“十三五”時期渭河甘肅段化學需氧量及氨氮時空變化分析

孔凡彬，王一帆

（甘肅省環境監測中心站，甘肅 蘭州 730020）

渭河是黃河的最大支流，發源于甘肅省定西市渭源縣鳥鼠山，橫跨甘肅東部由西向東流經定西市渭源、隴西兩縣后自武山樺林鄉進入天水市，途經武山、甘谷和秦州、麥積兩區，于麥積區東岔鄉牛背村進入陜西境內，是甘、陜人民的母親河。渭河總長度818 km，流域面積134 767 km2，多年平均徑流量102.5億m3，輸沙量5.42億t。在定西市境內渭源縣城以下干流長約66 km，年徑流量7.94億m3，境內流域面積10 246 km2，年輸沙量5 044萬t，境內平均侵蝕模數5 100 t/km2，占渭河輸沙量的10.7%[1]。渭河天水境內河長269 km，流域面積11 548 km2，占渭河總流域面積的8.6%，占全市總面積14 317 km2的80.7%，境內年徑流量12.71億m3，占渭河總徑流量的11.8%，占全市總徑流量17.23億m3的70.3%。

渭河流域年降雨量在400～600 mm，渭河以南降水量較多，北部降水量較少。年蒸發量700～900 mm，年蒸發量與年降水量分布正好相反，為北多南少。一年中降水多集中在6—9月，占全年降水量的60%～80%，且多以暴雨形式出現，年際間降水變化率大，常有干旱發生。由于渭河南北不同的自然地理條件，形成各自不同的水文特征。北岸屬黃土高原，土體疏松，植被覆蓋率低，水土流失嚴重，侵蝕模數高，是渭河泥沙的主要來源。南岸屬西秦嶺山地，植被覆蓋率高，降水量大，水土流失輕微，是流域主要的水源涵養市。境內主要支流有散渡河、葫蘆河、牛頭河、通關河、榜沙河、大南河、藉河[2]。渭河甘肅段污染情況可分為點源和面源污染兩部分。其中，點源來源主要為工業源和生活源；面源來源主要為農藥、化肥的使用經降雨、降塵等導致的污染物進入水體。目前對渭河甘肅段水環境質量的研究較少，有針對渭河流域水環境承載能力及污染控制開展的研究分析[3]，但缺少針對特定污染指標的詳細研究。化學需氧量和氨氮作為“十三五”期間水污染物總量減排的2項約束性指標，直接影響河流水質類別以及群眾感官感受。通過研究渭河甘肅段化學需氧量和氨氮時空變化情況，以及2項污染物和其他污染物的相關性，為加強水污染物防治措施，確保渭河甘肅段水環境質量持續穩定改善提供依據。

1 監測概況與評價方法

1.1 監測斷面設置情況

渭河甘肅段沿河流流向設置斷面有西二十里鋪、土店子、樺林、北道橋、伯陽橋、葡萄園。因支流匯入導致水質發生明顯變化的支流有葫蘆河和牛頭河，因此在葫蘆河和牛頭河支流分別設置監測斷面一號橋和倪徐家。其中西二十里鋪和土店子斷面屬定西市，其他斷面均屬天水市。

1.2 數據來源

水質數據來源于相關市生態環境監測中心例行監測反饋數據。監測時間為2016—2020年，監測頻次為每月1次，監測項目為《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）[4]中的24項常規指標，樣品的采集與分析均按相關技術規范與標準進行。文章主要研究指標為化學需氧量和氨氮，分析方法分別為重鉻酸鹽法[5]和納氏試劑比色法[6]。

1.3 評價方法

依據《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002），斷面污染物濃度采用單因子評價法評價。河流污染物濃度采用《地表水環境質量評價辦法》（試行）[7]。采用Spearman秩相關系數法分析化學需氧量、氨氮和其他污染指標的相關性[8]。根據河流流向采用時間序列法分析渭河甘肅段化學需氧量和氨氮時空變化特征[9-10]。

2 結果分析

2.1 時間分布分析

2.1.1 年變化特征

數據顯示，“十三五”期間，渭河甘肅段化學需氧量和氨氮濃度總體呈下降趨勢。2020年和2016年比較，化學需氧量濃度西二十里鋪斷面下降了25.4%，土店子斷面下降了33.9%，樺林斷面下降了31.1%，北道橋斷面下降了41.3%，伯陽橋斷面下降了35.0%，葡萄園斷面下降了43.4%；氨氮濃度西二十里鋪斷面下降了6.2%，土店子斷面上升了2.6%，樺林斷面下降了65.3%，北道橋斷面下降了32.4%，伯陽橋斷面下降了52.8%，葡萄園斷面下降了71.4%。化學需氧量和氨氮年數據見表1，渭河甘肅段化學需氧量各斷面年變化情況和化學需氧量年變化情況如圖1—圖2所示，氨氮各斷面數據年變化情況和氨氮年變化情況如圖3—圖4所示。

表1 “十三五”期間渭河化學需氧量和氨氮數據統計情況

圖1 渭河甘肅段化學需氧量各斷面年變化情況

圖2 渭河甘肅段化學需氧量年變化情況

圖3 渭河甘肅段氨氮各斷面年變化情況

圖4 渭河甘肅段氨氮年變化情況

總體來看，2020年較2016年渭河甘肅段化學需氧量和氨氮濃度均值分別下降了35.5%和36.5%。主要污染物的持續下降，與“水污染防治行動”的實施密不可分。渭河治理引起從生態環境部到省委再到地方各級政府部門的高度重視和反思。水利部辦公廳印發《關于進一步強化河湖長履職盡責的指導意見》，提出河長制要從有名到有實際。從省到市到縣再到鄉鎮，河長制得到空前重視，極大提升了環保管理水平。定西、天水2市通過產業結構調整和技術創新，將源頭治理和污染防治有機結合，淘汰、限制工藝設備落后的過剩生產力，加強新技術、環保節能技術的推廣。渭河流域大小支流所有失控垃圾得到清理和妥善處置，河道基本實現無垃圾，大小河道告別臟亂差現象。各級政府設置涉及河道治理及管理的大小設施達上千個。部分不合規沙場得到清理，河道生態傷害得到制止。定西和天水2市簽訂《渭河定西——天水段水污染聯防聯控協議》，標志著2市渭河水污染進入跨區域防治階段。為加快渭河源區生態保護與綜合治理規劃實施，2017年定西市組織編制了《甘肅定西渭河源區生態保護與綜合治理規劃實施方案》，細化篩選了308個總投資103億元的項目表，并通過現有各類項目投資渠道，整合項目資金。這一系列環境保護措施的實施，是渭河甘肅段水質好轉的根本原因。

2.1.2 月變化特征

數據顯示，“十三五”期間，渭河甘肅段化學需氧量和氨氮濃度總體呈波動下降趨勢。每年的冬春季濃度達到最大峰值，汛期（6—10月）[11-12]濃度達到當年最低水平。渭河甘肅段化學需氧量月變化情況如圖5所示，氨氮月變化情況如圖6所示。

圖5 渭河甘肅段化學需氧量月變化情況

圖6 渭河甘肅段氨氮月變化情況

研究表明，水質季節波動和流域斷面水量差異與當地排污環境有關[13]。化學需氧量濃度穩定達標；氨氮濃度個別月份還有超標現象。在枯水期應加強對含氮有機物排放的控制。

2.2 空間分布分析

根據化學需氧量和氨氮5年均值分析，空間上渭河甘肅段化學需氧量和氨氮濃度呈波動變化，總體趨于穩定。化學需氧量濃度在土店子斷面上升到峰值后開始下降，在樺林斷面又有所上升，在伯陽橋達到峰值后開始下降，最終出境斷面濃度較入境斷面濃度下降了11.8%。氨氮在土店子和北道橋斷面均為濃度上升到峰值后下降，最終在出境斷面濃度較入境斷面濃度上升了4.8%。數據表明，渭河土店子斷面上游有化學需氧量和氨氮污染物匯入，在北道橋斷面上游樺林斷面下游之間，有明顯的氨氮污染物匯入。

根據地理位置分析，土店子斷面上游有大咸河支流匯入，北道橋斷面上游有葫蘆河支流匯入。葫蘆河匯入渭河前設置有監測斷面一號橋，一號橋監測數據顯示化學需氧量和氨氮濃度明顯高于渭河，因此可以判定北道橋斷面化學需氧量和氨氮濃度升高的原因之一是葫蘆河匯入導致。因大咸河目前未設置監測斷面，估計土店子斷面化學需氧量和氨氮濃度升高可能是大咸河匯入造成的，也可能是面源污染導致。“十三五”期間渭河甘肅段化學需氧量數據統計情況見表2，化學需氧量沿流程變化情況如圖7所示，化學需氧量5年均值沿流程變化情況如圖8所示，氨氮數據統計情況見表3，氨氮沿流程變化情況如圖9所示，氨氮5年均值沿流程變化情況如圖10所示。

表2 “十三五”期間渭河甘肅段化學需氧量數據統計情況 單位：mg/L

圖7 渭河甘肅段化學需氧量沿流程變化情況

圖8 渭河甘肅段化學需氧量5年均值沿流程變化情況

表3 “十三五”期間渭河甘肅段氨氮數據統計情況 單位：mg/L

圖9 渭河甘肅段氨氮沿流程變化情況

圖10 渭河甘肅段氨氮5年均值沿流程變化情況

葫蘆河是渭河的一級支流。近年來天水市堅持山水林田湖草綜合治理，實施了一批生態保護修復和建設工程，提升水源涵養能力，防止水土流失。葫蘆河流域治理工程于2017年10月開工，通過興建防洪堤、污水處理廠等水利工程，以及興建人工湖泊、濕地等生物工程，多項措施并舉，努力維護流域生態環境。工程于2018年6月底全面建設完工。從2018年開始，進入葫蘆河的泥沙量減少，葫蘆河水質整體得到明顯改善。“十三五”期間葫蘆河一號橋斷面化學需氧量和氨氮數據統計情況見表4，化學需氧量年變化情況如圖11所示，氨氮年變化情況如圖12所示。2019年開始，葫蘆河一號橋斷面2項指標已穩定達標，但渭河天水段北道橋斷面2項污染物指標濃度較上游樺林斷面依然有明顯上升，說明支流影響只是原因之一，還存在其他污染水體匯入或面源污染，這些是造成北道橋斷面化學需氧量和氨氮濃度升高不可忽視的原因。從污染指標沿流程變化圖形還可以看出，渭河甘肅段氨氮濃度波動明顯大于化學需氧量，說明水體含氮有機物濃度變化較大。

表4 “十三五”期間一號橋斷面化學需氧量數據統計情況 單位：mg/L

圖11 一號橋斷面化學需氧量年變化情況

圖12 一號橋斷面氨氮年變化情況

2.3 與溶解氧的相關性分析

Spearman秩相關系數通常被認為是排列后的變量之間的Pearson線性相關系數。相關系數在0.8～1.0表示極強相關性，在0.6～0.8表示強相關性，在0.4～0.6表示中等程度相關性，在0.2～0.4表示弱相關性，在0.0～0.2表示極弱相關性或無相關性。

分別計算2016—2020年化學需氧量、氨氮和溶解氧的Spearman秩相關系數，得到化學需氧量和溶解氧的相關系數為-0.9，表明2者為極強負相關性；氨氮和溶解氧的相關系數為0.1，表明2者無顯著相關性。由于化學需氧量和溶解氧的極強負相關性，說明渭河甘肅段水體對化學需氧量的降解更為有利。“十三五”期間渭河甘肅段溶解氧數據統計情況見表5。

表5 渭河甘肅段溶解氧數據統計情況 單位：mg/L

3 結論

“十三五”期間渭河甘肅段化學需氧量和氨氮濃度持續下降，2020年較2016年渭河甘肅段化學需氧量和氨氮濃度均值分別下降了35.5%和36.5%。每年的冬春季為污染物濃度最大值。化學需氧量濃度能夠穩定達標；氨氮濃度個別月份還有超標現象，在枯水期應加強對含氮有機物排放的控制管理。

空間上土店子斷面上游有化學需氧量和氨氮污染物匯入，在北道橋斷面上游有明顯的氨氮污染物匯入。北道橋斷面化學需氧量和氨氮濃度升高的原因之一是葫蘆河匯入導致。氨氮濃度波動明顯大于化學需氧量，說明水體含氮有機物濃度變化較大，在今后的治理中應加強對含氮有機物的治理。

從化學需氧量和溶解氧的極強負相關性可以看出，渭河甘肅段水體對化學需氧量的降解更為有利。