烏蘭木倫河石圪臺省控斷面水質驅動因素及污染特征研究

張亞寧 吳喜軍 董穎 劉靜

摘要：煤礦廢水是造成周邊水環境污染的重要因素，通過分析烏蘭木倫河石圪臺斷面水質含量特征、驅動因子和污染趨勢，為礦區生態環境建設提供科學依據。從2015年-2021年石圪臺斷面的歷年21項監測數據來看：化學需氧量、氨氪、總磷、高錳酸鹽指數、生化需氧量和氯化物6項指標超標率較高，其中高錳酸鹽指數、生化需氧量和化學需氧量是影響水質的主要驅動因子；7年期間水質變化趨勢顯著變好。并結合石圪臺斷面處的工業排污口、污染源等因素進行溯源分析，對于改善該斷面水質具有良好的監督管理作用。

關鍵詞：石圪臺；驅動因子；水質評價；秩相關系數法

中圖分類號：X824 文獻標志碼：B

前言

水是支撐自然生態和社會經濟的重要資源，扮演者極其重要的作用。但隨著地區經濟的迅速發展，水資源污染現象時有發生，部分水體常年無法達到水環境功能區劃目標，因此，迫切需要加強對水環境污染管理和控制的力度。對于沒有達到國家水質目標的流域，有關部門應該針對當前的水環境問題制定達標方案。2020年2月，將《重點流域水生態環境保護規劃》作為全市“十四五”期間的專項規劃，并納入全市規劃編制的總體方案，并向市、縣統計、林業、水利等部門調取了基礎數據，為水環境管理和水污染控制等提供基礎數據支撐。

烏蘭木倫河，黃河支流窟野河上源。發源于內蒙古南部伊克昭盟沙漠地區，全長132.5公里，流域面積為3 837.27平方公里，陜西境內河長36.5公里，流域面積770平方公里，沿河流域煤炭資源儲量豐富。隨著煤炭的大規模開采，礦業活動對當地水資源環境的影響日漸凸顯。文章以烏蘭木倫河石圪臺省控斷面水質為研究對象，通過榆林市生態環境局提供的2015年-2021年水質數據，確定主要超標指標、驅動因子以及水質變化趨勢等，以期為水資源管理者提供一個較為科學的依據，同時也為礦區生態環境建設提供有價值的參考。

1水質評價依據及方法

1.1評價指標

評價指標共21種：pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量（COD）、生化需氧量（BODs）、氨氮、總磷、銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鎘、鉻（六價）、鉛、氰化物、揮發酚、石油類、陰離子表面活性劑、硫化物。

1.2評價標準

斷面水質執行標準根據《陜西省“十四五”國考斷面“一斷一策”水體達標方案編制大綱》控制斷面的考核要求確定，烏蘭木倫河石圪臺斷面水質類別要求符合《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅲ類水質標準。

2結果與討論

2.1烏蘭木倫河石圪臺斷面水質特征

2015年-2021年期間，烏蘭木倫河石圪臺斷面每月監測一次，以每年12次監測數據的算術平均值進行評價。評價方法使用單因子評價法，根據評價時段內該斷面參評指標中類別最高的一項來確定水質類別。2015年-2017年該斷面水質劣于V類，但2019年水質提升至Ⅱ類標準，2020年-2021年水質均為Ⅲ類標準，6年期間烏蘭木倫河石圪臺斷面水質明顯提高。因此，烏蘭木倫河石圪臺斷面水質已連續三年符合Ⅲ類水質標準，達到國家要求的流域水質目標。

但是烏蘭木倫河石圪臺斷面個別月份水質指標出現超標，超標率為某評價指標超過Ⅲ類標準的本年度月份數與總月份數的比值。2015年主要污染指標為氟化物、化學需氧量、高錳酸鹽指數和生化需氧量，超標率分別為100%、91.67%、41.67%和41.67%；2016年污染指標為化學需氧量、氟化物和生化需氧量，超標率分別為100%、83.33%和50.00%；2017年污染指標為氟化物、化學需氧量和高錳酸鹽指數，超標率分別為100%、91.67%和8.33%；2018年污染指標為化學需氧量和高錳酸鹽指數，超標率分別為58.33%和8.33%；2019年污染指標為化學需氧量，超標率為8.33%；2020年無超標指標；2021年污染指標為化學需氧量，超標率為25%。

除上述超標指標外，其余指標在多個時段符合I類水質標準，甚至均低于檢測限。因此，著重分析以下超標指標：化學需氧量（如圖1所示）、氨氮、總磷（如圖2所示）、高錳酸鹽指數、BODs（如圖3所示）和氟化物（如圖4所示）。

COD、BODs和高錳酸鹽指數指示水體中有機物及還原性物質含量，綜合6年水質狀況，烏蘭木倫河石圪臺斷面COD和高錳酸鹽指數的超標率于2015年-2019年期間較高（如圖1和圖3所示），大多數月份均有超標情況，之后超標率明顯降低。主要原因是烏蘭木倫河石圪臺斷面周邊分布很多煙煤和無煙煤開采洗選和煤制品行業，且農村地區無污水管網覆蓋，無法實現污水集中處理，生活垃圾處理水平普遍偏低，隨意堆放，經降水以地表徑流形式排人河流，這些均導致直接或間接排放的污廢水對河流水質造成一定影響。

氨氮、總磷濃度值如圖2所示。氨氮和總磷在2015年-2016年超標率較高，且2017年后氨氮和總磷均無超標月份，水質平穩。廢水中的氨氮是指以游離氨和離子銨形式存在的氮，主要來源于周邊鄉鎮生活污水、石圪臺煤礦排放的污廢水、焦化工業廢水以及農耕使用氮肥經過地表徑流進入烏蘭木倫河中，引起氨氮超標。總磷主要來源為周邊居民生活污水隨意倒放、農村作業過程中使用含磷化學肥料、有機磷農藥等。故氨氮、總磷超標主要是由于石圪臺斷面處鄉鎮污水處理設施建設水平相對落后、工業廢水處理設施缺乏、配套管網建設不完善、雨污管網未完全分流等問題造成污水直排環境，增加了周邊水環境污染負荷。

如圖4所示，氟化物超標月份較多。氟化物含量超標的原因之一是人類活動的影響，煤炭燃燒、發電等生產過程中產生的大量含氟煙塵以及排放的含氟廢水直接或間接進人地表水，影響周邊河流水質。原因之二為烏蘭木倫河流域自然原因引起地下水氟化物含量較高，且煤炭生產過程中排放的礦井水因未進行合理循環利用，直排于地表水，導致地表水氟化物含量超標。

綜上，6種污染指標超標主要是發生在2018年之前，污染源主要是煙煤和無煙煤開采洗選和煤制品行業等工業污染和石圪臺斷面周邊鄉鎮污水處理設施建設水平、配套管網建設不完善等問題造成污水直排河流水體中，造成各指標超標。之后水質明顯改善，說明烏蘭木倫河水質得到明顯改善，這與當地政府采取的控制原煤開采工藝和煤炭相關行業引起的粉塵、污廢水直排防控以及鄉鎮配套管網建設等多項舉措息息相關。

2.2影響水質的主要驅動園子識別

主成分分析是一種統計方法，通過正交變換將一組存在相關性的變量轉換為一組線性不相關的變量，轉換后的這組變量叫主成分，最大程度反映了原變量代表的信息。軟件進行因子分析之前，首先要進行KMO和Bartlett的檢驗。KMO>0.5，Bartlett的顯著性概率<0.05，認為有結構效度，才能進行因子分析。檢驗結果顯示，KMO為0.836，Bamett的顯著性概率為0.000，符合標準，可以采用該軟件對烏蘭木倫河石圪臺斷面已超標或接近標準的8種水質指標進行主成分分析，8項指標的相關系數為：高錳酸鹽指數與生化需氧量、氨氮、化學需氧量、總磷存在顯著的正相關性（0.806，0.525，0.602，0.616），表明高錳酸鹽指數的變化會對生化需氧量、氨氮、化學需氧量、總磷產生較大影響。硫化物與氟化物、石油類存在顯著的正相關（0.638，0.492）。（見表1）

根據特征值大于1的原則提取了兩個主成分，反應了8個水質指標70.313%的信息，基本代表了烏蘭木倫河石圪臺斷面水體的綜合水質狀況。主成分1貢獻率占所有影響因子貢獻率的52.659%，高錳酸鹽指數、生化需氧量、氨氮、化學需氧量、總磷、氟化物和石油類含量在其中的載荷值較大（見表1），分別為0.808、0.862、0.681、0.773、0.713、0.735、0.669，說明它們是第一主成分的主要影響因素，對烏蘭木倫河石圪臺斷面水體水環境質量的影響最大，為第一類主要污染源。原煤在儲存、運輸、轉載過程中產生的煤塵，周邊居民生活污水未集中排放等，通過地表徑流進入河流，會引起第一污染源濃度超標。主成分2貢獻率為17.655%，硫化物在其中的載荷值較大，為0.708，說明它是第二主成分的影響因素，對水環境質量的影響次之，為第二類污染源。

因此，高錳酸鹽指數、生化需氧量、氨氮、化學需氧量、總磷、氟化物和石油類是影響烏蘭木倫河石圪臺斷面水質最主要的驅動因子，又由于它們相關系數較高，說明它們的污染來源較一致，主要是煤炭開采以及利用過程中產生的“三廢”污染環境。所以，目前烏蘭木倫河水質凈化的主要任務是去除有機物，氟化物等。

2.3水質變化趨勢分析

秩相關系數法是衡量環境污染變化趨勢有無顯著性。將rs絕對值與spearman秩相關系數統計表的臨界值Wp（當n=7，Wp=0.714）進行比較。當|rs|>Wp則表明變化趨勢有顯著意義：若rs<0，則表明在評價時段內有關統計量指標變化呈好轉趨勢；若rs>0，則表明在評價時段內有關統計量指標變化呈加重趨勢。

烏蘭木倫河石圪臺斷面2015年-2021年水質污染變化趨勢統計結果為：溶解氧、石油類、揮發酚、汞、鉛、COD、鋅、硒、鎘、六價鉻、氰化物、陰離子表面活性劑12項指標在2015年至2021年7年周期內變化穩定；高錳酸鹽指數、生化需氧量、氨氮、總磷、銅、氟化物、砷7項指標顯著變好，硫化物污染物雖然顯著變差，但依然符合I類水質標準。

3結論

烏蘭木倫河石圪臺斷面水質的單因子污染指數結果表明：石圪臺斷面水質超標因子主要是化學需氧量、氨氮、總磷、高錳酸鹽指數、BODs和氟化物。高錳酸鹽指數、生化需氧量、氨氮、化學需氧量、總磷、氟化物和石油類是影響烏蘭木倫河石圪臺斷面水質最主要的驅動因子，目前烏蘭木倫河水質凈化的主要任務是去除有機物、氟化物等。使用污染變化趨勢的定量分析方法——秩相關系數法對各項水質指標的年均值統計分析結果表明，除硫化物顯著變差外，其余水質指標顯著變好或變化平穩，水質未見顯著變壞。