宿州市沱河段水質時間變化及影響因素研究

季定民，張 勃，黃淑玲，張建香，楊尚武，周 丹

（1.西北師范大學 地理與環(huán)境科學學院，甘肅 蘭州730070；2.宿州學院 地球科學與工程學院，安徽 宿州234000）

進入21世紀，水環(huán)境問題變得十分嚴峻，嚴重制約了區(qū)域經濟的發(fā)展。目前，世界各國都加大了對河流水質污染的治理力度。國內外學者對河流水質污染都進行了大量研究，主要集中在水質污染原因、防治和變化趨勢等方面，河流的污染不僅使其本身的經濟、生態(tài)、環(huán)境功能下降，同時也是其受納水體（高一級河流、湖泊、水庫、海灣等）污染的重要原因［1－2］。隨著國民經濟的發(fā)展，工農業(yè)生產和城市化水平發(fā)展迅速，城市生活污水和工業(yè)廢水的排放，以及農業(yè)生產中化肥、農藥的使用，造成許多河流受到不同程度的污染［3］。因此，探索解決流域水污染問題對于流域水資源的可持續(xù)利用，社會經濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和現實意義［4－5］。目前常用的方法是對單項污染指標采用簡單直觀的圖解法、基于參數檢驗的回歸分析法以及非參數檢驗方法進行水質變化趨勢研究［6］。

沱河作為淮河的一條主要支流，其水質變化直接影響到淮河流域水污染防治。同時，作為宿州市的一條重要河流，是宿州市的主要納污水體，其水質也因受到了不同程度的污染而發(fā)生變化。特別是在不同年份、不同季節(jié)，沱河水質變化過程比較明顯。目前，黃淑玲等［7］人對宿州市沱河段水質污染做了研究，提出了宿州市沱河段水質污染防治對策，為該區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設和流域經濟的可持續(xù)發(fā)展提供了一定的依據。同時，在宿州市沱河段水環(huán)境容量研究中，黃淑玲等［8］認為沱河總體上水質良好，大部分河段存在剩余水環(huán)境容量。綜合該區(qū)域已有研究，發(fā)現對沱河段水質變化趨勢的相關研究較少。本研究通過對宿州市沱河段水質指標進行分析，探究水質時間變化趨勢及影響因素，為有關部門保護沱河生態(tài)環(huán)境以及流域水污染綜合治理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 沱河及其流域概況

沱河又稱為交水，是淮河的一條主要支流，發(fā)源于河南省商丘市李堤口西，流經虞城、夏邑、永城，至王莊進入安徽省，在五河縣西南注入淮河，全長275.13km，流域面積8 500km2。宿州市沱河段起于沱河進水閘，終于外環(huán)南路，全長12.7km，水域面積約0.45km2，是宿州市的一條重要河流。沱河屬于華北型河流，水源補給以降水為主，3—4月份上游河冰解凍水位開始上升，6月下旬至9月份全流域降水豐富，徑流量增大，為河流豐水時期。宿州市處在黃淮海平原南端，氣候類型為暖溫帶季風氣候，年降水量約為800mm，雨季多暴雨、降水變率大。水資源總量3.48×109m3，人均水資源量602m3，屬于北方缺水地區(qū)。作為皖北重要城市，2010年統計人口約為535萬人，境內自然資源豐富，農產品主要有小麥、玉米和大豆，地下礦產資源中，煤儲量約為6.0×109t，黃口油田石油預測儲量達2.0×109t以上，宿南煤層氣已探明儲量達3.0×1011m3。在經濟發(fā)展上，宿州市以傳統產業(yè)為增長引擎，煤炭工業(yè)和農業(yè)為主導產業(yè)。

1.2 數據來源及方法

東關閘斷面位于宿州市主城區(qū)邊緣地帶，河流兩岸為城區(qū)和農業(yè)區(qū)。根據沱河段污染物的主要來源及取樣條件，選擇東關閘斷面為取樣點，并依據沱河水質狀況和主要污染因子，選取水質監(jiān)測指標:DO（溶解氧），BOD（生化需氧量），COD（化學需氧量），NH3—N（氨氮），TN（總氮），TP（總磷）。2004—2009年共采集了6年水質樣本，樣本數據在宿州市水利勘測設計院分析完成。采用單因子分析與評價，首先對各指標做變異系數，分析水質時間變化特征，再利用相關性分析相鄰年份年內變化趨勢，基于水質指標各年份春、夏、秋、冬四個季節(jié)的平均值，采用圖解法分析年內季節(jié)變化，一元線性回歸分析和季節(jié)性Kendall檢驗分析水質年際變化趨勢。

2 結果與分析

2.1 沱河段水質的時間變化特征

對2004—2009年沱河段水質指標進行變異系數分析。從表1中可以看出，DO的變異系數在2004—2007年較大，2008—2009年下降至約0.2，表明DO近兩年的變化幅度不大。BOD在2004和2008年變異系數值均大于0.5，其余年份的變化相對來說不太明顯。COD的變異系數基本呈逐年下降趨勢，表明其近幾年的變化幅度越來越小。NH3—N和TN的變異系數均較大，尤其是氨氮，在2006年最高值是最低值的1 245倍，只有2007年的變化不明顯。TP變化也比較明顯，2007—2008年變異系數偏大，2007年總磷的最高值是最低值的21倍。總的來說，宿州市沱河段水質隨時間變化趨勢比較明顯。

表1 沱河段水質指標在2004－2009年變異系數

2.2 沱河段水質的年內變化

2.2.1 相鄰年份年內變化 對水質指標相鄰年份的年內變化趨勢在SPSS軟件中進行相關性分析（表2），DO和BOD均在2008—2009年為極顯著相關，說明其近兩年的年內變化趨勢非常一致。TN在2007—2008年為顯著相關，年內變化趨勢基本一致。其它指標的相關性較差，沒有通過置信度檢驗，相鄰年份的年內變化趨勢不一致。

表2 水質指標相鄰年份相關性系數

2.2.2 年內季節(jié)變化 由圖1可以看出，DO含量在冬季最高，春季次之，全年均處在地表水環(huán)境質量合理范圍內（Ⅰ—Ⅲ類）。BOD和COD含量在各季節(jié)均偏高，達地表水Ⅳ—Ⅴ類標準。NH3—N含量在冬季較高，夏季和秋季次之，均達地表水IV類標準，僅在春季為合理范圍內。TN含量在春季最高，且各季節(jié)均超標，達地表水Ⅳ—Ⅴ類標準。TP含量在秋季和冬季較高，達地表水IV類標準，春季和夏季為合理范圍。總體來說，DO較合理；BOD，COD和TN表現最差；TP和NH3—N次之。

圖1 沱河段水質指標年內季節(jié)變化

2.3 沱河段水質的年際變化

2.3.1 一元線性回歸分析 利用線性趨勢分析法［9］，基于各年份春、夏、秋、冬季的平均值，分析河段水質近6a的變化趨勢，并用t檢驗法檢驗回歸效果的顯著性。

由圖2知，BOD和NH3—N的變化傾斜率分別為－0.344 5和－0.251 5（均通過了0.01顯著性水平檢驗），為極顯著下降趨勢。TN的變化傾斜率為－0.249（通過了0.05的顯著性水平檢驗），為顯著下降趨勢。而DO，COD和TP的變化傾斜率分別為0.134 6，－0.387 2和0.000 7，均沒有通過顯著性水平檢驗，變化趨勢不顯著。

圖2 沱河段2004－2009年水質指標線性趨勢

2.3.2 季節(jié)性Kendall檢驗分析 季節(jié)性Kendall檢驗是M—K趨勢檢驗的一種推廣，屬于非參數趨勢檢驗方法，由 Hirsch［10－11］等在1982年提出，此后被迅速應用于水質變化趨勢分析中，主要應用于數據不完整，數據值精度不高，數據值有隨季節(jié)變化規(guī)律的多年時間變化趨勢分析，時間序列一般以5～10a為宜［12－13］。本研究時間序列為6a，水質指標各季節(jié)均有監(jiān)測，適合應用季節(jié)性Kendall檢驗方法分析，其具體方法不再贅述。

從表3中可以看出，BOD和TN的年際變化均為高度顯著下降趨勢（通過0.01顯著性水平檢驗）。NH3—N為顯著下降趨勢（通過0.1顯著性水平檢驗）。DO，COD和TP未通過檢驗，均無明顯下降趨勢。對比季節(jié)性Kendall檢驗和一元線性回歸分析發(fā)現，BOD，NH3—N和TN的年際變化均為顯著下降趨勢，DO，COD和TP的年際變化趨勢均不顯著。其中，COD的年際變化大致為不明顯下降趨勢，DO和TP無明顯變化趨勢。

表3 沱河段水質指標季節(jié)性Kendall檢驗統計量

2.4 沱河段水質的影響因素

2.4.1 自然因素 沱河補給來源以降水為主，河流水量大小受降水嚴格制約，根據降水量把沱河劃分為豐水期、平水期和枯水期（數據來源于中國氣象科學數 據 共 享 服 務 網 http://cdc.cma.gov.cn）。 從1961—2011年近50a降水分布來看，沱河年平均降水量為864.4mm，2004—2009年的年平均降水量為981.7mm。其中，2004年降水量偏少，只有570.0 mm；而2005和2007年降水量偏多，分別達1 440.7和1 321.1mm；2006，2008和2009年降水量均為平均水平。從2004—2009年各月降水量分布來看，沱河在春季（3—5月）平均降水量為142.8mm，夏季（6—8月）為573.8mm，秋季（9—11月）為212.46 mm，冬季（12，1和2月）為52.7mm。從沱河水量在整個徑流系列變化中可以看出，近6a水量一直在豐、平、枯之間波動，2005和2007年為豐水年，水量較大；2004年為枯水年，水量偏小；而2006，2008和2009年為平水年。各季節(jié)水量變化表現為夏季徑流量最大，為豐水季節(jié)；春季和秋季徑流量次之，為平水季節(jié)；冬季徑流量最小，為枯水季節(jié)。根據水質指標年際變化（圖2），沱河段水質年際波動明顯，在枯水年2004年污染較嚴重，主要污染指標均偏高，此后污染程度呈逐年下降趨勢。年內季節(jié)變化上（圖1），DO，NH3—N和TP在枯水季節(jié)含量偏高，TN和COD也在河流水量較小的平水季節(jié)含量偏高，而在豐水季節(jié)，TN和DO含量低，NH3—N和TP的含量也較低。主要水質指標均在河流水量較小的時期污染嚴重，表明沱河段水質污染狀況受河流水文要素影響比較明顯。

2.4.2 人文因素 （1）年內變化因素。河段內NH3—N主要來自工業(yè)廢水排放，冬季含量偏高（枯水期），春季稍低，可能與年初企業(yè)生產沒有恢復有關，排放的工業(yè)廢水較少。同時發(fā)現BOD受NH3—N影響比較明顯，BOD與NH3—N的相關系數為0.56（通過了0.01的置信度檢驗）。BOD在夏季含量偏高，這時由于氮、磷及各種有機質含量豐富，水生生物生長旺盛，大量消耗水體中溶解氧。TN在冬、春季含量偏高，說明沱河段氮素主要來自點源污染，這與近年來宿州市積極招商引資，引進的企業(yè)有不少是污染較大的傳統企業(yè)有關。另外，NH3—N和TN含量在春季相差特別大，表明也存在農業(yè)面源污染影響，春季降水開始增多，該區(qū)由于地表植被覆蓋率低，農業(yè)上使用的化肥及農藥中含有的各種氮素殘存在土壤中，隨著地表水和地下水流滲到沱河中，加上春季氣溫回升，沱河底泥釋放部分氮素，使得TN比NH3—N含量明顯偏高。COD主要來自工業(yè)廢水排放，各季節(jié)含量均較高，與工廠排放的廢水達標率有一定關系，宿州市工廠污水處理設施落后，2009年統計的匯總企業(yè)數有100個，廢水處理設施僅有81個［14］。TP含量在冬季偏高，主要受城市生活污水排放影響，該季節(jié)水生生物死亡，對氮、磷吸收利用減少，河流水環(huán)境容量小。（2）年際變化因素。一方面，與入河污染物排放量減少有關。研究河段內COD排放量在2005年為72 790t，到2009年減少為3 525t，年均減少17 316t；NH3—N排放量在2005年為4 702t，到2009年減少為480t，減少趨勢也非常明顯；氮肥在2003年使用量為1.90×105t，到2009年減少為1.23×105t［14］。另一方面，宿州市也積極響應國家環(huán)保要求，對沱河段進行了初步整治。宿州市政府對沱河段進行了景觀帶改造，總投資1.5億元，兩側建有平均寬度為70m的園林帶［8］，有效地保護了沱河段的生態(tài)環(huán)境。

2.5 防治對策

隨著社會經濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，環(huán)境質量將是直接關系到社會安定、經濟建設和子孫后代健康的重大問題［15］。為有效保護沱河段的水環(huán)境，提出相關對策建議。（1）提高居民環(huán)保意識。當前，諸如生態(tài)環(huán)境破壞、流域污染、水體富營養(yǎng)化，無不是因人類活動及隨意排放各種污染物所引起的。而居民環(huán)保意識的提高，可以有效減輕對生態(tài)環(huán)境破壞的壓力。從源頭上保護好沱河的生態(tài)環(huán)境，宿州市政府應在提升居民環(huán)保意識方面加大宣傳力度。（2）控制入河污染物排放。河流水環(huán)境容量的變化主要是受工業(yè)三廢和生活污水排放的影響。目前，許多城市都在嚴格控制入河污染物排放，取得了一定成效。宿州市政府須制定出一些法規(guī)措施，使各企業(yè)排放的廢污水達到排污要求。同時，對居民小區(qū)生活污水也應進行有效監(jiān)管，以避免給河流造成二次污染。（3）加強污水處理設施建設。近年來，宿州市經濟發(fā)展迅速，引進的企業(yè)有不少是污染較大的傳統企業(yè)。為有效保護好沱河生態(tài)環(huán)境，在各工業(yè)園區(qū)應加強污水處理設施建設，以提高工業(yè)廢水排放達標率。

3 結論

（1）宿州市沱河段水質狀況年內變化顯著，DO，NH3—N和TP在冬季含量偏高，TN和COD在春、秋季含量較高，BOD在夏季含量偏高；年際變化方面，BOD，NH3—N和TN均為顯著下降趨勢，COD為不明顯下降趨勢，DO和TP無明顯變化趨勢。

（2）水質年內變化一方面受河流水文要素制約，另一方面也受到點源污染影響，主要水質指標年際下降的原因是污染物排放量減少，也與宿州市政府加大環(huán)境保護力度有關。

致謝:黃淑玲老師在數據采集上提供了幫助并對本文給予了指導，在此表示衷心感謝！

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