侯 蕾,于新雨,燕振華,劉經(jīng)強*,孫鳳麗,任程豪,吳昊

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院,山東泰安 271000

2.山東嬴城有限公司,山東萊蕪 271100

萊蕪市牟汶河流域人口較多，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動活躍，農(nóng)業(yè)用地面積占到流域面積50%，萊蕪市的農(nóng)作物分為糧食作物和經(jīng)濟作物，糧食作物以小麥和玉米為主，種植方式為小麥玉米輪作，經(jīng)濟作物以蔬菜為主。隨著點源的治理，土壤侵蝕，化肥、農(nóng)藥等的大量投入和農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖的不規(guī)范排污使非點源污染愈顯嚴(yán)重[1]，非點源污染比重逐漸攀升，導(dǎo)致牟汶河水污染問題較為嚴(yán)重。萊蕪市2017 年大力開展“碧水行動”，對多個河流進行了環(huán)境治理，加快治理城市黑臭水體，確保水環(huán)境質(zhì)量達標(biāo)[2]。為了更為準(zhǔn)確的掌握萊蕪市牟汶河的水質(zhì)狀況和水質(zhì)變化趨勢，針對性的開展牟汶河水污染防治，對牟汶河的水質(zhì)狀況進行調(diào)查和評價十分必要。

地表水水質(zhì)評價及水質(zhì)變化趨勢的研究是水資源綜合管理和水污染防治的基礎(chǔ)[3,4]。目前，水質(zhì)評價的方法主要有單因子評價法和綜合評價法，單因子評價法是取某一污染因子多次監(jiān)測的極值或平均值，與該因子的標(biāo)準(zhǔn)值相比較，評判水質(zhì)是否達標(biāo)[5,6]。綜合評價法則是綜合考慮所選項目進行評價，如綜合水質(zhì)指數(shù)法（內(nèi)梅羅水質(zhì)指數(shù)等）、數(shù)理統(tǒng)計法、模糊評價法等[7-11]。評價方法不同結(jié)果也不同，各有利弊，為了更全面的反映水質(zhì)狀況，一般采用多種方法進行評價[12-14]。文中利用牟汶河萊蕪（三）水文站控制斷面2008-2018 年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和單因子評價法對牟汶河的水質(zhì)狀況進行評價，基于水質(zhì)評價結(jié)果，采用Mann-Kendall 趨勢檢驗法對水質(zhì)變化趨勢進行分析。以期為牟汶河的水污染防治提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

牟汶河又稱大汶河北支，發(fā)源于濟南市萊蕪地區(qū)東南部旋崮山東麓，是萊蕪地區(qū)最大的河流，河長76 km，流域東西長48 km，南北寬45 km，流域面積1390 km2，地理位置在東經(jīng)117°19’～117°58’，北緯36°02’～36°33’之間。牟汶河流經(jīng)萊蕪地區(qū)丈八丘，西流至籮村西，進入萊蕪市境，經(jīng)寨子村北，轉(zhuǎn)向西北流，至墨埠村與東來的辛莊河會合，自此水勢始旺，始稱牟汶河，又西流經(jīng)萊蕪城南，至趙方下，方下河從右岸匯入，又西流至漸汶河村與大汶河最大的支流瀛汶河會合，至泰安市大汶口與柴汶河匯合為大汶河。牟汶河流經(jīng)辛莊、牛泉、南冶、方下、高莊、楊莊等個6 鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道），于楊莊鎮(zhèn)馬家泉村以西出境。本研究采用萊蕪市水文局提供的牟汶河萊蕪（三）水文站控制斷面2008-2018 年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)（圖1），選取高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、五日生化需氧量、化學(xué)需氧量、總氮6 個主要監(jiān)測指標(biāo)作為評價因子，其他監(jiān)測指標(biāo)濃度較低，故不參與水質(zhì)分析。依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值。

圖1 牟汶河流域地理位置圖Fig.1 Geographical location map in Muwen River Basin

2 研究方法

2.1 水質(zhì)評價方法

單因子評價法[15]的原理是對多個污染因子分別評價其水質(zhì)類別，然后選擇污染程度最重的因子所屬類別作為水體綜合水質(zhì)類別。以污染指數(shù)最大的指標(biāo)去評價能直觀顯示超標(biāo)最大的因子及其超標(biāo)倍數(shù)，是較為常用的環(huán)境評價方法，缺點是不能全面反映水質(zhì)情況。

單因子評價法根據(jù)指標(biāo)的污染水平劃分為：Pi＜1，清潔；1≤Pi≤2，輕度污染；2＜Pi≤3，中度污染；3＜Pi≤5，重污染；Pi＞5，嚴(yán)重污染。

單因子評價法的數(shù)學(xué)表達式：

Pi：第i個監(jiān)測指標(biāo)的污染指數(shù)；Ci：第i個監(jiān)測指標(biāo)的實測濃度，mg/L；Si：第i個監(jiān)測指標(biāo)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L。

內(nèi)羅梅污染指數(shù)法綜合考慮單因子評價指數(shù)的最大值和平均值，既考慮了污染指數(shù)最大的指標(biāo)對水體的影響又能更全面的反映水質(zhì)污染情況。內(nèi)羅梅污染指數(shù)法是一個強調(diào)污染最大指數(shù)的計權(quán)型多指標(biāo)環(huán)境質(zhì)量綜合評價法[16-18]。

內(nèi)羅梅污染指數(shù)法數(shù)學(xué)表達式：

P傳統(tǒng)：傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)；maxPi：所有參評指標(biāo)的單因子污染指數(shù)最大值；avePi：所有參評指標(biāo)的單因子污染指數(shù)平均值。

傳統(tǒng)的內(nèi)羅梅污染指數(shù)法分級如下：I：P標(biāo)準(zhǔn)＜0.59；Ⅱ：0.59≤P標(biāo)準(zhǔn)＜0.74；Ⅲ：0.74≤P標(biāo)準(zhǔn)＜1；Ⅳ：1≤P標(biāo)準(zhǔn)＜3.5；V：3.5≤P標(biāo)準(zhǔn)；河流水質(zhì)評價中，內(nèi)羅梅污染指數(shù)法根據(jù)指標(biāo)的污染水平劃分為：P傳統(tǒng)＜1，清潔；1≤P傳統(tǒng)≤2，輕度污染；2＜P傳統(tǒng)≤3，中度污染；3＜P傳統(tǒng)≤5，重污染；P傳統(tǒng)＞5，嚴(yán)重污染。

2.2 Mann-Kendall 趨勢檢驗法

Mann-Kendal 是國際氣象組織推薦的一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，在水文氣象要素的趨勢性檢驗中得到了廣泛應(yīng)用，該方法計算簡單，無規(guī)定的統(tǒng)計分布，不受異常值的干擾[19,20]。

該具體方法如下：

|ZMK|越大，則趨勢性越顯著。ZMK＞0，為上升趨勢；ZMK＜0，為下降趨勢。給定置信水平ɑ，若|Z|≥Z1-ɑ/2則說明在ɑ置信水平上，原始序列存在明顯的上升或下降趨勢。

3 結(jié)果分析

3.1 地表水水質(zhì)評價

通過單因子評價，每年污染指數(shù)最高的都為總氮，總氮的單因子指數(shù)即為水質(zhì)單因子評價指數(shù)，總氮十一年間單因子指數(shù)均大于1，化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷五個指標(biāo)均存在個別年份單因子指數(shù)大于1，高猛酸鹽指數(shù)較低，十一年間單因子均小于1（如表1、2 所示）。由單因子評價法可得2014 年水質(zhì)處于中度污染，2009、2010 年水質(zhì)處于重污染、2008、2011、2012、2013、2015、2016、2017、2018 年水質(zhì)處于嚴(yán)重污染

表1 單因子評價指數(shù)Table 1 Single factor evaluation index

表2 2008-2018 年單因子水質(zhì)評價結(jié)果Table 2 Water quality evaluation results from 2008 to 2018

單因子評價法只體現(xiàn)了污染程度最重指標(biāo)對水質(zhì)評價的影響，本研究中總氮指數(shù)每年均高于其他指標(biāo)使其他監(jiān)測指標(biāo)對水質(zhì)造成的影響被忽略，評價結(jié)果不夠全面。因此文中又采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)進行驗證。

2008 年至2018 年牟汶河流域水質(zhì)整體處于中度污染以上，其中2008 年非汛期為嚴(yán)重污染，汛期為重污染，2009 年至2013 年汛期和非汛期都處于重污染，非汛期污染指數(shù)高于汛期，2014 年汛期處于中度污染，非汛期處于輕度污染，2009 年、2015 年、2016 年2017 年汛期非汛期指數(shù)接近，2018 年非汛期和汛期處于重污染，非汛期污染指數(shù)大于汛期（如表3，圖2）。從總體上來看，非汛期污染指數(shù)高于汛期，這可能是因為汛期降雨量大，流域內(nèi)水體總量豐富，污染物被稀釋濃度較低，汛期水環(huán)境容量大，水的自凈能力更好；非汛期降雨量少，污染稀釋作用不顯著，濃度高。

表3 2008-2018 年內(nèi)梅羅污染指數(shù)Table 3 Nemerow pollution index for the period of 2008-2018

圖2 汛期和非汛期內(nèi)梅羅污染指數(shù)Fig.2 Nemerow pollution index in flood season and non-flood season

由單因子評價法可以得到，總氮的單因子指數(shù)最高，總磷的單因子指數(shù)也存在多年較高的情況。，2008 至2018 年間總氮的濃度始終處于較高水平，2014 年總氮濃度最低，超出Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)2.8倍，在2014 年的水質(zhì)污染評價中流域水污染也相對較輕，2016 年、2017 年總氮分別超出Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)9 倍和8 倍，在水質(zhì)評價中這兩年的污染指數(shù)也最高，說明總氮是造成水質(zhì)污染的最主要因子（如圖3 所示）?？偭自?011 年和2014 年分別超出Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)1.03 和1.6 倍，且總磷濃度年際波動較大，水質(zhì)情況不穩(wěn)定（如圖4 所示）。

圖3 總氮年際變化/(mg/L)Fig.3 Interannual variation of total nitrogen

圖4 總磷年際變化/(mg/L)Fig.4 Interannual variation of total phosphorus

3.2 水質(zhì)變化變化趨勢分析

采用2008 年至2018 年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)中高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總氮及總磷進行水質(zhì)趨勢分析。經(jīng)統(tǒng)計，萊蕪（三）水文站具有連續(xù)11 d 水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。趨勢檢驗結(jié)果如表4 所示。在置信度95%水平以上，當(dāng)|Z|＞1.64 時，說明具有顯著的上升或者下降趨勢。結(jié)果表明，化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮和總磷具有不同程度的下降，其中氨氮的下降趨勢顯著，其他指標(biāo)下降趨勢不顯著；而總氮、高錳酸鹽指數(shù)呈上升趨勢，但上升趨勢不顯著。從水質(zhì)趨勢分析的角度分析，整體上萊蕪三水文站以上牟汶河河段水質(zhì)狀況不斷好轉(zhuǎn)。

表4 萊蕪（三）斷面水質(zhì)趨勢分析結(jié)果Table 4 Analysis results of water quality trend of Laiwu Section(3)

4 結(jié)論

通過對2008-2018 年萊蕪（三）水文站控制斷面以上牟汶河河段水質(zhì)評價和水質(zhì)變化趨勢分析，得出以下結(jié)論：

（1）2008-2018 年牟汶河總氮的污染指數(shù)均大于1，總磷指數(shù)也存在多年大于1 的情況，總氮超出Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)2.8～9 倍，總磷在2011 年和2014 年分別超出Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)1.03 和1.6 倍，牟汶河水質(zhì)情況較差；

（2）2008-2018 年牟汶河汛期和非汛期的水質(zhì)整體上處于中度污染，非汛期污染指數(shù)高于汛期，這與汛期降雨量大、水環(huán)境容量大有關(guān)；

（3）從水質(zhì)趨勢分析的角度，整體上萊蕪（三）水文站控制斷面以上牟汶河河段水質(zhì)狀況不斷好轉(zhuǎn)，但總氮、高錳酸鹽指數(shù)整體上呈現(xiàn)上升的趨勢，這與農(nóng)村生活污水以及畜禽養(yǎng)殖糞便的排放有關(guān)。