宿州市沱河段水質(zhì)時(shí)間變化及影響因素研究

季定民，張 勃，黃淑玲，張建香，楊尚武，周 丹

（1.西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.宿州學(xué)院 地球科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 宿州234000）

進(jìn)入21世紀(jì)，水環(huán)境問題變得十分嚴(yán)峻，嚴(yán)重制約了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。目前，世界各國都加大了對河流水質(zhì)污染的治理力度。國內(nèi)外學(xué)者對河流水質(zhì)污染都進(jìn)行了大量研究，主要集中在水質(zhì)污染原因、防治和變化趨勢等方面，河流的污染不僅使其本身的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境功能下降，同時(shí)也是其受納水體（高一級(jí)河流、湖泊、水庫、海灣等）污染的重要原因［1－2］。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市化水平發(fā)展迅速，城市生活污水和工業(yè)廢水的排放，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥、農(nóng)藥的使用，造成許多河流受到不同程度的污染［3］。因此，探索解決流域水污染問題對于流域水資源的可持續(xù)利用，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義［4－5］。目前常用的方法是對單項(xiàng)污染指標(biāo)采用簡單直觀的圖解法、基于參數(shù)檢驗(yàn)的回歸分析法以及非參數(shù)檢驗(yàn)方法進(jìn)行水質(zhì)變化趨勢研究［6］。

沱河作為淮河的一條主要支流，其水質(zhì)變化直接影響到淮河流域水污染防治。同時(shí)，作為宿州市的一條重要河流，是宿州市的主要納污水體，其水質(zhì)也因受到了不同程度的污染而發(fā)生變化。特別是在不同年份、不同季節(jié)，沱河水質(zhì)變化過程比較明顯。目前，黃淑玲等［7］人對宿州市沱河段水質(zhì)污染做了研究，提出了宿州市沱河段水質(zhì)污染防治對策，為該區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)和流域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供了一定的依據(jù)。同時(shí)，在宿州市沱河段水環(huán)境容量研究中，黃淑玲等［8］認(rèn)為沱河總體上水質(zhì)良好，大部分河段存在剩余水環(huán)境容量。綜合該區(qū)域已有研究，發(fā)現(xiàn)對沱河段水質(zhì)變化趨勢的相關(guān)研究較少。本研究通過對宿州市沱河段水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析，探究水質(zhì)時(shí)間變化趨勢及影響因素，為有關(guān)部門保護(hù)沱河生態(tài)環(huán)境以及流域水污染綜合治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 沱河及其流域概況

沱河又稱為交水，是淮河的一條主要支流，發(fā)源于河南省商丘市李堤口西，流經(jīng)虞城、夏邑、永城，至王莊進(jìn)入安徽省，在五河縣西南注入淮河，全長275.13km，流域面積8 500km2。宿州市沱河段起于沱河進(jìn)水閘，終于外環(huán)南路，全長12.7km，水域面積約0.45km2，是宿州市的一條重要河流。沱河屬于華北型河流，水源補(bǔ)給以降水為主，3—4月份上游河冰解凍水位開始上升，6月下旬至9月份全流域降水豐富，徑流量增大，為河流豐水時(shí)期。宿州市處在黃淮海平原南端，氣候類型為暖溫帶季風(fēng)氣候，年降水量約為800mm，雨季多暴雨、降水變率大。水資源總量3.48×109m3，人均水資源量602m3，屬于北方缺水地區(qū)。作為皖北重要城市，2010年統(tǒng)計(jì)人口約為535萬人，境內(nèi)自然資源豐富，農(nóng)產(chǎn)品主要有小麥、玉米和大豆，地下礦產(chǎn)資源中，煤儲(chǔ)量約為6.0×109t，黃口油田石油預(yù)測儲(chǔ)量達(dá)2.0×109t以上，宿南煤層氣已探明儲(chǔ)量達(dá)3.0×1011m3。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展上，宿州市以傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)為增長引擎，煤炭工業(yè)和農(nóng)業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。

1.2 數(shù)據(jù)來源及方法

東關(guān)閘斷面位于宿州市主城區(qū)邊緣地帶，河流兩岸為城區(qū)和農(nóng)業(yè)區(qū)。根據(jù)沱河段污染物的主要來源及取樣條件，選擇東關(guān)閘斷面為取樣點(diǎn)，并依據(jù)沱河水質(zhì)狀況和主要污染因子，選取水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo):DO（溶解氧），BOD（生化需氧量），COD（化學(xué)需氧量），NH3—N（氨氮），TN（總氮），TP（總磷）。2004—2009年共采集了6年水質(zhì)樣本，樣本數(shù)據(jù)在宿州市水利勘測設(shè)計(jì)院分析完成。采用單因子分析與評價(jià)，首先對各指標(biāo)做變異系數(shù)，分析水質(zhì)時(shí)間變化特征，再利用相關(guān)性分析相鄰年份年內(nèi)變化趨勢，基于水質(zhì)指標(biāo)各年份春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)的平均值，采用圖解法分析年內(nèi)季節(jié)變化，一元線性回歸分析和季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)分析水質(zhì)年際變化趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 沱河段水質(zhì)的時(shí)間變化特征

對2004—2009年沱河段水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行變異系數(shù)分析。從表1中可以看出，DO的變異系數(shù)在2004—2007年較大，2008—2009年下降至約0.2，表明DO近兩年的變化幅度不大。BOD在2004和2008年變異系數(shù)值均大于0.5，其余年份的變化相對來說不太明顯。COD的變異系數(shù)基本呈逐年下降趨勢，表明其近幾年的變化幅度越來越小。NH3—N和TN的變異系數(shù)均較大，尤其是氨氮，在2006年最高值是最低值的1 245倍，只有2007年的變化不明顯。TP變化也比較明顯，2007—2008年變異系數(shù)偏大，2007年總磷的最高值是最低值的21倍。總的來說，宿州市沱河段水質(zhì)隨時(shí)間變化趨勢比較明顯。

表1 沱河段水質(zhì)指標(biāo)在2004－2009年變異系數(shù)

2.2 沱河段水質(zhì)的年內(nèi)變化

2.2.1 相鄰年份年內(nèi)變化 對水質(zhì)指標(biāo)相鄰年份的年內(nèi)變化趨勢在SPSS軟件中進(jìn)行相關(guān)性分析（表2），DO和BOD均在2008—2009年為極顯著相關(guān)，說明其近兩年的年內(nèi)變化趨勢非常一致。TN在2007—2008年為顯著相關(guān)，年內(nèi)變化趨勢基本一致。其它指標(biāo)的相關(guān)性較差，沒有通過置信度檢驗(yàn)，相鄰年份的年內(nèi)變化趨勢不一致。

表2 水質(zhì)指標(biāo)相鄰年份相關(guān)性系數(shù)

2.2.2 年內(nèi)季節(jié)變化 由圖1可以看出，DO含量在冬季最高，春季次之，全年均處在地表水環(huán)境質(zhì)量合理范圍內(nèi)（Ⅰ—Ⅲ類）。BOD和COD含量在各季節(jié)均偏高，達(dá)地表水Ⅳ—Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。NH3—N含量在冬季較高，夏季和秋季次之，均達(dá)地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)，僅在春季為合理范圍內(nèi)。TN含量在春季最高，且各季節(jié)均超標(biāo)，達(dá)地表水Ⅳ—Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。TP含量在秋季和冬季較高，達(dá)地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)，春季和夏季為合理范圍?？傮w來說，DO較合理；BOD，COD和TN表現(xiàn)最差；TP和NH3—N次之。

圖1 沱河段水質(zhì)指標(biāo)年內(nèi)季節(jié)變化

2.3 沱河段水質(zhì)的年際變化

2.3.1 一元線性回歸分析 利用線性趨勢分析法［9］，基于各年份春、夏、秋、冬季的平均值，分析河段水質(zhì)近6a的變化趨勢，并用t檢驗(yàn)法檢驗(yàn)回歸效果的顯著性。

由圖2知，BOD和NH3—N的變化傾斜率分別為－0.344 5和－0.251 5（均通過了0.01顯著性水平檢驗(yàn)），為極顯著下降趨勢。TN的變化傾斜率為－0.249（通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)），為顯著下降趨勢。而DO，COD和TP的變化傾斜率分別為0.134 6，－0.387 2和0.000 7，均沒有通過顯著性水平檢驗(yàn)，變化趨勢不顯著。

圖2 沱河段2004－2009年水質(zhì)指標(biāo)線性趨勢

2.3.2 季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)分析 季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)是M—K趨勢檢驗(yàn)的一種推廣，屬于非參數(shù)趨勢檢驗(yàn)方法，由 Hirsch［10－11］等在1982年提出，此后被迅速應(yīng)用于水質(zhì)變化趨勢分析中，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)不完整，數(shù)據(jù)值精度不高，數(shù)據(jù)值有隨季節(jié)變化規(guī)律的多年時(shí)間變化趨勢分析，時(shí)間序列一般以5～10a為宜［12－13］。本研究時(shí)間序列為6a，水質(zhì)指標(biāo)各季節(jié)均有監(jiān)測，適合應(yīng)用季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)方法分析，其具體方法不再贅述。

從表3中可以看出，BOD和TN的年際變化均為高度顯著下降趨勢（通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)）。NH3—N為顯著下降趨勢（通過0.1顯著性水平檢驗(yàn)）。DO，COD和TP未通過檢驗(yàn)，均無明顯下降趨勢。對比季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)和一元線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，BOD，NH3—N和TN的年際變化均為顯著下降趨勢，DO，COD和TP的年際變化趨勢均不顯著。其中，COD的年際變化大致為不明顯下降趨勢，DO和TP無明顯變化趨勢。

表3 沱河段水質(zhì)指標(biāo)季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量

2.4 沱河段水質(zhì)的影響因素

2.4.1 自然因素 沱河補(bǔ)給來源以降水為主，河流水量大小受降水嚴(yán)格制約，根據(jù)降水量把沱河劃分為豐水期、平水期和枯水期（數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù) 據(jù) 共 享 服 務(wù) 網(wǎng) http://cdc.cma.gov.cn）。 從1961—2011年近50a降水分布來看，沱河年平均降水量為864.4mm，2004—2009年的年平均降水量為981.7mm。其中，2004年降水量偏少，只有570.0 mm；而2005和2007年降水量偏多，分別達(dá)1 440.7和1 321.1mm；2006，2008和2009年降水量均為平均水平。從2004—2009年各月降水量分布來看，沱河在春季（3—5月）平均降水量為142.8mm，夏季（6—8月）為573.8mm，秋季（9—11月）為212.46 mm，冬季（12，1和2月）為52.7mm。從沱河水量在整個(gè)徑流系列變化中可以看出，近6a水量一直在豐、平、枯之間波動(dòng)，2005和2007年為豐水年，水量較大；2004年為枯水年，水量偏??；而2006，2008和2009年為平水年。各季節(jié)水量變化表現(xiàn)為夏季徑流量最大，為豐水季節(jié)；春季和秋季徑流量次之，為平水季節(jié)；冬季徑流量最小，為枯水季節(jié)。根據(jù)水質(zhì)指標(biāo)年際變化（圖2），沱河段水質(zhì)年際波動(dòng)明顯，在枯水年2004年污染較嚴(yán)重，主要污染指標(biāo)均偏高，此后污染程度呈逐年下降趨勢。年內(nèi)季節(jié)變化上（圖1），DO，NH3—N和TP在枯水季節(jié)含量偏高，TN和COD也在河流水量較小的平水季節(jié)含量偏高，而在豐水季節(jié)，TN和DO含量低，NH3—N和TP的含量也較低。主要水質(zhì)指標(biāo)均在河流水量較小的時(shí)期污染嚴(yán)重，表明沱河段水質(zhì)污染狀況受河流水文要素影響比較明顯。

2.4.2 人文因素 （1）年內(nèi)變化因素。河段內(nèi)NH3—N主要來自工業(yè)廢水排放，冬季含量偏高（枯水期），春季稍低，可能與年初企業(yè)生產(chǎn)沒有恢復(fù)有關(guān)，排放的工業(yè)廢水較少。同時(shí)發(fā)現(xiàn)BOD受NH3—N影響比較明顯，BOD與NH3—N的相關(guān)系數(shù)為0.56（通過了0.01的置信度檢驗(yàn)）。BOD在夏季含量偏高，這時(shí)由于氮、磷及各種有機(jī)質(zhì)含量豐富，水生生物生長旺盛，大量消耗水體中溶解氧。TN在冬、春季含量偏高，說明沱河段氮素主要來自點(diǎn)源污染，這與近年來宿州市積極招商引資，引進(jìn)的企業(yè)有不少是污染較大的傳統(tǒng)企業(yè)有關(guān)。另外，NH3—N和TN含量在春季相差特別大，表明也存在農(nóng)業(yè)面源污染影響，春季降水開始增多，該區(qū)由于地表植被覆蓋率低，農(nóng)業(yè)上使用的化肥及農(nóng)藥中含有的各種氮素殘存在土壤中，隨著地表水和地下水流滲到沱河中，加上春季氣溫回升，沱河底泥釋放部分氮素，使得TN比NH3—N含量明顯偏高。COD主要來自工業(yè)廢水排放，各季節(jié)含量均較高，與工廠排放的廢水達(dá)標(biāo)率有一定關(guān)系，宿州市工廠污水處理設(shè)施落后，2009年統(tǒng)計(jì)的匯總企業(yè)數(shù)有100個(gè)，廢水處理設(shè)施僅有81個(gè)［14］。TP含量在冬季偏高，主要受城市生活污水排放影響，該季節(jié)水生生物死亡，對氮、磷吸收利用減少，河流水環(huán)境容量小。（2）年際變化因素。一方面，與入河污染物排放量減少有關(guān)。研究河段內(nèi)COD排放量在2005年為72 790t，到2009年減少為3 525t，年均減少17 316t；NH3—N排放量在2005年為4 702t，到2009年減少為480t，減少趨勢也非常明顯；氮肥在2003年使用量為1.90×105t，到2009年減少為1.23×105t［14］。另一方面，宿州市也積極響應(yīng)國家環(huán)保要求，對沱河段進(jìn)行了初步整治。宿州市政府對沱河段進(jìn)行了景觀帶改造，總投資1.5億元，兩側(cè)建有平均寬度為70m的園林帶［8］，有效地保護(hù)了沱河段的生態(tài)環(huán)境。

2.5 防治對策

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，環(huán)境質(zhì)量將是直接關(guān)系到社會(huì)安定、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和子孫后代健康的重大問題［15］。為有效保護(hù)沱河段的水環(huán)境，提出相關(guān)對策建議。（1）提高居民環(huán)保意識(shí)。當(dāng)前，諸如生態(tài)環(huán)境破壞、流域污染、水體富營養(yǎng)化，無不是因人類活動(dòng)及隨意排放各種污染物所引起的。而居民環(huán)保意識(shí)的提高，可以有效減輕對生態(tài)環(huán)境破壞的壓力。從源頭上保護(hù)好沱河的生態(tài)環(huán)境，宿州市政府應(yīng)在提升居民環(huán)保意識(shí)方面加大宣傳力度。（2）控制入河污染物排放。河流水環(huán)境容量的變化主要是受工業(yè)三廢和生活污水排放的影響。目前，許多城市都在嚴(yán)格控制入河污染物排放，取得了一定成效。宿州市政府須制定出一些法規(guī)措施，使各企業(yè)排放的廢污水達(dá)到排污要求。同時(shí)，對居民小區(qū)生活污水也應(yīng)進(jìn)行有效監(jiān)管，以避免給河流造成二次污染。（3）加強(qiáng)污水處理設(shè)施建設(shè)。近年來，宿州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，引進(jìn)的企業(yè)有不少是污染較大的傳統(tǒng)企業(yè)。為有效保護(hù)好沱河生態(tài)環(huán)境，在各工業(yè)園區(qū)應(yīng)加強(qiáng)污水處理設(shè)施建設(shè)，以提高工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率。

3 結(jié)論

（1）宿州市沱河段水質(zhì)狀況年內(nèi)變化顯著，DO，NH3—N和TP在冬季含量偏高，TN和COD在春、秋季含量較高，BOD在夏季含量偏高；年際變化方面，BOD，NH3—N和TN均為顯著下降趨勢，COD為不明顯下降趨勢，DO和TP無明顯變化趨勢。

（2）水質(zhì)年內(nèi)變化一方面受河流水文要素制約，另一方面也受到點(diǎn)源污染影響，主要水質(zhì)指標(biāo)年際下降的原因是污染物排放量減少，也與宿州市政府加大環(huán)境保護(hù)力度有關(guān)。

致謝:黃淑玲老師在數(shù)據(jù)采集上提供了幫助并對本文給予了指導(dǎo)，在此表示衷心感謝！

［1］Thieu V，Billen G，Garnier J.Nutrient transfer in three contrasting NW European watersheds:The Seine，Somme，and Scheldt rivers:A comparative application of the Seneque/Riverstrahler model［J］. Water Research，2009，43（6）:1740－1754.

［2］Withers P J A，Sharpley A N.Characterization and apportionment of nutrient and sediment sources in catchments［J］.Journal of Hydrology，2008，350（3）:127－130.

［3］儲(chǔ)茵，朱江，夏守先，等.巢湖典型支流柘皋河水質(zhì)污染時(shí)空變化特征［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2011，25（4）:243－248.

［4］金樹權(quán)，呂軍，陳丁江，等.曹娥江三典型支流的水質(zhì)對比研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2006，20（5）:121－125.

［5］吳莎.貴州省河流污染特征及影響因素分析［J］.地球與環(huán)境，2010，38（2）:230－234.

［6］岳雋，王仰麟，李正國，等.河流水質(zhì)時(shí)空變化及其受土地利用影響的研究:以深圳市主要河流為例［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2006，17（3）:359－364.

［7］黃淑玲，張勇，職絢絢.宿州市沱河段水質(zhì)污染防治對策分析［J］.宿州學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，24（6）:100－102.

［8］黃淑玲，張勇.宿州市沱河段水環(huán)境容量研究［J］.安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，24（3）:22－25.

［9］廖杰，汪嘉楊，丁晶.四川省河流水質(zhì)指標(biāo)時(shí)序特征分析［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版，2009，41（5）:17－23.

［10］Hirsch R M，Slack J R，Smith R A.Techniques of trend analysis for monthly water quality data［J］.Water Resources Research，1982，18（1）:107－121.

［11］Hirsch R M，Slack J R.A nonparametric trend test for seasonal data with serial dependence［J］.Water Resources Research，1984，20（6）:727－732.

［12］王淑香.用肯德爾檢驗(yàn)法對唐山市河流水質(zhì)趨勢進(jìn)行分析［J］.水資源保護(hù)，1998（3）:30－34.

［13］李俊峰，盛東，程曉如，瑪納斯河流域水質(zhì)變化趨勢分析［J］.水資源保護(hù)，2008，24（4）:10－13.

［14］安徽省統(tǒng)計(jì)局.安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒［M］.北京:中國統(tǒng)計(jì)出版社，2009.

［15］宋巖，董金梅，曲玲，等.山東省水環(huán)境質(zhì)量模糊綜合評價(jià)與防治措施［J］.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，37（3）:436－440.