烏蘭木倫河石圪臺省控?cái)嗝嫠|(zhì)驅(qū)動因素及污染特征研究

張亞寧 吳喜軍 董穎 劉靜

摘要：煤礦廢水是造成周邊水環(huán)境污染的重要因素，通過分析烏蘭木倫河石圪臺斷面水質(zhì)含量特征、驅(qū)動因子和污染趨勢，為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。從2015年-2021年石圪臺斷面的歷年21項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)來看：化學(xué)需氧量、氨氪、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量和氯化物6項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)率較高，其中高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量和化學(xué)需氧量是影響水質(zhì)的主要驅(qū)動因子；7年期間水質(zhì)變化趨勢顯著變好。并結(jié)合石圪臺斷面處的工業(yè)排污口、污染源等因素進(jìn)行溯源分析，對于改善該斷面水質(zhì)具有良好的監(jiān)督管理作用。

關(guān)鍵詞：石圪臺；驅(qū)動因子；水質(zhì)評價(jià)；秩相關(guān)系數(shù)法

中圖分類號：X824 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

水是支撐自然生態(tài)和社會經(jīng)濟(jì)的重要資源，扮演者極其重要的作用。但隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水資源污染現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，部分水體常年無法達(dá)到水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)，因此，迫切需要加強(qiáng)對水環(huán)境污染管理和控制的力度。對于沒有達(dá)到國家水質(zhì)目標(biāo)的流域，有關(guān)部門應(yīng)該針對當(dāng)前的水環(huán)境問題制定達(dá)標(biāo)方案。2020年2月，將《重點(diǎn)流域水生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》作為全市“十四五”期間的專項(xiàng)規(guī)劃，并納入全市規(guī)劃編制的總體方案，并向市、縣統(tǒng)計(jì)、林業(yè)、水利等部門調(diào)取了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為水環(huán)境管理和水污染控制等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

烏蘭木倫河，黃河支流窟野河上源。發(fā)源于內(nèi)蒙古南部伊克昭盟沙漠地區(qū)，全長132.5公里，流域面積為3 837.27平方公里，陜西境內(nèi)河長36.5公里，流域面積770平方公里，沿河流域煤炭資源儲量豐富。隨著煤炭的大規(guī)模開采，礦業(yè)活動對當(dāng)?shù)厮Y源環(huán)境的影響日漸凸顯。文章以烏蘭木倫河石圪臺省控?cái)嗝嫠|(zhì)為研究對象，通過榆林市生態(tài)環(huán)境局提供的2015年-2021年水質(zhì)數(shù)據(jù)，確定主要超標(biāo)指標(biāo)、驅(qū)動因子以及水質(zhì)變化趨勢等，以期為水資源管理者提供一個(gè)較為科學(xué)的依據(jù)，同時(shí)也為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供有價(jià)值的參考。

1水質(zhì)評價(jià)依據(jù)及方法

1.1評價(jià)指標(biāo)

評價(jià)指標(biāo)共21種：pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BODs）、氨氮、總磷、銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鎘、鉻（六價(jià)）、鉛、氰化物、揮發(fā)酚、石油類、陰離子表面活性劑、硫化物。

1.2評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

斷面水質(zhì)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《陜西省“十四五”國考斷面“一斷一策”水體達(dá)標(biāo)方案編制大綱》控制斷面的考核要求確定，烏蘭木倫河石圪臺斷面水質(zhì)類別要求符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2結(jié)果與討論

2.1烏蘭木倫河石圪臺斷面水質(zhì)特征

2015年-2021年期間，烏蘭木倫河石圪臺斷面每月監(jiān)測一次，以每年12次監(jiān)測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值進(jìn)行評價(jià)。評價(jià)方法使用單因子評價(jià)法，根據(jù)評價(jià)時(shí)段內(nèi)該斷面參評指標(biāo)中類別最高的一項(xiàng)來確定水質(zhì)類別。2015年-2017年該斷面水質(zhì)劣于V類，但2019年水質(zhì)提升至Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，2020年-2021年水質(zhì)均為Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，6年期間烏蘭木倫河石圪臺斷面水質(zhì)明顯提高。因此，烏蘭木倫河石圪臺斷面水質(zhì)已連續(xù)三年符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到國家要求的流域水質(zhì)目標(biāo)。

但是烏蘭木倫河石圪臺斷面?zhèn)€別月份水質(zhì)指標(biāo)出現(xiàn)超標(biāo)，超標(biāo)率為某評價(jià)指標(biāo)超過Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的本年度月份數(shù)與總月份數(shù)的比值。2015年主要污染指標(biāo)為氟化物、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)和生化需氧量，超標(biāo)率分別為100%、91.67%、41.67%和41.67%；2016年污染指標(biāo)為化學(xué)需氧量、氟化物和生化需氧量，超標(biāo)率分別為100%、83.33%和50.00%；2017年污染指標(biāo)為氟化物、化學(xué)需氧量和高錳酸鹽指數(shù)，超標(biāo)率分別為100%、91.67%和8.33%；2018年污染指標(biāo)為化學(xué)需氧量和高錳酸鹽指數(shù)，超標(biāo)率分別為58.33%和8.33%；2019年污染指標(biāo)為化學(xué)需氧量，超標(biāo)率為8.33%；2020年無超標(biāo)指標(biāo)；2021年污染指標(biāo)為化學(xué)需氧量，超標(biāo)率為25%。

除上述超標(biāo)指標(biāo)外，其余指標(biāo)在多個(gè)時(shí)段符合I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，甚至均低于檢測限。因此，著重分析以下超標(biāo)指標(biāo)：化學(xué)需氧量（如圖1所示）、氨氮、總磷（如圖2所示）、高錳酸鹽指數(shù)、BODs（如圖3所示）和氟化物（如圖4所示）。

COD、BODs和高錳酸鹽指數(shù)指示水體中有機(jī)物及還原性物質(zhì)含量，綜合6年水質(zhì)狀況，烏蘭木倫河石圪臺斷面COD和高錳酸鹽指數(shù)的超標(biāo)率于2015年-2019年期間較高（如圖1和圖3所示），大多數(shù)月份均有超標(biāo)情況，之后超標(biāo)率明顯降低。主要原因是烏蘭木倫河石圪臺斷面周邊分布很多煙煤和無煙煤開采洗選和煤制品行業(yè)，且農(nóng)村地區(qū)無污水管網(wǎng)覆蓋，無法實(shí)現(xiàn)污水集中處理，生活垃圾處理水平普遍偏低，隨意堆放，經(jīng)降水以地表徑流形式排人河流，這些均導(dǎo)致直接或間接排放的污廢水對河流水質(zhì)造成一定影響。

氨氮、總磷濃度值如圖2所示。氨氮和總磷在2015年-2016年超標(biāo)率較高，且2017年后氨氮和總磷均無超標(biāo)月份，水質(zhì)平穩(wěn)。廢水中的氨氮是指以游離氨和離子銨形式存在的氮，主要來源于周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水、石圪臺煤礦排放的污廢水、焦化工業(yè)廢水以及農(nóng)耕使用氮肥經(jīng)過地表徑流進(jìn)入烏蘭木倫河中，引起氨氮超標(biāo)。總磷主要來源為周邊居民生活污水隨意倒放、農(nóng)村作業(yè)過程中使用含磷化學(xué)肥料、有機(jī)磷農(nóng)藥等。故氨氮、總磷超標(biāo)主要是由于石圪臺斷面處鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)水平相對落后、工業(yè)廢水處理設(shè)施缺乏、配套管網(wǎng)建設(shè)不完善、雨污管網(wǎng)未完全分流等問題造成污水直排環(huán)境，增加了周邊水環(huán)境污染負(fù)荷。

如圖4所示，氟化物超標(biāo)月份較多。氟化物含量超標(biāo)的原因之一是人類活動的影響，煤炭燃燒、發(fā)電等生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量含氟煙塵以及排放的含氟廢水直接或間接進(jìn)人地表水，影響周邊河流水質(zhì)。原因之二為烏蘭木倫河流域自然原因引起地下水氟化物含量較高，且煤炭生產(chǎn)過程中排放的礦井水因未進(jìn)行合理循環(huán)利用，直排于地表水，導(dǎo)致地表水氟化物含量超標(biāo)。

綜上，6種污染指標(biāo)超標(biāo)主要是發(fā)生在2018年之前，污染源主要是煙煤和無煙煤開采洗選和煤制品行業(yè)等工業(yè)污染和石圪臺斷面周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)水平、配套管網(wǎng)建設(shè)不完善等問題造成污水直排河流水體中，造成各指標(biāo)超標(biāo)。之后水質(zhì)明顯改善，說明烏蘭木倫河水質(zhì)得到明顯改善，這與當(dāng)?shù)卣扇〉目刂圃洪_采工藝和煤炭相關(guān)行業(yè)引起的粉塵、污廢水直排防控以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)配套管網(wǎng)建設(shè)等多項(xiàng)舉措息息相關(guān)。

2.2影響水質(zhì)的主要驅(qū)動園子識別

主成分分析是一種統(tǒng)計(jì)方法，通過正交變換將一組存在相關(guān)性的變量轉(zhuǎn)換為一組線性不相關(guān)的變量，轉(zhuǎn)換后的這組變量叫主成分，最大程度反映了原變量代表的信息。軟件進(jìn)行因子分析之前，首先要進(jìn)行KMO和Bartlett的檢驗(yàn)。KMO>0.5，Bartlett的顯著性概率<0.05，認(rèn)為有結(jié)構(gòu)效度，才能進(jìn)行因子分析。檢驗(yàn)結(jié)果顯示，KMO為0.836，Bamett的顯著性概率為0.000，符合標(biāo)準(zhǔn)，可以采用該軟件對烏蘭木倫河石圪臺斷面已超標(biāo)或接近標(biāo)準(zhǔn)的8種水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，8項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)為：高錳酸鹽指數(shù)與生化需氧量、氨氮、化學(xué)需氧量、總磷存在顯著的正相關(guān)性（0.806，0.525，0.602，0.616），表明高錳酸鹽指數(shù)的變化會對生化需氧量、氨氮、化學(xué)需氧量、總磷產(chǎn)生較大影響。硫化物與氟化物、石油類存在顯著的正相關(guān)（0.638，0.492）。（見表1）

根據(jù)特征值大于1的原則提取了兩個(gè)主成分，反應(yīng)了8個(gè)水質(zhì)指標(biāo)70.313%的信息，基本代表了烏蘭木倫河石圪臺斷面水體的綜合水質(zhì)狀況。主成分1貢獻(xiàn)率占所有影響因子貢獻(xiàn)率的52.659%，高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、氨氮、化學(xué)需氧量、總磷、氟化物和石油類含量在其中的載荷值較大（見表1），分別為0.808、0.862、0.681、0.773、0.713、0.735、0.669，說明它們是第一主成分的主要影響因素，對烏蘭木倫河石圪臺斷面水體水環(huán)境質(zhì)量的影響最大，為第一類主要污染源。原煤在儲存、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)載過程中產(chǎn)生的煤塵，周邊居民生活污水未集中排放等，通過地表徑流進(jìn)入河流，會引起第一污染源濃度超標(biāo)。主成分2貢獻(xiàn)率為17.655%，硫化物在其中的載荷值較大，為0.708，說明它是第二主成分的影響因素，對水環(huán)境質(zhì)量的影響次之，為第二類污染源。

因此，高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、氨氮、化學(xué)需氧量、總磷、氟化物和石油類是影響烏蘭木倫河石圪臺斷面水質(zhì)最主要的驅(qū)動因子，又由于它們相關(guān)系數(shù)較高，說明它們的污染來源較一致，主要是煤炭開采以及利用過程中產(chǎn)生的“三廢”污染環(huán)境。所以，目前烏蘭木倫河水質(zhì)凈化的主要任務(wù)是去除有機(jī)物，氟化物等。

2.3水質(zhì)變化趨勢分析

秩相關(guān)系數(shù)法是衡量環(huán)境污染變化趨勢有無顯著性。將rs絕對值與spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表的臨界值Wp（當(dāng)n=7，Wp=0.714）進(jìn)行比較。當(dāng)|rs|>Wp則表明變化趨勢有顯著意義：若rs<0，則表明在評價(jià)時(shí)段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計(jì)量指標(biāo)變化呈好轉(zhuǎn)趨勢；若rs>0，則表明在評價(jià)時(shí)段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計(jì)量指標(biāo)變化呈加重趨勢。

烏蘭木倫河石圪臺斷面2015年-2021年水質(zhì)污染變化趨勢統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：溶解氧、石油類、揮發(fā)酚、汞、鉛、COD、鋅、硒、鎘、六價(jià)鉻、氰化物、陰離子表面活性劑12項(xiàng)指標(biāo)在2015年至2021年7年周期內(nèi)變化穩(wěn)定；高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、氨氮、總磷、銅、氟化物、砷7項(xiàng)指標(biāo)顯著變好，硫化物污染物雖然顯著變差，但依然符合I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

3結(jié)論

烏蘭木倫河石圪臺斷面水質(zhì)的單因子污染指數(shù)結(jié)果表明：石圪臺斷面水質(zhì)超標(biāo)因子主要是化學(xué)需氧量、氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、BODs和氟化物。高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、氨氮、化學(xué)需氧量、總磷、氟化物和石油類是影響烏蘭木倫河石圪臺斷面水質(zhì)最主要的驅(qū)動因子，目前烏蘭木倫河水質(zhì)凈化的主要任務(wù)是去除有機(jī)物、氟化物等。使用污染變化趨勢的定量分析方法——秩相關(guān)系數(shù)法對各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的年均值統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，除硫化物顯著變差外，其余水質(zhì)指標(biāo)顯著變好或變化平穩(wěn)，水質(zhì)未見顯著變壞。