渭河干流陜西段綜合治理前后的水質變化與趨勢

胡德秀, 李 立, 張 艷, 熊江龍

(西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室， 陜西 西安 710048)

渭河作為陜西關中地區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。隨著陜西省社會經濟的快速發展，工業、農業和城鎮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年渭河干流咸陽至渭南潼關出境有2/3的河段污染嚴重，多年維持在劣Ⅴ類水質；王珍等[2]的研究顯示2007—2011年渭河干流仍有1/2的監測斷面沒有達到水環境功能的要求。針對渭河水質及水生態狀況惡化的實際情況，陜西省委省政府于2011年啟動了渭河陜西段綜合整治工程，相繼出臺了《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方案(2012—2014)》以及《渭河生態區建設總體規劃》等一系列政策文件，并進行了一系列的綜合治理工程，渭河水質惡化的趨勢得到了有效的遏制。

目前，關于渭河流域水質的研究多集中在污染物特征分析[3-4]與水污染評估、水質評價方面[5-8]，鮮有針對綜合整治以來渭河干流陜西段水質變化趨勢的研究。渭河干流的污染指標較多，其中主要超標項目為化學需氧量(COD)與NH3-N[9]，因此本文擬以COD, NH3-N為研究指標，定量分析2010—2016年渭河綜合治理工程實施過程中河流水質的時空變化，嘗試應用Mann-Kendall檢驗法闡明水質的變化趨勢，通過R/S分析法探索水質未來變化趨勢的持續性，以期考量綜合治理措施實施后水環境改善效果，為后續渭河流域污染治理及水環境管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 區域概況

渭河是黃河第一大支流，干流全長818 km，陜西段流程512 km，流經寶雞、咸陽、西安和渭南4個市以及楊凌示范區。寶雞市以上為上游段，河谷狹窄，川峽相間，水流湍急；寶雞峽至咸陽為中游段，河長171 km，河道寬，多沙洲，水流分散；咸陽至潼關為下游段，河長208 km，河道淤積嚴重，比降較小。流域冬季干燥嚴寒，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]。渭河灌溉農田近9.33×105hm2，流域集中了陜西65%的生產總值，接納了全省78%的工業廢水和86%的生活污水[11]。渭河干流陜西段有13個主要監測斷面，即寶雞段林家村、臥龍寺、虢鎮橋、常興橋監測斷面，咸陽段興平、南營、咸陽鐵橋監測斷面，西安段天江人渡、耿鎮橋、新豐橋監測斷面，渭南段沙王渡、樹園、潼關吊橋監測斷面。

1.2 數據來源

水質數據來源于《陜西省環境狀況公報》[12]和陜西省環保廳網站關于渭河干流、支流考核斷面水質監測報告(http:∥www.snepb.gov.cn/)?！蛾兾魇…h境狀況公報》的水質數據以年為時間單元更新發布(2010—2016年)，發布的水質指標為COD和氨氮(NH3-N)，單位均為mg/L。陜西省環保廳水質監測報告的監測數據以月為時間單元更新發布，監測指標同樣為COD和氨氮(NH3-N)，單位均為mg/L。

1.3 水質標準與評價方法

以《地表水環境質量標準》(GB3838-2002，見表1)為水質指標評價標準，利用《地表水環境質量評價辦法(試行)》進行監測斷面水環境質量評價。根據《地表水環境質量評價辦法(試行)》，當河流的斷面總數在5個(含5個)以上時，采用斷面水質類別比例法，即根據評價河流中各種水質類別的斷面數占河流所有評價斷面總數的百分比來評價其水質狀況，河流的水質分為以下5個級別： ①當Ⅰ—Ⅲ類水質比例≥90%時，河流水質為優； ②當75%≤Ⅰ—Ⅲ類水質比例<90%時，河流水質為良好； ③當Ⅰ—Ⅲ類水質比例<75%，且劣Ⅴ類比例<20%時，河流水質為輕度污染； ④當Ⅰ—Ⅲ類水質比例<75%，且20%≤劣Ⅴ類比例<40%時，河流水質為中度污染； ⑤當Ⅰ—Ⅲ類水質比例<60%，且劣Ⅴ類比例≥40%時，河流水質為重度污染。

表1 地表水環境質量評價標準

1.4 Mann-Kendall趨勢檢驗法

Mann-Kendall檢驗法在分析降水、徑流、氣溫和水質等要素時間序列的變化趨勢中得到了廣泛的應用[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，計算簡便。假設有時間序列x1,x2,…,xn服從n個獨立的、隨機變量同分布樣本，那么統計變量S的其計算公式為：

(1)

(2)

式中：sgn(Xji-Xki)——表征函數，隨機序列Si(i=1,2,3，…，n)近似服從正態分布，則Si的均值和標準差為：μs=0

(3)

式中：m——相同數的個數；ti——第i個組的個數；

(4)

對于統計變量Zc>0時，是上升趨勢；Zc<0時，是下降趨勢；Zc=0時，無變化趨勢。通常取顯著性水平α為0.1和0.01，當0.01<α≤0.1時，1.282.32，說明檢驗具有高度顯著水平。

1.5 重標極差(R/S)分析

R/S分析方法又稱為重標極差分析法，是時間尺度上演變趨勢的預測方法，該方法的特點是能揭示時間序列的分形特征，能明確時間序列未來的變化特征與過去是相同還是相反的，著重在于揭示未來的變化特征，其Hurst指數能很好的揭示時間序列中的趨勢成分。其計算的基本方法為：設有一時間序列B(t)，t=1,2,3，…，t，設X(t)=B(t)-B(t-1)，累積離差X(t,τ)，極差R(τ)，標準偏差S(τ)為：

(5)

(6)

(7)

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

對于比值H=R(τ)/S(τ)=R/S，若存在如下關系R/S∝τH，則說明時間序列ξ(t)存在Hurts現象，H值稱為Hurst指數。Hurst指數(0

2 結果與分析

2.1 水質評價

根據《陜西省環境狀況公報》[12](2010—2016)中渭河干流監測斷面水質的評價結果，統計其水質類別占比年際變化情況(見表2)。渭河干流劣Ⅴ類斷面占比持續下降，由2010年的69.3%削減至2016年的10.5%，削減了58.8%；Ⅳ—Ⅴ類斷面占比持續上升，由2010年的7.7%上升至2016年的63.2%，增長了55.5%；Ⅰ—Ⅲ類斷面占比較穩定，多年穩定在23%～28.6%。按照《地表水環境質量評價辦法(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，可見自2011年實施的企業治理減排、農業結構調整與綜合治理項目使外源污染物輸入量大大減少，對渭河干流水質起到持續改善作用。

表2 2010-2016年渭河干流陜西段監測斷面水質類別百分比例%

2016年渭河干流陜西段以Ⅳ—Ⅴ類水質為主(見表3)，10個斷面的水質已經能夠達到水質功能要求，3個斷面(虢鎮橋、天江人渡和耿鎮橋)的水質未能達到水質功能使用要求，其中虢鎮橋與天江人渡為劣Ⅴ類水質，基本喪失水體使用功能，說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重。

表3 2016年渭河干流陜西段主要斷面水質評價

對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收官年)和2016年(現狀年)4個不同年份主要污染指標的年均監測值進行沿程變化分析，結果見圖1。

由圖1a可知，渭河干流陜西段綜合整治前COD污染嚴重，其中咸陽鐵橋、天江人渡、沙王渡和樹園4個斷面為劣Ⅴ類水質。2011年(整治起始年)較2010年變化并不明顯，咸陽鐵橋至新豐橋4個斷面為劣Ⅴ類水質。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類水質轉好為Ⅳ—Ⅴ類水質。2016年渭河干流陜西段全段COD已能滿足Ⅳ類水質標準要求。

圖1 渭河干流陜西段COD與NH3-N變化

相比于COD指標，渭河干流陜西段NH3-N的污染程度更加嚴重(見圖1b)。2010與2011年興平至潼關共9個斷面均為劣Ⅴ類水質斷面。經過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類斷面數量由9個下降至3個，其中西安段新豐橋斷面以及渭南段沙王渡、樹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污染程度持續減輕，以Ⅳ—Ⅴ類斷面為主，有2個劣Ⅴ類斷面(虢鎮橋和天江人渡)，局部污染仍然嚴重，特別是寶雞段林家村、臥龍寺和虢鎮橋斷面NH3-N濃度有明顯上升，應引起有關管理部門的警惕。

總體看，寶雞段COD與NH3-N濃度較低，沿程咸陽段污染逐步加劇，西安段污染最為嚴重，渭河干流陜西段水質出現以行政區域為單位的變化規律，這與馮旭等[21]的研究結果一致。因此，以行政區為單元對寶雞出境(渭河楊凌)、咸陽出境(咸陽鐵橋)、西安出境(新豐鎮)和渭南出境(潼關吊橋)4個斷面進行枯、豐水期水質變化特征分析，結果見圖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個斷面中最高值。值得注意的是2016年咸陽出境斷面豐水期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程會有反復現象。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個出境斷面中的最高值。4個出境斷面枯水期COD,NH3-N濃度普遍高于豐水期，相關研究認為雖然豐水期非點源污染加劇，但渭河干流沿岸城市對渭河污染物的輸入還是以點源為主[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 各出境斷面化學需氧量(COD)及氨氮(NH3-N)變化

2.2 Mann-Kendall趨勢檢驗

對寶雞出境、咸陽出境、西安出境和渭南出境4個斷面2011—2016年COD與NH3-N的逐月監測數據進行Mann-Kendall趨勢檢驗，結果見表4。

表4 渭河干流陜西段水質變化趨勢檢驗結果

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

2.3 R/S分析法分析結果

基于2011—2016年逐月水質監測數據，寶雞出境、咸陽出境、西安出境和渭南出境斷面COD與NH3-N時間序列的R/S分析法分析結果見表5。結果顯示各出境斷面主要污染指標的H值均大于0.5，說明各出境斷面水質都具有長程相關性(持續性)，即未來水質變化趨勢跟2011—2016年期間的變化趨勢一致。未來4個出境斷面NH3-N濃度都將具有較強的持續下降延續性，咸陽、西安和渭南出境斷面COD會延續下降趨勢，但是持續性較弱，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延續COD上升趨勢，盡管程度較弱，仍需要引起有關部門的重視，要盡快查明污染來源，采取針對性措施，早日遏制水質惡化趨勢。

河流水質長程相關性的影響因素較多，包括土地利用、景觀格局、氣候、水文等因素[15]，根據渭河治理保護文件《渭河流域水污染防治鞏固提高三年行動方案(2015—2017)》，陜西省政府將繼續加強渭河治理工作，包括進一步優化土地利用結構、加大治理產業聚集區水污染、控制畜禽養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成為渭河干流陜西段水質變好趨勢得以延續的保障。

表5 各出境斷面COD和NH3-N的R/S指數

3 結 論

(1) 渭河干流陜西段水質由2010年的重度污染轉變為2016年的輕度污染，水質明顯改善，說明從2011年開始實施的企業治理減排、農業結構調整與綜合治理工程項目取得了良好的效果。值得注意的是2016年虢鎮橋斷面與天江人渡斷面仍為劣Ⅴ類水質，渭河干流陜西段局部嚴重污染仍然存在。

(2) 寶雞、咸陽、西安和渭南4個出境斷面枯水期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個斷面中污染最為嚴重的斷面。

(3) 渭河干流陜西段4個出境斷面NH3-N濃度均呈現高度顯著下降趨勢，并將具有較強持續性；咸陽、西安和渭南出境斷面COD濃度呈現顯著下降趨勢，但持續性不強；寶雞出境斷面COD濃度呈現不顯著上升趨勢且將會延續，盡管程度較弱，仍需要引起有關部門的重視。