“十三五”时期渭河甘肃段化学需氧量及氨氮时空变化分析

2023-03-08孔凡彬王一帆

甘肃科技 2023年1期

孔凡彬，王一帆

（甘肃省环境监测中心站，甘肃兰州 730020）

渭河是黄河的最大支流，发源于甘肃省定西市渭源县鸟鼠山，横跨甘肃东部由西向东流经定西市渭源、陇西两县后自武山桦林乡进入天水市，途经武山、甘谷和秦州、麦积两区，于麦积区东岔乡牛背村进入陕西境内，是甘、陕人民的母亲河。渭河总长度818 km，流域面积134 767 km2，多年平均径流量102.5亿m3，输沙量5.42亿t。在定西市境内渭源县城以下干流长约66 km，年径流量7.94亿m3，境内流域面积10 246 km2，年输沙量5 044万t，境内平均侵蚀模数5 100 t/km2，占渭河输沙量的10.7%[1]。渭河天水境内河长269 km，流域面积11 548 km2，占渭河总流域面积的8.6%，占全市总面积14 317 km2的80.7%，境内年径流量12.71亿m3，占渭河总径流量的11.8%，占全市总径流量17.23亿m3的70.3%。

渭河流域年降雨量在400～600 mm，渭河以南降水量较多，北部降水量较少。年蒸发量700～900 mm，年蒸发量与年降水量分布正好相反，为北多南少。一年中降水多集中在6—9月，占全年降水量的60%～80%，且多以暴雨形式出现，年际间降水变化率大，常有干旱发生。由于渭河南北不同的自然地理条件，形成各自不同的水文特征。北岸属黄土高原，土体疏松，植被覆盖率低，水土流失严重，侵蚀模数高，是渭河泥沙的主要来源。南岸属西秦岭山地，植被覆盖率高，降水量大，水土流失轻微，是流域主要的水源涵养市。境内主要支流有散渡河、葫芦河、牛头河、通关河、榜沙河、大南河、藉河[2]。渭河甘肃段污染情况可分为点源和面源污染两部分。其中，点源来源主要为工业源和生活源；面源来源主要为农药、化肥的使用经降雨、降尘等导致的污染物进入水体。目前对渭河甘肃段水环境质量的研究较少，有针对渭河流域水环境承载能力及污染控制开展的研究分析[3]，但缺少针对特定污染指标的详细研究。化学需氧量和氨氮作为“十三五”期间水污染物总量减排的2项约束性指标，直接影响河流水质类别以及群众感官感受。通过研究渭河甘肃段化学需氧量和氨氮时空变化情况，以及2项污染物和其他污染物的相关性，为加强水污染物防治措施，确保渭河甘肃段水环境质量持续稳定改善提供依据。

1 监测概况与评价方法

1.1 监测断面设置情况

渭河甘肃段沿河流流向设置断面有西二十里铺、土店子、桦林、北道桥、伯阳桥、葡萄园。因支流汇入导致水质发生明显变化的支流有葫芦河和牛头河，因此在葫芦河和牛头河支流分别设置监测断面一号桥和倪徐家。其中西二十里铺和土店子断面属定西市，其他断面均属天水市。

1.2 数据来源

水质数据来源于相关市生态环境监测中心例行监测反馈数据。监测时间为2016—2020年，监测频次为每月1次，监测项目为《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）[4]中的24项常规指标，样品的采集与分析均按相关技术规范与标准进行。文章主要研究指标为化学需氧量和氨氮，分析方法分别为重铬酸盐法[5]和纳氏试剂比色法[6]。

1.3 评价方法

依据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002），断面污染物浓度采用单因子评价法评价。河流污染物浓度采用《地表水环境质量评价办法》（试行）[7]。采用Spearman秩相关系数法分析化学需氧量、氨氮和其他污染指标的相关性[8]。根据河流流向采用时间序列法分析渭河甘肃段化学需氧量和氨氮时空变化特征[9-10]。

2 结果分析

2.1 时间分布分析

2.1.1 年变化特征

数据显示，“十三五”期间，渭河甘肃段化学需氧量和氨氮浓度总体呈下降趋势。2020年和2016年比较，化学需氧量浓度西二十里铺断面下降了25.4%，土店子断面下降了33.9%，桦林断面下降了31.1%，北道桥断面下降了41.3%，伯阳桥断面下降了35.0%，葡萄园断面下降了43.4%；氨氮浓度西二十里铺断面下降了6.2%，土店子断面上升了2.6%，桦林断面下降了65.3%，北道桥断面下降了32.4%，伯阳桥断面下降了52.8%，葡萄园断面下降了71.4%。化学需氧量和氨氮年数据见表1，渭河甘肃段化学需氧量各断面年变化情况和化学需氧量年变化情况如图1—图2所示，氨氮各断面数据年变化情况和氨氮年变化情况如图3—图4所示。

表1 “十三五”期间渭河化学需氧量和氨氮数据统计情况

图1 渭河甘肃段化学需氧量各断面年变化情况

图2 渭河甘肃段化学需氧量年变化情况

图3 渭河甘肃段氨氮各断面年变化情况

图4 渭河甘肃段氨氮年变化情况

总体来看，2020年较2016年渭河甘肃段化学需氧量和氨氮浓度均值分别下降了35.5%和36.5%。主要污染物的持续下降，与“水污染防治行动”的实施密不可分。渭河治理引起从生态环境部到省委再到地方各级政府部门的高度重视和反思。水利部办公厅印发《关于进一步强化河湖长履职尽责的指导意见》，提出河长制要从有名到有实际。从省到市到县再到乡镇，河长制得到空前重视，极大提升了环保管理水平。定西、天水2市通过产业结构调整和技术创新，将源头治理和污染防治有机结合，淘汰、限制工艺设备落后的过剩生产力，加强新技术、环保节能技术的推广。渭河流域大小支流所有失控垃圾得到清理和妥善处置，河道基本实现无垃圾，大小河道告别脏乱差现象。各级政府设置涉及河道治理及管理的大小设施达上千个。部分不合规沙场得到清理，河道生态伤害得到制止。定西和天水2市签订《渭河定西——天水段水污染联防联控协议》，标志着2市渭河水污染进入跨区域防治阶段。为加快渭河源区生态保护与综合治理规划实施，2017年定西市组织编制了《甘肃定西渭河源区生态保护与综合治理规划实施方案》，细化筛选了308个总投资103亿元的项目表，并通过现有各类项目投资渠道，整合项目资金。这一系列环境保护措施的实施，是渭河甘肃段水质好转的根本原因。

2.1.2 月变化特征

数据显示，“十三五”期间，渭河甘肃段化学需氧量和氨氮浓度总体呈波动下降趋势。每年的冬春季浓度达到最大峰值，汛期（6—10月）[11-12]浓度达到当年最低水平。渭河甘肃段化学需氧量月变化情况如图5所示，氨氮月变化情况如图6所示。

图5 渭河甘肃段化学需氧量月变化情况

图6 渭河甘肃段氨氮月变化情况

研究表明，水质季节波动和流域断面水量差异与当地排污环境有关[13]。化学需氧量浓度稳定达标；氨氮浓度个别月份还有超标现象。在枯水期应加强对含氮有机物排放的控制。

2.2 空间分布分析

根据化学需氧量和氨氮5年均值分析，空间上渭河甘肃段化学需氧量和氨氮浓度呈波动变化，总体趋于稳定。化学需氧量浓度在土店子断面上升到峰值后开始下降，在桦林断面又有所上升，在伯阳桥达到峰值后开始下降，最终出境断面浓度较入境断面浓度下降了11.8%。氨氮在土店子和北道桥断面均为浓度上升到峰值后下降，最终在出境断面浓度较入境断面浓度上升了4.8%。数据表明，渭河土店子断面上游有化学需氧量和氨氮污染物汇入，在北道桥断面上游桦林断面下游之间，有明显的氨氮污染物汇入。

根据地理位置分析，土店子断面上游有大咸河支流汇入，北道桥断面上游有葫芦河支流汇入。葫芦河汇入渭河前设置有监测断面一号桥，一号桥监测数据显示化学需氧量和氨氮浓度明显高于渭河，因此可以判定北道桥断面化学需氧量和氨氮浓度升高的原因之一是葫芦河汇入导致。因大咸河目前未设置监测断面，估计土店子断面化学需氧量和氨氮浓度升高可能是大咸河汇入造成的，也可能是面源污染导致。“十三五”期间渭河甘肃段化学需氧量数据统计情况见表2，化学需氧量沿流程变化情况如图7所示，化学需氧量5年均值沿流程变化情况如图8所示，氨氮数据统计情况见表3，氨氮沿流程变化情况如图9所示，氨氮5年均值沿流程变化情况如图10所示。

表2 “十三五”期间渭河甘肃段化学需氧量数据统计情况单位：mg/L

图7 渭河甘肃段化学需氧量沿流程变化情况

图8 渭河甘肃段化学需氧量5年均值沿流程变化情况

表3 “十三五”期间渭河甘肃段氨氮数据统计情况单位：mg/L

图9 渭河甘肃段氨氮沿流程变化情况

图10 渭河甘肃段氨氮5年均值沿流程变化情况

葫芦河是渭河的一级支流。近年来天水市坚持山水林田湖草综合治理，实施了一批生态保护修复和建设工程，提升水源涵养能力，防止水土流失。葫芦河流域治理工程于2017年10月开工，通过兴建防洪堤、污水处理厂等水利工程，以及兴建人工湖泊、湿地等生物工程，多项措施并举，努力维护流域生态环境。工程于2018年6月底全面建设完工。从2018年开始，进入葫芦河的泥沙量减少，葫芦河水质整体得到明显改善。“十三五”期间葫芦河一号桥断面化学需氧量和氨氮数据统计情况见表4，化学需氧量年变化情况如图11所示，氨氮年变化情况如图12所示。2019年开始，葫芦河一号桥断面2项指标已稳定达标，但渭河天水段北道桥断面2项污染物指标浓度较上游桦林断面依然有明显上升，说明支流影响只是原因之一，还存在其他污染水体汇入或面源污染，这些是造成北道桥断面化学需氧量和氨氮浓度升高不可忽视的原因。从污染指标沿流程变化图形还可以看出，渭河甘肃段氨氮浓度波动明显大于化学需氧量，说明水体含氮有机物浓度变化较大。

表4 “十三五”期间一号桥断面化学需氧量数据统计情况单位：mg/L

图11 一号桥断面化学需氧量年变化情况

图12 一号桥断面氨氮年变化情况

2.3 与溶解氧的相关性分析

Spearman秩相关系数通常被认为是排列后的变量之间的Pearson线性相关系数。相关系数在0.8～1.0表示极强相关性，在0.6～0.8表示强相关性，在0.4～0.6表示中等程度相关性，在0.2～0.4表示弱相关性，在0.0～0.2表示极弱相关性或无相关性。

分别计算2016—2020年化学需氧量、氨氮和溶解氧的Spearman秩相关系数，得到化学需氧量和溶解氧的相关系数为-0.9，表明2者为极强负相关性；氨氮和溶解氧的相关系数为0.1，表明2者无显著相关性。由于化学需氧量和溶解氧的极强负相关性，说明渭河甘肃段水体对化学需氧量的降解更为有利。“十三五”期间渭河甘肃段溶解氧数据统计情况见表5。