南水北調中線陜西水源區污染源排放時空變化特征

王 蕾，姚志鵬，吳 蕊，關建玲，羅儀寧，柴楊揚，和 瑩

1.陜西省環境監測中心站，陜西 西安 710054 2.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012 3.中聯西北工程設計研究院有限公司，陜西 西安 710082

南水北調中線陜西水源區污染源排放時空變化特征

王 蕾1，姚志鵬2，吳 蕊3，關建玲1，羅儀寧1，柴楊揚1，和 瑩1

1.陜西省環境監測中心站，陜西 西安 710054 2.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012 3.中聯西北工程設計研究院有限公司，陜西 西安 710082

基于2008—2012年污染源環境統計數據，采用Spearman秩相關系數法等分析南水北調中線陜西水源區污廢水及污染物年排放總量變化趨勢，借助ArcGIS空間分析功能表征水源區污染源排放的空間分布特征。結果表明：2008—2012年水源區污廢水和NH3-N年排放總量呈顯著上升趨勢，COD、As、Pb、Cd、Cr和Hg年排放總量呈拋物線型變化，總體上COD、Pb、Cd年排放總量增加，As、Cr和Hg年排放總量降低。水源區污廢水及污染物排放量空間差異明顯，污廢水、COD和NH3-N排放涉及流域所有區縣，其排放量從干流到流域邊緣呈現較明顯的梯度變化，即位于流域中心或地級市行政中心的區縣排放量明顯高于位于流域邊緣的區縣；As、Pb、Cd、Cr和Hg排放量呈現明顯的區域分布，主要分布在勉縣等8個區縣。

南水北調中線；陜西；水源區；污染源；時空變化

流域污染源排放是影響河流水質的主導因素。自2007年國家污染源普查工作開展以來，作為防治流域水污染的有效手段，污染源調查和解析一直備受關注[1]。陜西省漢丹江流域位于陜西省南部的秦巴山地，承擔著南水北調中線工程供水水源丹江口水庫70%以上的供應水量，是南水北調中線的主要水源涵養區[2]。近年來陜西省漢丹江流域水質總體保持良好，漢丹江出陜斷面水質保持在國家《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅱ～Ⅲ類[3]。然而，隨著陜西省漢丹江流域社會經濟等的快速發展，污染物直接或間接進入河道水體，使得南水北調中線陜西水源區水環境質量面臨巨大的壓力[4]。隨著南水北調中線工程的正式通水，陜西水源區水環境狀況及污染源控制已經受到社會各界廣泛關注。本研究依據南水北調中線陜西水源區環境統計數據，結合實地調研結果，分析水源區污廢水及各污染物排放總量變化趨勢及其空間分布特征，為區域污染源控制及水資源保障提供理論依據和數據支持。

1 研究方法

1.1 研究范圍和數據來源

本文污染源研究范圍涉及陜西省境內漢丹江干支流主要流經的陜南3個城市27個區縣，詳見圖1。污染源數據來源于2008—2012年陜西省環境統計數據庫，包括研究區域內的工業源、農業源、生活源和垃圾處理廠排污情況。

圖1 南水北調中線陜西水源區地理位置示意圖Fig.1 The geographical location in Shaanxi water source area of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

1.2 分析方法

由于陜西省漢丹江流域重金屬污染負荷較大[5]，本研究綜合考慮南水北調中線陜西水源區污染源類別特征，選取污廢水、總量控制污染物(COD、NH3-N)和重金屬污染物(As、Pb、Cd、Cr和Hg)指標作為分析對象。研究從污染源排放總量統計等方面進行歸納和分析，空間尺度涉及地級市、區縣兩級行政單位，同時運用ArcGIS制圖以描述縣級行政單位排污空間分布特征。由于略陽縣漢江流域面積占全縣面積的29%，按其總量的1/3核算相關量。污廢水及各污染物排放年際變化趨勢分析采用Spearman秩相關系數法，用Daniel趨勢檢驗技術進行定量評價，其秩相關系數計算公式：

(1)

di=(Xi-Yi)

(2)

式中：Rs為秩相關系數，N為年份，di為變量Xi與Yi的差值；Xi為污廢水或某污染物按年排放總量從小到大排列對應的序號，Yi為按時間排列的序號。將秩相關系數Rs的絕對值同臨界值Wp進行比較：當Rs>Wp，表明變化趨勢有顯著意義；當Rs≤Wp，則表明變化趨勢沒有顯著意義；如果Rs是負值，則表明指標在評價時段內呈下降趨勢；如果Rs為正值，則表明指標在評價時段內呈上升趨勢。

2 結果與討論

2.1 南水北調中線陜西水源區污染源排放時間變化特征

南水北調中線陜西水源區2008—2012年污廢水及各污染物年排放總量變化情況如圖2所示，結合Spearman秩相關系數法判斷污廢水及各污染物年際變化趨勢分析，結果表明：①南水北調中線陜西水源區2008—2012年污廢水排放總量總體呈顯著上升趨勢(Rs=0.9)，其中2010年前增加幅度較大，2010年后基本保持同一水平；COD排放總量呈拋物線型變化，以2010年為拐點，之前呈上升趨勢，之后呈下降趨勢；NH3-N年排放量呈顯著上升趨勢(Rs=0.9)。與2008年相比，水源區2012年污廢水、COD和NH3-N排放總量分別增長了53.22%、29.44%和114.15%。②南水北調中線陜西水源區2008—2012年As、Pb、Cd、Cr、Hg年排放總量均為拋物線型變化，Cr和Hg在2009年排放量最大，As和Pb在2010年排放量最大，Cd在2011年排放量最大(圖2)。這是因為，2009年陜西鳳翔血鉛事件以后，陜西省政府積極實施《重金屬污染防治規劃》相關措施，加大了區域重金屬污染防控力度，促使區域各重金屬排放量在2009年以后先后呈下降趨勢。總體上，南水北調中線陜西水源區Cd年排放總量呈顯著上升趨勢(Rs=0.9)，Pb年排放量變化趨勢不明顯(Rs=0.1)，Cr和Hg年排放量呈顯著下降趨勢(Rs=-0.9)，As年排放量呈不顯著下降趨勢(Rs=-0.6)；與2008年相比，2012年水源區Cd和Pb年排放量分別增加了165.25%和0.11%；As、Cr和Hg年排放量分別減少了15.74%、64.99%和19.84%。

圖2 南水北調中線陜西水源區污廢水及污染物年排放總量變化Fig.2 Variation of total discharge amounts of wastewater and pollutants in Shaanxi water source area of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

為了明晰南水北調中線陜西水源區污廢水及各污染物的來源情況，進一步計算2008—2012年工業源、農業源、生活源和垃圾處理源分別對污廢水及各污染物的排放量占比，結果顯示：南水北調中線陜西水源區污廢水主要來源為生活污水(占55.33%以上)和工業廢水(占20.77%以上)，COD和NH3-N主要來源為城鎮生活源(占46.89%以上)、農業源(占37.57%以上)和工業源(占11.50%以上)，重金屬主要來源為工業源(占85.85%以上)；2008—2012年COD增加量主要來源于生活污水排放，NH3-N增加量主要來源于農業源中畜禽養殖業排放，重金屬Cd和Pb增加量主要來源于工業源的鉛鋅冶煉、無機酸制造等涉重行業。

2.2 南水北調中線陜西水源區污染源排放空間分布特征

2.2.1 污廢水排放總量空間分布特征

南水北調中線陜西水源區2012年污廢水排放總量統計結果表明：①南水北調中線陜西水源區污廢水年排放量空間差異明顯，水源區所在的漢中市污廢水排放量最大，其次是安康市和商洛市，其污廢水年排放量分別占水源區排放總量的47.39%、28.24%和24.38%。調研顯示，漢中市在陜南3個城市中人口密度最大、人口最多，工業企業數量也最多，生活污水和工業廢水排放量均較大。②南水北調中線陜西水源區27個區縣污廢水排放總量分布從漢丹江干流到流域邊緣呈現明顯的梯度變化，即漢中市的勉縣、城固縣、洋縣、漢臺區，安康市的漢濱區和商洛市的商州區、山陽縣這些接近漢江干流和丹江干流的沿岸城市污廢水排放量處于較高水平，特別是漢江流域地級市行政中心的漢臺區、漢濱區在流域各區縣中污廢水排放量最大(圖3)，分別占到流域總排放量的15.97%和12.66%。導致這一現象的可能原因：各地區水資源分布不均及其城鎮化發展水平和工業行業分布等不同；同時，各地區的環境保護政策制定和落實情況不同、企業排污管理規范進程不一，也會使污染排放存在差異。

圖3 2012年南水北調中線陜西水源區污廢水排放總量空間分布Fig.3 Spatial distribution of total discharge amounts of wastewater in 2012 in Shaanxi water source area of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

2.2.2 污染物排放總量空間分布特征

2.2.2.1 總量控制污染物排放總量空間分布

南水北調中線陜西水源區2012年總量控制類污染物排放總量統計結果表明：①南水北調中線陜西水源區COD和NH3-N排放量空間差異明顯， COD和NH3-N排放量由大到小依次為漢中市、安康市和商洛市，與污廢水排放量大小排序一致。其中漢中市COD和NH3-N排放量分別占流域排放總量的41.48%和45.49%，安康市COD和NH3-N排放量分別占流域排放總量的32.49%和29.67%，商洛市COD和NH3-N排放量分別占流域排放總量的26.03%和24.84%。②南水北調中線陜西水源區27個區縣中COD和NH3-N排放總量較大的區縣一致，COD和NH3-N排放總量空間分布總體情況和污廢水排放總量空間分布類似，其排放總量從干流到流域邊緣均呈現較明顯的梯度變化，其排放總量較高的區縣分別是漢中市的勉縣、南鄭縣、城固縣、洋縣、西鄉縣，安康市的漢濱區和旬陽縣，商洛市的丹鳳縣、商南縣和山陽縣(圖4)。漢濱區和西鄉縣COD和NH3-N排放量在流域區縣中最大，漢濱區COD和NH3-N排放量對流域排放總量貢獻率分別為10.45%和10.23%，西鄉縣COD和NH3-N排放量對流域排放總量貢獻率分別為8.77%和9.37%。③對比污廢水排放總量較大的區縣(圖3)，發現漢臺區和商州區對流域污廢水排放總量貢獻較大，而其對流域COD和NH3-N排放總量貢獻并不大，這說明漢臺區和商州區排放的污廢水中COD和NH3-N濃度較低；而旬陽縣和西鄉縣污廢水排放量貢獻相對較小，但其COD和NH3-N排放量貢獻卻較大，這說明旬陽縣和西鄉縣排放的廢水中COD和NH3-N濃度較高。調研顯示，各區縣污廢水排放量主要來源均為生活污水，但旬陽縣和西鄉縣工業廢水排放量占比相對較大，由于牲畜屠宰、化肥制造等工業企業較多，COD和NH3-N排放量較大。

2.2.2.2 重金屬污染物排放總量空間分布

南水北調中線陜西水源區2012年各重金屬污染物排放總量統計結果表明：陜西水源區各重金屬排放總量呈現明顯的區域分布。除Hg外，As、Pb、Cd和Cr排放量由大到小依次為漢中市、商洛市和安康市。Hg排放量主要分布在漢中市勉縣(74.73%)和安康市的旬陽縣(15.87%)；As排放量主要分布在漢中市勉縣(67.21%)、商洛市的鎮安縣(20.47%)和商州區(6.44%)；Pb排放量主要分布在漢中市勉縣(50.92%)、商洛市商州區(21.06%)和安康市旬陽縣(18.11%)；Cd排放量主要分布在漢中市勉縣(48.28%)和略陽縣(17.03%)、商洛市商州區(29.65%)；Cr排放量主要分布在商洛市商南縣(49.06%)、漢中市漢臺區(16.72%)、西鄉縣(14.15%)和勉縣(12.25%)(圖5)。南水北調中線陜西水源區重金屬排放量主要來源為工業源，因此，重金屬的區域分布特征與區域內涉重企業的分布情況及工業企業排污情況直接相關。

圖4 2012年南水北調中線陜西水源區總量控制污染物排放總量空間分布Fig.4 Spatial distribution of total discharge amounts of total-amount-control pollutants in 2012 in Shaanxi water source area of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

2.3 南水北調中線陜西水源區污染源排放與漢江、丹江水質響應特征

2.3.1 污染源排放時間變化與水質響應分析

統計分析南水北調中線陜西水源區漢江、丹江2008—2012年水體COD、NH3-N和5種重金屬As、Pb、Cd、Cr、Hg的年均值變化情況，結合第2.1節水源區污染源排放時間變化情況發現：①漢江、丹江大部分斷面COD和NH3-N年均濃度隨區域COD和NH3-N年排放量變化，且排放量變化幅度越大，水質和排放量的相關性越高，排放量變化幅度小時水質和排放量的相關性則較低，這是因為河流水質受區域污染源排放、污染物遷移轉化、河流水量及水體的自凈作用等綜合因素影響，當污染物排放量變化幅度較小時，其他因素影響彰顯，污染物排放量變化影響減小。②水源區重金屬排放量較大的年度水體中相關重金屬的檢出率較高，但水體重金屬含量和重金屬排放量沒有明顯的相關性。

2.3.2 污染源排放空間特征與水質響應分析

課題組已有研究顯示，依據我國《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)評價，南水北調中線陜西水源區2012年漢江、丹江水體5種重金屬As、Pb、Cd、Cr和Hg含量均在Ⅰ類標準限值內，其水質受重金屬排放的影響很小；COD和NH3-N年均值為Ⅱ類或Ⅲ類，個別斷面NH3-N月測定值為Ⅵ類，存在偶爾超標現象，其水質受COD和NH3-N排放的影響相對較大[6]。根據監測斷面對應的區域看，陜西境內漢江水質較差河段所在的區域位于漢中市的南鄭縣和城固縣，丹江水質較差的河段所在的區域位于商洛市商州區。對比第2.2.1節和第2.2.2節水源區污廢水及污染物排放總量空間分布情況，結果表明：①水源區水質較差的斷面所在區域與污廢水、總量控制類污染物COD和NH3-N排放量較大的區域基本一致，這進一步說明水源區污染源排放對水質的影響明顯。②水源區漢江、丹江不同斷面重金屬含量水平普遍較低，其水質并沒有表現出受重金屬排放量的區域性分布影響。研究顯示，多數重金屬進入河流水體后只有一小部分以自由金屬離子形式溶解在水中，絕大部分會迅速被懸浮顆粒表面所吸附，并在水動力作用的搬運過程中逐步沉降下來在河流沉積物中累積[7-8]。正是由于重金屬在河流水體存在的這種“瞬時性”，使得大多數河流水體中重金屬的含量很低，即使接近污染物排放口，水體中重金屬的含量也不高[9]。由此可見，目前僅依據我國監測部門實行的河流水體月監測數據，在評價河流重金屬污染狀況時具有局限性。對于河流重金屬長期污染，監測評價河流沉積物中的重金屬污染水平更具代表性[10]。因此，建議評價河流重金屬污染狀況時同時監測水體重金屬濃度和沉積物重金屬含量，并對其污染水平進行綜合評價。

圖5 2012年南水北調中線陜西水源區重金屬污染物排放總量空間分布Fig.5 Spatial distribution of total discharge amounts of heavy metal pollutants in 2012 in Shaanxi water source area of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

3 結論

1)南水北調中線陜西水源區2008—2012年污廢水和NH3-N年排放總量呈顯著上升趨勢，COD、As、Pb、Cd、Cr和Hg年排放總量呈拋物線型變化，總體上COD、Pb、Cd年排放總量增加，As、Cr和Hg年排放總量降低；COD增加量主要來源于生活污水排放，NH3-N增加量主要來源于農業源中畜禽養殖業排放，重金屬Cd和Pb增加量主要來源于工業源的鉛鋅冶煉、無機酸制造等涉重行業。

2)南水北調中線陜西水源區2012年污廢水及污染物排放總量空間分布差異明顯：污廢水、COD和NH3-N排放涉及流域所有區縣，其排放量從干流到流域邊緣均呈現較明顯的梯度變化，即位于流域中心或地級市行政中心的區縣排放量明顯高于其他流域邊緣區縣；As、Pb、Cd、Cr和Hg呈現明顯的區域分布，主要分布在漢中市漢臺區、略陽縣、西鄉縣和勉縣，安康市旬陽縣，商洛市商州區、鎮安縣和商南縣。

3)水源區污染源排放與漢江、丹江水質響應分析結果顯示：南水北調中線陜西水源區河流水質較差的斷面與污廢水、總量控制類污染物排放量較大的時段或區域基本一致，表現出污染源排放對水源區水質有明顯影響；水源區河流水體重金屬含量水平受重金屬排放量的影響很小，這是由于多數重金屬進入河流水體后易于在河流沉積物中累積，使得僅監測河流水體重金屬在綜合評價河流重金屬污染狀況時具有局限性。

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The Spatiotemporal Variation Characteristics of Water Pollution Sources in Shaanxi Water Source Area of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

WANG Lei1, YAO Zhipeng2, WU Rui3, GUAN Jianling1, LUO Yining1, CHAI Yangyang1, HE Ying1

1.Shaanxi Environmental Monitoring Center, Xi’an 710054, China 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012, China 3.China United Northwest Institute for Engineering Design & Research Co., Ltd, Xi’an 710082, China

Based on the environment statistic data from 2008 to 2012, the water pollution sources variation characteristics were analyzed using the Spearman’s rank correlation coefficient method and the emission spatial distribution characteristics of water pollution sources were described using the spatial analysis function of ArcGIS in Shaanxi water source area of the middle route of South-to-North Water Diversion Project. The results indicated that the annual total discharge amounts of waste water and NH3-N in the region generally increased during 2008-2012, the discharge amounts of COD, As, Pb, Cd, Cr and Hg all showed as a parabolic variation, COD, Pb and Cd generally increased while As, Cr and Hg decreased. Discharge amounts of waste water and pollutants in the region showed obvious differences in spatial distribution, discharge of waste water, COD and NH3-N involved in all the counties, presented a significantly gradient variation, their discharge amounts of all the counties located in the center of river basin or in the administration center of cities were obviously higher than the counties in their marginal inferior. Discharge amounts of As, Pb, Cd, Cr and Hg displayed an apparently regional distribution, and most emission of heavy metals concentrated in eight countries including Mian County.

the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project; Shaanxi; water source area; pollution sources; spatiotemporal variation

2015-11-18;

2016-06-24

國家科技支撐計劃項目(2011BAC12B01-01,2011BAC12B02-01)

王 蕾(1983-)，女，陜西商洛人，博士，高級工程師。

關建玲

X824

A

1002-6002(2017)01- 0061- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.01.10