滹沱河忻州段水质时空变化及影响因子评价与分析

2015-04-26赵鹏宇步秀芹刘秀丽徐学选

中国环境监测 2015年3期

关键词：滹沱河忻州污水

赵鹏宇，步秀芹，崔嫱，刘秀丽，徐学选

1．忻州师范学院旅游管理系，山西忻州 034000

2．广西壮族自治区环境保护科学研究院，广西南宁 530000

3．忻州师范学院地理系，山西忻州 034000

4．中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100

河流水质时空分布模式研究已经成为当今水质评价的一个研究热点。明晰河流水质的时空变化规律是评价河流水环境质量、分析污染来源和改善河流水环境的前提与基础。水质评价方法目前已有很多，如污染指数法［1-8］、模糊数学法［9-11］、物元分析法［12］、人工神经网络法［13］、主成分分析法等［14-16］。这些方法都有各自的特点和不足，综合污染指数法的优点在于:一是克服了一般的污染指数法人为将污染程度分成不同等级，不利于与国家水质标准比较的缺点;二是避免了使用数学模型，计算简便，达到了同级水质之间的比较。运用综合污染指数法可对各污染指标分指数经过不同方法的数学运算得到一个综合指数，最终达到对河流水污染状况进行综合评述的目的。

针对滹沱河忻州段的环境问题，从时间、空间尺度以及自然和社会影响因素等方面进行全面探讨。明确该河段的水污染问题成因及水质的关键影响因子具有以下两方面重要意义:一是忻州段大部分属于滹沱河上游地区，主要为成水用水环境区，对于该河段的水质研究，有助于降低中游(小觉至黄壁庄之间区域)成水环境区水质污染风险，对于下游石家庄地区(用水环境区)，可以减轻水质污染压力，扩大水环境容量意义重大;二是2004年后该地区经济迅速发展，随着矿山、煤炭资源整合、高排放、高污染企业的彻底关停以及污水处理厂在各地兴建运行，排污排废结构发生了很大变化，滹沱河水质有了很大的改善，研究其与社会经济的关系，可为相关部门保护水环境决策提供参考。

1 滹沱河忻州段概况

滹沱河是山西省的主要河流之一，也是华北地区著名的河流，它发源于五台山北麓繁峙县泰戏山脚下的乔儿沟，经山西东北部入河北省，汇入子牙河，在天津市境内归海河、注渤海，在华北地区培育出一条长587 km的绿色文明走廊，流域面积达26 630 km2，其中忻州市段河长251 km，流域面积11 936 km2，流经繁峙、代县、原平、忻府、定襄、五台6个县(市区)，57个乡(镇)的395个村，境内有云中河、牧马河、阳武河、清水河等较大支流11条。同黄河一样，滹沱河也是忻州人民赖以生存和发展的母亲河。如图1所示，滹沱河贯穿忻州市6个县(区、市)，流经重要县城，村镇，及重要工矿点，滹沱河干流是该区域主要地表水体。滹沱河水环境容量小，是忻州市污染最为严重的河道之一，水资源主要补给来源是大气降水，而干旱少雨、蒸发量大造成径流量小，水资源十分贫乏，因此，滹沱河生态环境非常脆弱。

图1 滹沱河流域忻州段代表监测断面示意图

如图2所示，滹沱河忻州段1956—1960年和1961—1970年段降雨量偏丰，与多年平均(1956—2010年)降水量相比，平均偏丰13.2%和3.2%;其他各年段:1971—1980年段平均偏枯 3.2%，1981—1990年平均偏枯3.4%，1991—2000年平均偏枯4.3%，2001—2010年平均偏枯16.1%。近55年实测系列降水资料的分析，可以为该河段水质变化提供科学依据;55年来滹沱河水量急剧减少，2010年为1.053 9亿立方米，与1950年相比水量下降了82%，这与海河水利委员会户作亮等［17］统计的海河19条平原河流水量与同期相比下降87%结论基本一致。各年段河流水量变化见图3。通常，降雨量与河道水量应该具有较强的同步性与一致性，图2、图3中上世纪70—90年代近30年降雨量基本稳定，但滹沱河水量并未表现出稳定性，而是持续减少，究其原因很可能是由于1970年代中后期为农业灌溉大规模兴修水利工程，对河道截留，导致河道水量进一步减少。因此，在一定程度上缩小了该河段水环境容量。

图2 滹沱河降雨量年段变化

图3 滹沱河径流量年段变化(界河铺断面)

2 滹沱河水环境质量时空变化评价分析

2.1 评价方法

2.1.1 时间变化

年际变化直接采用忻州市水资源公报中的评价结果。数据范围为1993—2011年，根据19年水资源公报中显示的水质主要超标项目，以及依据评价指标同一性原则，选择COD、NH3-N、DO和挥发酚作为评价指标。

年内不同时期的水质变化采用综合污染指数法中的代数叠加法。具体评价过程为

式中:P为综合污染指数，∑Pi为综合污染分指数，∑Pj表示某类污染物分指数，Ci为某污染物的实测浓度，C0为某污染物的评价标准。

根据2005年颁布《山西省水功能区划》，在此区域共设立了10个地表水功能区，其中7个属于工农业用水区，根据区划中水质保护目标要求，COD、NH3-N、DO和挥发酚选用 GB 3838—2002中的Ⅵ类标准。数据年份为2011—2012年水质监测数据，选取2011年平水期(5月)、丰水期(8月)和枯水期(12月)，分析不同水情水质变化，水质数据取各个监测站点的算术平均值。评价指标选取《忻州市水资源公报(2011)》中的主要超标项目COD、NH3-N、DO和挥发酚。

2.1.2 空间变化

水质空间分布特征研究采用优化的单因子污染指数法和综合污染指数法，该方法可在同一水质级别范围内进行比较，还可以评价指标的空间分布特征，充分体现水质空间分异性的特征。数据范围为2011年平水期(5月)、丰水期(8月)和枯水期(12月)的水质监测数据，选取滹沱河6个监测断面下茹越、西留属、崞阳桥、界河铺、济胜桥、南庄，以 CODMn、NH3-N、DO 和挥发酚作为评价指标。

2.2 结果分析

2.2.1 年际变化

由图4可知，近20年滹沱河忻州段水质总体呈现严重污染，近几年恶化趋势有所控制。Ⅰ类水质在1993—1994年、2009—2011年出现，其他年间达到Ⅰ类水质标准的河长均为零，从2004年后未出现Ⅱ类水质河长，中间个别年份虽有所回升，但幅度不大，从Ⅱ类河长所占的百分比看，总体呈下降趋势。Ⅲ类河长所占比例处于波动状态，只是在2004—2009年明显下降。Ⅳ类、Ⅴ类河长所占比例呈上升趋势，由1993年的21.2%上升到2011年的52.3%。劣Ⅴ类河长曲线总体呈先波动(1993—2003年)，再波动上升(2004—2008年)，最后快速下降(2009—2011年)趋势。由此可见，从1990年代初，滹沱河水质已经开始恶化，进入2004年恶化趋势进一步加剧，从2009年后治理效果开始显现，水质逐渐改善。

图4 滹沱河忻州段水质年际变化

2.2.2 年内变化

由表1中2011年滹沱河忻州段的不同水情变化可知，综合污染指数从高到低依次为丰水期、平水期、枯水期，丰水期综合污染指数最高为2.15，枯水期综合污染指数最低为1.28;从单因子污染指数看，4项指标不同水情变化并不明显。4项水质指标综合污染指数从高到低顺序依次为DO、CODMn、挥发酚、氨氮。DO的综合污染指数最高为2.08，氨氮综合污染指数最低为0.92。由此可见，该区域水质年内变化并不明显。

表1 2011年滹沱河忻州段水质分指数和综合污染指数

2.2.3 空间变化

由表2可知，枯水期丰水质指标综合污染指数从高到低顺序依次为界河铺、济胜桥、崞阳桥、西留属、下茹越、南庄;丰水期依次为济胜桥、西留属、下茹越、界河铺、崞阳桥、南庄;平水期依次为济胜桥、界河铺、崞阳桥、西留属、下茹越、南庄;丰、平、枯3个时期滹沱河忻州段水质的空间分布特征基本一致。界河铺-济胜桥段综合污染指数最高，水质最差。而出境段面南庄水质最好。表中的评价级别根据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》对应的类别。

由表2可见，根据各个断面综合指数、水质评价级别、生境状况将滹沱河划分为3个水功能区，界河铺、济胜桥段综合污染指数最大，流经忻定盆地滹沱河灌区，此段也是城镇集中、人口聚集、工农业发达区为污染控制区;下茹越和南庄污染状况与其他断面相比较轻，下茹越段为源头饮用水源地、南庄段为系周山山区段，植被较好，为生态恢复区，西留属、崞阳桥段污染状况介于上述之间，但范围广，影响因素复杂为综合改善区。

表2 滹沱河忻州段水质污染综合指数

3 影响因子分析

滹沱河流域忻州段水环境质量的影响因素众多，从自然和社会两个方面共选取8项指标与水质状况或者污染指标浓度进行相关性分析(表3)，并从中提出与水质具有极显著水平相关性的4项指标。

表3 水质与统计指标相关系数

3.1 自然因素

降水量和河道水量是影响水质变化的最主要的自然因素，对该地区而言，其上游为滹沱河繁峙饮用农业用水区，水质可达Ⅰ～Ⅱ类标准，因此河道水量越大，其地表水水质越好;河道水量和年均降水量均应与水质变化呈负相关，变化趋势应相反。通过整体分析，得到降水量和河道水量与水质的相关性系数分别为0.512、0.352，相关性并不显著。参考该区域水资源组成结构，除多年平均降水量外，该区年均入境水量仅为0.04亿立方米，占该区多年平均水资源总量的0.000 1%，由此可见，从自然因素角度分析，降水量和河道水量并非该区域水质的变化主要因素。

3.2 社会因素

工业废水量:工业、农业和生活污染是该区域地表水体污染的三大污染源。十一五期间，滹沱河流域6个县(市、区)投资近3亿元，实施了繁峙滹沱河源头综合治理、南云中河河道治理等工程，先后淘汰了定襄、代县、繁峙等3个化肥厂，铲除了沿线的小造纸厂、小淀粉厂、粉丝厂，关闭了排放量大的宏达淀粉厂和原平化肥厂;完成了纪元玉米、云马焦化、禹王焦化、原平化二等工业废水处理工程，实现了达标排放。该地区工业废水量在2006年达到最大值，之后一直呈下降趋势，其变化趋势基本与水质变化趋势相符，有较好的一致性，呈正相关，相关系数为0.882(P＜0.01)，达极显著正相关，说明工业废水量是影响水质变化的主要因素。

生活污水:该地区生活污水排放主要为城镇生活污水，其中忻府区、原平市两地生活污水占该区生活污水总量的65%，2007年以后各县污水处理厂相继建成并投入运行。COD、NH3-N入河量逐渐减少。生活污水排放量在2009年较平稳，2009年之后有所上升，生活污水与水质呈负相关，相关系数为0.565。因此，生活污水排放量与水质变化的相关性不显著。

农业污染:农业污染主要是农田化肥流失，可用化肥施用量来表示，化肥施用量2004—2007年呈快速上升趋势，2007年以后趋于稳定，总体上看，变化趋势基本上与水质变化相反，呈负相关，相关系数为0.573，说明农业污染与水质变化的相关性不显著。

污水处理能力:为彻底改善水环境质量，忻州市全面启动了污水处理厂建设。2007年，忻州、原平、五台山风景区污水处理厂率先建成并稳定运行，实现污水达标排放，2008年代县、繁峙污水处理厂相继建成并投入运行。2009年新增定襄、五台污水处理厂，使该区污水处理厂达到7座，根据忻州市集中式污水处理厂信息公开显示，该区域设计污水处理能力达到17.8万m3/d，2011年实际污水处理能力达到11.5万m3/d。根据《忻州市环境保护“十一五”规划》指标完成情况，2009年底城镇生活污水集中处理率达到50%，忻府区达到80%。整体上看，污水处理能力对水质改善起到决定性作用，相关系数为0.905(P＜0.01)，呈现出极显著负相关。参考近几年污染调研结果，工业废水排放已经成为影响水质变化的主要因素，污水处理能力的提高是该地区水质改善的关键。

GDP和人口数量:2009年以前，该地区经济发展速度缓慢，处于极平缓的线性增长阶段，水质变化却处于中等污染及严重污染阶段;2009年之后经济发展快速增长，水质得到进一步改善。由此说明，经济发展是成为改善水质的积极动力和重要原因，GDP与水质呈负相关，相关系数为0.919，人口数量缓慢增长，水质持续改善，人口增长压力并未引起水环境继续恶化，人口数量与水质呈负相关，相关系数为0.809，其中主要原因为2009年以后污水处理厂投入运行，虽然全市污水处理率并不高，但滹沱河主要城镇污水来源于忻府区，而该地区建有全市最大的污水处理厂，污水处理率达到80%，河段水质大幅改善。通过污水处理达标排放进一步减轻了人口增长带来的水环境压力，因此，人口增长压力并未引起水环境继续恶化，人类社会发展对水质变化的影响说明，从传统先污染，后治理的末端治理形式逐渐向预防污染源头抓起。

4 结论

1)滹沱河忻州段水环境的脆弱性和可恢复性并存，时间序列上，从20世纪90年代至今，年际变化呈波动性，总体来看，1990年代初滹沱河水质已经开始恶化，进入2004年恶化趋势进一步加剧，从2009年以后治理效果开始显现，水质逐渐改善，劣Ⅴ类河长曲线总体呈先波动(1993—2003年)，再波动上升(2004—2008年)，最后快速下降(2009—2011年)趋势;Ⅱ类河长所占比例呈下降趋势;Ⅲ类河长所占比例处于波动状态;Ⅳ、Ⅴ类河长所占比例呈上升趋势。从年内变化来看，综合污染指数从高到低依次为丰水期2.15、平水期1.75、枯水期1.28。4项水质指标综合污染指数从高到低顺序依次为:DO、CODMn、挥发酚、氨氮。该区域水质年内变化并不明显。

2)滹沱河忻州段水质的空间分布特征表明:丰、平、枯3个时期水质的空间分布特征基本一致，界河铺－济胜桥段综合污染指数最高，水质最差。出境段面南庄水质最好，源头下茹越断面介于两者之间。根据各个断面综合指数、水质评价级别、生境状况将滹沱河划分为3个水功能区，界河铺、济胜桥段为污染控制区;下茹越和南庄断面为生态恢复区，西留属、崞阳桥段为综合改善区。

3)滹沱河忻州段主要受社会因素影响。工业废水排放、污水处理能力、GDP和人口数量对

该河段水质的影响较为显著，工业废水排放已经成为影响水质变化的主要因素，污水处理能力提高是水质改善的直接原因，人口增长压力并未引起水环境继续恶化，近年来经济发展成为改善水质的积极动力和重要原因。

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