2001～2020年徒骇河济南段水质状况及变化趋势分析

代雪静，刘 杨，孙开争，王兆军，马姗姗，郭萌萌

(山东省济南生态环境监测中心，济南 250101)

前 言

徒骇河是海河三大支流之一，自西南向东北由德州市流入济南市，流经济阳区、商河县进入滨州市，其主要的功能为防汛和灌溉。自上世纪70年代以来，社会经济的发展导致徒骇河水污染形势日益加重，受害最严重的是徒骇河下游几个县区，仅2000年以来，徒骇河严重受污达4次。根据近几年的济南市环境质量简报，随着国家战略对水环境质量的日益重视及污染治理的投入，徒骇河济南段水质有所改善，但仍存在超标现象。文献[1～5]对徒骇河聊城段及德州段水质情况均进行了相关研究，文献[6]对徒骇河济南段浮游植物进行了相关研究，但未见到关于徒骇河济南段水质状况的研究及相关报道。河流水质与流域内土地开发利用、水资源开发利用、环境保护政策、人类活动及社会经济发展等因素密切相关，综合分析河流水质状况、变化趋势及原因，是有针对性地开展河流污染治理工作的基础[7]。国内外学者对不同流域水质状况及变化趋势进行了广泛研究[8～10]。目前较为常用的水质趋势定量分析方法有Mann-Kendall 检验法[11-12]、季节性Ken-dall 检验法[13]及Daniel趋势检验法[14-15]。本文采用2001～2020年连续20年的地表水水质监测数据，以单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法和Daniel趋势检验法对徒骇河济南段水质现状及水质状况变化趋势进行分析，旨在检验水质治理措施的成效，同时为徒骇河污染治理、河流健康、生态发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

徒骇河属于海河流域，位于黄河下游北岸，发源于河南省南乐县，流经河南、山东两省，依次流经山东省的聊城、德州、济南、滨州四市，在滨州市沾化区经东风港暴风站入渤海湾，河道总长436km[2]。徒骇河济南段位于济南市北部，流经济阳县、商河县，全长85.5km，多年径流量4.5亿m3。

流域内海拔高度为22.8～47.8m，地形南高北低，坡地分布较广，属易涝易碱地貌类型，潜水埋深一般在2～3m。流域内四季分明，流域内多年平均降水量为616.62mm，多年平均水面蒸发量为901.4mm，多年平均径流量为5.47亿m3。流域内地下水属第四系孔隙水，主要分布在河谷冲击平原及山前平原，河川径流渗漏及降水为主要补给来源，径流排泄、水量蒸发为主要排泄途径。

1.2 数据来源

研究区为徒骇河干流济南段，监测断面包括干流夏口、申桥2个断面，其中夏口为徒骇河济南段的入境断面，申桥为出境断面。本次研究选用2001～2020年例行逐月监测数据，本研究选用高锰酸盐指数、化学需氧量、生化需氧量、氨氮、总磷、氟化物、砷、汞、挥发酚、石油类等10项指标进行水质状况评价及趋势分析。断面分布见图1。

图1 徒骇河济南段监测点位示意图Fig.1 Schematic diagram of monitoring points in Jinan section of Tuhai River

1.3 研究方法

1.3.1 污染指数法

污染指数包括单因子污染指数[16]和内梅罗综合污染指数[17-18]。单因子指数法是对所有污染因子单独进行评价，选取评价因子中水质最差的类别即为评价结果，计算公式为：

(1)

公式(1)中：Ii为单因子污染指数，即第i项评价因子的污染指数；Ci为第i项评价因子的实测值；Coi为第i项评价因子的标准值，本文参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)确定评价标准，Ii≦1，即为符合标准(溶解氧则为Ii≧1，即为符合标准)。

内梅罗综合污染指数是国内外进行综合污染评价较常用的方法，其特别考虑了污染最严重的因子，能综合反映水体的污染状况。计算公式为:

(2)

其中：

(3)

公式(2)、(3)中：Ip为内梅罗综合污染指数；Iimax为所有评价因子中污染指数最大值；I为所有评价因子的污染指数平均值；Ii为单因子污染指数，即第 i项评价因子的污染指数。内梅罗综合污染指数等级分级标准[17]详见表1。

表1 内梅罗综合污染指数分级Tab.1 Classification of Nemero comprehensive pollution index

1.3.2 Daniel趋势检验法

Daniel趋势检验法又称为Spearman的秩相关系数检验[14]，是将各污染因子的实测浓度值与时间序列建立联系，研究水质污染状况变化趋势的方法。计算公式为：

(4)

公式(4)中：rs为Spearman秩相关系数；xi为浓度值从小到大排列的序号；yi为浓度值按时间排列的序号；n为时间周期。rs的绝对值越接近于1，表示各污染因子的实测浓度值与时间之间的相关程度越大，表明变化趋势明显。若rs为正值，表明各污染因子随时间变化呈上升趋势，反之，则呈下降趋势。

2 结果与分析

根据济南市水环境功能区划分[19]，徒骇河济南段为工业用水功能区，执行《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅳ类标准。

2.1 徒骇河济南段各项污染因子污染程度

当单因子污染指数大于1时，说明该项污染因子已超标，且污染指数越大，代表污染程度越重。通过公式(1)计算得到各评价因子的单因子污染指数。

2.1.1 有机污染指标

表示水体有机污染的指标有化学需氧量、高锰酸盐指数、生化需氧量，徒骇河干流济南段有机污染较重。根据图2，夏口高锰酸盐指数、生化需氧量2001～2008年均超标，且2003年污染最重，高

图2 研究区近20年有机污染物单因子污染指数Fig.2 Single factor pollution index of organic pollutants in the study area in recent 20 years

锰酸盐污染指数高达5.2，生化需氧量高达7.4；化学需氧量2001～2012年均超标，2003年污染最重，污染指数高达5.4。申桥的高锰酸盐指数2005年、2006年高锰酸盐指数超标，其余年份均达标；化学需氧量2001～2011年均超标，最大超标出现在2006年，为3.4；生化需氧量2002～2007年超标，最大超标出现在2006年，为4.9，其余年份均达标。

2.1.2 氮磷污染指标

表示水体氮磷污染状况的指标有氨氮、总磷，徒骇河干流济南段氮磷污染状况也不容乐观。根据图3，夏口氨氮在2001～2013年、2015年超标，2005年污染最重，污染指数为12.8；总磷2004～2013、2016年超标，污染最重年份出现在2006年，污染指数为5.6。申桥氨氮在2001年、2003～2014年超标，污染最重年份为2006年，污染指数为9.5；总磷2005～2008年超标，其余年份均达标，2006年污染最重，污染指数为3.3。

图3 研究区近20年氮磷污染物单因子污染指数Fig.3 Single factor pollution index of nitrogen and phosphorus pollutants in the study area in recent 20 years

2.1.3 其他污染指标

根据图4，徒骇河济南段两个断面氟化物、砷、汞、石油类2001～2020年均符合Ⅳ类标准要求，夏口挥发酚2002～2007年超标，其超标可能受到上游来水影响。

图4 研究区近20年有毒污染物、石油类单因子污染指数Fig.4 Single factor pollution index of toxic pollutants and petroleum in the study area in recent 20 years

近些年来造成徒骇河济南段水质污染的主要原因：一是徒骇河上游污染严重，2018～2019年间，徒骇河聊城段水质总体为V～劣V类，超标项目有化学需氧量、高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮、总磷、氟化物、硒等[3]；二是济南段沿途各类未经处理工业废水及暴雨径流携带的农村污水、畜禽养殖废水的直接排入。入境断面夏口各项污染因子的污染指数普遍高于出境断面申桥，说明徒骇河的污染程度在济南段有一定程度缓解。

2.2 徒骇河济南段综合污染状况

综合污染状况采用内梅罗综合指数来表述。 根据公式(2)、(3)计算出徒骇河济南段的内梅罗综合污染指数，从图5可知，夏口在2001～2020年间综合污染指数范围为0.56～9.4，申桥指数范围为0.47～7.0，两个断面大部分监测年的综合污染指数值大于1，整体水质污染程度仍然较高。夏口综合污染指数2001～2007年均大于3，申桥2004～2007年大于3，水质处于重污染阶段。根据两个断面综合污染指数线性倾向趋势，综合污染指数随时间的变化呈现先上升后下降趋势，且夏口断面2014年起，申桥断面2015年起，综合污染指数均小于1，说明徒骇河济南段水环境质量呈现好转状态，污染状况大大减轻。

图5 徒骇河济南段各断面综合污染指数Fig.5 Comprehensive pollution index of each section in Jinan section of Tuhai River

2.3 徒骇河济南段近20年来变化趋势

2.3.1 变化趋势分析

表2为2001～2020年徒骇河干流各断面综合污染指数与年份的Spearman相关系数，表3为2001～2020年徒骇河干流各项污染物污染指数与年份的Spearman相关系数，当Spearman相关系数为负值时，说明污染指数随年份增加呈下降趋势，水质改善，反之水质趋于恶化，且其绝对值越大，水质变化程度也越大。

从表2可知，夏口、申桥2个断面综合污染指数的Spearman相关系数均为负值，且相关性显著，说明2个断面水质均呈现下降或者改善趋势，其中夏口改善程度较大。由表3可知，夏口、申桥2个断面的高锰酸盐指数、化学需氧量、生化需氧量、氨氮、挥发酚、石油类污染指数的Spearman相关系数为负值，在置信度(双测)为 0.01 时，相关性是显著的，说明污染程度呈下降趋势；夏口断面的氟化物、砷，申桥断面的氟化物污染指数的Spearman相关系数为负值，在置信度(双测)为 0.05 时，相关性是显著的，说明污染程度下降，水质有改善；其它指标如总磷、汞污染指数的Spearman相关系数较小，为弱相关或不相关。各断面的化学需氧量、高锰酸盐指数、生化需氧量、石油类好转趋势最为明显。

表2 徒骇河干流综合污染指数Spearman相关系数Tab.2 Spearman correlation coefficient of comprehensive pollution index in the main stream of Tuhai River

表3 徒骇河干流各项污染物污染指数Spearman相关系数Tab.3 Spearman correlation coefficients of various pollutant pollution indexes in the main stream of Tuhai River

2.3.2 水质变化内驱力分析

“十二五”与“十三五”时期，济南市以“水十条”为抓手，积极推进徒骇河水环境的治理与改善工作，实现流域水污染防治体系的构建和优化，关闭“散乱污”企业，整治面源污染，开展污水集中收集处理设施建设，2019年济南市污水集中处理率已达97.7%[20]。由图6可知，2010～2019年，济南市排入徒骇河的化学需氧量及氨氮

图6 2010～2019年济南市排入徒骇河流 域的废水量及污染物排放量Fig.6 Amount of wastewater and pollutants discharged into Tuhai River Basin in Jinan from 2010 to 2019

的总量总体呈现下降趋势。说明落实严格的水环境保护政策有利于降低污染物的外源性输入，而污染物输入的降低是徒骇河济南段水质改善的主要原因。

入境断面夏口自2014年起，出境断面申桥自2015年起，综合污染指数小于1，说明上游来水的水质改善也影响着济南段水质的改善。

3 结 论

3.1 近20年来，徒骇河济南段超标指标有高锰酸盐指数、化学需氧量、生化需氧量、氨氮、总磷、挥发酚等，入境断面夏口各项污染因子的污染指数普遍高于出境断面申桥，说明徒骇河的污染程度在济南段有一定程度缓解。造成徒骇河水质污染原因主要有上游污染的冲击及沿岸各类未经处理废水的排入。

3.2 近20年来，综合污染指数下降明显，各断面水环境质量呈改善趋势，污染状况大大减轻。夏口、申桥断面大部分监测指标的污染指数呈下降趋势，化学需氧量、高锰酸盐指数、生化需氧量、石油类好转趋势最为明显。

3.3 济南市积极推进徒骇河水环境的治理与改善工作，实现流域水污染防治体系的构建和优化，外源性污染物输入持续降低是徒骇河济南段水质改善的主要原因，其次为上游来水的水质改善。