渭河干流陕西段综合治理前后的水质变化与趋势

胡德秀, 李 立, 张 艳, 熊江龙

(西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室， 陕西 西安 710048)

渭河作为陕西关中地区唯一的污废水承纳和排泄通道，接纳了沿岸排放的大量污染物质。随着陕西省社会经济的快速发展，工业、农业和城镇居民生活的用水量不断上升，各种污废水的排放量也成倍增加。高飞等[1]的研究表明，2006—2009年渭河干流咸阳至渭南潼关出境有2/3的河段污染严重，多年维持在劣Ⅴ类水质；王珍等[2]的研究显示2007—2011年渭河干流仍有1/2的监测断面没有达到水环境功能的要求。针对渭河水质及水生态状况恶化的实际情况，陕西省委省政府于2011年启动了渭河陕西段综合整治工程，相继出台了《陕西省水污染防治工作方案》《渭河流域水污染防治三年行动方案(2012—2014)》以及《渭河生态区建设总体规划》等一系列政策文件，并进行了一系列的综合治理工程，渭河水质恶化的趋势得到了有效的遏制。

目前，关于渭河流域水质的研究多集中在污染物特征分析[3-4]与水污染评估、水质评价方面[5-8]，鲜有针对综合整治以来渭河干流陕西段水质变化趋势的研究。渭河干流的污染指标较多，其中主要超标项目为化学需氧量(COD)与NH3-N[9]，因此本文拟以COD, NH3-N为研究指标，定量分析2010—2016年渭河综合治理工程实施过程中河流水质的时空变化，尝试应用Mann-Kendall检验法阐明水质的变化趋势，通过R/S分析法探索水质未来变化趋势的持续性，以期考量综合治理措施实施后水环境改善效果，为后续渭河流域污染治理及水环境管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 区域概况

渭河是黄河第一大支流，干流全长818 km，陕西段流程512 km，流经宝鸡、咸阳、西安和渭南4个市以及杨凌示范区。宝鸡市以上为上游段，河谷狭窄，川峡相间，水流湍急；宝鸡峡至咸阳为中游段，河长171 km，河道宽，多沙洲，水流分散；咸阳至潼关为下游段，河长208 km，河道淤积严重，比降较小。流域冬季干燥严寒，降雨稀少；夏季炎热多雨，降雨主要集中在7—9月，降雨量在350～700 mm[10]。渭河灌溉农田近9.33×105hm2，流域集中了陕西65%的生产总值，接纳了全省78%的工业废水和86%的生活污水[11]。渭河干流陕西段有13个主要监测断面，即宝鸡段林家村、卧龙寺、虢镇桥、常兴桥监测断面，咸阳段兴平、南营、咸阳铁桥监测断面，西安段天江人渡、耿镇桥、新丰桥监测断面，渭南段沙王渡、树园、潼关吊桥监测断面。

1.2 数据来源

水质数据来源于《陕西省环境状况公报》[12]和陕西省环保厅网站关于渭河干流、支流考核断面水质监测报告(http:∥www.snepb.gov.cn/)。《陕西省环境状况公报》的水质数据以年为时间单元更新发布(2010—2016年)，发布的水质指标为COD和氨氮(NH3-N)，单位均为mg/L。陕西省环保厅水质监测报告的监测数据以月为时间单元更新发布，监测指标同样为COD和氨氮(NH3-N)，单位均为mg/L。

1.3 水质标准与评价方法

以《地表水环境质量标准》(GB3838-2002，见表1)为水质指标评价标准，利用《地表水环境质量评价办法(试行)》进行监测断面水环境质量评价。根据《地表水环境质量评价办法(试行)》，当河流的断面总数在5个(含5个)以上时，采用断面水质类别比例法，即根据评价河流中各种水质类别的断面数占河流所有评价断面总数的百分比来评价其水质状况，河流的水质分为以下5个级别： ①当Ⅰ—Ⅲ类水质比例≥90%时，河流水质为优； ②当75%≤Ⅰ—Ⅲ类水质比例<90%时，河流水质为良好； ③当Ⅰ—Ⅲ类水质比例<75%，且劣Ⅴ类比例<20%时，河流水质为轻度污染； ④当Ⅰ—Ⅲ类水质比例<75%，且20%≤劣Ⅴ类比例<40%时，河流水质为中度污染； ⑤当Ⅰ—Ⅲ类水质比例<60%，且劣Ⅴ类比例≥40%时，河流水质为重度污染。

表1 地表水环境质量评价标准

1.4 Mann-Kendall趋势检验法

Mann-Kendall检验法在分析降水、径流、气温和水质等要素时间序列的变化趋势中得到了广泛的应用[13-16]，该方法不要求被分析样本遵从一定分布，也不受其他异常值的干扰，计算简便。假设有时间序列x1,x2,…,xn服从n个独立的、随机变量同分布样本，那么统计变量S的其计算公式为：

(1)

(2)

式中：sgn(Xji-Xki)——表征函数，随机序列Si(i=1,2,3，…，n)近似服从正态分布，则Si的均值和标准差为：μs=0

(3)

式中：m——相同数的个数；ti——第i个组的个数；

(4)

对于统计变量Zc>0时，是上升趋势；Zc<0时，是下降趋势；Zc=0时，无变化趋势。通常取显著性水平α为0.1和0.01，当0.01<α≤0.1时，1.282.32，说明检验具有高度显著水平。

1.5 重标极差(R/S)分析

R/S分析方法又称为重标极差分析法，是时间尺度上演变趋势的预测方法，该方法的特点是能揭示时间序列的分形特征，能明确时间序列未来的变化特征与过去是相同还是相反的，着重在于揭示未来的变化特征，其Hurst指数能很好的揭示时间序列中的趋势成分。其计算的基本方法为：设有一时间序列B(t)，t=1,2,3，…，t，设X(t)=B(t)-B(t-1)，累积离差X(t,τ)，极差R(τ)，标准偏差S(τ)为：

(5)

(6)

(7)

式中：τ——样本(τ=1,2,3…)；ξ(u)——该时间间隔内第u次的输入量；u——次数。

对于比值H=R(τ)/S(τ)=R/S，若存在如下关系R/S∝τH，则说明时间序列ξ(t)存在Hurts现象，H值称为Hurst指数。Hurst指数(0

2 结果与分析

2.1 水质评价

根据《陕西省环境状况公报》[12](2010—2016)中渭河干流监测断面水质的评价结果，统计其水质类别占比年际变化情况(见表2)。渭河干流劣Ⅴ类断面占比持续下降，由2010年的69.3%削减至2016年的10.5%，削减了58.8%；Ⅳ—Ⅴ类断面占比持续上升，由2010年的7.7%上升至2016年的63.2%，增长了55.5%；Ⅰ—Ⅲ类断面占比较稳定，多年稳定在23%～28.6%。按照《地表水环境质量评价办法(试行)》，2010—2012年渭河干流为重度污染，2013—2014年为中度污染，2015—2016年为轻度污染，可见自2011年实施的企业治理减排、农业结构调整与综合治理项目使外源污染物输入量大大减少，对渭河干流水质起到持续改善作用。

表2 2010-2016年渭河干流陕西段监测断面水质类别百分比例%

2016年渭河干流陕西段以Ⅳ—Ⅴ类水质为主(见表3)，10个断面的水质已经能够达到水质功能要求，3个断面(虢镇桥、天江人渡和耿镇桥)的水质未能达到水质功能使用要求，其中虢镇桥与天江人渡为劣Ⅴ类水质，基本丧失水体使用功能，说明尽管前期的综合整治工作取得了良好的成效，但是局部河道污染仍然严重。

表3 2016年渭河干流陕西段主要断面水质评价

对2010年(渭河综合整治前)、2011年(渭河综合整治起始年)、2014年(渭河流域水污染防治三年行动收官年)和2016年(现状年)4个不同年份主要污染指标的年均监测值进行沿程变化分析，结果见图1。

由图1a可知，渭河干流陕西段综合整治前COD污染严重，其中咸阳铁桥、天江人渡、沙王渡和树园4个断面为劣Ⅴ类水质。2011年(整治起始年)较2010年变化并不明显，咸阳铁桥至新丰桥4个断面为劣Ⅴ类水质。3 a综合治理后，2014年渭河干流COD平均浓度较2011年削减了32.9%，其中西安段的3个断面削减最为明显，削减率分别为33.96%，39.58%和39.53%，由劣Ⅴ类水质转好为Ⅳ—Ⅴ类水质。2016年渭河干流陕西段全段COD已能满足Ⅳ类水质标准要求。

图1 渭河干流陕西段COD与NH3-N变化

相比于COD指标，渭河干流陕西段NH3-N的污染程度更加严重(见图1b)。2010与2011年兴平至潼关共9个断面均为劣Ⅴ类水质断面。经过3 a的综合治理，2014年渭河干流NH3-N平均浓度较2011年削减了45.2%，劣Ⅴ类断面数量由9个下降至3个，其中西安段新丰桥断面以及渭南段沙王渡、树园断面削减最为明显，削减率分别为63.11%,62.57%与60.05%。2016年渭河干流陕西段NH3-N污染程度持续减轻，以Ⅳ—Ⅴ类断面为主，有2个劣Ⅴ类断面(虢镇桥和天江人渡)，局部污染仍然严重，特别是宝鸡段林家村、卧龙寺和虢镇桥断面NH3-N浓度有明显上升，应引起有关管理部门的警惕。

总体看，宝鸡段COD与NH3-N浓度较低，沿程咸阳段污染逐步加剧，西安段污染最为严重，渭河干流陕西段水质出现以行政区域为单位的变化规律，这与冯旭等[21]的研究结果一致。因此，以行政区为单元对宝鸡出境(渭河杨凌)、咸阳出境(咸阳铁桥)、西安出境(新丰镇)和渭南出境(潼关吊桥)4个断面进行枯、丰水期水质变化特征分析，结果见图2。

由图2a与图2b可知，治理后各出境断面COD浓度均有削减，其中咸阳出境与西安出境削减最为明显，其枯水期削减率分别为51.16%，37.14%，丰水期削减率分别为46.27%，28.57%，但是西安出境断面的COD浓度仍然是4个断面中最高值。值得注意的是2016年咸阳出境断面丰水期COD浓度(18 mg/L)较2014年(15 mg/L)有所上升，反映出污染治理的过程会有反复现象。由图2c与图2d可知，治理后各出境断面NH3-N浓度同样存在不同程度削减，其中西安出境与渭南出境削减显著，枯水期削减率分别为74.73%,66.44%，丰水期分别为58.48%,87.25%，但是西安出境NH3-N浓度仍然是4个出境断面中的最高值。4个出境断面枯水期COD,NH3-N浓度普遍高于丰水期，相关研究认为虽然丰水期非点源污染加剧，但渭河干流沿岸城市对渭河污染物的输入还是以点源为主[21]，丰水期渭河干流径流量明显增加，稀释作用使得COD,NH3-N浓度低于枯水期。

图2 各出境断面化学需氧量(COD)及氨氮(NH3-N)变化

2.2 Mann-Kendall趋势检验

对宝鸡出境、咸阳出境、西安出境和渭南出境4个断面2011—2016年COD与NH3-N的逐月监测数据进行Mann-Kendall趋势检验，结果见表4。

表4 渭河干流陕西段水质变化趋势检验结果

除宝鸡出境COD浓度呈现不显著上升趋势外，其余3个出境断面均表现出下降趋势，尤其是咸阳、西安出境这2个断面的趋势最为显著；4个出境断面NH3-N浓度均呈现高度显著的下降趋势。为了保护渭河水质，2011—2016年相关管理部门在渭河沿岸开展了300余个治污项目，包括关闭高污染造纸、氮肥企业33家，清理封堵排污口173个，同时新建扩建污水处理厂49座，使全陕西省污水处理厂总数达到122座，日处理能力达到3.96×106t[22]，最大限度减少了入河污染物总量，根据《陕西统计年鉴》[23](2011—2016)的数据，全省COD与NH3-N排放量的削减率分别达到12%与12.2%，同时渭河沿岸建成了大面积的生态湿地和水面景观，在加强水体自净能力的同时减少了水土流失，显然这些污染治理措施确实取得了较好的控源截污效果，使得渭河干流水质污染得到有效遏制。

2.3 R/S分析法分析结果

基于2011—2016年逐月水质监测数据，宝鸡出境、咸阳出境、西安出境和渭南出境断面COD与NH3-N时间序列的R/S分析法分析结果见表5。结果显示各出境断面主要污染指标的H值均大于0.5，说明各出境断面水质都具有长程相关性(持续性)，即未来水质变化趋势跟2011—2016年期间的变化趋势一致。未来4个出境断面NH3-N浓度都将具有较强的持续下降延续性，咸阳、西安和渭南出境断面COD会延续下降趋势，但是持续性较弱，特别是渭南出境断面程度最弱。需要特别指出的是宝鸡出境断面将会延续COD上升趋势，尽管程度较弱，仍需要引起有关部门的重视，要尽快查明污染来源，采取针对性措施，早日遏制水质恶化趋势。

河流水质长程相关性的影响因素较多，包括土地利用、景观格局、气候、水文等因素[15]，根据渭河治理保护文件《渭河流域水污染防治巩固提高三年行动方案(2015—2017)》，陕西省政府将继续加强渭河治理工作，包括进一步优化土地利用结构、加大治理产业聚集区水污染、控制畜禽养殖与化肥污染等一系列整治措施，从源头上治理污染源，相信这一系列综合治理措施将会成为渭河干流陕西段水质变好趋势得以延续的保障。

表5 各出境断面COD和NH3-N的R/S指数

3 结 论

(1) 渭河干流陕西段水质由2010年的重度污染转变为2016年的轻度污染，水质明显改善，说明从2011年开始实施的企业治理减排、农业结构调整与综合治理工程项目取得了良好的效果。值得注意的是2016年虢镇桥断面与天江人渡断面仍为劣Ⅴ类水质，渭河干流陕西段局部严重污染仍然存在。

(2) 宝鸡、咸阳、西安和渭南4个出境断面枯水期COD,NH3-N浓度普遍高于丰水期，治理后各断面COD与NH3-N浓度有不同程度的削减，其中咸阳与西安出境断面COD浓度削减显著，西安与渭南出境断面NH3-N浓度削减显著，但是西安出境断面仍然是4个断面中污染最为严重的断面。

(3) 渭河干流陕西段4个出境断面NH3-N浓度均呈现高度显著下降趋势，并将具有较强持续性；咸阳、西安和渭南出境断面COD浓度呈现显著下降趋势，但持续性不强；宝鸡出境断面COD浓度呈现不显著上升趋势且将会延续，尽管程度较弱，仍需要引起有关部门的重视。