山西境內(nèi)黃河流域2016～2019年間COD及氨氮變化特征

張婧雯，王 婷

(1.山西大地民基生態(tài)環(huán)境股份有限公司，太原 030000；2.山西大學(xué)黃土高原研究所，太原 030006)

流域作為一種衡量地理尺度的地理單元，有著獨(dú)特的自然地理特征、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式以及文化內(nèi)涵[1]。黃河流域是山西省中西部地區(qū)主要的水源，流經(jīng)山西省內(nèi)忻州、太原、朔州、晉中、呂梁、臨汾、運(yùn)城、長治等70余個(gè)市、縣，黃河流域山西段全場965km，流域面積9.71萬km2，約占黃河整個(gè)流域面積的12.9%占山西全省總面積的62.2%[2]。山西省是國家的能源重化工基地，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，黃河流域人類活動(dòng)特征明顯，集聚了各種煤炭、化工、焦化等企業(yè)，大量的生產(chǎn)廢水經(jīng)處理后排入黃河流域[3]?；瘜W(xué)需氧量COD是表征水體有機(jī)物含量的重要指標(biāo)，COD濃度值越高，表明水體有機(jī)物污染狀況越為嚴(yán)重[4]。氨氮是指以氨或銨離子形式存在的化合氨，當(dāng)氨溶于水時(shí)，其中一部分氨與水反應(yīng)生成銨離子，一部分非離子氨[5～7]。水體中氨氮超標(biāo)會(huì)直接影響到飲用水取水水質(zhì)和河流水生態(tài)環(huán)境[8]。

根據(jù)中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部最新發(fā)布的《2017年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》，黃河流域總體為輕度污染，主要污染指標(biāo)為化學(xué)需氧量和氨氮。137個(gè)水質(zhì)斷面中，Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)斷面占57.5%，Ⅳ、Ⅴ類占26.3%，劣Ⅴ類占16.1%。黃河主要支流為中度污染。106個(gè)水質(zhì)斷面中，無Ⅰ類水質(zhì)斷面，Ⅱ、Ⅲ類水質(zhì)斷面占46.3%，Ⅳ、Ⅴ類占33%，劣Ⅴ類占20.8%。說明黃河流域水環(huán)境污染問題仍然十分嚴(yán)峻。山西省以中小型河流為主，地表徑流小，工礦、能源類企業(yè)多，河流附近分布著大量的企業(yè)和居民，特別是采礦業(yè)分布廣泛，極易造成河流水質(zhì)惡化。山西省黃河流域氨氮和COD含量變化及污染特征研究還未見報(bào)道，本文采用山西省地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)近三年黃河域地山西段地表水水質(zhì)中的氨氮和COD濃度變化特征進(jìn)行研究和分析，對(duì)于黃河流域的水污染防治工作有著重要的、積極的意義，旨在為黃河流域的環(huán)境保護(hù)和生態(tài)環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

采用山西省地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)黃河流域山西段19個(gè)監(jiān)測斷面2016年3月～2019年3月連續(xù)月監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。選取山西境內(nèi)黃河流域內(nèi)汾河水系的雷鳴寺、河西村、汾河水庫出口、寨上水文站、上蘭、小店橋、溫南社、王莊橋南、臨汾、上平望、河津大橋和廟前村 12處監(jiān)測斷面(小店橋因道路施工部分月份未監(jiān)測)以及沁河水系的孔家坡、龍頭、張峰水庫入口、張峰水庫出口、鄭莊、潤城和拴驢泉7處監(jiān)測斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，見圖1?；瘜W(xué)需氧量采用重鉻酸鹽法進(jìn)行測定，氨氮采用納氏試劑分光光度法進(jìn)行測定。與水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838-2002》比較以及ArcGis10.0空間分析功能，揭示了2016年3月～2019年3月間流域內(nèi)氨氮和COD濃度變化特征和時(shí)空分布情況。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

圖1 山西省黃河流域汾河、沁河水系監(jiān)測斷面分布圖Fig.1 Distribution of monitoring sections of the fenhe river and weihe river systems in the Yellow river basin of Shanxi province

表1 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Environmental quality standards for surface water (mg/L)

2 結(jié)果與分析

2.1 黃河流域山西段氨氮和COD污染特征分析

為了全面反應(yīng)山西省黃河流域汾河、沁河水系水質(zhì)變化狀況，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)分別從時(shí)間和空間上對(duì)所選19個(gè)斷面2016～2019年水質(zhì)參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838-2002》進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，見表2。

從所選的19個(gè)斷面中COD的含量來看，2016年汾河水系COD平均值含量均符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的斷面占41.7%，Ⅳ類水質(zhì)的斷面占16.7%，Ⅴ類及以上的斷面占41.7%；沁河水系各斷面COD平均值含量均符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，2016年黃河流域內(nèi)符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)斷面占63.2%。2017年汾河水系中COD含量平均值符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的斷面占41.7%，達(dá)到Ⅴ類及以上的斷面占58.3%，且小店橋、廟前村斷面的COD含量平均值分布高達(dá)69.73和58.58，超過Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)近3倍；沁河水系各斷面COD平均值含量均符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，2017年黃河流域內(nèi)符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)斷面占63.2%。從2018年汾河水系監(jiān)測數(shù)據(jù)平均值來看，汾河水系內(nèi)符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的斷面占41.7%，達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)的斷面占8.3%，達(dá)到及超過Ⅴ類水質(zhì)的斷面占41.7%；沁河水系各斷面COD平均值含量均符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，2018年黃河流域內(nèi)符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)占63.2%。2019年1～3月黃河流域汾河水系各斷面COD含量平均值在Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值的斷面占50%，其中，達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)的斷面占33.3%，王莊橋南斷面達(dá)到Ⅴ類，河津大橋斷面COD的平均含量甚至更高，達(dá)到49mg/L；沁河水系各斷面COD平均值含量均符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，黃河流域內(nèi)符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)占66.7%。從超標(biāo)率來看2016～2019年內(nèi)黃河流域超標(biāo)斷面數(shù)基本相同，超標(biāo)點(diǎn)位均位于汾河水系小店橋至廟前村，而沁河水系所有點(diǎn)位均達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。從各年季COD平均值來看，2017年COD在汾河水系的含量最高，超Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。其余三年平均含量均小于20mg/L，其中2019年COD含量最低。

表2 山西省黃河流域水環(huán)境污染物含量表Tab.2 Content table of water pollutants in the Yellow river basin of Shanxi province (mg/L)

根據(jù)黃河流域2016～2019年各斷面氨氮含量，可以看出2017年和2016年內(nèi)汾河水系氨氮符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的斷面均占33.3%，兩年中，寨上水文站氨氮平均值達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其余斷面均超過Ⅴ類水質(zhì)斷面，超過Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值3～17倍。2019年和2018年汾河水系中雷鳴寺至上蘭沿程斷面氨氮的監(jiān)測含量均符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)1.0mg/L，小店橋至廟前村沿程斷面氨氮檢測平均值超過Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值3～12倍。2019和2018年內(nèi)汾河水系氨氮符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的斷面均占41.7%，其余斷面均超過Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。沁河水系2016～2019年氨氮含量平均值均符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。黃河流域氨氮含量超標(biāo)點(diǎn)位大致位于汾河水系小店橋至廟前村，年均氨氮含量均超過Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中2017年黃河流域氨氮含量最高。

2.2 黃河流域山西段氨氮和COD時(shí)間分布變化趨勢(shì)

為了研究山西境內(nèi)汾河水系COD和氨氮實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)年內(nèi)隨時(shí)間的變化，將黃河流域內(nèi)汾河水系和沁河水系監(jiān)測斷面1～12月均濃度作為縱坐標(biāo)，月份作為橫坐標(biāo)，從總體上研究2016～2019年COD和氨氮隨月份變化的趨勢(shì)，如圖2、圖3。

圖2 山西省黃河流域汾河、沁河水系COD月變化Fig.2 Monthly COD changes of Fenhe river and Qinhe river systems in the Yellow river basin of Shanxi province

圖3 山西省黃河流域汾河、沁河水系氨氮月變化Fig.3 Monthly ammonia nitrogen change of the Fenhe river and Qinhe river systems in the Yellow river basin of Shanxi province

可以看出黃河流域汾河水系和沁河水系COD月均濃度變化和季節(jié)沒有特別明顯的相關(guān)性，僅16年10月、18年7和8月、19年2月COD月均濃度符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，每年6～8月COD濃度均處于下降狀態(tài)，可能和降水量和溫度的增加有關(guān)。而氨氮濃度則呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，僅2018年5、6、9、10氨氮月均濃度低于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。汾河水系12～3月枯水期氨氮濃度大幅度升高，為劣Ⅴ類水質(zhì)，近年最高濃度值出現(xiàn)在3月，高達(dá)9.76mg/L。隨著降雨徑流的增加，氨氮濃度迅速降低，5～10月為豐水期[9]，豐水期氨氮濃度整體偏低變化幅度較小，可能由于微生物代謝活躍，氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的速率增大，導(dǎo)致水體中氨氮濃度比較低，之后濃度逐漸升高[10]。沁河水系 7 個(gè)斷面每年的月度變化，也基本呈現(xiàn)同樣的特征，但沁河水系氨氮濃度較低，所有斷面氨氮濃度均遠(yuǎn)低于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。黃河流域氨氮含量總體表現(xiàn)年內(nèi)變化明顯，豐水期明顯好于枯水期。

2.3 黃河流域山西段氨氮和COD污染空間變化特征

利用ArcGIS10.0對(duì)2016～2019年山西境內(nèi)黃河流域中汾河水系和沁河水系的監(jiān)測斷面COD和氨氮數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬預(yù)測，如圖4。

從2016～2019年空間分布情況可以看出，山西省黃河流域內(nèi)汾河水系2016和2017年COD含量整體趨勢(shì)呈現(xiàn)晉中段>運(yùn)城段>臨汾段>太原段>忻州段；2018和2019年COD含量整體趨勢(shì)呈現(xiàn)為運(yùn)城段>晉中段>臨汾段>太原段>忻州段。汾河水系在山西省中部和南部污染嚴(yán)重，COD含量超過Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值的監(jiān)測斷面集中在太原段的小店橋、溫南社以及晉中段、臨汾段和運(yùn)城段全部監(jiān)測斷面，且多數(shù)斷面檢測值遠(yuǎn)高于Ⅴ類水質(zhì)檢測值。汾河水系2016～2018年氨氮整體趨勢(shì)呈現(xiàn)晉中段>太原段>臨汾段>運(yùn)城段>忻州段；2019年前三月氨氮呈現(xiàn)晉中段>運(yùn)城段>臨汾段>太原段>忻州段，氨氮在山西境內(nèi)汾河水系超標(biāo)的原因是由于山西存在較多石化和焦化企業(yè)，氨氮排放量較大。汾河水系在山西中部污染最為嚴(yán)重。

圖4 山西省黃河流域汾河、沁河水系COD、氨氮空間變化Fig.4 Spatial variation of ammonia nitrogen in the Fenhe river and Qinhe river systems of the Yellow river basin in Shanxi province

太原段從上蘭到小店橋斷面污染物含量集聚升高，是由于小店橋監(jiān)測斷面主要監(jiān)控太原市區(qū)及榆次區(qū)排污及出境水質(zhì)，隨著近年來太原市大批重點(diǎn)項(xiàng)目落戶南城，太原市已有的污水處理廠不能滿足大量企業(yè)生活生產(chǎn)的需求，仍有大量未經(jīng)處理的污水直接排入河道，導(dǎo)致小店橋斷面污染物濃度遠(yuǎn)高于上游斷面。溫南社監(jiān)測斷面水質(zhì)污染嚴(yán)重的原因可能由于周邊地區(qū)大面積蔬菜水果種植基地，致使種植基地的土地里肥料隨著水土流失、雨水沖刷等原因直接進(jìn)入河道[11-12]。晉中段水體污染最為嚴(yán)重，調(diào)查顯示晉中市的生活污水入河排水量約7 307萬t/a[13]；同時(shí)，根據(jù)《2018年山西省統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，晉中市工業(yè)企業(yè)數(shù)量在全省最多共計(jì)568家，運(yùn)城共計(jì)481家，臨汾共計(jì)382家。晉中段、運(yùn)城段和臨汾段汾河水系中COD和氨氮含量過高的主要原因是由于沿岸工業(yè)企業(yè)數(shù)量較多，導(dǎo)致污水排放量不斷增多，大部分排污口超標(biāo)排放，大量沒有經(jīng)過處理或未有效處理的工業(yè)廢水直接排入河。工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢水、生活污水排放加都是導(dǎo)致汾河下游的污染加劇的重要因素。汾河忻州段為汾河源頭，以及太原段的汾河水庫沿線斷面都處于地表飲用水源補(bǔ)給區(qū)與飲用水源一級(jí)保護(hù)區(qū)，COD和氨氮含量大多低于Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值。從山西省水利廳發(fā)布的《2016年山西省水資源公報(bào)》《2017年山西省水資源公報(bào)》可以看出，黃河流域的汾河區(qū)廢污水排放量最多，近幾年約占全省廢污水排放量的42%，且從各斷面位置可以看出離城市附近和工業(yè)、農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)斷面污染較為嚴(yán)重、超標(biāo)率高[14]。

黃河流域沁河水系斷面各年份COD和氨氮的監(jiān)測數(shù)據(jù)均低于國家Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，99%的監(jiān)測斷面達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，表明沁河水系污染物排放量低、水質(zhì)環(huán)境良好。

從2016～2019年空間變化趨勢(shì)來看，2017年COD和氨氮的污染情況最為嚴(yán)重，2018年開始逐漸好轉(zhuǎn)，總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。根據(jù)《2018年山西省統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，山西省工業(yè)增加值增速2016年為1.1%，2017年增加為7.7%，重工業(yè)企業(yè)由2016年的2953家增加至2017年3181家，主要以生產(chǎn)原煤、發(fā)電、生鐵、粗鋼等重工業(yè)企業(yè)。工業(yè)企業(yè)的增加是導(dǎo)致2017年黃河流域污染加劇的重要因素之一。近年來山西省政府重視環(huán)保，隨著污染防治和減排力度的不斷加大，加強(qiáng)工業(yè)廢水深度治理、有效削減排污總量[15]，全面建立和落實(shí)“河長制”是黃河水體不斷改善的重要基石。

3 結(jié) 論

采用山西省地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng) 2016年3月～2019年3月的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)黃河流域近年地表水主要污染物COD和氨氮濃度的變化特征進(jìn)行了初步分析。

結(jié)果表明：黃河流域沁河水系水質(zhì)明顯優(yōu)于汾河水系。從COD和氨氮超標(biāo)率來看2016～2019年內(nèi)黃河流域超標(biāo)斷面數(shù)基本相同，超標(biāo)點(diǎn)位均位于汾河水系小店橋至廟前村。從各年度COD平均值來看，2017年COD在汾河水系的含量最高，超Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。其余三年平均含量均小于20mg/L，其中2019年COD含量最低。沁河水系水質(zhì)良好，所有點(diǎn)位均達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

汾河水系化學(xué)需氧量濃度年內(nèi)變化和季節(jié)變化沒有特別明顯的相關(guān)性，6～8月呈下降趨勢(shì)；氨氮濃度年內(nèi)變化則呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，豐水期濃度遠(yuǎn)低于枯水期濃度。從空間變化特征來看COD和氨氮污染嚴(yán)重區(qū)域主要集中于山西省汾河水系中南部，2017年COD和氨氮含量高于其他年份，可能由于山西省工業(yè)企業(yè)數(shù)量的增加，但污染物年均含量總體呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)，由于政策支撐污染物排放量的逐年遞減是黃河流域近年地表水質(zhì)改善的重要原因。