乌兰木伦河石圪台省控断面水质驱动因素及污染特征研究

张亚宁 吴喜军 董颖 刘静

摘要：煤矿废水是造成周边水环境污染的重要因素，通过分析乌兰木伦河石圪台断面水质含量特征、驱动因子和污染趋势，为矿区生态环境建设提供科学依据。从2015年-2021年石圪台断面的历年21项监测数据来看：化学需氧量、氨氪、总磷、高锰酸盐指数、生化需氧量和氯化物6项指标超标率较高，其中高锰酸盐指数、生化需氧量和化学需氧量是影响水质的主要驱动因子；7年期间水质变化趋势显著变好。并结合石圪台断面处的工业排污口、污染源等因素进行溯源分析，对于改善该断面水质具有良好的监督管理作用。

关键词：石圪台；驱动因子；水质评价；秩相关系数法

中图分类号：X824 文献标志码：B

前言

水是支撑自然生态和社会经济的重要资源，扮演者极其重要的作用。但随着地区经济的迅速发展，水资源污染现象时有发生，部分水体常年无法达到水环境功能区划目标，因此，迫切需要加强对水环境污染管理和控制的力度。对于没有达到国家水质目标的流域，有关部门应该针对当前的水环境问题制定达标方案。2020年2月，将《重点流域水生态环境保护规划》作为全市“十四五”期间的专项规划，并纳入全市规划编制的总体方案，并向市、县统计、林业、水利等部门调取了基础数据，为水环境管理和水污染控制等提供基础数据支撑。

乌兰木伦河，黄河支流窟野河上源。发源于内蒙古南部伊克昭盟沙漠地区，全长132.5公里，流域面积为3 837.27平方公里，陕西境内河长36.5公里，流域面积770平方公里，沿河流域煤炭资源储量丰富。随着煤炭的大规模开采，矿业活动对当地水资源环境的影响日渐凸显。文章以乌兰木伦河石圪台省控断面水质为研究对象，通过榆林市生态环境局提供的2015年-2021年水质数据，确定主要超标指标、驱动因子以及水质变化趋势等，以期为水资源管理者提供一个较为科学的依据，同时也为矿区生态环境建设提供有价值的参考。

1水质评价依据及方法

1.1评价指标

评价指标共21种：pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BODs）、氨氮、总磷、铜、锌、氟化物、硒、砷、汞、镉、铬（六价）、铅、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂、硫化物。

1.2评价标准

断面水质执行标准根据《陕西省“十四五”国考断面“一断一策”水体达标方案编制大纲》控制断面的考核要求确定，乌兰木伦河石圪台断面水质类别要求符合《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅲ类水质标准。

2结果与讨论

2.1乌兰木伦河石圪台断面水质特征

2015年-2021年期间，乌兰木伦河石圪台断面每月监测一次，以每年12次监测数据的算术平均值进行评价。评价方法使用单因子评价法，根据评价时段内该断面参评指标中类别最高的一项来确定水质类别。2015年-2017年该断面水质劣于V类，但2019年水质提升至Ⅱ类标准，2020年-2021年水质均为Ⅲ类标准，6年期间乌兰木伦河石圪台断面水质明显提高。因此，乌兰木伦河石圪台断面水质已连续三年符合Ⅲ类水质标准，达到国家要求的流域水质目标。

但是乌兰木伦河石圪台断面个别月份水质指标出现超标，超标率为某评价指标超过Ⅲ类标准的本年度月份数与总月份数的比值。2015年主要污染指标为氟化物、化学需氧量、高锰酸盐指数和生化需氧量，超标率分别为100%、91.67%、41.67%和41.67%；2016年污染指标为化学需氧量、氟化物和生化需氧量，超标率分别为100%、83.33%和50.00%；2017年污染指标为氟化物、化学需氧量和高锰酸盐指数，超标率分别为100%、91.67%和8.33%；2018年污染指标为化学需氧量和高锰酸盐指数，超标率分别为58.33%和8.33%；2019年污染指标为化学需氧量，超标率为8.33%；2020年无超标指标；2021年污染指标为化学需氧量，超标率为25%。

除上述超标指标外，其余指标在多个时段符合I类水质标准，甚至均低于检测限。因此，着重分析以下超标指标：化学需氧量（如图1所示）、氨氮、总磷（如图2所示）、高锰酸盐指数、BODs（如图3所示）和氟化物（如图4所示）。

COD、BODs和高锰酸盐指数指示水体中有机物及还原性物质含量，综合6年水质状况，乌兰木伦河石圪台断面COD和高锰酸盐指数的超标率于2015年-2019年期间较高（如图1和图3所示），大多数月份均有超标情况，之后超标率明显降低。主要原因是乌兰木伦河石圪台断面周边分布很多烟煤和无烟煤开采洗选和煤制品行业，且农村地区无污水管网覆盖，无法实现污水集中处理，生活垃圾处理水平普遍偏低，随意堆放，经降水以地表径流形式排人河流，这些均导致直接或间接排放的污废水对河流水质造成一定影响。

氨氮、总磷浓度值如图2所示。氨氮和总磷在2015年-2016年超标率较高，且2017年后氨氮和总磷均无超标月份，水质平稳。废水中的氨氮是指以游离氨和离子铵形式存在的氮，主要来源于周边乡镇生活污水、石圪台煤矿排放的污废水、焦化工业废水以及农耕使用氮肥经过地表径流进入乌兰木伦河中，引起氨氮超标。总磷主要来源为周边居民生活污水随意倒放、农村作业过程中使用含磷化学肥料、有机磷农药等。故氨氮、总磷超标主要是由于石圪台断面处乡镇污水处理设施建设水平相对落后、工业废水处理设施缺乏、配套管网建设不完善、雨污管网未完全分流等问题造成污水直排环境，增加了周边水环境污染负荷。

如图4所示，氟化物超标月份较多。氟化物含量超标的原因之一是人类活动的影响，煤炭燃烧、发电等生产过程中产生的大量含氟烟尘以及排放的含氟废水直接或间接进人地表水，影响周边河流水质。原因之二为乌兰木伦河流域自然原因引起地下水氟化物含量较高，且煤炭生产过程中排放的矿井水因未进行合理循环利用，直排于地表水，导致地表水氟化物含量超标。

综上，6种污染指标超标主要是发生在2018年之前，污染源主要是烟煤和无烟煤开采洗选和煤制品行业等工业污染和石圪台断面周边乡镇污水处理设施建设水平、配套管网建设不完善等问题造成污水直排河流水体中，造成各指标超标。之后水质明显改善，说明乌兰木伦河水质得到明显改善，这与当地政府采取的控制原煤开采工艺和煤炭相关行业引起的粉尘、污废水直排防控以及乡镇配套管网建设等多项举措息息相关。

2.2影响水质的主要驱动园子识别

主成分分析是一种统计方法，通过正交变换将一组存在相关性的变量转换为一组线性不相关的变量，转换后的这组变量叫主成分，最大程度反映了原变量代表的信息。软件进行因子分析之前，首先要进行KMO和Bartlett的检验。KMO>0.5，Bartlett的显著性概率<0.05，认为有结构效度，才能进行因子分析。检验结果显示，KMO为0.836，Bamett的显著性概率为0.000，符合标准，可以采用该软件对乌兰木伦河石圪台断面已超标或接近标准的8种水质指标进行主成分分析，8项指标的相关系数为：高锰酸盐指数与生化需氧量、氨氮、化学需氧量、总磷存在显著的正相关性（0.806，0.525，0.602，0.616），表明高锰酸盐指数的变化会对生化需氧量、氨氮、化学需氧量、总磷产生较大影响。硫化物与氟化物、石油类存在显著的正相关（0.638，0.492）。（见表1）

根据特征值大于1的原则提取了两个主成分，反应了8个水质指标70.313%的信息，基本代表了乌兰木伦河石圪台断面水体的综合水质状况。主成分1贡献率占所有影响因子贡献率的52.659%，高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮、化学需氧量、总磷、氟化物和石油类含量在其中的载荷值较大（见表1），分别为0.808、0.862、0.681、0.773、0.713、0.735、0.669，说明它们是第一主成分的主要影响因素，对乌兰木伦河石圪台断面水体水环境质量的影响最大，为第一类主要污染源。原煤在储存、运输、转载过程中产生的煤尘，周边居民生活污水未集中排放等，通过地表径流进入河流，会引起第一污染源浓度超标。主成分2贡献率为17.655%，硫化物在其中的载荷值较大，为0.708，说明它是第二主成分的影响因素，对水环境质量的影响次之，为第二类污染源。

因此，高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮、化学需氧量、总磷、氟化物和石油类是影响乌兰木伦河石圪台断面水质最主要的驱动因子，又由于它们相关系数较高，说明它们的污染来源较一致，主要是煤炭开采以及利用过程中产生的“三废”污染环境。所以，目前乌兰木伦河水质净化的主要任务是去除有机物，氟化物等。

2.3水质变化趋势分析

秩相关系数法是衡量环境污染变化趋势有无显著性。将rs绝对值与spearman秩相关系数统计表的临界值Wp（当n=7，Wp=0.714）进行比较。当|rs|>Wp则表明变化趋势有显著意义：若rs<0，则表明在评价时段内有关统计量指标变化呈好转趋势；若rs>0，则表明在评价时段内有关统计量指标变化呈加重趋势。

乌兰木伦河石圪台断面2015年-2021年水质污染变化趋势统计结果为：溶解氧、石油类、挥发酚、汞、铅、COD、锌、硒、镉、六价铬、氰化物、阴离子表面活性剂12项指标在2015年至2021年7年周期内变化稳定；高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮、总磷、铜、氟化物、砷7项指标显著变好，硫化物污染物虽然显著变差，但依然符合I类水质标准。

3结论

乌兰木伦河石圪台断面水质的单因子污染指数结果表明：石圪台断面水质超标因子主要是化学需氧量、氨氮、总磷、高锰酸盐指数、BODs和氟化物。高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮、化学需氧量、总磷、氟化物和石油类是影响乌兰木伦河石圪台断面水质最主要的驱动因子，目前乌兰木伦河水质净化的主要任务是去除有机物、氟化物等。使用污染变化趋势的定量分析方法——秩相关系数法对各项水质指标的年均值统计分析结果表明，除硫化物显著变差外，其余水质指标显著变好或变化平稳，水质未见显著变坏。