南水北调中线陕西水源区污染源排放时空变化特征

2017-06-05姚志鹏关建玲罗仪宁柴杨扬

中国环境监测 2017年1期

王蕾，姚志鹏，吴蕊，关建玲，罗仪宁，柴杨扬，和莹

1.陕西省环境监测中心站，陕西西安 710054 2.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012 3.中联西北工程设计研究院有限公司，陕西西安 710082

王蕾1，姚志鹏2，吴蕊3，关建玲1，罗仪宁1，柴杨扬1，和莹1

基于2008—2012年污染源环境统计数据，采用Spearman秩相关系数法等分析南水北调中线陕西水源区污废水及污染物年排放总量变化趋势，借助ArcGIS空间分析功能表征水源区污染源排放的空间分布特征。结果表明：2008—2012年水源区污废水和NH3-N年排放总量呈显著上升趋势，COD、As、Pb、Cd、Cr和Hg年排放总量呈抛物线型变化，总体上COD、Pb、Cd年排放总量增加，As、Cr和Hg年排放总量降低。水源区污废水及污染物排放量空间差异明显，污废水、COD和NH3-N排放涉及流域所有区县，其排放量从干流到流域边缘呈现较明显的梯度变化，即位于流域中心或地级市行政中心的区县排放量明显高于位于流域边缘的区县；As、Pb、Cd、Cr和Hg排放量呈现明显的区域分布，主要分布在勉县等8个区县。

南水北调中线；陕西；水源区；污染源；时空变化

流域污染源排放是影响河流水质的主导因素。自2007年国家污染源普查工作开展以来，作为防治流域水污染的有效手段，污染源调查和解析一直备受关注[1]。陕西省汉丹江流域位于陕西省南部的秦巴山地，承担着南水北调中线工程供水水源丹江口水库70%以上的供应水量，是南水北调中线的主要水源涵养区[2]。近年来陕西省汉丹江流域水质总体保持良好，汉丹江出陕断面水质保持在国家《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅱ～Ⅲ类[3]。然而，随着陕西省汉丹江流域社会经济等的快速发展，污染物直接或间接进入河道水体，使得南水北调中线陕西水源区水环境质量面临巨大的压力[4]。随着南水北调中线工程的正式通水，陕西水源区水环境状况及污染源控制已经受到社会各界广泛关注。本研究依据南水北调中线陕西水源区环境统计数据，结合实地调研结果，分析水源区污废水及各污染物排放总量变化趋势及其空间分布特征，为区域污染源控制及水资源保障提供理论依据和数据支持。

1 研究方法

1.1 研究范围和数据来源

本文污染源研究范围涉及陕西省境内汉丹江干支流主要流经的陕南3个城市27个区县，详见图1。污染源数据来源于2008—2012年陕西省环境统计数据库，包括研究区域内的工业源、农业源、生活源和垃圾处理厂排污情况。

图1 南水北调中线陕西水源区地理位置示意图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

由于陕西省汉丹江流域重金属污染负荷较大[5]，本研究综合考虑南水北调中线陕西水源区污染源类别特征，选取污废水、总量控制污染物(COD、NH3-N)和重金属污染物(As、Pb、Cd、Cr和Hg)指标作为分析对象。研究从污染源排放总量统计等方面进行归纳和分析，空间尺度涉及地级市、区县两级行政单位，同时运用ArcGIS制图以描述县级行政单位排污空间分布特征。由于略阳县汉江流域面积占全县面积的29%，按其总量的1/3核算相关量。污废水及各污染物排放年际变化趋势分析采用Spearman秩相关系数法，用Daniel趋势检验技术进行定量评价，其秩相关系数计算公式：

(1)

di=(Xi-Yi)

(2)

式中：Rs为秩相关系数，N为年份，di为变量Xi与Yi的差值；Xi为污废水或某污染物按年排放总量从小到大排列对应的序号，Yi为按时间排列的序号。将秩相关系数Rs的绝对值同临界值Wp进行比较：当Rs>Wp，表明变化趋势有显著意义；当Rs≤Wp，则表明变化趋势没有显著意义；如果Rs是负值，则表明指标在评价时段内呈下降趋势；如果Rs为正值，则表明指标在评价时段内呈上升趋势。

2 结果与讨论

2.1 南水北调中线陕西水源区污染源排放时间变化特征

南水北调中线陕西水源区2008—2012年污废水及各污染物年排放总量变化情况如图2所示，结合Spearman秩相关系数法判断污废水及各污染物年际变化趋势分析，结果表明：①南水北调中线陕西水源区2008—2012年污废水排放总量总体呈显著上升趋势(Rs=0.9)，其中2010年前增加幅度较大，2010年后基本保持同一水平；COD排放总量呈抛物线型变化，以2010年为拐点，之前呈上升趋势，之后呈下降趋势；NH3-N年排放量呈显著上升趋势(Rs=0.9)。与2008年相比，水源区2012年污废水、COD和NH3-N排放总量分别增长了53.22%、29.44%和114.15%。②南水北调中线陕西水源区2008—2012年As、Pb、Cd、Cr、Hg年排放总量均为抛物线型变化，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(图2)。这是因为，2009年陕西凤翔血铅事件以后，陕西省政府积极实施《重金属污染防治规划》相关措施，加大了区域重金属污染防控力度，促使区域各重金属排放量在2009年以后先后呈下降趋势。总体上，南水北调中线陕西水源区Cd年排放总量呈显著上升趋势(Rs=0.9)，Pb年排放量变化趋势不明显(Rs=0.1)，Cr和Hg年排放量呈显著下降趋势(Rs=-0.9)，As年排放量呈不显著下降趋势(Rs=-0.6)；与2008年相比，2012年水源区Cd和Pb年排放量分别增加了165.25%和0.11%；As、Cr和Hg年排放量分别减少了15.74%、64.99%和19.84%。

图2 南水北调中线陕西水源区污废水及污染物年排放总量变化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

为了明晰南水北调中线陕西水源区污废水及各污染物的来源情况，进一步计算2008—2012年工业源、农业源、生活源和垃圾处理源分别对污废水及各污染物的排放量占比，结果显示：南水北调中线陕西水源区污废水主要来源为生活污水(占55.33%以上)和工业废水(占20.77%以上)，COD和NH3-N主要来源为城镇生活源(占46.89%以上)、农业源(占37.57%以上)和工业源(占11.50%以上)，重金属主要来源为工业源(占85.85%以上)；2008—2012年COD增加量主要来源于生活污水排放，NH3-N增加量主要来源于农业源中畜禽养殖业排放，重金属Cd和Pb增加量主要来源于工业源的铅锌冶炼、无机酸制造等涉重行业。

2.2 南水北调中线陕西水源区污染源排放空间分布特征

2.2.1 污废水排放总量空间分布特征

南水北调中线陕西水源区2012年污废水排放总量统计结果表明：①南水北调中线陕西水源区污废水年排放量空间差异明显，水源区所在的汉中市污废水排放量最大，其次是安康市和商洛市，其污废水年排放量分别占水源区排放总量的47.39%、28.24%和24.38%。调研显示，汉中市在陕南3个城市中人口密度最大、人口最多，工业企业数量也最多，生活污水和工业废水排放量均较大。②南水北调中线陕西水源区27个区县污废水排放总量分布从汉丹江干流到流域边缘呈现明显的梯度变化，即汉中市的勉县、城固县、洋县、汉台区，安康市的汉滨区和商洛市的商州区、山阳县这些接近汉江干流和丹江干流的沿岸城市污废水排放量处于较高水平，特别是汉江流域地级市行政中心的汉台区、汉滨区在流域各区县中污废水排放量最大(图3)，分别占到流域总排放量的15.97%和12.66%。导致这一现象的可能原因：各地区水资源分布不均及其城镇化发展水平和工业行业分布等不同；同时，各地区的环境保护政策制定和落实情况不同、企业排污管理规范进程不一，也会使污染排放存在差异。

图3 2012年南水北调中线陕西水源区污废水排放总量空间分布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 污染物排放总量空间分布特征

2.2.2.1 总量控制污染物排放总量空间分布

南水北调中线陕西水源区2012年总量控制类污染物排放总量统计结果表明：①南水北调中线陕西水源区COD和NH3-N排放量空间差异明显， COD和NH3-N排放量由大到小依次为汉中市、安康市和商洛市，与污废水排放量大小排序一致。其中汉中市COD和NH3-N排放量分别占流域排放总量的41.48%和45.49%，安康市COD和NH3-N排放量分别占流域排放总量的32.49%和29.67%，商洛市COD和NH3-N排放量分别占流域排放总量的26.03%和24.84%。②南水北调中线陕西水源区27个区县中COD和NH3-N排放总量较大的区县一致，COD和NH3-N排放总量空间分布总体情况和污废水排放总量空间分布类似，其排放总量从干流到流域边缘均呈现较明显的梯度变化，其排放总量较高的区县分别是汉中市的勉县、南郑县、城固县、洋县、西乡县，安康市的汉滨区和旬阳县，商洛市的丹凤县、商南县和山阳县(图4)。汉滨区和西乡县COD和NH3-N排放量在流域区县中最大，汉滨区COD和NH3-N排放量对流域排放总量贡献率分别为10.45%和10.23%，西乡县COD和NH3-N排放量对流域排放总量贡献率分别为8.77%和9.37%。③对比污废水排放总量较大的区县(图3)，发现汉台区和商州区对流域污废水排放总量贡献较大，而其对流域COD和NH3-N排放总量贡献并不大，这说明汉台区和商州区排放的污废水中COD和NH3-N浓度较低；而旬阳县和西乡县污废水排放量贡献相对较小，但其COD和NH3-N排放量贡献却较大，这说明旬阳县和西乡县排放的废水中COD和NH3-N浓度较高。调研显示，各区县污废水排放量主要来源均为生活污水，但旬阳县和西乡县工业废水排放量占比相对较大，由于牲畜屠宰、化肥制造等工业企业较多，COD和NH3-N排放量较大。

2.2.2.2 重金属污染物排放总量空间分布

南水北调中线陕西水源区2012年各重金属污染物排放总量统计结果表明：陕西水源区各重金属排放总量呈现明显的区域分布。除Hg外，As、Pb、Cd和Cr排放量由大到小依次为汉中市、商洛市和安康市。Hg排放量主要分布在汉中市勉县(74.73%)和安康市的旬阳县(15.87%)；As排放量主要分布在汉中市勉县(67.21%)、商洛市的镇安县(20.47%)和商州区(6.44%)；Pb排放量主要分布在汉中市勉县(50.92%)、商洛市商州区(21.06%)和安康市旬阳县(18.11%)；Cd排放量主要分布在汉中市勉县(48.28%)和略阳县(17.03%)、商洛市商州区(29.65%)；Cr排放量主要分布在商洛市商南县(49.06%)、汉中市汉台区(16.72%)、西乡县(14.15%)和勉县(12.25%)(图5)。南水北调中线陕西水源区重金属排放量主要来源为工业源，因此，重金属的区域分布特征与区域内涉重企业的分布情况及工业企业排污情况直接相关。

图4 2012年南水北调中线陕西水源区总量控制污染物排放总量空间分布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 南水北调中线陕西水源区污染源排放与汉江、丹江水质响应特征

2.3.1 污染源排放时间变化与水质响应分析

统计分析南水北调中线陕西水源区汉江、丹江2008—2012年水体COD、NH3-N和5种重金属As、Pb、Cd、Cr、Hg的年均值变化情况，结合第2.1节水源区污染源排放时间变化情况发现：①汉江、丹江大部分断面COD和NH3-N年均浓度随区域COD和NH3-N年排放量变化，且排放量变化幅度越大，水质和排放量的相关性越高，排放量变化幅度小时水质和排放量的相关性则较低，这是因为河流水质受区域污染源排放、污染物迁移转化、河流水量及水体的自净作用等综合因素影响，当污染物排放量变化幅度较小时，其他因素影响彰显，污染物排放量变化影响减小。②水源区重金属排放量较大的年度水体中相关重金属的检出率较高，但水体重金属含量和重金属排放量没有明显的相关性。

2.3.2 污染源排放空间特征与水质响应分析

课题组已有研究显示，依据我国《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)评价，南水北调中线陕西水源区2012年汉江、丹江水体5种重金属As、Pb、Cd、Cr和Hg含量均在Ⅰ类标准限值内，其水质受重金属排放的影响很小；COD和NH3-N年均值为Ⅱ类或Ⅲ类，个别断面NH3-N月测定值为Ⅵ类，存在偶尔超标现象，其水质受COD和NH3-N排放的影响相对较大[6]。根据监测断面对应的区域看，陕西境内汉江水质较差河段所在的区域位于汉中市的南郑县和城固县，丹江水质较差的河段所在的区域位于商洛市商州区。对比第2.2.1节和第2.2.2节水源区污废水及污染物排放总量空间分布情况，结果表明：①水源区水质较差的断面所在区域与污废水、总量控制类污染物COD和NH3-N排放量较大的区域基本一致，这进一步说明水源区污染源排放对水质的影响明显。②水源区汉江、丹江不同断面重金属含量水平普遍较低，其水质并没有表现出受重金属排放量的区域性分布影响。研究显示，多数重金属进入河流水体后只有一小部分以自由金属离子形式溶解在水中，绝大部分会迅速被悬浮颗粒表面所吸附，并在水动力作用的搬运过程中逐步沉降下来在河流沉积物中累积[7-8]。正是由于重金属在河流水体存在的这种“瞬时性”，使得大多数河流水体中重金属的含量很低，即使接近污染物排放口，水体中重金属的含量也不高[9]。由此可见，目前仅依据我国监测部门实行的河流水体月监测数据，在评价河流重金属污染状况时具有局限性。对于河流重金属长期污染，监测评价河流沉积物中的重金属污染水平更具代表性[10]。因此，建议评价河流重金属污染状况时同时监测水体重金属浓度和沉积物重金属含量，并对其污染水平进行综合评价。

图5 2012年南水北调中线陕西水源区重金属污染物排放总量空间分布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 结论

1)南水北调中线陕西水源区2008—2012年污废水和NH3-N年排放总量呈显著上升趋势，COD、As、Pb、Cd、Cr和Hg年排放总量呈抛物线型变化，总体上COD、Pb、Cd年排放总量增加，As、Cr和Hg年排放总量降低；COD增加量主要来源于生活污水排放，NH3-N增加量主要来源于农业源中畜禽养殖业排放，重金属Cd和Pb增加量主要来源于工业源的铅锌冶炼、无机酸制造等涉重行业。

2)南水北调中线陕西水源区2012年污废水及污染物排放总量空间分布差异明显：污废水、COD和NH3-N排放涉及流域所有区县，其排放量从干流到流域边缘均呈现较明显的梯度变化，即位于流域中心或地级市行政中心的区县排放量明显高于其他流域边缘区县；As、Pb、Cd、Cr和Hg呈现明显的区域分布，主要分布在汉中市汉台区、略阳县、西乡县和勉县，安康市旬阳县，商洛市商州区、镇安县和商南县。

3)水源区污染源排放与汉江、丹江水质响应分析结果显示：南水北调中线陕西水源区河流水质较差的断面与污废水、总量控制类污染物排放量较大的时段或区域基本一致，表现出污染源排放对水源区水质有明显影响；水源区河流水体重金属含量水平受重金属排放量的影响很小，这是由于多数重金属进入河流水体后易于在河流沉积物中累积，使得仅监测河流水体重金属在综合评价河流重金属污染状况时具有局限性。

[1] 曾祉祥,张洪,单保庆，等.汉江中下游流域工业污染源解析[J].长江流域资源与环境, 2014, 23(2): 252-259.

ZENG Zhexiang, ZHANG Hong, SHAN Baoqing, et al. Analysis of industrial pollution sources of the middle and lower reaches of Hanjiang River basin [J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2014, 23(2): 252-259.

[2] 贾忠华,赵恩辉.南水北调中线陕西水源区水沙变化特征分析[J].西北大学学报:自然科学版,2010, 40(1):155-157, 161.

JIA Zhonghua, ZHAO Enhui. Analysis on changing characteristics of runoff and sediment in the water source area of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project[J]. Journal of Northwest University: Natural Science Edition, 2010, 40(1):155-157, 161.

[3] 张春玲, 周晓强. 陕西省汉、丹江流域水资源质量近年变化分析与保护对策研究[J]. 陕西水利, 2011 (5): 21-26.

ZHANG Chunling，ZHOU Xiaoqiang. Variation analysis and countermeasures studies on the water resources quality in recent years of Han river and Dan river in Shaanxi region [J].Shaanxi Water Resources,2011 (5): 21-26.

[4] 王蕾,关建玲,丁强,等. 南水北调中线陕西水源区污染源变化特征[J].干旱区资源与环境,2015,29 (10): 80-85.

WANG Lei, GUAN Jianling, DING Qiang, et al. The variation characteristics of water pollution source of Shaanxi water source area of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2015, 29 (10): 80-85.

[5] 汪新生,郭琦.陕西省重金属污染特征分析[J].中国环境监测,2011,27(4):22-27.

WANG Xinsheng, GUO Qi. Shaanxi heavy metal pollution characters analysis [J]. Environmental Monitoring in China, 2011, 27(4):22-27.

[6] 王蕾, 关建玲,姚志鹏,等. 汉丹江(陕西段)水质变化特征分析[J].中国环境监测,2015,31(5):73-77.

WANG Lei, GUAN Jianling, YAO Zhipeng, et al. The variation characteristics of water quality in the Han River and Dan River of Shaanxi Region[J]. Environmental Monitoring in China, 2015, 31(5):73-77.

[7] REZA R, SINGH G. Assessment of heavy metal contamination and its indexing approach for river water [J]. International Journal of Environment Science and Technology, 2010, 7(4):785-792.

[8] LI S Y, ZHANG Q F. Risk assessment and seasonal variations of dissolved trace elements and heavy metals in the Upper Han River, China [J]. Journal of Hazardous Materials, 2010, 18(1/3):1 051-1 058.

[10] DAVUTLUOGLU O I, SECKIN G, ERSU C B, et al. Heavy metal content and distribution in surface sediments of the Seyhan River, Turkey [J]. Journal of Environmental Management, 2011, 92(9): 2 250-2 259.

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

国家科技支撑计划项目(2011BAC12B01-01,2011BAC12B02-01)

王蕾(1983-)，女，陕西商洛人，博士，高级工程师。

关建玲

X824

1002-6002(2017)01- 0061- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.01.10