石亭江流域金輪斷面水質(zhì)趨勢分析和治理研究

高倩倩，楊 賢，吳加祿，楊永欽，傅德瑜

（1.四川省德陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 德陽 618000；2.德陽市生態(tài)環(huán)境局，四川 德陽 618000）

石亭江是德陽市境內(nèi)重要的河流，屬于沱江流域，發(fā)源于四川省什邡市紅白鎮(zhèn)，屬于沱江流域，全長122 km，流域面積1512 km2，涉及的行政區(qū)域包括綿竹市、什邡市、旌陽區(qū)、廣漢市。金輪斷面是石亭江流域的重要斷面，作為石亭江什邡綿竹段控制單元出境控制節(jié)點(diǎn)和石亭江廣漢旌陽入境控制節(jié)點(diǎn)，金輪斷面水質(zhì)狀況的控制對石亭江流域水質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的改善起到關(guān)鍵作用。因此，對石亭江金輪斷面水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行監(jiān)測和分析，及發(fā)展趨勢的預(yù)測，可為改善該流域的水環(huán)境質(zhì)量提供數(shù)據(jù)依據(jù)和支撐。

Spearman秩相關(guān)系數(shù)法作為一種常用污染變化趨勢的定量分析方法，通過對各污染因子監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，可表明其在評價時段內(nèi)變化趨勢。環(huán)境監(jiān)測中，許多因素影響環(huán)境質(zhì)量，有些因素是不明確的?；疑到y(tǒng)模型GM （1，1）趨勢因子a法建立的定量預(yù)測模型，可以對污染因子定性分析，預(yù)測未來時間段內(nèi)污染因子的變化趨勢，反映出未來時段內(nèi)需要重點(diǎn)關(guān)注的污染因子，在水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中，使用灰色模型來研究是相適應(yīng)的[1]。

通過對金輪斷面近幾年監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法評價各污染因子在評價時段內(nèi)的變化趨勢，用灰色系統(tǒng)模型GM（1，1）趨勢因子a法預(yù)測未來時段內(nèi)污染指標(biāo)的變化趨勢。

1 石亭江金輪斷面水環(huán)境質(zhì)量評價

1.1 評價因子和標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)2016年～2021年市站監(jiān)測數(shù)據(jù)，選用高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）進(jìn)行趨勢預(yù)測和評價分析。根據(jù)德陽市地表水環(huán)境質(zhì)量功能區(qū)劃分類，金輪斷面屬于Ⅲ類水域功能區(qū)，應(yīng)執(zhí)行《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)。

1.2 水環(huán)境質(zhì)量評價方法

金輪斷面水質(zhì)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法和灰色系統(tǒng)模型GM（1，1）趨勢因子a法進(jìn)行分析評價[2]。

1.2.1 Spearman秩相關(guān)系數(shù)法

式中：di為變量Xi與Yi的差值；Xi為周期I-N從小到大按濃度值排序的序號；Yi為按時間排序的序號。

對將秩相關(guān)系數(shù)Rs的絕對值同臨界值Wp進(jìn)行比較，當(dāng)|Rs|≥Wp時，則表明變化趨勢有顯著意義，如果Rs是負(fù)值，則表明在評價時段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計量指標(biāo)變化呈下降或好轉(zhuǎn)趨勢；如果Rs為正值，則表明在評價時段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計量指標(biāo)變化呈上升或加重趨勢。

1.2.2 灰色系統(tǒng)模型GM（1，1）趨勢因子a法

構(gòu)造Yn向量如下：

用最小二乘法求取待辨識參數(shù)列S：

式中：T表示矩陣的轉(zhuǎn)置，-1表示矩陣的逆。

建立各種污染因子的預(yù)測模型：

對（1）式預(yù)測模型進(jìn)行趨勢判斷：

對于灰色系統(tǒng)模型GM（1，1）趨勢因子α法，當(dāng) 大于0，則e-1e-a小于1，即，表明污染因子的濃度值隨時間推移而降低，且a值越大，降低趨勢越明顯。當(dāng) 小于0，則e-a大于1，即，表明污染因子的濃度隨時間推移而變大，且 值越小，變大趨勢越明顯。當(dāng) 等于0，則e等于1，即，表明污染因子的濃度不隨時間變化。

2 水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測值和結(jié)果評價

根據(jù)2016年～2020年金輪斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過相關(guān)系數(shù)Rs計算，金輪斷面總磷的Rs為-0.900，總磷濃度呈顯著下降趨勢，高錳酸鹽指數(shù)和氨氮的Rs分別為-0.100和-0.800，兩者濃度均呈不顯著下降趨勢，五日生化需氧量的Rs為0.100，五日生化需氧量濃度呈不顯著上升趨勢[3]。通過Pi和趨勢因子 計算得出，金輪斷面總磷項目的Pi大于1、大于等于0，總磷是現(xiàn)實污染因子，但污染程度將趨于減輕；高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量和氨氮項目Pi小于等于1、大于等于0，高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量和氨氮濃度將呈下降趨勢，是非污染因子，維持現(xiàn)狀即可，見表1。由此可見，2016年～2020年期間該斷面污染治理措施基本有效，但總磷還處于超標(biāo)狀態(tài)，且常年處于劣Ⅴ，亟需加強(qiáng)治理。

表1 金輪斷面水質(zhì)環(huán)境結(jié)果評價和趨勢分析 單位：mg/L

表1中：①Spearman秩相關(guān)系數(shù)臨界值Wp0.05為0.900。②Pi=Ci/Co， Pi大于1，小于0，表明污染已經(jīng)發(fā)生，且程度正在加劇，是主要污染因子，是環(huán)境治理的關(guān)鍵污染因子；Pi大于1，大于等于0，表明污染已經(jīng)發(fā)生，程度趨于減輕，是環(huán)境治理的現(xiàn)實污染因子；Pi小于等于1，小于0，表明污染程度正增加，未超標(biāo)，是環(huán)境污染的潛在因子；Pi小于等于1，大于等于0，表示該因子未超標(biāo)，且在減少，是非污染因子。 ③當(dāng) 大于0，污染濃度隨時間推移降低，值越大，降低越明顯；小于0，污染濃度隨時間推移變大，值越小，變大越明顯；等于0，污染濃度隨時間推移無變化。

2021年，金輪斷面高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮和總磷年均濃度分別為2.1 mg/L、1.8 mg/L、0.29 mg/L和0.16 mg/L，均達(dá)到地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是總磷，水質(zhì)質(zhì)量由2020 年劣Ⅴ變?yōu)棰箢?，但個別時段仍存在超標(biāo)現(xiàn)象。

為研究其它監(jiān)測項目對總磷的影響，選取2021 年金輪斷面監(jiān)測項目水溫、pH、溶解氧、流量、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、石油類和總磷監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行變量間相關(guān)性分析，通過分析兩個或多個具備相關(guān)性的變量元素，以此衡量變量因素的相關(guān)密切程度。通過表2數(shù)據(jù)可以看出，總磷與化學(xué)需氧量、五日生化需氧量有低度正相關(guān)，總磷與高錳酸鹽指數(shù)、氨氮相關(guān)系數(shù)分別為0.617和0.743，具有顯著正相關(guān)，說明高錳酸鹽指數(shù)和氨氮濃度的消減對總磷濃度的降低是有益的?？偭诐舛群土髁恐g的相關(guān)系數(shù)為-0.004，兩者之間不存在相關(guān)，反映出金輪斷面總磷濃度不受流量變化影響。

表2 金輪斷面監(jiān)測項目相關(guān)系數(shù)矩陣

3 “十三五”金輪斷面水質(zhì)污染的主要因素

3.1 本底值超標(biāo)問題不容忽視

德陽市龍門山脈屬磷礦富集地，自20世紀(jì)50 年代末就已開始磷化工產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)，早先的粗放式發(fā)展和磷礦的大面積開采，對流域總磷本底值有較高貢獻(xiàn)。

3.2 收納上游工業(yè)廢水

德陽市是我國重要的磷化工基地，石亭江流域沿岸分布著眾多磷化工企業(yè)和工業(yè)園區(qū)，主要集中在什邡市和綿竹市，大量含磷廢水排入石亭江，對石亭江總磷貢獻(xiàn)頗大。而金輪斷面處于涉磷企業(yè)和工業(yè)園區(qū)的下游，收納了上游含磷工業(yè)廢水。

3.3 沿岸污水處理設(shè)施運(yùn)行效率較低

由于多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理設(shè)施未正常運(yùn)行，部分污水處理設(shè)施設(shè)計處理能力不能滿足日益增長的生活污水處理需求，農(nóng)村生活污水處理效率低，對石亭江金輪斷面污染日益加重。

4 水污染治理措施

通過近幾年的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，總磷作為金輪斷面的現(xiàn)實污染因子，高錳酸鹽指數(shù)和氨氮對總磷有顯著正相關(guān)，且總磷濃度不受流量的影響。所以，若想改善金輪斷面總磷污染現(xiàn)象，即要從源頭隔絕總磷的來源，又要同時削減高錳酸鹽指數(shù)和氨氮的排放。

4.1 以突出問題整改為契機(jī)，提高水環(huán)境質(zhì)量

通過中央、省級環(huán)保督察，以及長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境問題反饋和自查，對石亭江流域兩岸，尤其是石亭江什邡綿竹段控制單元存在的問題，健全責(zé)任體系，加強(qiáng)調(diào)度督辦和部門聯(lián)動協(xié)調(diào)，逐一明確整改任務(wù)、整改目標(biāo)、整改責(zé)任和整改時限，以整改為契機(jī)，加強(qiáng)流域周邊企業(yè)管理，開展“雙隨機(jī)”“測管協(xié)同”監(jiān)管模式，嚴(yán)厲打擊環(huán)境違法行為，不斷改善石亭江流域水環(huán)境質(zhì)量。

4.2 開展“三磷”專項整治

開展“三磷”污染專項整治，完成礦井井硐封閉工作，拆除地面生產(chǎn)生活設(shè)施。加強(qiáng)石亭江流域兩岸磷化工企業(yè)廢水整治，抓好冷凝水、初期雨水、生產(chǎn)廢水“3”回用，進(jìn)行有效循環(huán)使用不外排；做好雨污、清污“2”分流；做好水平衡，實現(xiàn)全廠水平衡。2021 年，所有涉磷企業(yè)廢水不再排入石亭江流域，涉磷企業(yè)“地涌水”全部處理回收再利用，不再外排至石亭江流域。

同時，加大磷化工企業(yè)磷石膏堆場規(guī)范化整治和綜合利用進(jìn)度，探采礦權(quán)依法有序退出，提高磷石膏利用率，實現(xiàn)了“消增削存”，很大程度上削減了石亭江兩岸的總磷入河負(fù)荷。

4.3 強(qiáng)化污水處理設(shè)施建設(shè)及運(yùn)維

在全市推行“全域覆蓋、規(guī)劃統(tǒng)籌、投建營運(yùn)一體、收集處理一體、政府購買服務(wù)”的污水治理新模式。沿岸城市不斷加大污水處理設(shè)施的建設(shè)，完善鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水管網(wǎng)建設(shè)，針對問題管網(wǎng)制定整改方案，全面開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水管理排查補(bǔ)漏，提高污水收集率，做到污水不溢流、污水達(dá)標(biāo)排放，2021 年實施管網(wǎng)修復(fù)改造和新建項目共10 余個。污水處理效率的提高，大大削減了化學(xué)需氧量和氨氮等污染物的排放，顯著改善石亭江流域水質(zhì)。

4.4 沿岸工業(yè)園區(qū)升級改造

金輪斷面上游沿岸分布著雙盛和新市兩大工業(yè)園區(qū)，針對工業(yè)園區(qū)污水排放情況，對污水處理設(shè)施進(jìn)行升級改造，安裝除磷設(shè)施、二級生化池，以及在總排口建設(shè)濕地。同時，安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)，加強(qiáng)監(jiān)管力度。

5 結(jié)語

本文通過Spearman秩相關(guān)系數(shù)法和灰色系統(tǒng)模型GM（1，1）趨勢因子a法，對石亭江流域金輪斷面的水質(zhì)進(jìn)行的分析和討論，并對各種污染因子進(jìn)行分類，數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，近幾年金輪斷面的水質(zhì)質(zhì)量趨于變好，但總磷項目存在偶爾超標(biāo)現(xiàn)象，是環(huán)境治理的現(xiàn)實污染因子。通過元素相關(guān)性分析，找出對總磷有影響的監(jiān)測項目，為石亭江金輪斷面精準(zhǔn)治污提供了依據(jù)。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合石亭江流域周圍實際環(huán)境條件，分析了金輪斷面污染的原因，探討了石亭江金輪斷面水質(zhì)改善的治理措施，可為其它類似流域污染治理提供參考。