徐發(fā)凱,何 麗,王一帆,何 昌,牛 毓,劉文君,宋偉宏
(甘肅省環(huán)境監(jiān)測中心站,甘肅 蘭州 730020)
黃河是我國第二大河,全長約5 464 km,流域面積為752 443 km2,甘肅是黃河流經(jīng)的第三個省份。黃河干流甘肅段處于黃河上游,流域面積為 14.59萬km2,其地理位置及區(qū)域特性對于黃河污水治理戰(zhàn)略部署至關(guān)重要。過去由于甘肅段污水處理壓力較大,大量的工業(yè)廢水、生活污水在未得到有效處理的情況下直接排入黃河,嚴重影響了甘肅社會經(jīng)濟的發(fā)展,甚至限制了黃河中下游地區(qū)城鄉(xiāng)居民的生活用水和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水[1-2]。隨著甘肅省政府對于流域污染防治工作越來越重視,相繼出臺了多項政策來統(tǒng)籌治理工作,并建立了省控監(jiān)測斷面網(wǎng)絡觀測水質(zhì)的動態(tài)變化。經(jīng)過長期治理行動,甘肅省地表水水質(zhì)已得到顯著改善[3-5]。鑒于此,闡明黃河流域甘肅段的水質(zhì)時空變化特征,對于今后明晰流域污染治理方向及制定生態(tài)恢復策略具有重要意義。
水質(zhì)評價是對水體質(zhì)量進行定性或定量劃分的有效方法,是實現(xiàn)合理開發(fā)、配置水資源的重要手段。國內(nèi)外主流的水質(zhì)評價方法有很多,常用的有污染指數(shù)法(單因子、綜合污染指數(shù))[6-9]、內(nèi)梅羅水污染指數(shù)法[10-12]、主成分分析法[13-15]及灰色系統(tǒng)評價法[16-17]等。其中,內(nèi)梅羅水污染指數(shù)法是兼顧極值或最大值的計權(quán)型指數(shù)計算方法,多應用于地下水污染評價;主成分分析法具有簡化計算和綜合水質(zhì)指標信息的優(yōu)勢,適用于多指標、短序列的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析;而綜合污染指數(shù)法運算過程簡便,其結(jié)果能夠準確地反映水質(zhì)綜合狀況,在地表水水質(zhì)時空變化分析中應用廣泛[18-21]。
本文基于2010—2019年黃河干流蘭州段和白銀段7個監(jiān)測斷面水質(zhì)逐月監(jiān)測數(shù)據(jù),采用綜合污染指數(shù)法對水質(zhì)進行評價,并結(jié)合方差分析及累積距平法,分析黃河流域蘭州段和白銀段監(jiān)測斷面水質(zhì)時空變化特征,以期為甘肅省流域污染治理提供參考。
蘭州市和白銀市位于甘肅省中部,是黃河上游極為重要的重工業(yè)城市。據(jù)不完全統(tǒng)計,黃河干流甘肅段年排放廢水超過2.5億t,其中生活污水排放量接近1.5億t,約占廢水排放總量的60%。黃河干流蘭州段廢水排放量約為1.75億t,約占甘肅段的70%;白銀段廢水排放量約為0.3億t,占甘肅段的12%左右[22]。由于白銀距蘭州很近,因此白銀段上游輸入的污水壓力較大,河水自凈程度較低。
蘭州市位于隴西黃土高原西部,是青藏高原向黃土高原的過渡地區(qū),年平均氣溫在10 ℃左右,年平均降水量約為300 mm,主要集中在6—9月。黃河蘭州段全長152 km,其中流經(jīng)市區(qū)45 km,提供了蘭州市大部分的生活用水和生產(chǎn)用水。黃河蘭州段共設扶和橋、湟水橋、新城橋、包蘭橋和什川橋5個地表水監(jiān)測斷面,其中扶河橋、包蘭橋、什川橋均為國控斷面,新城橋、湟水橋為省控斷面,什川橋為蘭州市出境監(jiān)測斷面。
白銀市地處黃土高原和騰格里沙漠過渡地帶,年平均氣溫為6~9 ℃,年降水量在180~450 mm之間,雨季集中在7—9月。白銀段是黃河甘肅段的末端,黃河從西峽口進入白銀市,呈“S”形先后流經(jīng)白銀區(qū)、靖遠縣、平川區(qū)、景泰縣,于黑山峽下北長灘烏龍漩口出境進入寧夏,全長258 km,占甘肅總流程的28.3%。白銀市年均入境流量293億m3,流域面積1.47萬km2。目前黃河白銀段共設有青城橋、靖遠橋和五佛寺斷面3個地表水監(jiān)測國控斷面,其中青城橋為白銀市入境斷面,五佛寺為出境斷面。
2.1.1綜合污染指數(shù)法
綜合污染指數(shù)是各項單因子污染指數(shù)之和與單因子個數(shù)的比值,能夠全面、準確地反映水質(zhì)的綜合狀況[7]。本文依據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中Ⅲ類水質(zhì)標準,先采用式(1)計算單因子污染指數(shù),然后采用式(2)計算綜合污染指數(shù)[18]。
Ri=ρi/ρsi
(1)
(2)
式中:Ri為水質(zhì)因子i的污染指數(shù);R為綜合污染指數(shù);ρi為水質(zhì)因子i的實測質(zhì)量濃度,mg/L;ρsi為水質(zhì)因子iⅢ類水標準的質(zhì)量濃度,mg/L;n為水質(zhì)因子個數(shù)。
2.1.2單因素方差分析法與最小顯著差異t檢驗
單因素方差分析能夠直接反映樣本組間的整體均值差異,而最小顯著差異t檢驗可以定量分析樣本組間的具體差異。本文采用單因素方差分析法判定水質(zhì)在監(jiān)測斷面、季節(jié)及年度方面是否存在顯著性差異,采用最小顯著差異t檢驗定量分析監(jiān)測斷面間、季節(jié)間與年度間的具體差異。
2.1.3累積距平法
時間序列分析能夠準確地反映觀測變量的變化規(guī)律及波動特點,本文采用時間序列分析中常用的累積距平法分析黃河流域蘭州段和白銀段7個監(jiān)測斷面水質(zhì)2010—2019年的綜合污染指數(shù)變化趨勢。累積距平法是一種由累積分布曲線判斷變化趨勢的分析方法[18],能直觀地描述觀測變量在時間尺度上的階段性特征,計算公式為
(3)
采用R語言軟件對以上數(shù)據(jù)進行分析,其中單因素方差分析采用AOV函數(shù)計算,最小顯著差異t檢驗采用agricolae包中LSD.test函數(shù)計算,繪圖則在ggplot2包中完成。
采用2010—2019年蘭州段和白銀段7個監(jiān)測斷面(不包括湟水橋斷面,該斷面在黃河一級支流湟水河上,不在黃河干流上)水質(zhì)逐月數(shù)據(jù),監(jiān)測指標包括水溫、pH值、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學需氧量(COD)、5日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鉻、鉛、氰化物、揮發(fā)酚、石油類、陰離子表面活化劑和硫化物等共20項。以上指標測定均依照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中的監(jiān)測標準執(zhí)行。
2010—2019年蘭州段和白銀段整體水質(zhì)狀況良好,屬于Ⅲ類水范疇,綜合污染指數(shù)均在0.25以下。監(jiān)測斷面水質(zhì)按綜合污染指數(shù)從小到大排序為扶和橋(0.171)、新城橋(0.188)、包蘭橋(0.201)、什川橋(0.203)、青城橋(0.209)、五佛寺(0.212)、靖遠橋(0.217),且存在顯著的空間差異(P<0.01),即蘭州段綜合污染指數(shù)低于白銀段,上游斷面水質(zhì)優(yōu)于下游斷面。最小顯著差異t檢驗結(jié)果表明扶河橋斷面水質(zhì)最優(yōu),綜合污染指數(shù)除了與新城橋斷面無顯著差異外,顯著低于其他斷面(P<0.05),而包蘭橋、什川橋、青城橋、靖遠橋和五佛寺這5個斷面水質(zhì)較為接近,未達到顯著差異水平。
因甘肅段水體化學污染嚴重,故選用CODMn、BOD5、NH3-N和TP 4個指標,分析蘭州段和白銀段監(jiān)測斷面2010—2019年單因子污染指數(shù)變化特征(圖1)。由圖1可知:①各斷面CODMn污染指數(shù)總體均呈下降趨勢,其中蘭州段監(jiān)測斷面(扶和橋、新城橋、包蘭橋和什川橋)2010—2013年呈上升趨勢,2014—2019年逐漸下降;白銀段監(jiān)測斷面(青城橋、靖遠橋、五佛寺)呈緩慢下降趨勢,整體高于蘭州段各斷面。②各斷面BOD5污染指數(shù)在2010年比較接近,均在0.5~0.6之間,2010—2019年蘭州段4個斷面均呈顯著下降趨勢;白銀段監(jiān)測斷面在2010—2014年較為穩(wěn)定,明顯高于蘭州段監(jiān)測斷面,2015—2019年出現(xiàn)顯著降低,2017年起蘭州段與白銀段監(jiān)測斷面污染指數(shù)較為接近。③2010—2019年各斷面NH3-N污染指數(shù)變化趨勢較為一致,均呈下降趨勢,其中蘭州段新城橋及扶和橋斷面NH3-N污染指數(shù)明顯低于其他5個斷面。④TP污染指數(shù)在2010—2019年的變化趨勢與BOD5類似,空間上變化趨勢存在明顯的兩極分化。白銀段3個斷面TP污染指數(shù)較高,呈先上升后下降趨勢,而蘭州段各監(jiān)測斷面要顯著低于白銀段監(jiān)測斷面,并且在時間上變化趨勢與白銀段相反,呈“V”形趨勢變化,并于2015年達到最低值。
(a) CODMn (b) BOD5
(c) NH3-N (d) TP
將2010—2019年水質(zhì)逐月數(shù)據(jù)按3—5月(春季)、6—8月(夏季)、9—11月(秋季)、12月至次年2月(冬)時間段進行季節(jié)劃分,分析蘭州段和白銀段監(jiān)測斷面水質(zhì)的季節(jié)變化特征。結(jié)果表明,蘭州段監(jiān)測斷面綜合污染指數(shù)從小到大順序為秋季、夏季、春季、冬季,白銀段為秋季、春季、夏季、冬季,蘭州段水質(zhì)季節(jié)變化規(guī)律與白銀段存在差異。蘭州段水質(zhì)具有顯著的季節(jié)性差異(P<0.01),即冬季綜合污染指數(shù)最高(0.19),秋季最低(0.17),春、冬季綜合污染指數(shù)顯著高于夏、秋季(P<0.05);白銀段綜合污染指數(shù)季節(jié)差異未達到顯著水平(P=0.776),具體表現(xiàn)為夏、冬季綜合污染指數(shù)略高于春、秋季。
以CODMn、BOD5、NH3-N、TP、COD和氟化物6個化學指標為例,利用單因素方差分析法進一步分析蘭州段水質(zhì)主要化學污染物的季節(jié)差異,結(jié)果如表1所示。表1表明,蘭州段各監(jiān)測斷面有明顯季節(jié)性差異的化學指標并不統(tǒng)一。位于最上游的扶河橋斷面TP呈現(xiàn)季節(jié)波動(P<0.05),而位于它下游的新城橋斷面化學指標不隨季節(jié)波動。包蘭橋斷面CODMn和NH3-N具有明顯的季節(jié)趨勢(P<0.01),而最下游的什川橋斷面則為BOD5(P<0.05)和NH3-N(P<0.01)季節(jié)性差異最大。
表1 蘭州段監(jiān)測斷面水質(zhì)主要化學指標季節(jié)差異
表2 白銀段監(jiān)測斷面水質(zhì)主要化學指標季節(jié)差異
與蘭州段水質(zhì)狀況類似,白銀段各監(jiān)測斷面水質(zhì)化學污染物的季節(jié)特征也表現(xiàn)出多元化(表2)。上游的青城橋斷面以BOD5(P<0.05)和NH3-N(P<0.01)的季節(jié)變化為主,位于中間的靖遠橋斷面NH3-N(P<0.01)、TP(P<0.05)及COD(P<0.05)3個指標均呈現(xiàn)出季節(jié)差異。而最下游的五佛寺斷面化學指標在全年內(nèi)較為穩(wěn)定,化學污染物受季節(jié)影響較小。
圖2為蘭州段和白銀段監(jiān)測斷面2010—2019年的綜合污染指數(shù)累積距平曲線。蘭州段監(jiān)測斷面水質(zhì)變化趨勢為單峰“幾”字形,并具有明顯的階段性特征。2010—2013年各監(jiān)測斷面綜合污染指數(shù)距平均為正數(shù),累積距平曲線呈顯著上升趨勢,表明該時段各監(jiān)測斷面水質(zhì)并無明顯的好轉(zhuǎn),綜合污染指數(shù)要遠高于2010—2019年平均水平;2014—2017年各監(jiān)測斷面水質(zhì)變化開始出現(xiàn)拐點,綜合污染指數(shù)距平由正值轉(zhuǎn)變?yōu)?或負值,累積距平曲線則呈緩慢下降趨勢,表明該時間段各監(jiān)測斷面水質(zhì)開始逐漸轉(zhuǎn)好,綜合污染指數(shù)則接近2010—2019年的平均水平;2018—2019年蘭州段監(jiān)測斷面水質(zhì)得到顯著改善,綜合污染指數(shù)距平持續(xù)為負值,累積距平曲線則呈顯著下降趨勢,水質(zhì)達到2010—2019年最好水平。
(a) 蘭州段
(b) 白銀段
白銀段各監(jiān)測斷面水質(zhì)變化趨勢區(qū)別于蘭州段,呈倒“V”字形單峰趨勢。2010—2015年白銀段綜合污染指數(shù)累積距平曲線一直為上升趨勢,2016年開始呈下降趨勢,可知白銀段水質(zhì)真正得到改善是始于2016年,要明顯滯后于上游蘭州段的2014年。2017—2019年白銀段綜合污染指數(shù)距平持續(xù)為負,累積距平曲線呈顯著下降趨勢,表明白銀段水質(zhì)狀況正持續(xù)變好。
黃河干流蘭州段水質(zhì)狀況存在顯著的季節(jié)波動,春、冬兩季水質(zhì)優(yōu)于夏、秋兩季,而白銀段綜合污染指數(shù)在年內(nèi)無明顯季節(jié)性趨勢,即相鄰河段水質(zhì)在季節(jié)動態(tài)上的規(guī)律并不統(tǒng)一。該結(jié)果與邵志江等[7,23]研究結(jié)果較一致。一般認為,水質(zhì)季節(jié)波動跟流域斷面水量差異及當?shù)嘏盼郗h(huán)境有關(guān)[24]。研究區(qū)域雨季集中在6—9月,降水量占全年80%以上。豐水期黃河流速、流量增大加速了夏、秋兩季污染物輸送和轉(zhuǎn)移,而冬季流域徑流量銳減,導致水體中污染物流通較慢且容易沉積,對春季水質(zhì)也存在一定的影響[23,25]。另外,斷面水質(zhì)變化不僅受降水量影響,各時期水溫差異也是影響水質(zhì)的重要因素。水體自凈能力主要依靠微生物的凈化功能,當水溫低于15°C時對硝化反應有明顯的抑制作用,而水溫升高時有助于水體中NH3-N的轉(zhuǎn)化及有機質(zhì)去除量的增加[26-28];白銀段水質(zhì)各個季節(jié)均劣于蘭州段水質(zhì),且夏季污染物含量要略高于其他季節(jié),原因一是白銀市人口總量遠低于蘭州市人口,上游生活污水輸入量占黃河干流白銀段生活污水總量的比例很高;二是白銀段重工業(yè)企業(yè)居多,工業(yè)廢水和面源污染是其主要污染物來源,而工業(yè)污染排放不像生活污水排放呈現(xiàn)周期性變化,均勻化的排放模式一定程度上掩蓋了白銀段的水質(zhì)季節(jié)變化特征。
時間序列趨勢分析表明,2010—2019年蘭州段水質(zhì)改善的拐點是出現(xiàn)在2014年,2014年后黃河干流蘭州段水質(zhì)經(jīng)歷了緩慢提升(2014—2017年)和顯著提升(2018—2019年)兩個階段。而白銀段水質(zhì)狀況拐點明顯滯后于蘭州段(2016年),2010—2015年水質(zhì)狀況劣于2010—2019年平均水平,2016—2019年水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn),綜合污染指數(shù)呈持續(xù)下降趨勢。
水質(zhì)年際變化趨勢與當?shù)卣廴局卫碚?、水污染治理力度直接相關(guān)。蘭州市2014年發(fā)生“4·11”自來水污染事件后,曾引起了社會強烈不滿,政府對水污染治理非常重視,蘭州市環(huán)境保護局對黃河蘭州段376個排污口進行了摸底排查,重點對75個存在排污現(xiàn)象的排污口逐一進行整治,對私設暗管、偷排、漏排和污水超標排放的違法企業(yè)嚴肅查處。2015年蘭州市對黃河兩岸43處污水溢流口截流整治,市內(nèi)9座污水處理廠投運,同時對市內(nèi)重點企業(yè)實施廢水排放總量控制,使污水不再直排黃河??梢娢廴局卫砹Χ戎鹉暝龃笫谴偈固m州段水質(zhì)改善的重要原因[29]。白銀市作為中國銅城,有色金屬資源豐富,在過去工業(yè)廢水排放一直是老大難問題。近些年在高強度治理下工業(yè)廢水排放問題得到妥善處理,而面源污染則逐漸成為新的主要污染物來源。楊蘇才等[30]研究發(fā)現(xiàn)白銀段面源污染對水體污染物的貢獻率高達44%,其中總大腸菌群、COD和TP等指標嚴重超標。本文研究結(jié)果表明:黃河干流白銀段TP、BOD5等指標污染指數(shù)顯著高于蘭州段,與前人的研究結(jié)果較為一致。為此,白銀市政府先后開展了白銀段東大溝流域重金屬污染農(nóng)田、歷史遺留含鉻污染土壤、東大溝重金屬河道等多項整治修復工程,從政策層面督導水污染治理問題,從而加速水質(zhì)向好轉(zhuǎn)變。
a.雖然黃河干流蘭州段和白銀段水質(zhì)均屬于Ⅲ類,但蘭州段綜合污染指數(shù)明顯低于白銀段,其中扶河橋斷面水質(zhì)最佳,靖遠橋斷面水質(zhì)最差。
b.蘭州段整體水質(zhì)在春、冬兩季會變差,而白銀段水質(zhì)季節(jié)差異不大?;瘜W指標方面,各斷面有明顯季節(jié)趨勢的指標差異較大。
c.2010—2019年兩個河段水質(zhì)均有了顯著提升,綜合污染指數(shù)呈顯著下降趨勢,但總體而言,黃河水體污染治理仍是一項艱巨而漫長的任務。