石亭江流域金輪斷面水質趨勢分析和治理研究

高倩倩，楊 賢，吳加祿，楊永欽，傅德瑜

（1.四川省德陽生態環境監測中心站，四川 德陽 618000；2.德陽市生態環境局，四川 德陽 618000）

石亭江是德陽市境內重要的河流，屬于沱江流域，發源于四川省什邡市紅白鎮，屬于沱江流域，全長122 km，流域面積1512 km2，涉及的行政區域包括綿竹市、什邡市、旌陽區、廣漢市。金輪斷面是石亭江流域的重要斷面，作為石亭江什邡綿竹段控制單元出境控制節點和石亭江廣漢旌陽入境控制節點，金輪斷面水質狀況的控制對石亭江流域水質環境質量的改善起到關鍵作用。因此，對石亭江金輪斷面水環境質量現狀進行監測和分析，及發展趨勢的預測，可為改善該流域的水環境質量提供數據依據和支撐。

Spearman秩相關系數法作為一種常用污染變化趨勢的定量分析方法，通過對各污染因子監測數據進行統計分析，可表明其在評價時段內變化趨勢。環境監測中，許多因素影響環境質量，有些因素是不明確的。灰色系統模型GM （1，1）趨勢因子a法建立的定量預測模型，可以對污染因子定性分析，預測未來時間段內污染因子的變化趨勢，反映出未來時段內需要重點關注的污染因子，在水質環境監測中，使用灰色模型來研究是相適應的[1]。

通過對金輪斷面近幾年監測數據的分析，用Spearman秩相關系數法評價各污染因子在評價時段內的變化趨勢，用灰色系統模型GM（1，1）趨勢因子a法預測未來時段內污染指標的變化趨勢。

1 石亭江金輪斷面水環境質量評價

1.1 評價因子和標準

根據2016年～2021年市站監測數據，選用高錳酸鹽指數（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）進行趨勢預測和評價分析。根據德陽市地表水環境質量功能區劃分類，金輪斷面屬于Ⅲ類水域功能區，應執行《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅲ類水質標準。

1.2 水環境質量評價方法

金輪斷面水質環境質量現狀評價采用Spearman秩相關系數法和灰色系統模型GM（1，1）趨勢因子a法進行分析評價[2]。

1.2.1 Spearman秩相關系數法

式中：di為變量Xi與Yi的差值；Xi為周期I-N從小到大按濃度值排序的序號；Yi為按時間排序的序號。

對將秩相關系數Rs的絕對值同臨界值Wp進行比較，當|Rs|≥Wp時，則表明變化趨勢有顯著意義，如果Rs是負值，則表明在評價時段內有關統計量指標變化呈下降或好轉趨勢；如果Rs為正值，則表明在評價時段內有關統計量指標變化呈上升或加重趨勢。

1.2.2 灰色系統模型GM（1，1）趨勢因子a法

構造Yn向量如下：

用最小二乘法求取待辨識參數列S：

式中：T表示矩陣的轉置，-1表示矩陣的逆。

建立各種污染因子的預測模型：

對（1）式預測模型進行趨勢判斷：

對于灰色系統模型GM（1，1）趨勢因子α法，當 大于0，則e-1e-a小于1，即，表明污染因子的濃度值隨時間推移而降低，且a值越大，降低趨勢越明顯。當 小于0，則e-a大于1，即，表明污染因子的濃度隨時間推移而變大，且 值越小，變大趨勢越明顯。當 等于0，則e等于1，即，表明污染因子的濃度不隨時間變化。

2 水環境質量監測值和結果評價

根據2016年～2020年金輪斷面監測數據，通過相關系數Rs計算，金輪斷面總磷的Rs為-0.900，總磷濃度呈顯著下降趨勢，高錳酸鹽指數和氨氮的Rs分別為-0.100和-0.800，兩者濃度均呈不顯著下降趨勢，五日生化需氧量的Rs為0.100，五日生化需氧量濃度呈不顯著上升趨勢[3]。通過Pi和趨勢因子 計算得出，金輪斷面總磷項目的Pi大于1、大于等于0，總磷是現實污染因子，但污染程度將趨于減輕；高錳酸鹽指數、五日生化需氧量和氨氮項目Pi小于等于1、大于等于0，高錳酸鹽指數、五日生化需氧量和氨氮濃度將呈下降趨勢，是非污染因子，維持現狀即可，見表1。由此可見，2016年～2020年期間該斷面污染治理措施基本有效，但總磷還處于超標狀態，且常年處于劣Ⅴ，亟需加強治理。

表1 金輪斷面水質環境結果評價和趨勢分析 單位：mg/L

表1中：①Spearman秩相關系數臨界值Wp0.05為0.900。②Pi=Ci/Co， Pi大于1，小于0，表明污染已經發生，且程度正在加劇，是主要污染因子，是環境治理的關鍵污染因子；Pi大于1，大于等于0，表明污染已經發生，程度趨于減輕，是環境治理的現實污染因子；Pi小于等于1，小于0，表明污染程度正增加，未超標，是環境污染的潛在因子；Pi小于等于1，大于等于0，表示該因子未超標，且在減少，是非污染因子。 ③當 大于0，污染濃度隨時間推移降低，值越大，降低越明顯；小于0，污染濃度隨時間推移變大，值越小，變大越明顯；等于0，污染濃度隨時間推移無變化。

2021年，金輪斷面高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、氨氮和總磷年均濃度分別為2.1 mg/L、1.8 mg/L、0.29 mg/L和0.16 mg/L，均達到地表水Ⅲ類水質標準，尤其是總磷，水質質量由2020 年劣Ⅴ變為Ⅲ類，但個別時段仍存在超標現象。

為研究其它監測項目對總磷的影響，選取2021 年金輪斷面監測項目水溫、pH、溶解氧、流量、高錳酸鹽指數、氨氮、化學需氧量、五日生化需氧量、石油類和總磷監測數據進行變量間相關性分析，通過分析兩個或多個具備相關性的變量元素，以此衡量變量因素的相關密切程度。通過表2數據可以看出，總磷與化學需氧量、五日生化需氧量有低度正相關，總磷與高錳酸鹽指數、氨氮相關系數分別為0.617和0.743，具有顯著正相關，說明高錳酸鹽指數和氨氮濃度的消減對總磷濃度的降低是有益的。總磷濃度和流量之間的相關系數為-0.004，兩者之間不存在相關，反映出金輪斷面總磷濃度不受流量變化影響。

表2 金輪斷面監測項目相關系數矩陣

3 “十三五”金輪斷面水質污染的主要因素

3.1 本底值超標問題不容忽視

德陽市龍門山脈屬磷礦富集地，自20世紀50 年代末就已開始磷化工產業的生產，早先的粗放式發展和磷礦的大面積開采，對流域總磷本底值有較高貢獻。

3.2 收納上游工業廢水

德陽市是我國重要的磷化工基地，石亭江流域沿岸分布著眾多磷化工企業和工業園區，主要集中在什邡市和綿竹市，大量含磷廢水排入石亭江，對石亭江總磷貢獻頗大。而金輪斷面處于涉磷企業和工業園區的下游，收納了上游含磷工業廢水。

3.3 沿岸污水處理設施運行效率較低

由于多數鄉鎮污水處理設施未正常運行，部分污水處理設施設計處理能力不能滿足日益增長的生活污水處理需求，農村生活污水處理效率低，對石亭江金輪斷面污染日益加重。

4 水污染治理措施

通過近幾年的監測數據分析，總磷作為金輪斷面的現實污染因子，高錳酸鹽指數和氨氮對總磷有顯著正相關，且總磷濃度不受流量的影響。所以，若想改善金輪斷面總磷污染現象，即要從源頭隔絕總磷的來源，又要同時削減高錳酸鹽指數和氨氮的排放。

4.1 以突出問題整改為契機，提高水環境質量

通過中央、省級環保督察，以及長江經濟帶生態環境問題反饋和自查，對石亭江流域兩岸，尤其是石亭江什邡綿竹段控制單元存在的問題，健全責任體系，加強調度督辦和部門聯動協調，逐一明確整改任務、整改目標、整改責任和整改時限，以整改為契機，加強流域周邊企業管理，開展“雙隨機”“測管協同”監管模式，嚴厲打擊環境違法行為，不斷改善石亭江流域水環境質量。

4.2 開展“三磷”專項整治

開展“三磷”污染專項整治，完成礦井井硐封閉工作，拆除地面生產生活設施。加強石亭江流域兩岸磷化工企業廢水整治，抓好冷凝水、初期雨水、生產廢水“3”回用，進行有效循環使用不外排；做好雨污、清污“2”分流；做好水平衡，實現全廠水平衡。2021 年，所有涉磷企業廢水不再排入石亭江流域，涉磷企業“地涌水”全部處理回收再利用，不再外排至石亭江流域。

同時，加大磷化工企業磷石膏堆場規范化整治和綜合利用進度，探采礦權依法有序退出，提高磷石膏利用率，實現了“消增削存”，很大程度上削減了石亭江兩岸的總磷入河負荷。

4.3 強化污水處理設施建設及運維

在全市推行“全域覆蓋、規劃統籌、投建營運一體、收集處理一體、政府購買服務”的污水治理新模式。沿岸城市不斷加大污水處理設施的建設，完善鄉鎮污水管網建設，針對問題管網制定整改方案，全面開展鄉鎮污水管理排查補漏，提高污水收集率，做到污水不溢流、污水達標排放，2021 年實施管網修復改造和新建項目共10 余個。污水處理效率的提高，大大削減了化學需氧量和氨氮等污染物的排放，顯著改善石亭江流域水質。

4.4 沿岸工業園區升級改造

金輪斷面上游沿岸分布著雙盛和新市兩大工業園區，針對工業園區污水排放情況，對污水處理設施進行升級改造，安裝除磷設施、二級生化池，以及在總排口建設濕地。同時，安裝在線監測系統，加強監管力度。

5 結語

本文通過Spearman秩相關系數法和灰色系統模型GM（1，1）趨勢因子a法，對石亭江流域金輪斷面的水質進行的分析和討論，并對各種污染因子進行分類，數據分析發現，近幾年金輪斷面的水質質量趨于變好，但總磷項目存在偶爾超標現象，是環境治理的現實污染因子。通過元素相關性分析，找出對總磷有影響的監測項目，為石亭江金輪斷面精準治污提供了依據。通過監測數據的分析，結合石亭江流域周圍實際環境條件，分析了金輪斷面污染的原因，探討了石亭江金輪斷面水質改善的治理措施，可為其它類似流域污染治理提供參考。