。

作者：傅敏 孫竹梅 單位：山西省陽泉生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心 中北大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院