趙鵬宇，步秀芹，崔 嬙，劉秀麗，徐學(xué)選

1．忻州師范學(xué)院旅游管理系，山西 忻州 034000

2．廣西壯族自治區(qū)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530000

3．忻州師范學(xué)院地理系，山西 忻州 034000

4．中國(guó)科學(xué)院 水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100

河流水質(zhì)時(shí)空分布模式研究已經(jīng)成為當(dāng)今水質(zhì)評(píng)價(jià)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。明晰河流水質(zhì)的時(shí)空變化規(guī)律是評(píng)價(jià)河流水環(huán)境質(zhì)量、分析污染來源和改善河流水環(huán)境的前提與基礎(chǔ)。水質(zhì)評(píng)價(jià)方法目前已有很多，如污染指數(shù)法［1-8］、模糊數(shù)學(xué) 法［9-11］、物 元 分 析 法［12］、人 工 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò)法［13］、主成分分析法等［14-16］。這些方法都有各自的特點(diǎn)和不足，綜合污染指數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)在于:一是克服了一般的污染指數(shù)法人為將污染程度分成不同等級(jí)，不利于與國(guó)家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)比較的缺點(diǎn);二是避免了使用數(shù)學(xué)模型，計(jì)算簡(jiǎn)便，達(dá)到了同級(jí)水質(zhì)之間的比較。運(yùn)用綜合污染指數(shù)法可對(duì)各污染指標(biāo)分指數(shù)經(jīng)過不同方法的數(shù)學(xué)運(yùn)算得到一個(gè)綜合指數(shù)，最終達(dá)到對(duì)河流水污染狀況進(jìn)行綜合評(píng)述的目的。

針對(duì)滹沱河忻州段的環(huán)境問題，從時(shí)間、空間尺度以及自然和社會(huì)影響因素等方面進(jìn)行全面探討。明確該河段的水污染問題成因及水質(zhì)的關(guān)鍵影響因子具有以下兩方面重要意義:一是忻州段大部分屬于滹沱河上游地區(qū)，主要為成水用水環(huán)境區(qū)，對(duì)于該河段的水質(zhì)研究，有助于降低中游(小覺至黃壁莊之間區(qū)域)成水環(huán)境區(qū)水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于下游石家莊地區(qū)(用水環(huán)境區(qū))，可以減輕水質(zhì)污染壓力，擴(kuò)大水環(huán)境容量意義重大;二是2004年后該地區(qū)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，隨著礦山、煤炭資源整合、高排放、高污染企業(yè)的徹底關(guān)停以及污水處理廠在各地興建運(yùn)行，排污排廢結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，滹沱河水質(zhì)有了很大的改善，研究其與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的關(guān)系，可為相關(guān)部門保護(hù)水環(huán)境決策提供參考。

1 滹沱河忻州段概況

滹沱河是山西省的主要河流之一，也是華北地區(qū)著名的河流，它發(fā)源于五臺(tái)山北麓繁峙縣泰戲山腳下的喬兒溝，經(jīng)山西東北部入河北省，匯入子牙河，在天津市境內(nèi)歸海河、注渤海，在華北地區(qū)培育出一條長(zhǎng)587 km的綠色文明走廊，流域面積達(dá)26 630 km2，其中忻州市段河長(zhǎng)251 km，流域面積11 936 km2，流經(jīng)繁峙、代縣、原平、忻府、定襄、五臺(tái)6個(gè)縣(市區(qū))，57個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的395個(gè)村，境內(nèi)有云中河、牧馬河、陽武河、清水河等較大支流11條。同黃河一樣，滹沱河也是忻州人民賴以生存和發(fā)展的母親河。如圖1所示，滹沱河貫穿忻州市6個(gè)縣(區(qū)、市)，流經(jīng)重要縣城，村鎮(zhèn)，及重要工礦點(diǎn)，滹沱河干流是該區(qū)域主要地表水體。滹沱河水環(huán)境容量小，是忻州市污染最為嚴(yán)重的河道之一，水資源主要補(bǔ)給來源是大氣降水，而干旱少雨、蒸發(fā)量大造成徑流量小，水資源十分貧乏，因此，滹沱河生態(tài)環(huán)境非常脆弱。

圖1 滹沱河流域忻州段代表監(jiān)測(cè)斷面示意圖

如圖2所示，滹沱河忻州段1956—1960年和1961—1970年段降雨量偏豐，與多年平均(1956—2010年)降水量相比，平均偏豐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年實(shí)測(cè)系列降水資料的分析，可以為該河段水質(zhì)變化提供科學(xué)依據(jù);55年來滹沱河水量急劇減少，2010年為1.053 9億立方米，與1950年相比水量下降了82%，這與海河水利委員會(huì)戶作亮等［17］統(tǒng)計(jì)的海河19條平原河流水量與同期相比下降87%結(jié)論基本一致。各年段河流水量變化見圖3。通常，降雨量與河道水量應(yīng)該具有較強(qiáng)的同步性與一致性，圖2、圖3中上世紀(jì)70—90年代近30年降雨量基本穩(wěn)定，但滹沱河水量并未表現(xiàn)出穩(wěn)定性，而是持續(xù)減少，究其原因很可能是由于1970年代中后期為農(nóng)業(yè)灌溉大規(guī)模興修水利工程，對(duì)河道截留，導(dǎo)致河道水量進(jìn)一步減少。因此，在一定程度上縮小了該河段水環(huán)境容量。

圖2 滹沱河降雨量年段變化

圖3 滹沱河徑流量年段變化(界河鋪斷面)

2 滹沱河水環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化評(píng)價(jià)分析

2.1 評(píng)價(jià)方法

2.1.1 時(shí)間變化

年際變化直接采用忻州市水資源公報(bào)中的評(píng)價(jià)結(jié)果。數(shù)據(jù)范圍為1993—2011年，根據(jù)19年水資源公報(bào)中顯示的水質(zhì)主要超標(biāo)項(xiàng)目，以及依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)同一性原則，選擇COD、NH3-N、DO和揮發(fā)酚作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

年內(nèi)不同時(shí)期的水質(zhì)變化采用綜合污染指數(shù)法中的代數(shù)疊加法。具體評(píng)價(jià)過程為

式中:P為綜合污染指數(shù)，∑Pi為綜合污染分指數(shù)，∑Pj表示某類污染物分指數(shù)，Ci為某污染物的實(shí)測(cè)濃度，C0為某污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)2005年頒布《山西省水功能區(qū)劃》，在此區(qū)域共設(shè)立了10個(gè)地表水功能區(qū)，其中7個(gè)屬于工農(nóng)業(yè)用水區(qū)，根據(jù)區(qū)劃中水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)要求，COD、NH3-N、DO和揮發(fā)酚選用 GB 3838—2002中的Ⅵ類標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)年份為2011—2012年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選取2011年平水期(5月)、豐水期(8月)和枯水期(12月)，分析不同水情水質(zhì)變化，水質(zhì)數(shù)據(jù)取各個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的算術(shù)平均值。評(píng)價(jià)指標(biāo)選取《忻州市水資源公報(bào)(2011)》中的主要超標(biāo)項(xiàng)目COD、NH3-N、DO和揮發(fā)酚。

2.1.2 空間變化

水質(zhì)空間分布特征研究采用優(yōu)化的單因子污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法，該方法可在同一水質(zhì)級(jí)別范圍內(nèi)進(jìn)行比較，還可以評(píng)價(jià)指標(biāo)的空間分布特征，充分體現(xiàn)水質(zhì)空間分異性的特征。數(shù)據(jù)范圍為2011年平水期(5月)、豐水期(8月)和枯水期(12月)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選取滹沱河6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面下茹越、西留屬、崞陽橋、界河鋪、濟(jì)勝橋、南莊，以 CODMn、NH3-N、DO 和揮發(fā)酚作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 年際變化

由圖4可知，近20年滹沱河忻州段水質(zhì)總體呈現(xiàn)嚴(yán)重污染，近幾年惡化趨勢(shì)有所控制。Ⅰ類水質(zhì)在1993—1994年、2009—2011年出現(xiàn)，其他年間達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的河長(zhǎng)均為零，從2004年后未出現(xiàn)Ⅱ類水質(zhì)河長(zhǎng)，中間個(gè)別年份雖有所回升，但幅度不大，從Ⅱ類河長(zhǎng)所占的百分比看，總體呈下降趨勢(shì)。Ⅲ類河長(zhǎng)所占比例處于波動(dòng)狀態(tài)，只是在2004—2009年明顯下降。Ⅳ類、Ⅴ類河長(zhǎng)所占比例呈上升趨勢(shì)，由1993年的21.2%上升到2011年的52.3%。劣Ⅴ類河長(zhǎng)曲線總體呈先波動(dòng)(1993—2003年)，再波動(dòng)上升(2004—2008年)，最后快速下降(2009—2011年)趨勢(shì)。由此可見，從1990年代初，滹沱河水質(zhì)已經(jīng)開始惡化，進(jìn)入2004年惡化趨勢(shì)進(jìn)一步加劇，從2009年后治理效果開始顯現(xiàn)，水質(zhì)逐漸改善。

圖4 滹沱河忻州段水質(zhì)年際變化

2.2.2 年內(nèi)變化

由表1中2011年滹沱河忻州段的不同水情變化可知，綜合污染指數(shù)從高到低依次為豐水期、平水期、枯水期，豐水期綜合污染指數(shù)最高為2.15，枯水期綜合污染指數(shù)最低為1.28;從單因子污染指數(shù)看，4項(xiàng)指標(biāo)不同水情變化并不明顯。4項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)綜合污染指數(shù)從高到低順序依次為DO、CODMn、揮發(fā)酚、氨氮。DO的綜合污染指數(shù)最高為2.08，氨氮綜合污染指數(shù)最低為0.92。由此可見，該區(qū)域水質(zhì)年內(nèi)變化并不明顯。

表1 2011年滹沱河忻州段水質(zhì)分指數(shù)和綜合污染指數(shù)

2.2.3 空間變化

由表2可知，枯水期豐水質(zhì)指標(biāo)綜合污染指數(shù)從高到低順序依次為界河鋪、濟(jì)勝橋、崞陽橋、西留屬、下茹越、南莊;豐水期依次為濟(jì)勝橋、西留屬、下茹越、界河鋪、崞陽橋、南莊;平水期依次為濟(jì)勝橋、界河鋪、崞陽橋、西留屬、下茹越、南莊;豐、平、枯3個(gè)時(shí)期滹沱河忻州段水質(zhì)的空間分布特征基本一致。界河鋪-濟(jì)勝橋段綜合污染指數(shù)最高，水質(zhì)最差。而出境段面南莊水質(zhì)最好。表中的評(píng)價(jià)級(jí)別根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)應(yīng)的類別。

由表2可見，根據(jù)各個(gè)斷面綜合指數(shù)、水質(zhì)評(píng)價(jià)級(jí)別、生境狀況將滹沱河劃分為3個(gè)水功能區(qū)，界河鋪、濟(jì)勝橋段綜合污染指數(shù)最大，流經(jīng)忻定盆地滹沱河灌區(qū)，此段也是城鎮(zhèn)集中、人口聚集、工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)為污染控制區(qū);下茹越和南莊污染狀況與其他斷面相比較輕，下茹越段為源頭飲用水源地、南莊段為系周山山區(qū)段，植被較好，為生態(tài)恢復(fù)區(qū)，西留屬、崞陽橋段污染狀況介于上述之間，但范圍廣，影響因素復(fù)雜為綜合改善區(qū)。

表2 滹沱河忻州段水質(zhì)污染綜合指數(shù)

3 影響因子分析

滹沱河流域忻州段水環(huán)境質(zhì)量的影響因素眾多，從自然和社會(huì)兩個(gè)方面共選取8項(xiàng)指標(biāo)與水質(zhì)狀況或者污染指標(biāo)濃度進(jìn)行相關(guān)性分析(表3)，并從中提出與水質(zhì)具有極顯著水平相關(guān)性的4項(xiàng)指標(biāo)。

表3 水質(zhì)與統(tǒng)計(jì)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

3.1 自然因素

降水量和河道水量是影響水質(zhì)變化的最主要的自然因素，對(duì)該地區(qū)而言，其上游為滹沱河繁峙飲用農(nóng)業(yè)用水區(qū)，水質(zhì)可達(dá)Ⅰ～Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，因此河道水量越大，其地表水水質(zhì)越好;河道水量和年均降水量均應(yīng)與水質(zhì)變化呈負(fù)相關(guān)，變化趨勢(shì)應(yīng)相反。通過整體分析，得到降水量和河道水量與水質(zhì)的相關(guān)性系數(shù)分別為0.512、0.352，相關(guān)性并不顯著。參考該區(qū)域水資源組成結(jié)構(gòu)，除多年平均降水量外，該區(qū)年均入境水量?jī)H為0.04億立方米，占該區(qū)多年平均水資源總量的0.000 1%，由此可見，從自然因素角度分析，降水量和河道水量并非該區(qū)域水質(zhì)的變化主要因素。

3.2 社會(huì)因素

工業(yè)廢水量:工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污染是該區(qū)域地表水體污染的三大污染源。十一五期間，滹沱河流域6個(gè)縣(市、區(qū))投資近3億元，實(shí)施了繁峙滹沱河源頭綜合治理、南云中河河道治理等工程，先后淘汰了定襄、代縣、繁峙等3個(gè)化肥廠，鏟除了沿線的小造紙廠、小淀粉廠、粉絲廠，關(guān)閉了排放量大的宏達(dá)淀粉廠和原平化肥廠;完成了紀(jì)元玉米、云馬焦化、禹王焦化、原平化二等工業(yè)廢水處理工程，實(shí)現(xiàn)了達(dá)標(biāo)排放。該地區(qū)工業(yè)廢水量在2006年達(dá)到最大值，之后一直呈下降趨勢(shì)，其變化趨勢(shì)基本與水質(zhì)變化趨勢(shì)相符，有較好的一致性，呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.882(P＜0.01)，達(dá)極顯著正相關(guān)，說明工業(yè)廢水量是影響水質(zhì)變化的主要因素。

生活污水:該地區(qū)生活污水排放主要為城鎮(zhèn)生活污水，其中忻府區(qū)、原平市兩地生活污水占該區(qū)生活污水總量的65%，2007年以后各縣污水處理廠相繼建成并投入運(yùn)行。COD、NH3-N入河量逐漸減少。生活污水排放量在2009年較平穩(wěn)，2009年之后有所上升，生活污水與水質(zhì)呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.565。因此，生活污水排放量與水質(zhì)變化的相關(guān)性不顯著。

農(nóng)業(yè)污染:農(nóng)業(yè)污染主要是農(nóng)田化肥流失，可用化肥施用量來表示，化肥施用量2004—2007年呈快速上升趨勢(shì)，2007年以后趨于穩(wěn)定，總體上看，變化趨勢(shì)基本上與水質(zhì)變化相反，呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.573，說明農(nóng)業(yè)污染與水質(zhì)變化的相關(guān)性不顯著。

污水處理能力:為徹底改善水環(huán)境質(zhì)量，忻州市全面啟動(dòng)了污水處理廠建設(shè)。2007年，忻州、原平、五臺(tái)山風(fēng)景區(qū)污水處理廠率先建成并穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)污水達(dá)標(biāo)排放，2008年代縣、繁峙污水處理廠相繼建成并投入運(yùn)行。2009年新增定襄、五臺(tái)污水處理廠，使該區(qū)污水處理廠達(dá)到7座，根據(jù)忻州市集中式污水處理廠信息公開顯示，該區(qū)域設(shè)計(jì)污水處理能力達(dá)到17.8萬m3/d，2011年實(shí)際污水處理能力達(dá)到11.5萬m3/d。根據(jù)《忻州市環(huán)境保護(hù)“十一五”規(guī)劃》指標(biāo)完成情況，2009年底城鎮(zhèn)生活污水集中處理率達(dá)到50%，忻府區(qū)達(dá)到80%。整體上看，污水處理能力對(duì)水質(zhì)改善起到?jīng)Q定性作用，相關(guān)系數(shù)為0.905(P＜0.01)，呈現(xiàn)出極顯著負(fù)相關(guān)。參考近幾年污染調(diào)研結(jié)果，工業(yè)廢水排放已經(jīng)成為影響水質(zhì)變化的主要因素，污水處理能力的提高是該地區(qū)水質(zhì)改善的關(guān)鍵。

GDP和人口數(shù)量:2009年以前，該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度緩慢，處于極平緩的線性增長(zhǎng)階段，水質(zhì)變化卻處于中等污染及嚴(yán)重污染階段;2009年之后經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速增長(zhǎng)，水質(zhì)得到進(jìn)一步改善。由此說明，經(jīng)濟(jì)發(fā)展是成為改善水質(zhì)的積極動(dòng)力和重要原因，GDP與水質(zhì)呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.919，人口數(shù)量緩慢增長(zhǎng)，水質(zhì)持續(xù)改善，人口增長(zhǎng)壓力并未引起水環(huán)境繼續(xù)惡化，人口數(shù)量與水質(zhì)呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.809，其中主要原因?yàn)?009年以后污水處理廠投入運(yùn)行，雖然全市污水處理率并不高，但滹沱河主要城鎮(zhèn)污水來源于忻府區(qū)，而該地區(qū)建有全市最大的污水處理廠，污水處理率達(dá)到80%，河段水質(zhì)大幅改善。通過污水處理達(dá)標(biāo)排放進(jìn)一步減輕了人口增長(zhǎng)帶來的水環(huán)境壓力，因此，人口增長(zhǎng)壓力并未引起水環(huán)境繼續(xù)惡化，人類社會(huì)發(fā)展對(duì)水質(zhì)變化的影響說明，從傳統(tǒng)先污染，后治理的末端治理形式逐漸向預(yù)防污染源頭抓起。

4 結(jié)論

1)滹沱河忻州段水環(huán)境的脆弱性和可恢復(fù)性并存，時(shí)間序列上，從20世紀(jì)90年代至今，年際變化呈波動(dòng)性，總體來看，1990年代初滹沱河水質(zhì)已經(jīng)開始惡化，進(jìn)入2004年惡化趨勢(shì)進(jìn)一步加劇，從2009年以后治理效果開始顯現(xiàn)，水質(zhì)逐漸改善，劣Ⅴ類河長(zhǎng)曲線總體呈先波動(dòng)(1993—2003年)，再波動(dòng)上升(2004—2008年)，最后快速下降(2009—2011年)趨勢(shì);Ⅱ類河長(zhǎng)所占比例呈下降趨勢(shì);Ⅲ類河長(zhǎng)所占比例處于波動(dòng)狀態(tài);Ⅳ、Ⅴ類河長(zhǎng)所占比例呈上升趨勢(shì)。從年內(nèi)變化來看，綜合污染指數(shù)從高到低依次為豐水期2.15、平水期1.75、枯水期1.28。4項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)綜合污染指數(shù)從高到低順序依次為:DO、CODMn、揮發(fā)酚、氨氮。該區(qū)域水質(zhì)年內(nèi)變化并不明顯。

2)滹沱河忻州段水質(zhì)的空間分布特征表明:豐、平、枯3個(gè)時(shí)期水質(zhì)的空間分布特征基本一致，界河鋪－濟(jì)勝橋段綜合污染指數(shù)最高，水質(zhì)最差。出境段面南莊水質(zhì)最好，源頭下茹越斷面介于兩者之間。根據(jù)各個(gè)斷面綜合指數(shù)、水質(zhì)評(píng)價(jià)級(jí)別、生境狀況將滹沱河劃分為3個(gè)水功能區(qū)，界河鋪、濟(jì)勝橋段為污染控制區(qū);下茹越和南莊斷面為生態(tài)恢復(fù)區(qū)，西留屬、崞陽橋段為綜合改善區(qū)。

3)滹沱河忻州段主要受社會(huì)因素影響。工業(yè)廢水排放、污水處理能力、GDP和人口數(shù)量對(duì)

該河段水質(zhì)的影響較為顯著，工業(yè)廢水排放已經(jīng)成為影響水質(zhì)變化的主要因素，污水處理能力提高是水質(zhì)改善的直接原因，人口增長(zhǎng)壓力并未引起水環(huán)境繼續(xù)惡化，近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展成為改善水質(zhì)的積極動(dòng)力和重要原因。

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