清水江流域水环境质量变化趋势及治理措施分析

伍名群

(黔东南生态环境监测中心，贵州 凯里 556000)

0 引言

清水江是贵州省第二大江，是长江上游重要支流，流经中国重要的磷化工基地[1]。自21世纪初以来，清水江上游磷矿和磷化工、化肥企业的发展，生产废水的排放，使清水江水环境中氨氮、总磷和氟化物严重超标，清水江流域水环境受到污染[2]。磷是水生植物生长的必需营养元素，但过量的磷元素会超过水体的自净能力，多余的磷元素将会促进水中藻类植物的快速生长，从而导致水体富营养化的产生，严重影响甚至破坏水体的使用功能[3-4]。氟是人体必需的微量元素之一，当水中氟的浓度高于4 mg/L时，则可能会导致氟骨病，甚至会导致骨质疏松、骨骼变形等病症[5]。

近年来，有学者对清水江流域水环境质量进行研究，刘晓静[6]对贵州省清水江流域污染治理效果进行评价，为清水江流域下一步工作提出建议，也为全省其他重点流域的污染治理提供借鉴。黄娟等[7]对清水江流域水体中氮磷分布及富营养化程度评价，以期为清水江流域的水污染治理提供理论依据。刘斌武等[8]分析清水江水体和沉积物中氮、磷在不同介质的变化趋势及相关性，为清水江流域的水环境管理提供依据。宋丽婧等[9]对贵州省黔南州清水江水质进行评价及变化趋势进行分析，为后期科学管理水域环境提供依据。与此同时，国内有学者围绕水环境质量进行研究，师吉华等[10]对黄河山东段水环境质量分析与评价，从不同方面总结黄河山东段水环境质量的总体状况，为有效控制和治理黄河山东段水体污染与富营养化状态及对黄河山东段的增殖放流提供了参考依据。陶春霞[11]对2018—2019年丰都县大中型水库水环境质量变化特征进行研究，提出改善提升水质质量的办法和措施。刘淑芬[12]对大汶河干流地表水环境质量现状进行评价及趋势分析，分析水质得到改善的原因主要是政府监管力度的加大、基础设施的建设和生态保护修复工程的实施等人为因素的积极影响。刘魏魏等[13]对衡水湖湿地水环境质量时空变化特征及污染源进行分析，以期为衡水湖水环境保护和管理提供科学依据。

从全流域角度分析清水江流域水环境质量变化趋势及治理措施鲜见研究。作者以2011—2020年清水江流域各断面监测数据为基础，系统分析清水江流域水质变化趋势及主要污染物时空变化特征，探索清水江流域近10年在水污染防治方面采取的措施及取得成效，以期为“十四五”期间持续开展清水江流域水污染治理提供借鉴和参考。

1 研究区域概况

清水江是长江流域洞庭湖沅水水系上游主流河段，其中，上游位于贵州省黔东南州和黔南州，下游位于湖南省湘西，地处北纬 26°10′～27°15′，东经 105°15′～109°50′之间，河源至省界出口全长454.2 km，河源高程1 500 m，省界出口高程220 m，天然落差1 280 m，平均坡降0.282%，流域集水面积17 086 km2[14]。清水江流域包括贵州省黔南州和黔东南州的 3个市、12个县的全部或部分地区，以及湖南省怀化地区3个县的一部分，主要支流有重安江、巴拉河、南哨河、乌下河、六洞河、亮江、鉴江等[6]。本研究采样点位见图1。

图1 清水江流域采样点位示意图(图引自文献[15])Fig.1 Schematic diagram of sampling points in Qingshui River Basin (the picture is quoted from literature [15])

2 研究内容与方法

2.1 数据来源及处理

监测数据来源于黔东南生态环境监测中心2011—2020年每月1次的常规监测数据，采样断面为清水江干流的兴仁桥、旁海、革东、白市共4个断面及重要支流重安江的重安江大桥、湾水共2个断面，其中设置兴仁桥断面为对照断面，主要是接纳都匀市的工业、企业生产废水和生活污水；重安江大桥断面为控制断面，主要是接纳福泉市境内的工业、企业生产废水和生活污水；湾水断面为重安江大桥断面的削减断面；旁海断面为控制断面，主要是监控重安江支流汇入清水江干流后的水质情况；革东断面为清水江干流控制断面；白市断面为清水江贵州段进入湖南境内的控制断面。考虑到清水江流域水质污染特征，监测指标选取具有代表性的高锰酸盐指数(CODMn)、化学需氧量(CODCr)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、氟化物(F-)等6项指标。样品采集严格按照《水质采样技术指导》(HJ494-2009)有关要求执行。样品保存与运输严格按照《水质采样样品的保存和管理技术规定》(HJ493-2009)有关要求执行。样品测试严格按照国家现行有效标准方法进行并采取相应质控措施，确保样品分析准确、有效。

利用EXCEL 2007软件进行图表处理和SPSS 19.0统计分析软件进行数据处理分析，其中相关性分析采用Pearson检验法。

2.2 评价方法

水质评价和污染趋势分析不仅能够科学地说明水质状况，而且能为水污染控制指明方向[16]，同时水环境质量评价也可为生态管理与治理决策制定提供依据[17]，常用的水环境质量评价方法有单因子评价法、综合污染指数法和模糊数学法等，其中综合污染指数法应用较广[18-22]。为全面掌握清水江流域水环境质量，本文选取单因子评价法评价水质变化情况和综合污染指数法评价河段污染程度，同时采用Spearman秩相关系数法检验污染物变化趋势在统计上有无显著性[23]。

1)单因子评价法

通常情况下，对河流断面水质评价采用单因子评价法，即根据评价时段内该断面参评的指标中类别最高的一项来确定[24]。该方法将各监测指标的实测值与被评价水环境所执行的标准值进行比较，选取水质最差的类别来确定该水体的水质类别[25]。

Pi=Ci/Cci

(1)

式中，Pi为i项指标的单因子污染指数；Ci为i项指标的实测值，mg/L；Cci为i项指标的标准值，mg/L。

2)综合污染指数法

综合污染指数法在单因子污染指数的基础上考虑了所有监测指标对水质的影响[25]，通过计算各监测断面的水质综合污染指数及各项评价指标的污染负荷率[21]。综合污染指数P表达式为[26-27]：

(2)

式中，P为综合污染指数；Pi为i项指标的单因子污染指数；n为污染因子个数。根据综合污染指数，将水质质量分为 6 个等级，即清洁(P<0.2)、尚清洁(0.2≤P<0.4)、轻度污染(0.4≤P<0.7)、中度污染(0.7≤P<1.0)、重度污染(1.0≤P<2.0)、严重污染(P≥2.0)。

污染负荷率Ki表达式为[21]：

(3)

3)Spearman秩相关系数法[24]

衡量环境污染变化趋势在统计上有无显著性，最常用的是Daniel的趋势检验，它使用了Spearman的秩相关系数，计算公式如下：

(4)

di=Xi-Yi

(5)

式中，di为变量Xi与Yi的差值；Xi为周期i到周期n按浓度值从小到大排列的序号；Yi为按时间排列的序号。

3 结果与分析

3.1 清水江流域水环境质量变化趋势分析

由表1可知，2011—2020年期间，清水江流域各断面水质整体趋于好转状态，水质满足《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅱ～Ⅲ类水质比例由16.7%上升至100%，水质改善率超过全国平均水平71.2%[28]，V～劣V类水质比例由83.3%下降至0，影响清水江流域水质超标的监测指标主要为总磷和氟化物。2011—2020年期间，兴仁桥断面水质均达到Ⅱ类水质标准；重安江大桥断面从2018年后水质均达到或优于Ⅲ类水质标准；湾水断面从2017年后水质均达到或优于Ⅲ类水质标准；旁海断面从2016年后水质均达到或优于Ⅲ类水质标准；革东断面从2016年后水质均达到Ⅱ类水质标准；白市断面从2015年后水质均达到或优于Ⅲ类水质标准。受支流重安江的影响，从旁海断面往下游方向存在一定水域内水质变差的趋势，清水江流域通过植物吸收、微生物降解以及沉积物吸附等一系列的自然净化机制能使水体有一定程度自净作用[29]，加之，自然河道形态差异不同，自净能力也有所不相同[30]，当水流到达白市断面后水质得到较大改善。从整体可以看出，从2016年开始清水江流域水质逐渐转好，特别是在2018年后清水江流域水质达到或优于Ⅲ类水质标准，水质达标率为100%。

表1 2011—2020年清水江流域各断面水质类别变化趋势Tab.1 Variation Trend of water quality categories at each section of Qingshui River Basin from 2011 to 2020

3.2 清水江流域水质综合污染程度评价

由表2可知，2011—2020年期间，兴仁桥断面水质综合污染指数在0.166～0.259范围变化，Spearman秩相关系数为-0.854 5，水质趋于显著好转状态；重安江大桥断面水质综合污染指数在0.237～8.998范围变化，Spearman秩相关系数为-0.963 6，水质趋于显著好转状态；旁海断面水质综合污染指数在0.205～2.974范围变化，Spearman秩相关系数为-0.951 5，水质趋于显著好转状态；白市断面水质综合污染指数0.176～3.156范围变化，Spearman秩相关系数为-0.944 0，水质趋于显著好转状态。湾水断面和革东断面因监测数据缺失，仅分析2015—2020年期间水质综合污染指数，其中湾水断面水质综合污染指数在0.172～3.046范围变化，Spearman秩相关系数为-1.000，水质趋于显著好转状态；革东断面水质综合污染指数在0.158～1.110范围变化，Spearman秩相关系数为-0.942 9，水质趋于显著好转状态。

表2 2011—2020年清水江流域水质综合污染指数Tab.2 Water quality comprehensive pollution index of Qingshui River Basin from 2011 to 2020

由表3可知，兴仁桥断面污染负荷率最大为化学需氧量(污染负荷率为28.7%)；重安江大桥断面污染负荷率最大为总磷(污染负荷率为68.7%)；湾水断面污染负荷率最大为总磷(污染负荷率为60.1%)；旁海断面污染负荷率最大为总磷(污染负荷率为56.1%)；革东断面污染负荷率最大为总磷(污染负荷率为51.1%)；白市断面污染负荷率最大为总磷(污染负荷率为36.9%)。从整体变化趋势来看，2011—2020年期间，清水江流域各断面水质综合污染指数显著转好趋势，从2016年开始各断面水质综合污染程度从轻度污染水质向清洁水质转变，水质改善较为明显。

表3 2011—2020年清水江流域各断面评价指标的污染负荷率 Tab.3 Pollution load rate of evaluation indexes of each section in Qingshui River Basin from 2011 to 2020

3.3 清水江流域主要污染物时空变化趋势分析

3.3.1 清水江流域水中总磷变化趋势分析

由表4和图2可知，2011—2020年期间，兴仁桥断面水中总磷浓度变化为0.022～0.04 mg/L，Spearman秩相关系数为-1.030 3，有显著好转，水质均低于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中的Ⅲ类水标准(0.2mg/L)。重安江大桥断面水中总磷浓度变化为0.09～10.12 mg/L，Spearman秩相关系数为-0.951 5，有显著好转，最大值出现在2012年，最小值出现在2020年。湾水断面水中总磷浓度变化为0.04～7.23 mg/L，Spearman秩相关系数为-0.951 5，有显著好转，最大值出现在2012年，最小值出现在2020年。旁海断面水中总磷浓度变化为0.056～3.18 mg/L，Spearman秩相关系数为-0.939 4，有显著好转，最大值出现在2012年，最小值出现在2020年。革东断面水中总磷浓度变化为0.03～1.74 mg/L，Spearman秩相关系数为-0.824 2，有显著好转，最大值出现在2012年，最小值出现在2020年。白市断面水中总磷浓度变化为0.03～0.38 mg/L，Spearman秩相关系数为-0.824 2，有显著好转，最大值出现在2011年，最小值出现在2020年。从整体变化趋势来看，2011—2020年期间，清水江流域各断面水中总磷浓度趋于逐渐降低趋势，降幅由大到小依次为湾水断面(99.3%)、重安江大桥断面(98.9%)、旁海断面(97.5%)、革东断面(96.8%)、白市断面(92.1%)、兴仁桥断面(40.0%)。

表4 2011—2020年清水江流域总磷年均浓度Tab.4 Average annual concentration of total phosphorus in Qingshui River Basin from 2011 to 2020

3.3.2 清水江流域水中氟化物变化趋势分析

由表5和图3可知，2011—2020年期间，兴仁桥断面水中氟化物浓度变化为0.10～0.16 mg/L，Spearman秩相关系数为-0.515 2，无显著好转，水质均低于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中的Ⅲ类水标准(1.0 mg/L)。重安江大桥断面水中氟化物浓度变化为0.21～1.73 mg/L，Spearman秩相关系数为-1.042 4，有显著好转，最大值出现在2011和2013年，最小值出现在2019年。湾水断面水中氟化物浓度变化为0.168～1.42 mg/L，Spearman秩相关系数为-0.987 9，有显著好转，最大值出现在2011年，最小值出现在2020年。旁海断面水中氟化物浓度变化为0.133～0.67 mg/L，Spearman秩相关系数为-0.975 8，有显著好转，最大值出现在2011年，最小值出现在2020年。革东断面水中氟化物浓度变化为0.111～0.62 mg/L，Spearman秩相关系数为-0.975 8，有显著好转，最大值出现在2011年，最小值出现在2020年。白市断面水中氟化物浓度变化为0.084～0.26 mg/L，Spearman秩相关系数为-0.878 8，有显著好转，最大值出现在2011年，最小值出现在2020年。从整体变化趋势来看，2011—2020年期间，清水江流域各断面水中氟化物浓度趋于逐渐降低趋势，降幅由大到小依次为湾水断面(88.2%)、重安江大桥断面(87.3%)、革东断面(82.1%)、旁海断面(80.1%)、白市断面(67.7%)、兴仁桥断面(33.1%)。

表5 2011—2020年清水江流域氟化物年均浓度Tab.5 average annual concentration of fluoride in Qingshui River Basin from 2011 to 2020

3.3.3 清水江流域主要污染物来源分析

2011—2020年期间，影响清水江流域水质的主要指标为总磷和氟化物。为摸清污染源头，本文以2011—2020年各监测断面水中总磷的年均浓度为基准，利用SPSS 19.0统计分析软件进行相关性分析，旨在掌握清水江流域主要污染物的来源。从表6可知，以总磷浓度为断面间相关性比较，除清水江干流兴仁桥断面与白市断面(P<0.01，r=0.839)呈显著正相关关系外，受重安江流域的影响，重安江大桥断面与湾水断面(P<0.01，r=0.986)呈显著正相关关系；重安江大桥断面与旁海断面(P<0.01，r=0.975)呈显著正相关关系；重安江大桥断面与革东断面(P<0.01，r=0.950)呈显著正相关关系；重安江大桥断面与白市断面(P<0.05，r=0.749)呈显著正相关关系，相关性大小依次为重安江大桥断面、湾水断面、旁海断面、革东断面、白市断面。可见，清水江流域水中总磷主要来源于重安江大桥上游，说明重安江有点源污染的贡献。众所周知，上游为中国重要的磷化工基地(福泉市)，含磷生产企业长期向水体中排放的主要污染物为总磷、氟化物，致使重安江水中总磷浓度与其他断面相比呈现较高，因此从源头控制污染物，依托污染企业治理为重点，可有效降低清水江流域水中总磷、氟化物的影响。

表6 清水江流域各断面总磷相关性Tab.6 Correlation of total phosphorus in each section of Qingshui River Basin

4 清水江流域水质变好的治理措施分析

通过对清水江流域近10年水质变化趋势进行分析发现，清水江流域水质处于整体向好态势，其原因可能包含以下几方面：

1)贵州省实施清水江流域水污染补偿机制。贵州省人民政府为督促地方人民政府履行水污染防治职责，改善清水江流域水环境质量，于2010年12月19日发布《贵州省清水江流域水污染补偿办法》[31]，该办法明确规定黔南州、黔东南州交界断面(兴仁桥断面、重安江大桥断面)水质实测值如超过控制目标，上游的黔南州应当向省级财政和下游的黔东南州财政缴纳水污染补偿资金，补偿资金由省级财政和黔东南州财政按3∶7的比例分配，而黔东南州出境断面(白市断面)水质实测值如超过控制目标，黔东南州应当向省级财政缴纳补偿资金。通过采取流域水污染补偿的方式，地方政府不断加大了对流域内磷化工等污染企业的整治力度。

2)国家出台新《中华人民共和国环境保护法》。2015年1月1日，国家出台新《中华人民共和国环境保护法》，并相继实施了《水污染防治行动计划》(简称水十条)，环保部门加大水污染防治力度，重拳打击环境违法行为，企业环保意识得到提高，雨污管网系统不断健全，污水处理设施投入加大，流域内排污企业超标排放得到有效控制。

3)中央和省委开展生态环境保护督察。2017年4月26日—5月26日，中央环境保护督察组对贵州省开展环境保护督察。2018年11月4日—12月4日，中央生态环境保护督察组对贵州省第一轮中央环境保护督察整改情况开展“回头看”。自开展督察以来，贵州省建立各市(州)党委、政府和省直相关部门向省委、省政府专题报告环境保护“党政同责、一岗双责”履行情况的工作机制，对有效推进清水江总磷污染治理起到积极作用。

4)开展“三磷”专项排查整治。2019年4月，生态环境部印发《长江“三磷”专项排查整治行动实施方案》，指导贵州等7个省(市)开展集中排查整治，旨在解决长江经济带部分河段水体总磷严重超标问题，消除部分涉磷企业造成的突出水环境隐患。重点围绕磷矿、磷化工和磷石膏库开展“查问题、定方案、校清单、督进展、核成效”5个阶段专项整治行动。同时，贵州省把磷化工污染整治纳入省委、省政府的十大污染源治理工程，并制定了《关于推动贵州省磷化工产业高质量发展的意见》，印发了《2019年利用综合标准依法依规推进落后产能退出工作方案》等文件。自开展专项整治行动及包干督导后，清水江流域水质得到明显改善。

5 结论

1)2011—2020年期间，清水江流域水质趋于好转状态，从2016年开始清水江流域水质得到较大的改善，特别是在2018年后清水江流域水质达到或优于Ⅲ类水质标准，各断面水质综合污染程度从轻度污染水质向清洁水质转变。

2)2011—2020年期间，清水江流域各断面水中主要污染物变化均呈现显著好转趋势，从时空变化趋势上表现为总磷浓度降幅由大到小依次为湾水断面(99.3%)、重安江大桥断面(98.9%)、旁海断面(97.5%)、革东断面(96.8%)、白市断面(92.1%)、兴仁桥断面(40.0%)；氟化物浓度降幅由大到小依次为湾水断面(88.2%)、重安江大桥断面(87.3%)、革东断面(82.1%)、旁海断面(80.1%)、白市断面(67.7%)、兴仁桥断面(33.1%)。

3)2011—2020年期间，清水江流域水质变好的原因取决于贵州省采取行之有效的经济手段控制污染物排放、利用法律手段督促企业规范排污行为、使用行政手段督察企业整改等系列政策的出台及配套措施的有效实施，使得清水江流域范围内污染物得到有效控制，水质逐年向好。

4)利用SPSS 19.0统计分析软件进行相关性分析，重安江大桥断面与下游各断面具有显著正相关关系，初步判定清水江流域水中总磷主要来源于重安江上游。