水质变化趋势及影响因素研究

摘要：基于２０１１—２０２０年桃河阳泉段水质监测数据，选取高锰酸盐指数、生化需氧量、化学需氧量、氨氮、阴离子表面活性剂和总磷为评价指标，运用改进内梅罗污染指数法、Ｄａｎｉｅｌ趋势检验法和Ｐｅａｒｓｏｎ相关性分析方法，对河流水质变化趋势及影响因素进行讨论。结果表明：２０１１—２０１６年桃河水质状况持续恶化，自２０１７年起呈显著好转趋势，沿程水体受污染程度呈现“两头低、中间高”现象；白羊墅断面水体受汇水范围内煤炭行业废水不达标排放影响，水质污染最为严重；娘子关作为出境断面，ＮＨ３－Ｎ质量浓度超标主要与白羊墅断面水体水质有关。

关键词：水质；工业废水；Ｐｅａｒｓｏｎ相关性；桃河

阳泉市位于山西省东部，总面积４５５９ｋｍ２。阳泉市煤炭资源储量大、易开采、质量高，是我国最大的无烟煤产地。近年来焦化、煤炭洗选等行业废水存在不达标排放现象，排放废水成分复杂、毒性大、难降解，对桃河水资源的可持续利用及社会经济发展造成严重危害［１］。依据２０１１—２０２０年阳泉市地表水环境监测资料，采用改进内梅罗污染指数法、Ｄａｎｉｅｌ趋势检验法和Ｐｅａｒｓｏｎ相关性分析，对桃河水质变化趋势及影响因素进行分析，以期为桃河水环境治理提供参考。

１河流概况

桃河发源于山西省晋中市寿阳县，自阳泉市郊区新店村西入境，流域面积１０８６ｋｍ２，桃河属季节性河流，水体自净和生态补偿调控能力有限，加上沿河人口分布密集、工业企业集中，桃河水质面临严峻考验。

２研究方法

桃河阳泉段控制断面主要有晓庄、白羊墅和娘子关断面，各监测断面相对位置见图１。２０１１—２０２０年桃河阳泉段水质监测数据来源于山西省阳泉生态环境监测中心。对历年水质监测数据进行汇总分析，选取高锰酸盐指数（ＣＯＤＭｎ）、生化需氧量（ＢＯＤ５）、化学需氧量（ＣＯＤＣｒ）、氨氮（ＮＨ３－Ｎ）、阴离子表面活性剂（ＬＡＳ）和总磷（ＴＰ）作为桃河水质的代表性评价指标。（２）Ｄａｎｉｅｌ趋势检验法。Ｄａｎｉｅｌ趋势检验法用以定量评价水质变化趋势有无显著性。经计算得到秩相关系数ｒｓ，将其绝对值同Ｓｐｅａｒｍａｎ秩相关系数统计表中的临界值Ｗｐ进行比较。如果｜ｒｓ｜＞Ｗｐ，则表明水质变化趋势显著；如果｜ｒｓ｜≤Ｗｐ，则表明水质变化平稳；ｒｓ为负呈下降趋势，ｒｓ为正呈上升趋势。秩相关系数ｒｓ计算公式：；Ｎ为时间周期的数量，Ｎ≥５。（３）Ｐｅａｒｓｏｎ相关性分析。利用ＩＢＭＳＰＳＳＳｔａｔｉｓｔｉｃｓ２５软件进行Ｐｅａｒｓｏｎ相关性分析，以评价连续变量之间的相关性。

３结果与讨论

３．１水质类别分析

以地表水Ⅲ类水标准值为计算依据，各评价指标的权重见·２４·表１。在历年监测数据中，晓庄和娘子关断面ＬＡＳ未见检出，因此ＬＡＳ仅作为白羊墅断面和桃河阳泉段综合水质的评价指标。改进内梅罗污染指数法划分水质类别标准［２］：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类水Ｐ′分别为＜０．５５、０．５５～０．６９、０．６９～１．００、１．００～３．５３、≥３．５３。２０１１—２０２０年晓庄、白羊墅、娘子关断面以及桃河阳泉段改进内梅罗污染指数和水质类别划分结果见表２，可以看出，晓庄断面作为桃河阳泉段上游，改进内梅罗污染指数较低，水质类别多年稳定在Ⅰ～Ⅱ类，水质状况为优；白羊墅断面在２０１１—２０１３年水质状况稳定，２０１４年水体受到明显污染并不断恶化，２０１４—２０１６年断面改进内梅罗污染指数逐年增大，２０１６年高达２０．４９，河流水质恶化明显，随着水体污染治理措施的实施，２０１７年水质污染指数大幅度下降至３．０４，水质状况明显好转，之后水质保持稳中向好趋势，２０２０年断面污染指数已降为０．９５；娘子关断面改进内梅罗污染指数相较白羊墅断面大幅降低，但水质状况在２０１４—２０１６年也呈恶化趋势，上游水体受污染程度严重时会对下游水质造成一定影响。依据《地表水环境质量评价办法（试行）》中河流水质评价方法，对桃河阳泉段综合水质进行评价。从河流流向来看，桃河入境时水体清洁，流经矿区、城区后水质恶化，出境时水质有所改善。从年际变化来看，桃河流域综合水质在阳泉境内经历了污染到改善的过程。以历年改进内梅罗污染指数为变量，２０１６年为时间分割点进行污染趋势分析，２０１１—２０１６年桃河阳泉段水质污染指数的秩相关系数为１．０００＞０．８２９，表明水质状况逐年下降且呈显著性趋势；２０１６—２０２０年秩相关系数为－１．０００，其绝对值＞０．９００，表明水质逐年好转亦呈显著性趋势，见表３。

３．２白羊墅断面水质分析

以地表水Ⅲ类水为计算标准，２０１１—２０２０年白羊墅断面各污染指标超标倍数见图２，可以看出，ＴＰ超标倍数较为稳定，其数值基本在０～１范围内波动，其他污染指标超标倍数变化趋势相似。ＮＨ３－Ｎ作为白羊墅断面水质恶化的主要污染物，其超标倍数在２０１６年高达２６．８，这主要与当地能源结构有关。阳泉市煤炭资源丰富，且主要集中分布在矿区，煤炭焦化是研究河段主要衍生行业。根据黄源凯等［３］对焦化废水污染构成的研究，焦化废水具有ＣＯＤＣｒ和ＮＨ３－Ｎ浓度高的特征。相比其他污染因子，ＮＨ３－Ｎ超标倍数剧增主要原因是，焦化废水有机物浓度高且毒性强，抑制硝化细菌的正常生长代谢，导致传统脱氮技术很难实现稳定的氨氮硝化［４］。ＬＡＳ在２０１４—２０１７年存在超标污染情况，依据田冬梅等［５］对阴离子表面活性剂的研究，其在煤炭行业应用广泛，ＬＡＳ在煤炭开采过程中不仅具有抑尘效果，而且可以应用于煤炭洗选，改善精煤品质。利用ＳＰＳＳ统计软件，对２０１１—２０２０年白羊墅断面污染指标进行相关性分析，以ＣＯＤＣｒ为自变量，其他污染指标为因变量，采用双侧显著性检验计算Ｐｅａｒｓｏｎ相关系数ｒ和显著性水平Ｐ。由表４可知，白羊墅断面ＣＯＤＣｒ与ＣＯＤＭｎ、ＢＯＤ５、ＮＨ３－Ｎ、ＬＡＳ的相关系数ｒ均大于０．８，且Ｐ＜０．０１，具有极强相关性；ＣＯＤＣｒ与ＴＰ相关性不强。白羊墅断面汇水范围内煤炭、化工、洗选企业多，而这些行业废水几乎不含磷，但阳泉市各汇水范围白羊墅常住人口最多，沿河城镇生活污水收集管网的不完善及农业生产化肥农药的施用等面源排放造成水体中ＴＰ超标。由此可知，２０１４—２０１６年白羊墅断面水质恶化与汇水范围内工业企业废水不达标排放密切相关。

３．３娘子关断面水质分析

娘子关断面２０１１—２０２０年污染指标超标倍数见图３。娘子关断面汇水范围内工业企业污染源少，并且距上游白羊墅断面约４０ｋｍ，污染物经河水自净降解，加之娘子关断面前设有污水处理厂，因此娘子关断面水体水质得到极大改善，除氨氮外其他指标基本达到地表水Ⅲ类水标准。氨氮作为主要污染物，２０１１—２０１３年出现部分月份氨氮超标现象，主要原因是娘子关汇水范围内农业产业结构丰富，存在化肥农药的大量施用。２０１４—２０１６年氨氮超标加重，变化趋势与白羊墅断面相同。随着工业和农业污染防控措施的实施，２０１７年氨氮年平均质量浓度降为０．４４ｍｇ／Ｌ。２０１５年３月至２０１６年１２月白羊墅和娘子关断面ＣＯＤＣｒ、ＮＨ３－Ｎ质量浓度变化见图４。当白羊墅断面ＣＯＤＣｒ质量浓度连续数月高达２００ｍｇ／Ｌ以上时，娘子关断面ＣＯＤＣｒ质量浓度始终在２０ｍｇ／Ｌ上下波动。白羊墅断面ＮＨ３－Ｎ质量浓度在２０１５年１０月至２０１６年５月剧增，而同时期娘子关断面的质量浓度也比以往要高，之后随着白羊墅断面ＮＨ３－Ｎ质量浓度的下降娘子关断面ＮＨ３－Ｎ质量浓度呈回落趋势。利用ＳＰＳＳ统计软件对２０１１—２０２０年白羊墅与娘子关断面ＮＨ３－Ｎ质量浓度进行相关性分析，计算结果显示Ｐｅａｒｓｏｎ相关系数ｒ＝０．５８０，且Ｐ＜０．０１，具有显著相关性。因此得出，娘子关断面水体中的ＮＨ３－Ｎ易受白羊墅断面水质影响，而其他污染指标受影响较小，推测与污水处理厂脱氮系统的超负荷运行及处理工艺的局限性有关。

３．４水质影响因素分析

２０１１—２０１６年桃河阳泉段水环境质量持续恶化主要原因包括：企业环保设施污染治理绩效低下，工业废水无法稳定达标排放，依旧存在个别企业偷排漏排的现象；沿河村镇生活面源、农业面源排放造成河段水体水质恶化；城镇污水处理厂污水处理工艺存在一定短板，处理能力不足。十三五期间，阳泉市积极开展水生态修复与保护工作，一是通过改造优化现有企业工业废水处理工艺，提高工业废水排放标准；二是加强农村环境综合整治；三是提标增效治理城镇污水，补齐城镇污水收集和处理设施短板。

４结语

２０１１—２０２０年桃河阳泉段水质经历从急剧恶化到显著改善的过程，沿程水体污染程度呈现“两头低、中间高”的现象。桃河阳泉段水质主要受中游白羊墅断面汇水范围内工业企业废水处理效果的影响，并且下游娘子关断面水体中ＮＨ３－Ｎ质量浓度受白羊墅断面水质影响。受阳泉市煤炭产业结构影响，河流水体中ＣＯＤＣｒ、ＮＨ３－Ｎ和ＬＡＳ为特征污染因子。由于传统脱氮工艺对ＮＨ３－Ｎ处理效果差，ＮＨ３－Ｎ成为河流水体的主要污染物。

作者：傅敏 孙竹梅 单位：山西省阳泉生态环境监测中心 中北大学环境与安全工程学院