滹沱河忻州段水質時空變化及影響因子評價與分析

趙鵬宇，步秀芹，崔 嬙，劉秀麗，徐學選

1．忻州師范學院旅游管理系，山西 忻州 034000

2．廣西壯族自治區環境保護科學研究院，廣西 南寧 530000

3．忻州師范學院地理系，山西 忻州 034000

4．中國科學院 水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100

河流水質時空分布模式研究已經成為當今水質評價的一個研究熱點。明晰河流水質的時空變化規律是評價河流水環境質量、分析污染來源和改善河流水環境的前提與基礎。水質評價方法目前已有很多，如污染指數法［1-8］、模糊數學 法［9-11］、物 元 分 析 法［12］、人 工 神 經 網 絡法［13］、主成分分析法等［14-16］。這些方法都有各自的特點和不足，綜合污染指數法的優點在于:一是克服了一般的污染指數法人為將污染程度分成不同等級，不利于與國家水質標準比較的缺點;二是避免了使用數學模型，計算簡便，達到了同級水質之間的比較。運用綜合污染指數法可對各污染指標分指數經過不同方法的數學運算得到一個綜合指數，最終達到對河流水污染狀況進行綜合評述的目的。

針對滹沱河忻州段的環境問題，從時間、空間尺度以及自然和社會影響因素等方面進行全面探討。明確該河段的水污染問題成因及水質的關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，主要為成水用水環境區，對于該河段的水質研究，有助于降低中游(小覺至黃壁莊之間區域)成水環境區水質污染風險，對于下游石家莊地區(用水環境區)，可以減輕水質污染壓力，擴大水環境容量意義重大;二是2004年后該地區經濟迅速發展，隨著礦山、煤炭資源整合、高排放、高污染企業的徹底關停以及污水處理廠在各地興建運行，排污排廢結構發生了很大變化，滹沱河水質有了很大的改善，研究其與社會經濟的關系，可為相關部門保護水環境決策提供參考。

1 滹沱河忻州段概況

滹沱河是山西省的主要河流之一，也是華北地區著名的河流，它發源于五臺山北麓繁峙縣泰戲山腳下的喬兒溝，經山西東北部入河北省，匯入子牙河，在天津市境內歸海河、注渤海，在華北地區培育出一條長587 km的綠色文明走廊，流域面積達26 630 km2，其中忻州市段河長251 km，流域面積11 936 km2，流經繁峙、代縣、原平、忻府、定襄、五臺6個縣(市區)，57個鄉(鎮)的395個村，境內有云中河、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展的母親河。如圖1所示，滹沱河貫穿忻州市6個縣(區、市)，流經重要縣城，村鎮，及重要工礦點，滹沱河干流是該區域主要地表水體。滹沱河水環境容量小，是忻州市污染最為嚴重的河道之一，水資源主要補給來源是大氣降水，而干旱少雨、蒸發量大造成徑流量小，水資源十分貧乏，因此，滹沱河生態環境非常脆弱。

圖1 滹沱河流域忻州段代表監測斷面示意圖

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年實測系列降水資料的分析，可以為該河段水質變化提供科學依據;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戶作亮等［17］統計的海河19條平原河流水量與同期相比下降87%結論基本一致。各年段河流水量變化見圖3。通常，降雨量與河道水量應該具有較強的同步性與一致性，圖2、圖3中上世紀70—90年代近30年降雨量基本穩定，但滹沱河水量并未表現出穩定性，而是持續減少，究其原因很可能是由于1970年代中后期為農業灌溉大規模興修水利工程，對河道截留，導致河道水量進一步減少。因此，在一定程度上縮小了該河段水環境容量。

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 滹沱河水環境質量時空變化評價分析

2.1 評價方法

2.1.1 時間變化

年際變化直接采用忻州市水資源公報中的評價結果。數據范圍為1993—2011年，根據19年水資源公報中顯示的水質主要超標項目，以及依據評價指標同一性原則，選擇COD、NH3-N、DO和揮發酚作為評價指標。

年內不同時期的水質變化采用綜合污染指數法中的代數疊加法。具體評價過程為

式中:P為綜合污染指數，∑Pi為綜合污染分指數，∑Pj表示某類污染物分指數，Ci為某污染物的實測濃度，C0為某污染物的評價標準。

根據2005年頒布《山西省水功能區劃》，在此區域共設立了10個地表水功能區，其中7個屬于工農業用水區，根據區劃中水質保護目標要求，COD、NH3-N、DO和揮發酚選用 GB 3838—2002中的Ⅵ類標準。數據年份為2011—2012年水質監測數據，選取2011年平水期(5月)、豐水期(8月)和枯水期(12月)，分析不同水情水質變化，水質數據取各個監測站點的算術平均值。評價指標選取《忻州市水資源公報(2011)》中的主要超標項目COD、NH3-N、DO和揮發酚。

2.1.2 空間變化

水質空間分布特征研究采用優化的單因子污染指數法和綜合污染指數法，該方法可在同一水質級別范圍內進行比較，還可以評價指標的空間分布特征，充分體現水質空間分異性的特征。數據范圍為2011年平水期(5月)、豐水期(8月)和枯水期(12月)的水質監測數據，選取滹沱河6個監測斷面下茹越、西留屬、崞陽橋、界河鋪、濟勝橋、南莊，以 CODMn、NH3-N、DO 和揮發酚作為評價指標。

2.2 結果分析

2.2.1 年際變化

由圖4可知，近20年滹沱河忻州段水質總體呈現嚴重污染，近幾年惡化趨勢有所控制。Ⅰ類水質在1993—1994年、2009—2011年出現，其他年間達到Ⅰ類水質標準的河長均為零，從2004年后未出現Ⅱ類水質河長，中間個別年份雖有所回升，但幅度不大，從Ⅱ類河長所占的百分比看，總體呈下降趨勢。Ⅲ類河長所占比例處于波動狀態，只是在2004—2009年明顯下降。Ⅳ類、Ⅴ類河長所占比例呈上升趨勢，由1993年的21.2%上升到2011年的52.3%。劣Ⅴ類河長曲線總體呈先波動(1993—2003年)，再波動上升(2004—2008年)，最后快速下降(2009—2011年)趨勢。由此可見，從1990年代初，滹沱河水質已經開始惡化，進入2004年惡化趨勢進一步加劇，從2009年后治理效果開始顯現，水質逐漸改善。

圖4 滹沱河忻州段水質年際變化

2.2.2 年內變化

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最高為2.15，枯水期綜合污染指數最低為1.28;從單因子污染指數看，4項指標不同水情變化并不明顯。4項水質指標綜合污染指數從高到低順序依次為DO、CODMn、揮發酚、氨氮。DO的綜合污染指數最高為2.08，氨氮綜合污染指數最低為0.92。由此可見，該區域水質年內變化并不明顯。

表1 2011年滹沱河忻州段水質分指數和綜合污染指數

2.2.3 空間變化

由表2可知，枯水期豐水質指標綜合污染指數從高到低順序依次為界河鋪、濟勝橋、崞陽橋、西留屬、下茹越、南莊;豐水期依次為濟勝橋、西留屬、下茹越、界河鋪、崞陽橋、南莊;平水期依次為濟勝橋、界河鋪、崞陽橋、西留屬、下茹越、南莊;豐、平、枯3個時期滹沱河忻州段水質的空間分布特征基本一致。界河鋪-濟勝橋段綜合污染指數最高，水質最差。而出境段面南莊水質最好。表中的評價級別根據GB 3838—2002《地表水環境質量標準》對應的類別。

由表2可見，根據各個斷面綜合指數、水質評價級別、生境狀況將滹沱河劃分為3個水功能區，界河鋪、濟勝橋段綜合污染指數最大，流經忻定盆地滹沱河灌區，此段也是城鎮集中、人口聚集、工農業發達區為污染控制區;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段，植被較好，為生態恢復區，西留屬、崞陽橋段污染狀況介于上述之間，但范圍廣，影響因素復雜為綜合改善區。

表2 滹沱河忻州段水質污染綜合指數

3 影響因子分析

滹沱河流域忻州段水環境質量的影響因素眾多，從自然和社會兩個方面共選取8項指標與水質狀況或者污染指標濃度進行相關性分析(表3)，并從中提出與水質具有極顯著水平相關性的4項指標。

表3 水質與統計指標相關系數

3.1 自然因素

降水量和河道水量是影響水質變化的最主要的自然因素，對該地區而言，其上游為滹沱河繁峙飲用農業用水區，水質可達Ⅰ～Ⅱ類標準，因此河道水量越大，其地表水水質越好;河道水量和年均降水量均應與水質變化呈負相關，變化趨勢應相反。通過整體分析，得到降水量和河道水量與水質的相關性系數分別為0.512、0.352，相關性并不顯著。參考該區域水資源組成結構，除多年平均降水量外，該區年均入境水量僅為0.04億立方米，占該區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域水質的變化主要因素。

3.2 社會因素

工業廢水量:工業、農業和生活污染是該區域地表水體污染的三大污染源。十一五期間，滹沱河流域6個縣(市、區)投資近3億元，實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個化肥廠，鏟除了沿線的小造紙廠、小淀粉廠、粉絲廠，關閉了排放量大的宏達淀粉廠和原平化肥廠;完成了紀元玉米、云馬焦化、禹王焦化、原平化二等工業廢水處理工程，實現了達標排放。該地區工業廢水量在2006年達到最大值，之后一直呈下降趨勢，其變化趨勢基本與水質變化趨勢相符，有較好的一致性，呈正相關，相關系數為0.882(P＜0.01)，達極顯著正相關，說明工業廢水量是影響水質變化的主要因素。

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

農業污染:農業污染主要是農田化肥流失，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，2007年以后趨于穩定，總體上看，變化趨勢基本上與水質變化相反，呈負相關，相關系數為0.573，說明農業污染與水質變化的相關性不顯著。

污水處理能力:為徹底改善水環境質量，忻州市全面啟動了污水處理廠建設。2007年，忻州、原平、五臺山風景區污水處理廠率先建成并穩定運行，實現污水達標排放，2008年代縣、繁峙污水處理廠相繼建成并投入運行。2009年新增定襄、五臺污水處理廠，使該區污水處理廠達到7座，根據忻州市集中式污水處理廠信息公開顯示，該區域設計污水處理能力達到17.8萬m3/d，2011年實際污水處理能力達到11.5萬m3/d。根據《忻州市環境保護“十一五”規劃》指標完成情況，2009年底城鎮生活污水集中處理率達到50%，忻府區達到80%。整體上看，污水處理能力對水質改善起到決定性作用，相關系數為0.905(P＜0.01)，呈現出極顯著負相關。參考近幾年污染調研結果，工業廢水排放已經成為影響水質變化的主要因素，污水處理能力的提高是該地區水質改善的關鍵。

GDP和人口數量:2009年以前，該地區經濟發展速度緩慢，處于極平緩的線性增長階段，水質變化卻處于中等污染及嚴重污染階段;2009年之后經濟發展快速增長，水質得到進一步改善。由此說明，經濟發展是成為改善水質的積極動力和重要原因，GDP與水質呈負相關，相關系數為0.919，人口數量緩慢增長，水質持續改善，人口增長壓力并未引起水環境繼續惡化，人口數量與水質呈負相關，相關系數為0.809，其中主要原因為2009年以后污水處理廠投入運行，雖然全市污水處理率并不高，但滹沱河主要城鎮污水來源于忻府區，而該地區建有全市最大的污水處理廠，污水處理率達到80%，河段水質大幅改善。通過污水處理達標排放進一步減輕了人口增長帶來的水環境壓力，因此，人口增長壓力并未引起水環境繼續惡化，人類社會發展對水質變化的影響說明，從傳統先污染，后治理的末端治理形式逐漸向預防污染源頭抓起。

4 結論

1)滹沱河忻州段水環境的脆弱性和可恢復性并存，時間序列上，從20世紀90年代至今，年際變化呈波動性，總體來看，1990年代初滹沱河水質已經開始惡化，進入2004年惡化趨勢進一步加劇，從2009年以后治理效果開始顯現，水質逐漸改善，劣Ⅴ類河長曲線總體呈先波動(1993—2003年)，再波動上升(2004—2008年)，最后快速下降(2009—2011年)趨勢;Ⅱ類河長所占比例呈下降趨勢;Ⅲ類河長所占比例處于波動狀態;Ⅳ、Ⅴ類河長所占比例呈上升趨勢。從年內變化來看，綜合污染指數從高到低依次為豐水期2.15、平水期1.75、枯水期1.28。4項水質指標綜合污染指數從高到低順序依次為:DO、CODMn、揮發酚、氨氮。該區域水質年內變化并不明顯。

2)滹沱河忻州段水質的空間分布特征表明:豐、平、枯3個時期水質的空間分布特征基本一致，界河鋪－濟勝橋段綜合污染指數最高，水質最差。出境段面南莊水質最好，源頭下茹越斷面介于兩者之間。根據各個斷面綜合指數、水質評價級別、生境狀況將滹沱河劃分為3個水功能區，界河鋪、濟勝橋段為污染控制區;下茹越和南莊斷面為生態恢復區，西留屬、崞陽橋段為綜合改善區。

3)滹沱河忻州段主要受社會因素影響。工業廢水排放、污水處理能力、GDP和人口數量對

該河段水質的影響較為顯著，工業廢水排放已經成為影響水質變化的主要因素，污水處理能力提高是水質改善的直接原因，人口增長壓力并未引起水環境繼續惡化，近年來經濟發展成為改善水質的積極動力和重要原因。

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