2010—2019年黄河干流兰州和白银段水质时空变化特征

徐发凯，何 丽，王一帆，何 昌，牛 毓，刘文君，宋伟宏

(甘肃省环境监测中心站，甘肃 兰州 730020)

黄河是我国第二大河，全长约5 464 km，流域面积为752 443 km2，甘肃是黄河流经的第三个省份。黄河干流甘肃段处于黄河上游，流域面积为 14.59万km2，其地理位置及区域特性对于黄河污水治理战略部署至关重要。过去由于甘肃段污水处理压力较大，大量的工业废水、生活污水在未得到有效处理的情况下直接排入黄河，严重影响了甘肃社会经济的发展，甚至限制了黄河中下游地区城乡居民的生活用水和工农业生产用水[1-2]。随着甘肃省政府对于流域污染防治工作越来越重视，相继出台了多项政策来统筹治理工作，并建立了省控监测断面网络观测水质的动态变化。经过长期治理行动，甘肃省地表水水质已得到显著改善[3-5]。鉴于此，阐明黄河流域甘肃段的水质时空变化特征，对于今后明晰流域污染治理方向及制定生态恢复策略具有重要意义。

水质评价是对水体质量进行定性或定量划分的有效方法，是实现合理开发、配置水资源的重要手段。国内外主流的水质评价方法有很多，常用的有污染指数法(单因子、综合污染指数)[6-9]、内梅罗水污染指数法[10-12]、主成分分析法[13-15]及灰色系统评价法[16-17]等。其中，内梅罗水污染指数法是兼顾极值或最大值的计权型指数计算方法，多应用于地下水污染评价；主成分分析法具有简化计算和综合水质指标信息的优势，适用于多指标、短序列的监测数据分析；而综合污染指数法运算过程简便，其结果能够准确地反映水质综合状况，在地表水水质时空变化分析中应用广泛[18-21]。

本文基于2010—2019年黄河干流兰州段和白银段7个监测断面水质逐月监测数据，采用综合污染指数法对水质进行评价，并结合方差分析及累积距平法，分析黄河流域兰州段和白银段监测断面水质时空变化特征，以期为甘肃省流域污染治理提供参考。

1 研究区概况

兰州市和白银市位于甘肃省中部，是黄河上游极为重要的重工业城市。据不完全统计，黄河干流甘肃段年排放废水超过2.5亿t，其中生活污水排放量接近1.5亿t，约占废水排放总量的60%。黄河干流兰州段废水排放量约为1.75亿t，约占甘肃段的70%；白银段废水排放量约为0.3亿t，占甘肃段的12%左右[22]。由于白银距兰州很近，因此白银段上游输入的污水压力较大，河水自净程度较低。

兰州市位于陇西黄土高原西部，是青藏高原向黄土高原的过渡地区，年平均气温在10 ℃左右，年平均降水量约为300 mm，主要集中在6—9月。黄河兰州段全长152 km，其中流经市区45 km，提供了兰州市大部分的生活用水和生产用水。黄河兰州段共设扶和桥、湟水桥、新城桥、包兰桥和什川桥5个地表水监测断面，其中扶河桥、包兰桥、什川桥均为国控断面，新城桥、湟水桥为省控断面，什川桥为兰州市出境监测断面。

白银市地处黄土高原和腾格里沙漠过渡地带，年平均气温为6～9 ℃，年降水量在180～450 mm之间，雨季集中在7—9月。白银段是黄河甘肃段的末端，黄河从西峡口进入白银市，呈“S”形先后流经白银区、靖远县、平川区、景泰县，于黑山峡下北长滩乌龙漩口出境进入宁夏，全长258 km，占甘肃总流程的28.3%。白银市年均入境流量293亿m3，流域面积1.47万km2。目前黄河白银段共设有青城桥、靖远桥和五佛寺断面3个地表水监测国控断面，其中青城桥为白银市入境断面，五佛寺为出境断面。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1综合污染指数法

综合污染指数是各项单因子污染指数之和与单因子个数的比值，能够全面、准确地反映水质的综合状况[7]。本文依据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅲ类水质标准，先采用式(1)计算单因子污染指数，然后采用式(2)计算综合污染指数[18]。

Ri=ρi/ρsi

(1)

(2)

式中：Ri为水质因子i的污染指数；R为综合污染指数；ρi为水质因子i的实测质量浓度，mg/L;ρsi为水质因子iⅢ类水标准的质量浓度，mg/L；n为水质因子个数。

2.1.2单因素方差分析法与最小显著差异t检验

单因素方差分析能够直接反映样本组间的整体均值差异，而最小显著差异t检验可以定量分析样本组间的具体差异。本文采用单因素方差分析法判定水质在监测断面、季节及年度方面是否存在显著性差异，采用最小显著差异t检验定量分析监测断面间、季节间与年度间的具体差异。

2.1.3累积距平法

时间序列分析能够准确地反映观测变量的变化规律及波动特点，本文采用时间序列分析中常用的累积距平法分析黄河流域兰州段和白银段7个监测断面水质2010—2019年的综合污染指数变化趋势。累积距平法是一种由累积分布曲线判断变化趋势的分析方法[18]，能直观地描述观测变量在时间尺度上的阶段性特征，计算公式为

(3)

采用R语言软件对以上数据进行分析，其中单因素方差分析采用AOV函数计算，最小显著差异t检验采用agricolae包中LSD.test函数计算，绘图则在ggplot2包中完成。

2.2 数据来源

采用2010—2019年兰州段和白银段7个监测断面(不包括湟水桥断面，该断面在黄河一级支流湟水河上，不在黄河干流上)水质逐月数据，监测指标包括水温、pH值、高锰酸盐指数(CODMn)、化学需氧量(COD)、5日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、铜、锌、氟化物、硒、砷、汞、铬、铅、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活化剂和硫化物等共20项。以上指标测定均依照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的监测标准执行。

3 结果与分析

3.1 水质的空间变化特征

2010—2019年兰州段和白银段整体水质状况良好，属于Ⅲ类水范畴，综合污染指数均在0.25以下。监测断面水质按综合污染指数从小到大排序为扶和桥(0.171)、新城桥(0.188)、包兰桥(0.201)、什川桥(0.203)、青城桥(0.209)、五佛寺(0.212)、靖远桥(0.217)，且存在显著的空间差异(P<0.01)，即兰州段综合污染指数低于白银段，上游断面水质优于下游断面。最小显著差异t检验结果表明扶河桥断面水质最优，综合污染指数除了与新城桥断面无显著差异外，显著低于其他断面(P<0.05)，而包兰桥、什川桥、青城桥、靖远桥和五佛寺这5个断面水质较为接近，未达到显著差异水平。

因甘肃段水体化学污染严重，故选用CODMn、BOD5、NH3-N和TP 4个指标，分析兰州段和白银段监测断面2010—2019年单因子污染指数变化特征(图1)。由图1可知：①各断面CODMn污染指数总体均呈下降趋势，其中兰州段监测断面(扶和桥、新城桥、包兰桥和什川桥)2010—2013年呈上升趋势，2014—2019年逐渐下降；白银段监测断面(青城桥、靖远桥、五佛寺)呈缓慢下降趋势，整体高于兰州段各断面。②各断面BOD5污染指数在2010年比较接近，均在0.5～0.6之间，2010—2019年兰州段4个断面均呈显著下降趋势；白银段监测断面在2010—2014年较为稳定，明显高于兰州段监测断面，2015—2019年出现显著降低，2017年起兰州段与白银段监测断面污染指数较为接近。③2010—2019年各断面NH3-N污染指数变化趋势较为一致，均呈下降趋势，其中兰州段新城桥及扶和桥断面NH3-N污染指数明显低于其他5个断面。④TP污染指数在2010—2019年的变化趋势与BOD5类似，空间上变化趋势存在明显的两极分化。白银段3个断面TP污染指数较高，呈先上升后下降趋势,而兰州段各监测断面要显著低于白银段监测断面，并且在时间上变化趋势与白银段相反，呈“V”形趋势变化，并于2015年达到最低值。

(a) CODMn (b) BOD5

(c) NH3-N (d) TP

3.2 水质的季节变化特征

将2010—2019年水质逐月数据按3—5月(春季)、6—8月(夏季)、9—11月(秋季)、12月至次年2月(冬)时间段进行季节划分，分析兰州段和白银段监测断面水质的季节变化特征。结果表明，兰州段监测断面综合污染指数从小到大顺序为秋季、夏季、春季、冬季，白银段为秋季、春季、夏季、冬季，兰州段水质季节变化规律与白银段存在差异。兰州段水质具有显著的季节性差异(P<0.01),即冬季综合污染指数最高(0.19)，秋季最低(0.17)，春、冬季综合污染指数显著高于夏、秋季(P<0.05)；白银段综合污染指数季节差异未达到显著水平(P=0.776)，具体表现为夏、冬季综合污染指数略高于春、秋季。

以CODMn、BOD5、NH3-N、TP、COD和氟化物6个化学指标为例，利用单因素方差分析法进一步分析兰州段水质主要化学污染物的季节差异，结果如表1所示。表1表明，兰州段各监测断面有明显季节性差异的化学指标并不统一。位于最上游的扶河桥断面TP呈现季节波动(P<0.05)，而位于它下游的新城桥断面化学指标不随季节波动。包兰桥断面CODMn和NH3-N具有明显的季节趋势(P<0.01)，而最下游的什川桥断面则为BOD5(P<0.05)和NH3-N(P<0.01)季节性差异最大。

表1 兰州段监测断面水质主要化学指标季节差异

表2 白银段监测断面水质主要化学指标季节差异

与兰州段水质状况类似，白银段各监测断面水质化学污染物的季节特征也表现出多元化(表2)。上游的青城桥断面以BOD5(P<0.05)和NH3-N(P<0.01)的季节变化为主，位于中间的靖远桥断面NH3-N(P<0.01)、TP(P<0.05)及COD(P<0.05)3个指标均呈现出季节差异。而最下游的五佛寺断面化学指标在全年内较为稳定，化学污染物受季节影响较小。

3.3 水质随时间变化趋势

图2为兰州段和白银段监测断面2010—2019年的综合污染指数累积距平曲线。兰州段监测断面水质变化趋势为单峰“几”字形，并具有明显的阶段性特征。2010—2013年各监测断面综合污染指数距平均为正数，累积距平曲线呈显著上升趋势，表明该时段各监测断面水质并无明显的好转，综合污染指数要远高于2010—2019年平均水平；2014—2017年各监测断面水质变化开始出现拐点，综合污染指数距平由正值转变为0或负值，累积距平曲线则呈缓慢下降趋势，表明该时间段各监测断面水质开始逐渐转好，综合污染指数则接近2010—2019年的平均水平；2018—2019年兰州段监测断面水质得到显著改善，综合污染指数距平持续为负值，累积距平曲线则呈显著下降趋势，水质达到2010—2019年最好水平。

(a) 兰州段

(b) 白银段

白银段各监测断面水质变化趋势区别于兰州段，呈倒“V”字形单峰趋势。2010—2015年白银段综合污染指数累积距平曲线一直为上升趋势，2016年开始呈下降趋势，可知白银段水质真正得到改善是始于2016年，要明显滞后于上游兰州段的2014年。2017—2019年白银段综合污染指数距平持续为负，累积距平曲线呈显著下降趋势，表明白银段水质状况正持续变好。

4 讨 论

4.1 水质的季节波动原因

黄河干流兰州段水质状况存在显著的季节波动，春、冬两季水质优于夏、秋两季，而白银段综合污染指数在年内无明显季节性趋势，即相邻河段水质在季节动态上的规律并不统一。该结果与邵志江等[7，23]研究结果较一致。一般认为，水质季节波动跟流域断面水量差异及当地排污环境有关[24]。研究区域雨季集中在6—9月，降水量占全年80%以上。丰水期黄河流速、流量增大加速了夏、秋两季污染物输送和转移，而冬季流域径流量锐减，导致水体中污染物流通较慢且容易沉积，对春季水质也存在一定的影响[23,25]。另外，断面水质变化不仅受降水量影响，各时期水温差异也是影响水质的重要因素。水体自净能力主要依靠微生物的净化功能，当水温低于15°C时对硝化反应有明显的抑制作用，而水温升高时有助于水体中NH3-N的转化及有机质去除量的增加[26-28]；白银段水质各个季节均劣于兰州段水质，且夏季污染物含量要略高于其他季节，原因一是白银市人口总量远低于兰州市人口，上游生活污水输入量占黄河干流白银段生活污水总量的比例很高；二是白银段重工业企业居多，工业废水和面源污染是其主要污染物来源，而工业污染排放不像生活污水排放呈现周期性变化，均匀化的排放模式一定程度上掩盖了白银段的水质季节变化特征。

4.2 水质的年际变化趋势

时间序列趋势分析表明，2010—2019年兰州段水质改善的拐点是出现在2014年，2014年后黄河干流兰州段水质经历了缓慢提升(2014—2017年)和显著提升(2018—2019年)两个阶段。而白银段水质状况拐点明显滞后于兰州段(2016年)，2010—2015年水质状况劣于2010—2019年平均水平，2016—2019年水质明显好转，综合污染指数呈持续下降趋势。

水质年际变化趋势与当地政府水污染治理政策、水污染治理力度直接相关。兰州市2014年发生“4·11”自来水污染事件后，曾引起了社会强烈不满，政府对水污染治理非常重视，兰州市环境保护局对黄河兰州段376个排污口进行了摸底排查，重点对75个存在排污现象的排污口逐一进行整治，对私设暗管、偷排、漏排和污水超标排放的违法企业严肃查处。2015年兰州市对黄河两岸43处污水溢流口截流整治，市内9座污水处理厂投运，同时对市内重点企业实施废水排放总量控制，使污水不再直排黄河。可见污染治理力度逐年增大是促使兰州段水质改善的重要原因[29]。白银市作为中国铜城，有色金属资源丰富，在过去工业废水排放一直是老大难问题。近些年在高强度治理下工业废水排放问题得到妥善处理，而面源污染则逐渐成为新的主要污染物来源。杨苏才等[30]研究发现白银段面源污染对水体污染物的贡献率高达44%，其中总大肠菌群、COD和TP等指标严重超标。本文研究结果表明：黄河干流白银段TP、BOD5等指标污染指数显著高于兰州段，与前人的研究结果较为一致。为此，白银市政府先后开展了白银段东大沟流域重金属污染农田、历史遗留含铬污染土壤、东大沟重金属河道等多项整治修复工程，从政策层面督导水污染治理问题，从而加速水质向好转变。

5 结 论

a.虽然黄河干流兰州段和白银段水质均属于Ⅲ类，但兰州段综合污染指数明显低于白银段，其中扶河桥断面水质最佳，靖远桥断面水质最差。

b.兰州段整体水质在春、冬两季会变差，而白银段水质季节差异不大。化学指标方面，各断面有明显季节趋势的指标差异较大。

c.2010—2019年两个河段水质均有了显著提升，综合污染指数呈显著下降趋势，但总体而言，黄河水体污染治理仍是一项艰巨而漫长的任务。