山西境内黄河流域2016～2019年间COD及氨氮变化特征

张婧雯，王 婷

(1.山西大地民基生态环境股份有限公司，太原 030000；2.山西大学黄土高原研究所，太原 030006)

流域作为一种衡量地理尺度的地理单元，有着独特的自然地理特征、社会经济发展方式以及文化内涵[1]。黄河流域是山西省中西部地区主要的水源，流经山西省内忻州、太原、朔州、晋中、吕梁、临汾、运城、长治等70余个市、县，黄河流域山西段全场965km，流域面积9.71万km2，约占黄河整个流域面积的12.9%占山西全省总面积的62.2%[2]。山西省是国家的能源重化工基地，随着经济的快速发展，黄河流域人类活动特征明显，集聚了各种煤炭、化工、焦化等企业，大量的生产废水经处理后排入黄河流域[3]。化学需氧量COD是表征水体有机物含量的重要指标，COD浓度值越高，表明水体有机物污染状况越为严重[4]。氨氮是指以氨或铵离子形式存在的化合氨，当氨溶于水时，其中一部分氨与水反应生成铵离子，一部分非离子氨[5～7]。水体中氨氮超标会直接影响到饮用水取水水质和河流水生态环境[8]。

根据中华人民共和国生态环境部最新发布的《2017年中国生态环境状况公报》，黄河流域总体为轻度污染，主要污染指标为化学需氧量和氨氮。137个水质断面中，Ⅰ～Ⅲ类水质断面占57.5%，Ⅳ、Ⅴ类占26.3%，劣Ⅴ类占16.1%。黄河主要支流为中度污染。106个水质断面中，无Ⅰ类水质断面，Ⅱ、Ⅲ类水质断面占46.3%，Ⅳ、Ⅴ类占33%，劣Ⅴ类占20.8%。说明黄河流域水环境污染问题仍然十分严峻。山西省以中小型河流为主，地表径流小，工矿、能源类企业多，河流附近分布着大量的企业和居民，特别是采矿业分布广泛，极易造成河流水质恶化。山西省黄河流域氨氮和COD含量变化及污染特征研究还未见报道，本文采用山西省地表水环境质量监测网的监测数据，对近三年黄河域地山西段地表水水质中的氨氮和COD浓度变化特征进行研究和分析，对于黄河流域的水污染防治工作有着重要的、积极的意义，旨在为黄河流域的环境保护和生态环境治理提供科学依据。

1 数据来源与研究方法

采用山西省地表水环境质量监测网黄河流域山西段19个监测断面2016年3月～2019年3月连续月监测数据进行分析研究。选取山西境内黄河流域内汾河水系的雷鸣寺、河西村、汾河水库出口、寨上水文站、上兰、小店桥、温南社、王庄桥南、临汾、上平望、河津大桥和庙前村 12处监测断面(小店桥因道路施工部分月份未监测)以及沁河水系的孔家坡、龙头、张峰水库入口、张峰水库出口、郑庄、润城和拴驴泉7处监测断面的监测数据为研究对象，见图1。化学需氧量采用重铬酸盐法进行测定，氨氮采用纳氏试剂分光光度法进行测定。与水质指标标准限值《地表水环境质量标准GB3838-2002》比较以及ArcGis10.0空间分析功能，揭示了2016年3月～2019年3月间流域内氨氮和COD浓度变化特征和时空分布情况。评价标准见表1。

图1 山西省黄河流域汾河、沁河水系监测断面分布图Fig.1 Distribution of monitoring sections of the fenhe river and weihe river systems in the Yellow river basin of Shanxi province

表1 地表水环境质量标准Tab.1 Environmental quality standards for surface water (mg/L)

2 结果与分析

2.1 黄河流域山西段氨氮和COD污染特征分析

为了全面反应山西省黄河流域汾河、沁河水系水质变化状况，根据现有数据分别从时间和空间上对所选19个断面2016～2019年水质参照《地表水环境质量标准GB3838-2002》进行综合评价，见表2。

从所选的19个断面中COD的含量来看，2016年汾河水系COD平均值含量均符合Ⅲ类水质标准的断面占41.7%，Ⅳ类水质的断面占16.7%，Ⅴ类及以上的断面占41.7%；沁河水系各断面COD平均值含量均符合Ⅲ类水质标准，2016年黄河流域内符合Ⅲ类水质标准断面占63.2%。2017年汾河水系中COD含量平均值符合Ⅲ类水质标准的断面占41.7%，达到Ⅴ类及以上的断面占58.3%，且小店桥、庙前村断面的COD含量平均值分布高达69.73和58.58，超过Ⅲ类水质标准近3倍；沁河水系各断面COD平均值含量均符合Ⅲ类水质标准，2017年黄河流域内符合Ⅲ类水质标准断面占63.2%。从2018年汾河水系监测数据平均值来看，汾河水系内符合Ⅲ类水质标准的断面占41.7%，达到Ⅳ类水质的断面占8.3%，达到及超过Ⅴ类水质的断面占41.7%；沁河水系各断面COD平均值含量均符合Ⅲ类水质标准，2018年黄河流域内符合Ⅲ类水质标准占63.2%。2019年1～3月黄河流域汾河水系各断面COD含量平均值在Ⅰ～Ⅲ类水质标准限值的断面占50%，其中，达到Ⅳ类水质的断面占33.3%，王庄桥南断面达到Ⅴ类，河津大桥断面COD的平均含量甚至更高，达到49mg/L；沁河水系各断面COD平均值含量均符合Ⅲ类水质标准，黄河流域内符合Ⅲ类水质标准占66.7%。从超标率来看2016～2019年内黄河流域超标断面数基本相同，超标点位均位于汾河水系小店桥至庙前村，而沁河水系所有点位均达到Ⅲ类水质标准。从各年季COD平均值来看，2017年COD在汾河水系的含量最高，超Ⅲ类水质标准。其余三年平均含量均小于20mg/L，其中2019年COD含量最低。

表2 山西省黄河流域水环境污染物含量表Tab.2 Content table of water pollutants in the Yellow river basin of Shanxi province (mg/L)

根据黄河流域2016～2019年各断面氨氮含量，可以看出2017年和2016年内汾河水系氨氮符合Ⅲ类水质标准的断面均占33.3%，两年中，寨上水文站氨氮平均值达到Ⅳ类水质标准，其余断面均超过Ⅴ类水质断面，超过Ⅲ类标准值3～17倍。2019年和2018年汾河水系中雷鸣寺至上兰沿程断面氨氮的监测含量均符合Ⅲ类水质标准1.0mg/L，小店桥至庙前村沿程断面氨氮检测平均值超过Ⅲ类标准值3～12倍。2019和2018年内汾河水系氨氮符合Ⅲ类水质标准的断面均占41.7%，其余断面均超过Ⅴ类水质标准。沁河水系2016～2019年氨氮含量平均值均符合Ⅲ类水质标准。黄河流域氨氮含量超标点位大致位于汾河水系小店桥至庙前村，年均氨氮含量均超过Ⅲ类水质标准，其中2017年黄河流域氨氮含量最高。

2.2 黄河流域山西段氨氮和COD时间分布变化趋势

为了研究山西境内汾河水系COD和氨氮实际监测数据年内随时间的变化，将黄河流域内汾河水系和沁河水系监测断面1～12月均浓度作为纵坐标，月份作为横坐标，从总体上研究2016～2019年COD和氨氮随月份变化的趋势，如图2、图3。

图2 山西省黄河流域汾河、沁河水系COD月变化Fig.2 Monthly COD changes of Fenhe river and Qinhe river systems in the Yellow river basin of Shanxi province

图3 山西省黄河流域汾河、沁河水系氨氮月变化Fig.3 Monthly ammonia nitrogen change of the Fenhe river and Qinhe river systems in the Yellow river basin of Shanxi province

可以看出黄河流域汾河水系和沁河水系COD月均浓度变化和季节没有特别明显的相关性，仅16年10月、18年7和8月、19年2月COD月均浓度符合Ⅲ类水质标准，每年6～8月COD浓度均处于下降状态，可能和降水量和温度的增加有关。而氨氮浓度则呈现出明显的季节变化特征，仅2018年5、6、9、10氨氮月均浓度低于Ⅴ类水质标准。汾河水系12～3月枯水期氨氮浓度大幅度升高，为劣Ⅴ类水质，近年最高浓度值出现在3月，高达9.76mg/L。随着降雨径流的增加，氨氮浓度迅速降低，5～10月为丰水期[9]，丰水期氨氮浓度整体偏低变化幅度较小，可能由于微生物代谢活跃，氨氮转化为硝酸盐的速率增大，导致水体中氨氮浓度比较低，之后浓度逐渐升高[10]。沁河水系 7 个断面每年的月度变化，也基本呈现同样的特征，但沁河水系氨氮浓度较低，所有断面氨氮浓度均远低于Ⅲ类水质标准。黄河流域氨氮含量总体表现年内变化明显，丰水期明显好于枯水期。

2.3 黄河流域山西段氨氮和COD污染空间变化特征

利用ArcGIS10.0对2016～2019年山西境内黄河流域中汾河水系和沁河水系的监测断面COD和氨氮数据进行模拟预测，如图4。

从2016～2019年空间分布情况可以看出，山西省黄河流域内汾河水系2016和2017年COD含量整体趋势呈现晋中段>运城段>临汾段>太原段>忻州段；2018和2019年COD含量整体趋势呈现为运城段>晋中段>临汾段>太原段>忻州段。汾河水系在山西省中部和南部污染严重，COD含量超过Ⅲ类标准值的监测断面集中在太原段的小店桥、温南社以及晋中段、临汾段和运城段全部监测断面，且多数断面检测值远高于Ⅴ类水质检测值。汾河水系2016～2018年氨氮整体趋势呈现晋中段>太原段>临汾段>运城段>忻州段；2019年前三月氨氮呈现晋中段>运城段>临汾段>太原段>忻州段，氨氮在山西境内汾河水系超标的原因是由于山西存在较多石化和焦化企业，氨氮排放量较大。汾河水系在山西中部污染最为严重。

图4 山西省黄河流域汾河、沁河水系COD、氨氮空间变化Fig.4 Spatial variation of ammonia nitrogen in the Fenhe river and Qinhe river systems of the Yellow river basin in Shanxi province

太原段从上兰到小店桥断面污染物含量集聚升高，是由于小店桥监测断面主要监控太原市区及榆次区排污及出境水质，随着近年来太原市大批重点项目落户南城，太原市已有的污水处理厂不能满足大量企业生活生产的需求，仍有大量未经处理的污水直接排入河道，导致小店桥断面污染物浓度远高于上游断面。温南社监测断面水质污染严重的原因可能由于周边地区大面积蔬菜水果种植基地，致使种植基地的土地里肥料随着水土流失、雨水冲刷等原因直接进入河道[11-12]。晋中段水体污染最为严重，调查显示晋中市的生活污水入河排水量约7 307万t/a[13]；同时，根据《2018年山西省统计年鉴》显示，晋中市工业企业数量在全省最多共计568家，运城共计481家，临汾共计382家。晋中段、运城段和临汾段汾河水系中COD和氨氮含量过高的主要原因是由于沿岸工业企业数量较多，导致污水排放量不断增多，大部分排污口超标排放，大量没有经过处理或未有效处理的工业废水直接排入河。工业废水、农业废水、生活污水排放加都是导致汾河下游的污染加剧的重要因素。汾河忻州段为汾河源头，以及太原段的汾河水库沿线断面都处于地表饮用水源补给区与饮用水源一级保护区，COD和氨氮含量大多低于Ⅱ类水质标准限值。从山西省水利厅发布的《2016年山西省水资源公报》《2017年山西省水资源公报》可以看出，黄河流域的汾河区废污水排放量最多，近几年约占全省废污水排放量的42%，且从各断面位置可以看出离城市附近和工业、农业发达地区断面污染较为严重、超标率高[14]。

黄河流域沁河水系断面各年份COD和氨氮的监测数据均低于国家Ⅲ类水质标准限值，99%的监测断面达到Ⅱ类水质标准限值，表明沁河水系污染物排放量低、水质环境良好。

从2016～2019年空间变化趋势来看，2017年COD和氨氮的污染情况最为严重，2018年开始逐渐好转，总体呈现下降趋势。根据《2018年山西省统计年鉴》显示，山西省工业增加值增速2016年为1.1%，2017年增加为7.7%，重工业企业由2016年的2953家增加至2017年3181家，主要以生产原煤、发电、生铁、粗钢等重工业企业。工业企业的增加是导致2017年黄河流域污染加剧的重要因素之一。近年来山西省政府重视环保，随着污染防治和减排力度的不断加大，加强工业废水深度治理、有效削减排污总量[15]，全面建立和落实“河长制”是黄河水体不断改善的重要基石。

3 结 论

采用山西省地表水环境质量监测网 2016年3月～2019年3月的监测数据，对黄河流域近年地表水主要污染物COD和氨氮浓度的变化特征进行了初步分析。

结果表明：黄河流域沁河水系水质明显优于汾河水系。从COD和氨氮超标率来看2016～2019年内黄河流域超标断面数基本相同，超标点位均位于汾河水系小店桥至庙前村。从各年度COD平均值来看，2017年COD在汾河水系的含量最高，超Ⅲ类水质标准。其余三年平均含量均小于20mg/L，其中2019年COD含量最低。沁河水系水质良好，所有点位均达到Ⅲ类水质标准。

汾河水系化学需氧量浓度年内变化和季节变化没有特别明显的相关性，6～8月呈下降趋势；氨氮浓度年内变化则呈现出明显的季节变化特征，丰水期浓度远低于枯水期浓度。从空间变化特征来看COD和氨氮污染严重区域主要集中于山西省汾河水系中南部，2017年COD和氨氮含量高于其他年份，可能由于山西省工业企业数量的增加，但污染物年均含量总体呈现逐年下降趋势，由于政策支撑污染物排放量的逐年递减是黄河流域近年地表水质改善的重要原因。