胡德秀, 李 立, 張 艷, 熊江龍

(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710048)

渭河作為陜西關(guān)中地區(qū)唯一的污廢水承納和排泄通道，接納了沿岸排放的大量污染物質(zhì)。隨著陜西省社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)居民生活的用水量不斷上升，各種污廢水的排放量也成倍增加。高飛等[1]的研究表明，2006—2009年渭河干流咸陽(yáng)至渭南潼關(guān)出境有2/3的河段污染嚴(yán)重，多年維持在劣Ⅴ類水質(zhì)；王珍等[2]的研究顯示2007—2011年渭河干流仍有1/2的監(jiān)測(cè)斷面沒(méi)有達(dá)到水環(huán)境功能的要求。針對(duì)渭河水質(zhì)及水生態(tài)狀況惡化的實(shí)際情況，陜西省委省政府于2011年啟動(dòng)了渭河陜西段綜合整治工程，相繼出臺(tái)了《陜西省水污染防治工作方案》《渭河流域水污染防治三年行動(dòng)方案(2012—2014)》以及《渭河生態(tài)區(qū)建設(shè)總體規(guī)劃》等一系列政策文件，并進(jìn)行了一系列的綜合治理工程，渭河水質(zhì)惡化的趨勢(shì)得到了有效的遏制。

目前，關(guān)于渭河流域水質(zhì)的研究多集中在污染物特征分析[3-4]與水污染評(píng)估、水質(zhì)評(píng)價(jià)方面[5-8]，鮮有針對(duì)綜合整治以來(lái)渭河干流陜西段水質(zhì)變化趨勢(shì)的研究。渭河干流的污染指標(biāo)較多，其中主要超標(biāo)項(xiàng)目為化學(xué)需氧量(COD)與NH3-N[9]，因此本文擬以COD, NH3-N為研究指標(biāo)，定量分析2010—2016年渭河綜合治理工程實(shí)施過(guò)程中河流水質(zhì)的時(shí)空變化，嘗試應(yīng)用Mann-Kendall檢驗(yàn)法闡明水質(zhì)的變化趨勢(shì)，通過(guò)R/S分析法探索水質(zhì)未來(lái)變化趨勢(shì)的持續(xù)性，以期考量綜合治理措施實(shí)施后水環(huán)境改善效果，為后續(xù)渭河流域污染治理及水環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

渭河是黃河第一大支流，干流全長(zhǎng)818 km，陜西段流程512 km，流經(jīng)寶雞、咸陽(yáng)、西安和渭南4個(gè)市以及楊凌示范區(qū)。寶雞市以上為上游段，河谷狹窄，川峽相間，水流湍急；寶雞峽至咸陽(yáng)為中游段，河長(zhǎng)171 km，河道寬，多沙洲，水流分散；咸陽(yáng)至潼關(guān)為下游段，河長(zhǎng)208 km，河道淤積嚴(yán)重，比降較小。流域冬季干燥嚴(yán)寒，降雨稀少；夏季炎熱多雨，降雨主要集中在7—9月，降雨量在350～700 mm[10]。渭河灌溉農(nóng)田近9.33×105hm2，流域集中了陜西65%的生產(chǎn)總值，接納了全省78%的工業(yè)廢水和86%的生活污水[11]。渭河干流陜西段有13個(gè)主要監(jiān)測(cè)斷面，即寶雞段林家村、臥龍寺、虢鎮(zhèn)橋、常興橋監(jiān)測(cè)斷面，咸陽(yáng)段興平、南營(yíng)、咸陽(yáng)鐵橋監(jiān)測(cè)斷面，西安段天江人渡、耿鎮(zhèn)橋、新豐橋監(jiān)測(cè)斷面，渭南段沙王渡、樹(shù)園、潼關(guān)吊橋監(jiān)測(cè)斷面。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《陜西省環(huán)境狀況公報(bào)》[12]和陜西省環(huán)保廳網(wǎng)站關(guān)于渭河干流、支流考核斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)報(bào)告(http:∥www.snepb.gov.cn/)?！蛾兾魇…h(huán)境狀況公報(bào)》的水質(zhì)數(shù)據(jù)以年為時(shí)間單元更新發(fā)布(2010—2016年)，發(fā)布的水質(zhì)指標(biāo)為COD和氨氮(NH3-N)，單位均為mg/L。陜西省環(huán)保廳水質(zhì)監(jiān)測(cè)報(bào)告的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以月為時(shí)間單元更新發(fā)布，監(jiān)測(cè)指標(biāo)同樣為COD和氨氮(NH3-N)，單位均為mg/L。

1.3 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)方法

以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002，見(jiàn)表1)為水質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，利用《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法(試行)》進(jìn)行監(jiān)測(cè)斷面水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法(試行)》，當(dāng)河流的斷面總數(shù)在5個(gè)(含5個(gè))以上時(shí)，采用斷面水質(zhì)類別比例法，即根據(jù)評(píng)價(jià)河流中各種水質(zhì)類別的斷面數(shù)占河流所有評(píng)價(jià)斷面總數(shù)的百分比來(lái)評(píng)價(jià)其水質(zhì)狀況，河流的水質(zhì)分為以下5個(gè)級(jí)別： ①當(dāng)Ⅰ—Ⅲ類水質(zhì)比例≥90%時(shí)，河流水質(zhì)為優(yōu)； ②當(dāng)75%≤Ⅰ—Ⅲ類水質(zhì)比例<90%時(shí)，河流水質(zhì)為良好； ③當(dāng)Ⅰ—Ⅲ類水質(zhì)比例<75%，且劣Ⅴ類比例<20%時(shí)，河流水質(zhì)為輕度污染； ④當(dāng)Ⅰ—Ⅲ類水質(zhì)比例<75%，且20%≤劣Ⅴ類比例<40%時(shí)，河流水質(zhì)為中度污染； ⑤當(dāng)Ⅰ—Ⅲ類水質(zhì)比例<60%，且劣Ⅴ類比例≥40%時(shí)，河流水質(zhì)為重度污染。

表1 地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.4 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法

Mann-Kendall檢驗(yàn)法在分析降水、徑流、氣溫和水質(zhì)等要素時(shí)間序列的變化趨勢(shì)中得到了廣泛的應(yīng)用[13-16]，該方法不要求被分析樣本遵從一定分布，也不受其他異常值的干擾，計(jì)算簡(jiǎn)便。假設(shè)有時(shí)間序列x1,x2,…,xn服從n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布樣本，那么統(tǒng)計(jì)變量S的其計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：sgn(Xji-Xki)——表征函數(shù)，隨機(jī)序列Si(i=1,2,3，…，n)近似服從正態(tài)分布，則Si的均值和標(biāo)準(zhǔn)差為：μs=0

(3)

式中：m——相同數(shù)的個(gè)數(shù)；ti——第i個(gè)組的個(gè)數(shù)；

(4)

對(duì)于統(tǒng)計(jì)變量Zc>0時(shí)，是上升趨勢(shì)；Zc<0時(shí)，是下降趨勢(shì)；Zc=0時(shí)，無(wú)變化趨勢(shì)。通常取顯著性水平α為0.1和0.01，當(dāng)0.01<α≤0.1時(shí)，1.282.32，說(shuō)明檢驗(yàn)具有高度顯著水平。

1.5 重標(biāo)極差(R/S)分析

R/S分析方法又稱為重標(biāo)極差分析法，是時(shí)間尺度上演變趨勢(shì)的預(yù)測(cè)方法，該方法的特點(diǎn)是能揭示時(shí)間序列的分形特征，能明確時(shí)間序列未來(lái)的變化特征與過(guò)去是相同還是相反的，著重在于揭示未來(lái)的變化特征，其Hurst指數(shù)能很好的揭示時(shí)間序列中的趨勢(shì)成分。其計(jì)算的基本方法為：設(shè)有一時(shí)間序列B(t)，t=1,2,3，…，t，設(shè)X(t)=B(t)-B(t-1)，累積離差X(t,τ)，極差R(τ)，標(biāo)準(zhǔn)偏差S(τ)為：

(5)

(6)

(7)

式中：τ——樣本(τ=1,2,3…)；ξ(u)——該時(shí)間間隔內(nèi)第u次的輸入量；u——次數(shù)。

對(duì)于比值H=R(τ)/S(τ)=R/S，若存在如下關(guān)系R/S∝τH，則說(shuō)明時(shí)間序列ξ(t)存在Hurts現(xiàn)象，H值稱為Hurst指數(shù)。Hurst指數(shù)(0

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)評(píng)價(jià)

根據(jù)《陜西省環(huán)境狀況公報(bào)》[12](2010—2016)中渭河干流監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)的評(píng)價(jià)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)其水質(zhì)類別占比年際變化情況(見(jiàn)表2)。渭河干流劣Ⅴ類斷面占比持續(xù)下降，由2010年的69.3%削減至2016年的10.5%，削減了58.8%；Ⅳ—Ⅴ類斷面占比持續(xù)上升，由2010年的7.7%上升至2016年的63.2%，增長(zhǎng)了55.5%；Ⅰ—Ⅲ類斷面占比較穩(wěn)定，多年穩(wěn)定在23%～28.6%。按照《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法(試行)》，2010—2012年渭河干流為重度污染，2013—2014年為中度污染，2015—2016年為輕度污染，可見(jiàn)自2011年實(shí)施的企業(yè)治理減排、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與綜合治理項(xiàng)目使外源污染物輸入量大大減少，對(duì)渭河干流水質(zhì)起到持續(xù)改善作用。

表2 2010-2016年渭河干流陜西段監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)類別百分比例%

2016年渭河干流陜西段以Ⅳ—Ⅴ類水質(zhì)為主(見(jiàn)表3)，10個(gè)斷面的水質(zhì)已經(jīng)能夠達(dá)到水質(zhì)功能要求，3個(gè)斷面(虢鎮(zhèn)橋、天江人渡和耿鎮(zhèn)橋)的水質(zhì)未能達(dá)到水質(zhì)功能使用要求，其中虢鎮(zhèn)橋與天江人渡為劣Ⅴ類水質(zhì)，基本喪失水體使用功能，說(shuō)明盡管前期的綜合整治工作取得了良好的成效，但是局部河道污染仍然嚴(yán)重。

表3 2016年渭河干流陜西段主要斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)

對(duì)2010年(渭河綜合整治前)、2011年(渭河綜合整治起始年)、2014年(渭河流域水污染防治三年行動(dòng)收官年)和2016年(現(xiàn)狀年)4個(gè)不同年份主要污染指標(biāo)的年均監(jiān)測(cè)值進(jìn)行沿程變化分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1a可知，渭河干流陜西段綜合整治前COD污染嚴(yán)重，其中咸陽(yáng)鐵橋、天江人渡、沙王渡和樹(shù)園4個(gè)斷面為劣Ⅴ類水質(zhì)。2011年(整治起始年)較2010年變化并不明顯，咸陽(yáng)鐵橋至新豐橋4個(gè)斷面為劣Ⅴ類水質(zhì)。3 a綜合治理后，2014年渭河干流COD平均濃度較2011年削減了32.9%，其中西安段的3個(gè)斷面削減最為明顯，削減率分別為33.96%，39.58%和39.53%，由劣Ⅴ類水質(zhì)轉(zhuǎn)好為Ⅳ—Ⅴ類水質(zhì)。2016年渭河干流陜西段全段COD已能滿足Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 渭河干流陜西段COD與NH3-N變化

相比于COD指標(biāo)，渭河干流陜西段NH3-N的污染程度更加嚴(yán)重(見(jiàn)圖1b)。2010與2011年興平至潼關(guān)共9個(gè)斷面均為劣Ⅴ類水質(zhì)斷面。經(jīng)過(guò)3 a的綜合治理，2014年渭河干流NH3-N平均濃度較2011年削減了45.2%，劣Ⅴ類斷面數(shù)量由9個(gè)下降至3個(gè)，其中西安段新豐橋斷面以及渭南段沙王渡、樹(shù)園斷面削減最為明顯，削減率分別為63.11%,62.57%與60.05%。2016年渭河干流陜西段NH3-N污染程度持續(xù)減輕，以Ⅳ—Ⅴ類斷面為主，有2個(gè)劣Ⅴ類斷面(虢鎮(zhèn)橋和天江人渡)，局部污染仍然嚴(yán)重，特別是寶雞段林家村、臥龍寺和虢鎮(zhèn)橋斷面NH3-N濃度有明顯上升，應(yīng)引起有關(guān)管理部門的警惕。

總體看，寶雞段COD與NH3-N濃度較低，沿程咸陽(yáng)段污染逐步加劇，西安段污染最為嚴(yán)重，渭河干流陜西段水質(zhì)出現(xiàn)以行政區(qū)域?yàn)閱挝坏淖兓?guī)律，這與馮旭等[21]的研究結(jié)果一致。因此，以行政區(qū)為單元對(duì)寶雞出境(渭河楊凌)、咸陽(yáng)出境(咸陽(yáng)鐵橋)、西安出境(新豐鎮(zhèn))和渭南出境(潼關(guān)吊橋)4個(gè)斷面進(jìn)行枯、豐水期水質(zhì)變化特征分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2a與圖2b可知，治理后各出境斷面COD濃度均有削減，其中咸陽(yáng)出境與西安出境削減最為明顯，其枯水期削減率分別為51.16%，37.14%，豐水期削減率分別為46.27%，28.57%，但是西安出境斷面的COD濃度仍然是4個(gè)斷面中最高值。值得注意的是2016年咸陽(yáng)出境斷面豐水期COD濃度(18 mg/L)較2014年(15 mg/L)有所上升，反映出污染治理的過(guò)程會(huì)有反復(fù)現(xiàn)象。由圖2c與圖2d可知，治理后各出境斷面NH3-N濃度同樣存在不同程度削減，其中西安出境與渭南出境削減顯著，枯水期削減率分別為74.73%,66.44%，豐水期分別為58.48%,87.25%，但是西安出境NH3-N濃度仍然是4個(gè)出境斷面中的最高值。4個(gè)出境斷面枯水期COD,NH3-N濃度普遍高于豐水期，相關(guān)研究認(rèn)為雖然豐水期非點(diǎn)源污染加劇，但渭河干流沿岸城市對(duì)渭河污染物的輸入還是以點(diǎn)源為主[21]，豐水期渭河干流徑流量明顯增加，稀釋作用使得COD,NH3-N濃度低于枯水期。

圖2 各出境斷面化學(xué)需氧量(COD)及氨氮(NH3-N)變化

2.2 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)

對(duì)寶雞出境、咸陽(yáng)出境、西安出境和渭南出境4個(gè)斷面2011—2016年COD與NH3-N的逐月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 渭河干流陜西段水質(zhì)變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

除寶雞出境COD濃度呈現(xiàn)不顯著上升趨勢(shì)外，其余3個(gè)出境斷面均表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，尤其是咸陽(yáng)、西安出境這2個(gè)斷面的趨勢(shì)最為顯著；4個(gè)出境斷面NH3-N濃度均呈現(xiàn)高度顯著的下降趨勢(shì)。為了保護(hù)渭河水質(zhì)，2011—2016年相關(guān)管理部門在渭河沿岸開(kāi)展了300余個(gè)治污項(xiàng)目，包括關(guān)閉高污染造紙、氮肥企業(yè)33家，清理封堵排污口173個(gè)，同時(shí)新建擴(kuò)建污水處理廠49座，使全陜西省污水處理廠總數(shù)達(dá)到122座，日處理能力達(dá)到3.96×106t[22]，最大限度減少了入河污染物總量，根據(jù)《陜西統(tǒng)計(jì)年鑒》[23](2011—2016)的數(shù)據(jù)，全省COD與NH3-N排放量的削減率分別達(dá)到12%與12.2%，同時(shí)渭河沿岸建成了大面積的生態(tài)濕地和水面景觀，在加強(qiáng)水體自凈能力的同時(shí)減少了水土流失，顯然這些污染治理措施確實(shí)取得了較好的控源截污效果，使得渭河干流水質(zhì)污染得到有效遏制。

2.3 R/S分析法分析結(jié)果

基于2011—2016年逐月水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，寶雞出境、咸陽(yáng)出境、西安出境和渭南出境斷面COD與NH3-N時(shí)間序列的R/S分析法分析結(jié)果見(jiàn)表5。結(jié)果顯示各出境斷面主要污染指標(biāo)的H值均大于0.5，說(shuō)明各出境斷面水質(zhì)都具有長(zhǎng)程相關(guān)性(持續(xù)性)，即未來(lái)水質(zhì)變化趨勢(shì)跟2011—2016年期間的變化趨勢(shì)一致。未來(lái)4個(gè)出境斷面NH3-N濃度都將具有較強(qiáng)的持續(xù)下降延續(xù)性，咸陽(yáng)、西安和渭南出境斷面COD會(huì)延續(xù)下降趨勢(shì)，但是持續(xù)性較弱，特別是渭南出境斷面程度最弱。需要特別指出的是寶雞出境斷面將會(huì)延續(xù)COD上升趨勢(shì)，盡管程度較弱，仍需要引起有關(guān)部門的重視，要盡快查明污染來(lái)源，采取針對(duì)性措施，早日遏制水質(zhì)惡化趨勢(shì)。

河流水質(zhì)長(zhǎng)程相關(guān)性的影響因素較多，包括土地利用、景觀格局、氣候、水文等因素[15]，根據(jù)渭河治理保護(hù)文件《渭河流域水污染防治鞏固提高三年行動(dòng)方案(2015—2017)》，陜西省政府將繼續(xù)加強(qiáng)渭河治理工作，包括進(jìn)一步優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)、加大治理產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)水污染、控制畜禽養(yǎng)殖與化肥污染等一系列整治措施，從源頭上治理污染源，相信這一系列綜合治理措施將會(huì)成為渭河干流陜西段水質(zhì)變好趨勢(shì)得以延續(xù)的保障。

表5 各出境斷面COD和NH3-N的R/S指數(shù)

3 結(jié) 論

(1) 渭河干流陜西段水質(zhì)由2010年的重度污染轉(zhuǎn)變?yōu)?016年的輕度污染，水質(zhì)明顯改善，說(shuō)明從2011年開(kāi)始實(shí)施的企業(yè)治理減排、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與綜合治理工程項(xiàng)目取得了良好的效果。值得注意的是2016年虢鎮(zhèn)橋斷面與天江人渡斷面仍為劣Ⅴ類水質(zhì)，渭河干流陜西段局部嚴(yán)重污染仍然存在。

(2) 寶雞、咸陽(yáng)、西安和渭南4個(gè)出境斷面枯水期COD,NH3-N濃度普遍高于豐水期，治理后各斷面COD與NH3-N濃度有不同程度的削減，其中咸陽(yáng)與西安出境斷面COD濃度削減顯著，西安與渭南出境斷面NH3-N濃度削減顯著，但是西安出境斷面仍然是4個(gè)斷面中污染最為嚴(yán)重的斷面。

(3) 渭河干流陜西段4個(gè)出境斷面NH3-N濃度均呈現(xiàn)高度顯著下降趨勢(shì)，并將具有較強(qiáng)持續(xù)性；咸陽(yáng)、西安和渭南出境斷面COD濃度呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，但持續(xù)性不強(qiáng)；寶雞出境斷面COD濃度呈現(xiàn)不顯著上升趨勢(shì)且將會(huì)延續(xù)，盡管程度較弱，仍需要引起有關(guān)部門的重視。