“十三五”時(shí)期渭河甘肅段化學(xué)需氧量及氨氮時(shí)空變化分析

孔凡彬，王一帆

（甘肅省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，甘肅 蘭州 730020）

渭河是黃河的最大支流，發(fā)源于甘肅省定西市渭源縣鳥(niǎo)鼠山，橫跨甘肅東部由西向東流經(jīng)定西市渭源、隴西兩縣后自武山樺林鄉(xiāng)進(jìn)入天水市，途經(jīng)武山、甘谷和秦州、麥積兩區(qū)，于麥積區(qū)東岔鄉(xiāng)牛背村進(jìn)入陜西境內(nèi)，是甘、陜?nèi)嗣竦哪赣H河。渭河總長(zhǎng)度818 km，流域面積134 767 km2，多年平均徑流量102.5億m3，輸沙量5.42億t。在定西市境內(nèi)渭源縣城以下干流長(zhǎng)約66 km，年徑流量7.94億m3，境內(nèi)流域面積10 246 km2，年輸沙量5 044萬(wàn)t，境內(nèi)平均侵蝕模數(shù)5 100 t/km2，占渭河輸沙量的10.7%[1]。渭河天水境內(nèi)河長(zhǎng)269 km，流域面積11 548 km2，占渭河總流域面積的8.6%，占全市總面積14 317 km2的80.7%，境內(nèi)年徑流量12.71億m3，占渭河總徑流量的11.8%，占全市總徑流量17.23億m3的70.3%。

渭河流域年降雨量在400～600 mm，渭河以南降水量較多，北部降水量較少。年蒸發(fā)量700～900 mm，年蒸發(fā)量與年降水量分布正好相反，為北多南少。一年中降水多集中在6—9月，占全年降水量的60%～80%，且多以暴雨形式出現(xiàn)，年際間降水變化率大，常有干旱發(fā)生。由于渭河南北不同的自然地理?xiàng)l件，形成各自不同的水文特征。北岸屬黃土高原，土體疏松，植被覆蓋率低，水土流失嚴(yán)重，侵蝕模數(shù)高，是渭河泥沙的主要來(lái)源。南岸屬西秦嶺山地，植被覆蓋率高，降水量大，水土流失輕微，是流域主要的水源涵養(yǎng)市。境內(nèi)主要支流有散渡河、葫蘆河、牛頭河、通關(guān)河、榜沙河、大南河、藉河[2]。渭河甘肅段污染情況可分為點(diǎn)源和面源污染兩部分。其中，點(diǎn)源來(lái)源主要為工業(yè)源和生活源；面源來(lái)源主要為農(nóng)藥、化肥的使用經(jīng)降雨、降塵等導(dǎo)致的污染物進(jìn)入水體。目前對(duì)渭河甘肅段水環(huán)境質(zhì)量的研究較少，有針對(duì)渭河流域水環(huán)境承載能力及污染控制開(kāi)展的研究分析[3]，但缺少針對(duì)特定污染指標(biāo)的詳細(xì)研究。化學(xué)需氧量和氨氮作為“十三五”期間水污染物總量減排的2項(xiàng)約束性指標(biāo)，直接影響河流水質(zhì)類別以及群眾感官感受。通過(guò)研究渭河甘肅段化學(xué)需氧量和氨氮時(shí)空變化情況，以及2項(xiàng)污染物和其他污染物的相關(guān)性，為加強(qiáng)水污染物防治措施，確保渭河甘肅段水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定改善提供依據(jù)。

1 監(jiān)測(cè)概況與評(píng)價(jià)方法

1.1 監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置情況

渭河甘肅段沿河流流向設(shè)置斷面有西二十里鋪、土店子、樺林、北道橋、伯陽(yáng)橋、葡萄園。因支流匯入導(dǎo)致水質(zhì)發(fā)生明顯變化的支流有葫蘆河和牛頭河，因此在葫蘆河和牛頭河支流分別設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面一號(hào)橋和倪徐家。其中西二十里鋪和土店子斷面屬定西市，其他斷面均屬天水市。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)源于相關(guān)市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心例行監(jiān)測(cè)反饋數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)時(shí)間為2016—2020年，監(jiān)測(cè)頻次為每月1次，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）[4]中的24項(xiàng)常規(guī)指標(biāo)，樣品的采集與分析均按相關(guān)技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。文章主要研究指標(biāo)為化學(xué)需氧量和氨氮，分析方法分別為重鉻酸鹽法[5]和納氏試劑比色法[6]。

1.3 評(píng)價(jià)方法

依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002），斷面污染物濃度采用單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)。河流污染物濃度采用《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法》（試行）[7]。采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法分析化學(xué)需氧量、氨氮和其他污染指標(biāo)的相關(guān)性[8]。根據(jù)河流流向采用時(shí)間序列法分析渭河甘肅段化學(xué)需氧量和氨氮時(shí)空變化特征[9-10]。

2 結(jié)果分析

2.1 時(shí)間分布分析

2.1.1 年變化特征

數(shù)據(jù)顯示，“十三五”期間，渭河甘肅段化學(xué)需氧量和氨氮濃度總體呈下降趨勢(shì)。2020年和2016年比較，化學(xué)需氧量濃度西二十里鋪斷面下降了25.4%，土店子斷面下降了33.9%，樺林?jǐn)嗝嫦陆盗?1.1%，北道橋斷面下降了41.3%，伯陽(yáng)橋斷面下降了35.0%，葡萄園斷面下降了43.4%；氨氮濃度西二十里鋪斷面下降了6.2%，土店子斷面上升了2.6%，樺林?jǐn)嗝嫦陆盗?5.3%，北道橋斷面下降了32.4%，伯陽(yáng)橋斷面下降了52.8%，葡萄園斷面下降了71.4%?；瘜W(xué)需氧量和氨氮年數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，渭河甘肅段化學(xué)需氧量各斷面年變化情況和化學(xué)需氧量年變化情況如圖1—圖2所示，氨氮各斷面數(shù)據(jù)年變化情況和氨氮年變化情況如圖3—圖4所示。

表1 “十三五”期間渭河化學(xué)需氧量和氨氮數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況

圖1 渭河甘肅段化學(xué)需氧量各斷面年變化情況

圖2 渭河甘肅段化學(xué)需氧量年變化情況

圖3 渭河甘肅段氨氮各斷面年變化情況

圖4 渭河甘肅段氨氮年變化情況

總體來(lái)看，2020年較2016年渭河甘肅段化學(xué)需氧量和氨氮濃度均值分別下降了35.5%和36.5%。主要污染物的持續(xù)下降，與“水污染防治行動(dòng)”的實(shí)施密不可分。渭河治理引起從生態(tài)環(huán)境部到省委再到地方各級(jí)政府部門的高度重視和反思。水利部辦公廳印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步強(qiáng)化河湖長(zhǎng)履職盡責(zé)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，提出河長(zhǎng)制要從有名到有實(shí)際。從省到市到縣再到鄉(xiāng)鎮(zhèn)，河長(zhǎng)制得到空前重視，極大提升了環(huán)保管理水平。定西、天水2市通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)創(chuàng)新，將源頭治理和污染防治有機(jī)結(jié)合，淘汰、限制工藝設(shè)備落后的過(guò)剩生產(chǎn)力，加強(qiáng)新技術(shù)、環(huán)保節(jié)能技術(shù)的推廣。渭河流域大小支流所有失控垃圾得到清理和妥善處置，河道基本實(shí)現(xiàn)無(wú)垃圾，大小河道告別臟亂差現(xiàn)象。各級(jí)政府設(shè)置涉及河道治理及管理的大小設(shè)施達(dá)上千個(gè)。部分不合規(guī)沙場(chǎng)得到清理，河道生態(tài)傷害得到制止。定西和天水2市簽訂《渭河定西——天水段水污染聯(lián)防聯(lián)控協(xié)議》，標(biāo)志著2市渭河水污染進(jìn)入跨區(qū)域防治階段。為加快渭河源區(qū)生態(tài)保護(hù)與綜合治理規(guī)劃實(shí)施，2017年定西市組織編制了《甘肅定西渭河源區(qū)生態(tài)保護(hù)與綜合治理規(guī)劃實(shí)施方案》，細(xì)化篩選了308個(gè)總投資103億元的項(xiàng)目表，并通過(guò)現(xiàn)有各類項(xiàng)目投資渠道，整合項(xiàng)目資金。這一系列環(huán)境保護(hù)措施的實(shí)施，是渭河甘肅段水質(zhì)好轉(zhuǎn)的根本原因。

2.1.2 月變化特征

數(shù)據(jù)顯示，“十三五”期間，渭河甘肅段化學(xué)需氧量和氨氮濃度總體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。每年的冬春季濃度達(dá)到最大峰值，汛期（6—10月）[11-12]濃度達(dá)到當(dāng)年最低水平。渭河甘肅段化學(xué)需氧量月變化情況如圖5所示，氨氮月變化情況如圖6所示。

圖5 渭河甘肅段化學(xué)需氧量月變化情況

圖6 渭河甘肅段氨氮月變化情況

研究表明，水質(zhì)季節(jié)波動(dòng)和流域斷面水量差異與當(dāng)?shù)嘏盼郗h(huán)境有關(guān)[13]?；瘜W(xué)需氧量濃度穩(wěn)定達(dá)標(biāo)；氨氮濃度個(gè)別月份還有超標(biāo)現(xiàn)象。在枯水期應(yīng)加強(qiáng)對(duì)含氮有機(jī)物排放的控制。

2.2 空間分布分析

根據(jù)化學(xué)需氧量和氨氮5年均值分析，空間上渭河甘肅段化學(xué)需氧量和氨氮濃度呈波動(dòng)變化，總體趨于穩(wěn)定。化學(xué)需氧量濃度在土店子斷面上升到峰值后開(kāi)始下降，在樺林?jǐn)嗝嬗钟兴仙?，在伯?yáng)橋達(dá)到峰值后開(kāi)始下降，最終出境斷面濃度較入境斷面濃度下降了11.8%。氨氮在土店子和北道橋斷面均為濃度上升到峰值后下降，最終在出境斷面濃度較入境斷面濃度上升了4.8%。數(shù)據(jù)表明，渭河土店子斷面上游有化學(xué)需氧量和氨氮污染物匯入，在北道橋斷面上游樺林?jǐn)嗝嫦掠沃g，有明顯的氨氮污染物匯入。

根據(jù)地理位置分析，土店子斷面上游有大咸河支流匯入，北道橋斷面上游有葫蘆河支流匯入。葫蘆河匯入渭河前設(shè)置有監(jiān)測(cè)斷面一號(hào)橋，一號(hào)橋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示化學(xué)需氧量和氨氮濃度明顯高于渭河，因此可以判定北道橋斷面化學(xué)需氧量和氨氮濃度升高的原因之一是葫蘆河匯入導(dǎo)致。因大咸河目前未設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，估計(jì)土店子斷面化學(xué)需氧量和氨氮濃度升高可能是大咸河匯入造成的，也可能是面源污染導(dǎo)致?！笆濉逼陂g渭河甘肅段化學(xué)需氧量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2，化學(xué)需氧量沿流程變化情況如圖7所示，化學(xué)需氧量5年均值沿流程變化情況如圖8所示，氨氮數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表3，氨氮沿流程變化情況如圖9所示，氨氮5年均值沿流程變化情況如圖10所示。

表2 “十三五”期間渭河甘肅段化學(xué)需氧量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況 單位：mg/L

圖7 渭河甘肅段化學(xué)需氧量沿流程變化情況

圖8 渭河甘肅段化學(xué)需氧量5年均值沿流程變化情況

表3 “十三五”期間渭河甘肅段氨氮數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況 單位：mg/L

圖9 渭河甘肅段氨氮沿流程變化情況

圖10 渭河甘肅段氨氮5年均值沿流程變化情況

葫蘆河是渭河的一級(jí)支流。近年來(lái)天水市堅(jiān)持山水林田湖草綜合治理，實(shí)施了一批生態(tài)保護(hù)修復(fù)和建設(shè)工程，提升水源涵養(yǎng)能力，防止水土流失。葫蘆河流域治理工程于2017年10月開(kāi)工，通過(guò)興建防洪堤、污水處理廠等水利工程，以及興建人工湖泊、濕地等生物工程，多項(xiàng)措施并舉，努力維護(hù)流域生態(tài)環(huán)境。工程于2018年6月底全面建設(shè)完工。從2018年開(kāi)始，進(jìn)入葫蘆河的泥沙量減少，葫蘆河水質(zhì)整體得到明顯改善。“十三五”期間葫蘆河一號(hào)橋斷面化學(xué)需氧量和氨氮數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表4，化學(xué)需氧量年變化情況如圖11所示，氨氮年變化情況如圖12所示。2019年開(kāi)始，葫蘆河一號(hào)橋斷面2項(xiàng)指標(biāo)已穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，但渭河天水段北道橋斷面2項(xiàng)污染物指標(biāo)濃度較上游樺林?jǐn)嗝嬉廊挥忻黠@上升，說(shuō)明支流影響只是原因之一，還存在其他污染水體匯入或面源污染，這些是造成北道橋斷面化學(xué)需氧量和氨氮濃度升高不可忽視的原因。從污染指標(biāo)沿流程變化圖形還可以看出，渭河甘肅段氨氮濃度波動(dòng)明顯大于化學(xué)需氧量，說(shuō)明水體含氮有機(jī)物濃度變化較大。

表4 “十三五”期間一號(hào)橋斷面化學(xué)需氧量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況 單位：mg/L

圖11 一號(hào)橋斷面化學(xué)需氧量年變化情況

圖12 一號(hào)橋斷面氨氮年變化情況

2.3 與溶解氧的相關(guān)性分析

Spearman秩相關(guān)系數(shù)通常被認(rèn)為是排列后的變量之間的Pearson線性相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)在0.8～1.0表示極強(qiáng)相關(guān)性，在0.6～0.8表示強(qiáng)相關(guān)性，在0.4～0.6表示中等程度相關(guān)性，在0.2～0.4表示弱相關(guān)性，在0.0～0.2表示極弱相關(guān)性或無(wú)相關(guān)性。

分別計(jì)算2016—2020年化學(xué)需氧量、氨氮和溶解氧的Spearman秩相關(guān)系數(shù)，得到化學(xué)需氧量和溶解氧的相關(guān)系數(shù)為-0.9，表明2者為極強(qiáng)負(fù)相關(guān)性；氨氮和溶解氧的相關(guān)系數(shù)為0.1，表明2者無(wú)顯著相關(guān)性。由于化學(xué)需氧量和溶解氧的極強(qiáng)負(fù)相關(guān)性，說(shuō)明渭河甘肅段水體對(duì)化學(xué)需氧量的降解更為有利?！笆濉逼陂g渭河甘肅段溶解氧數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表5。

表5 渭河甘肅段溶解氧數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況 單位：mg/L

3 結(jié)論

“十三五”期間渭河甘肅段化學(xué)需氧量和氨氮濃度持續(xù)下降，2020年較2016年渭河甘肅段化學(xué)需氧量和氨氮濃度均值分別下降了35.5%和36.5%。每年的冬春季為污染物濃度最大值。化學(xué)需氧量濃度能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)；氨氮濃度個(gè)別月份還有超標(biāo)現(xiàn)象，在枯水期應(yīng)加強(qiáng)對(duì)含氮有機(jī)物排放的控制管理。

空間上土店子斷面上游有化學(xué)需氧量和氨氮污染物匯入，在北道橋斷面上游有明顯的氨氮污染物匯入。北道橋斷面化學(xué)需氧量和氨氮濃度升高的原因之一是葫蘆河匯入導(dǎo)致。氨氮濃度波動(dòng)明顯大于化學(xué)需氧量，說(shuō)明水體含氮有機(jī)物濃度變化較大，在今后的治理中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)含氮有機(jī)物的治理。

從化學(xué)需氧量和溶解氧的極強(qiáng)負(fù)相關(guān)性可以看出，渭河甘肅段水體對(duì)化學(xué)需氧量的降解更為有利。