石亭江流域金轮断面水质趋势分析和治理研究

高倩倩，杨 贤，吴加禄，杨永钦，傅德瑜

（1.四川省德阳生态环境监测中心站，四川 德阳 618000；2.德阳市生态环境局，四川 德阳 618000）

石亭江是德阳市境内重要的河流，属于沱江流域，发源于四川省什邡市红白镇，属于沱江流域，全长122 km，流域面积1512 km2，涉及的行政区域包括绵竹市、什邡市、旌阳区、广汉市。金轮断面是石亭江流域的重要断面，作为石亭江什邡绵竹段控制单元出境控制节点和石亭江广汉旌阳入境控制节点，金轮断面水质状况的控制对石亭江流域水质环境质量的改善起到关键作用。因此，对石亭江金轮断面水环境质量现状进行监测和分析，及发展趋势的预测，可为改善该流域的水环境质量提供数据依据和支撑。

Spearman秩相关系数法作为一种常用污染变化趋势的定量分析方法，通过对各污染因子监测数据进行统计分析，可表明其在评价时段内变化趋势。环境监测中，许多因素影响环境质量，有些因素是不明确的。灰色系统模型GM （1，1）趋势因子a法建立的定量预测模型，可以对污染因子定性分析，预测未来时间段内污染因子的变化趋势，反映出未来时段内需要重点关注的污染因子，在水质环境监测中，使用灰色模型来研究是相适应的[1]。

通过对金轮断面近几年监测数据的分析，用Spearman秩相关系数法评价各污染因子在评价时段内的变化趋势，用灰色系统模型GM（1，1）趋势因子a法预测未来时段内污染指标的变化趋势。

1 石亭江金轮断面水环境质量评价

1.1 评价因子和标准

根据2016年～2021年市站监测数据，选用高锰酸盐指数（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）进行趋势预测和评价分析。根据德阳市地表水环境质量功能区划分类，金轮断面属于Ⅲ类水域功能区，应执行《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅲ类水质标准。

1.2 水环境质量评价方法

金轮断面水质环境质量现状评价采用Spearman秩相关系数法和灰色系统模型GM（1，1）趋势因子a法进行分析评价[2]。

1.2.1 Spearman秩相关系数法

式中：di为变量Xi与Yi的差值；Xi为周期I-N从小到大按浓度值排序的序号；Yi为按时间排序的序号。

对将秩相关系数Rs的绝对值同临界值Wp进行比较，当|Rs|≥Wp时，则表明变化趋势有显著意义，如果Rs是负值，则表明在评价时段内有关统计量指标变化呈下降或好转趋势；如果Rs为正值，则表明在评价时段内有关统计量指标变化呈上升或加重趋势。

1.2.2 灰色系统模型GM（1，1）趋势因子a法

构造Yn向量如下：

用最小二乘法求取待辨识参数列S：

式中：T表示矩阵的转置，-1表示矩阵的逆。

建立各种污染因子的预测模型：

对（1）式预测模型进行趋势判断：

对于灰色系统模型GM（1，1）趋势因子α法，当 大于0，则e-1e-a小于1，即，表明污染因子的浓度值随时间推移而降低，且a值越大，降低趋势越明显。当 小于0，则e-a大于1，即，表明污染因子的浓度随时间推移而变大，且 值越小，变大趋势越明显。当 等于0，则e等于1，即，表明污染因子的浓度不随时间变化。

2 水环境质量监测值和结果评价

根据2016年～2020年金轮断面监测数据，通过相关系数Rs计算，金轮断面总磷的Rs为-0.900，总磷浓度呈显著下降趋势，高锰酸盐指数和氨氮的Rs分别为-0.100和-0.800，两者浓度均呈不显著下降趋势，五日生化需氧量的Rs为0.100，五日生化需氧量浓度呈不显著上升趋势[3]。通过Pi和趋势因子 计算得出，金轮断面总磷项目的Pi大于1、大于等于0，总磷是现实污染因子，但污染程度将趋于减轻；高锰酸盐指数、五日生化需氧量和氨氮项目Pi小于等于1、大于等于0，高锰酸盐指数、五日生化需氧量和氨氮浓度将呈下降趋势，是非污染因子，维持现状即可，见表1。由此可见，2016年～2020年期间该断面污染治理措施基本有效，但总磷还处于超标状态，且常年处于劣Ⅴ，亟需加强治理。

表1 金轮断面水质环境结果评价和趋势分析 单位：mg/L

表1中：①Spearman秩相关系数临界值Wp0.05为0.900。②Pi=Ci/Co， Pi大于1，小于0，表明污染已经发生，且程度正在加剧，是主要污染因子，是环境治理的关键污染因子；Pi大于1，大于等于0，表明污染已经发生，程度趋于减轻，是环境治理的现实污染因子；Pi小于等于1，小于0，表明污染程度正增加，未超标，是环境污染的潜在因子；Pi小于等于1，大于等于0，表示该因子未超标，且在减少，是非污染因子。 ③当 大于0，污染浓度随时间推移降低，值越大，降低越明显；小于0，污染浓度随时间推移变大，值越小，变大越明显；等于0，污染浓度随时间推移无变化。

2021年，金轮断面高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮和总磷年均浓度分别为2.1 mg/L、1.8 mg/L、0.29 mg/L和0.16 mg/L，均达到地表水Ⅲ类水质标准，尤其是总磷，水质质量由2020 年劣Ⅴ变为Ⅲ类，但个别时段仍存在超标现象。

为研究其它监测项目对总磷的影响，选取2021 年金轮断面监测项目水温、pH、溶解氧、流量、高锰酸盐指数、氨氮、化学需氧量、五日生化需氧量、石油类和总磷监测数据进行变量间相关性分析，通过分析两个或多个具备相关性的变量元素，以此衡量变量因素的相关密切程度。通过表2数据可以看出，总磷与化学需氧量、五日生化需氧量有低度正相关，总磷与高锰酸盐指数、氨氮相关系数分别为0.617和0.743，具有显著正相关，说明高锰酸盐指数和氨氮浓度的消减对总磷浓度的降低是有益的。总磷浓度和流量之间的相关系数为-0.004，两者之间不存在相关，反映出金轮断面总磷浓度不受流量变化影响。

表2 金轮断面监测项目相关系数矩阵

3 “十三五”金轮断面水质污染的主要因素

3.1 本底值超标问题不容忽视

德阳市龙门山脉属磷矿富集地，自20世纪50 年代末就已开始磷化工产业的生产，早先的粗放式发展和磷矿的大面积开采，对流域总磷本底值有较高贡献。

3.2 收纳上游工业废水

德阳市是我国重要的磷化工基地，石亭江流域沿岸分布着众多磷化工企业和工业园区，主要集中在什邡市和绵竹市，大量含磷废水排入石亭江，对石亭江总磷贡献颇大。而金轮断面处于涉磷企业和工业园区的下游，收纳了上游含磷工业废水。

3.3 沿岸污水处理设施运行效率较低

由于多数乡镇污水处理设施未正常运行，部分污水处理设施设计处理能力不能满足日益增长的生活污水处理需求，农村生活污水处理效率低，对石亭江金轮断面污染日益加重。

4 水污染治理措施

通过近几年的监测数据分析，总磷作为金轮断面的现实污染因子，高锰酸盐指数和氨氮对总磷有显著正相关，且总磷浓度不受流量的影响。所以，若想改善金轮断面总磷污染现象，即要从源头隔绝总磷的来源，又要同时削减高锰酸盐指数和氨氮的排放。

4.1 以突出问题整改为契机，提高水环境质量

通过中央、省级环保督察，以及长江经济带生态环境问题反馈和自查，对石亭江流域两岸，尤其是石亭江什邡绵竹段控制单元存在的问题，健全责任体系，加强调度督办和部门联动协调，逐一明确整改任务、整改目标、整改责任和整改时限，以整改为契机，加强流域周边企业管理，开展“双随机”“测管协同”监管模式，严厉打击环境违法行为，不断改善石亭江流域水环境质量。

4.2 开展“三磷”专项整治

开展“三磷”污染专项整治，完成矿井井硐封闭工作，拆除地面生产生活设施。加强石亭江流域两岸磷化工企业废水整治，抓好冷凝水、初期雨水、生产废水“3”回用，进行有效循环使用不外排；做好雨污、清污“2”分流；做好水平衡，实现全厂水平衡。2021 年，所有涉磷企业废水不再排入石亭江流域，涉磷企业“地涌水”全部处理回收再利用，不再外排至石亭江流域。

同时，加大磷化工企业磷石膏堆场规范化整治和综合利用进度，探采矿权依法有序退出，提高磷石膏利用率，实现了“消增削存”，很大程度上削减了石亭江两岸的总磷入河负荷。

4.3 强化污水处理设施建设及运维

在全市推行“全域覆盖、规划统筹、投建营运一体、收集处理一体、政府购买服务”的污水治理新模式。沿岸城市不断加大污水处理设施的建设，完善乡镇污水管网建设，针对问题管网制定整改方案，全面开展乡镇污水管理排查补漏，提高污水收集率，做到污水不溢流、污水达标排放，2021 年实施管网修复改造和新建项目共10 余个。污水处理效率的提高，大大削减了化学需氧量和氨氮等污染物的排放，显著改善石亭江流域水质。

4.4 沿岸工业园区升级改造

金轮断面上游沿岸分布着双盛和新市两大工业园区，针对工业园区污水排放情况，对污水处理设施进行升级改造，安装除磷设施、二级生化池，以及在总排口建设湿地。同时，安装在线监测系统，加强监管力度。

5 结语

本文通过Spearman秩相关系数法和灰色系统模型GM（1，1）趋势因子a法，对石亭江流域金轮断面的水质进行的分析和讨论，并对各种污染因子进行分类，数据分析发现，近几年金轮断面的水质质量趋于变好，但总磷项目存在偶尔超标现象，是环境治理的现实污染因子。通过元素相关性分析，找出对总磷有影响的监测项目，为石亭江金轮断面精准治污提供了依据。通过监测数据的分析，结合石亭江流域周围实际环境条件，分析了金轮断面污染的原因，探讨了石亭江金轮断面水质改善的治理措施，可为其它类似流域污染治理提供参考。