2001～2020年徒駭河濟(jì)南段水質(zhì)狀況及變化趨勢(shì)分析

代雪靜，劉 楊，孫開爭(zhēng)，王兆軍，馬姍姍，郭萌萌

(山東省濟(jì)南生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，濟(jì)南 250101)

前 言

徒駭河是海河三大支流之一，自西南向東北由德州市流入濟(jì)南市，流經(jīng)濟(jì)陽區(qū)、商河縣進(jìn)入濱州市，其主要的功能為防汛和灌溉。自上世紀(jì)70年代以來，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展導(dǎo)致徒駭河水污染形勢(shì)日益加重，受害最嚴(yán)重的是徒駭河下游幾個(gè)縣區(qū)，僅2000年以來，徒駭河嚴(yán)重受污達(dá)4次。根據(jù)近幾年的濟(jì)南市環(huán)境質(zhì)量簡(jiǎn)報(bào)，隨著國(guó)家戰(zhàn)略對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的日益重視及污染治理的投入，徒駭河濟(jì)南段水質(zhì)有所改善，但仍存在超標(biāo)現(xiàn)象。文獻(xiàn)[1～5]對(duì)徒駭河聊城段及德州段水質(zhì)情況均進(jìn)行了相關(guān)研究，文獻(xiàn)[6]對(duì)徒駭河濟(jì)南段浮游植物進(jìn)行了相關(guān)研究，但未見到關(guān)于徒駭河濟(jì)南段水質(zhì)狀況的研究及相關(guān)報(bào)道。河流水質(zhì)與流域內(nèi)土地開發(fā)利用、水資源開發(fā)利用、環(huán)境保護(hù)政策、人類活動(dòng)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素密切相關(guān)，綜合分析河流水質(zhì)狀況、變化趨勢(shì)及原因，是有針對(duì)性地開展河流污染治理工作的基礎(chǔ)[7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同流域水質(zhì)狀況及變化趨勢(shì)進(jìn)行了廣泛研究[8～10]。目前較為常用的水質(zhì)趨勢(shì)定量分析方法有Mann-Kendall 檢驗(yàn)法[11-12]、季節(jié)性Ken-dall 檢驗(yàn)法[13]及Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)法[14-15]。本文采用2001～2020年連續(xù)20年的地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)法對(duì)徒駭河濟(jì)南段水質(zhì)現(xiàn)狀及水質(zhì)狀況變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，旨在檢驗(yàn)水質(zhì)治理措施的成效，同時(shí)為徒駭河污染治理、河流健康、生態(tài)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

徒駭河屬于海河流域，位于黃河下游北岸，發(fā)源于河南省南樂縣，流經(jīng)河南、山東兩省，依次流經(jīng)山東省的聊城、德州、濟(jì)南、濱州四市，在濱州市沾化區(qū)經(jīng)東風(fēng)港暴風(fēng)站入渤海灣，河道總長(zhǎng)436km[2]。徒駭河濟(jì)南段位于濟(jì)南市北部，流經(jīng)濟(jì)陽縣、商河縣，全長(zhǎng)85.5km，多年徑流量4.5億m3。

流域內(nèi)海拔高度為22.8～47.8m，地形南高北低，坡地分布較廣，屬易澇易堿地貌類型，潛水埋深一般在2～3m。流域內(nèi)四季分明，流域內(nèi)多年平均降水量為616.62mm，多年平均水面蒸發(fā)量為901.4mm，多年平均徑流量為5.47億m3。流域內(nèi)地下水屬第四系孔隙水，主要分布在河谷沖擊平原及山前平原，河川徑流滲漏及降水為主要補(bǔ)給來源，徑流排泄、水量蒸發(fā)為主要排泄途徑。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)為徒駭河干流濟(jì)南段，監(jiān)測(cè)斷面包括干流夏口、申橋2個(gè)斷面，其中夏口為徒駭河濟(jì)南段的入境斷面，申橋?yàn)槌鼍硵嗝妗１敬窝芯窟x用2001～2020年例行逐月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本研究選用高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、生化需氧量、氨氮、總磷、氟化物、砷、汞、揮發(fā)酚、石油類等10項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)及趨勢(shì)分析。斷面分布見圖1。

圖1 徒駭河濟(jì)南段監(jiān)測(cè)點(diǎn)位示意圖Fig.1 Schematic diagram of monitoring points in Jinan section of Tuhai River

1.3 研究方法

1.3.1 污染指數(shù)法

污染指數(shù)包括單因子污染指數(shù)[16]和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)[17-18]。單因子指數(shù)法是對(duì)所有污染因子單獨(dú)進(jìn)行評(píng)價(jià)，選取評(píng)價(jià)因子中水質(zhì)最差的類別即為評(píng)價(jià)結(jié)果，計(jì)算公式為：

(1)

公式(1)中：Ii為單因子污染指數(shù)，即第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的污染指數(shù)；Ci為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)值；Coi為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的標(biāo)準(zhǔn)值，本文參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，Ii≦1，即為符合標(biāo)準(zhǔn)(溶解氧則為Ii≧1，即為符合標(biāo)準(zhǔn))。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)是國(guó)內(nèi)外進(jìn)行綜合污染評(píng)價(jià)較常用的方法，其特別考慮了污染最嚴(yán)重的因子，能綜合反映水體的污染狀況。計(jì)算公式為:

(2)

其中：

(3)

公式(2)、(3)中：Ip為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Iimax為所有評(píng)價(jià)因子中污染指數(shù)最大值；I為所有評(píng)價(jià)因子的污染指數(shù)平均值；Ii為單因子污染指數(shù)，即第 i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的污染指數(shù)。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[17]詳見表1。

表1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分級(jí)Tab.1 Classification of Nemero comprehensive pollution index

1.3.2 Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)法

Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)法又稱為Spearman的秩相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)[14]，是將各污染因子的實(shí)測(cè)濃度值與時(shí)間序列建立聯(lián)系，研究水質(zhì)污染狀況變化趨勢(shì)的方法。計(jì)算公式為：

(4)

公式(4)中：rs為Spearman秩相關(guān)系數(shù)；xi為濃度值從小到大排列的序號(hào)；yi為濃度值按時(shí)間排列的序號(hào)；n為時(shí)間周期。rs的絕對(duì)值越接近于1，表示各污染因子的實(shí)測(cè)濃度值與時(shí)間之間的相關(guān)程度越大，表明變化趨勢(shì)明顯。若rs為正值，表明各污染因子隨時(shí)間變化呈上升趨勢(shì)，反之，則呈下降趨勢(shì)。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)濟(jì)南市水環(huán)境功能區(qū)劃分[19]，徒駭河濟(jì)南段為工業(yè)用水功能區(qū)，執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 徒駭河濟(jì)南段各項(xiàng)污染因子污染程度

當(dāng)單因子污染指數(shù)大于1時(shí)，說明該項(xiàng)污染因子已超標(biāo)，且污染指數(shù)越大，代表污染程度越重。通過公式(1)計(jì)算得到各評(píng)價(jià)因子的單因子污染指數(shù)。

2.1.1 有機(jī)污染指標(biāo)

表示水體有機(jī)污染的指標(biāo)有化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量，徒駭河干流濟(jì)南段有機(jī)污染較重。根據(jù)圖2，夏口高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量2001～2008年均超標(biāo)，且2003年污染最重，高

圖2 研究區(qū)近20年有機(jī)污染物單因子污染指數(shù)Fig.2 Single factor pollution index of organic pollutants in the study area in recent 20 years

錳酸鹽污染指數(shù)高達(dá)5.2，生化需氧量高達(dá)7.4；化學(xué)需氧量2001～2012年均超標(biāo)，2003年污染最重，污染指數(shù)高達(dá)5.4。申橋的高錳酸鹽指數(shù)2005年、2006年高錳酸鹽指數(shù)超標(biāo)，其余年份均達(dá)標(biāo)；化學(xué)需氧量2001～2011年均超標(biāo)，最大超標(biāo)出現(xiàn)在2006年，為3.4；生化需氧量2002～2007年超標(biāo)，最大超標(biāo)出現(xiàn)在2006年，為4.9，其余年份均達(dá)標(biāo)。

2.1.2 氮磷污染指標(biāo)

表示水體氮磷污染狀況的指標(biāo)有氨氮、總磷，徒駭河干流濟(jì)南段氮磷污染狀況也不容樂觀。根據(jù)圖3，夏口氨氮在2001～2013年、2015年超標(biāo)，2005年污染最重，污染指數(shù)為12.8；總磷2004～2013、2016年超標(biāo)，污染最重年份出現(xiàn)在2006年，污染指數(shù)為5.6。申橋氨氮在2001年、2003～2014年超標(biāo)，污染最重年份為2006年，污染指數(shù)為9.5；總磷2005～2008年超標(biāo)，其余年份均達(dá)標(biāo)，2006年污染最重，污染指數(shù)為3.3。

圖3 研究區(qū)近20年氮磷污染物單因子污染指數(shù)Fig.3 Single factor pollution index of nitrogen and phosphorus pollutants in the study area in recent 20 years

2.1.3 其他污染指標(biāo)

根據(jù)圖4，徒駭河濟(jì)南段兩個(gè)斷面氟化物、砷、汞、石油類2001～2020年均符合Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)要求，夏口揮發(fā)酚2002～2007年超標(biāo)，其超標(biāo)可能受到上游來水影響。

圖4 研究區(qū)近20年有毒污染物、石油類單因子污染指數(shù)Fig.4 Single factor pollution index of toxic pollutants and petroleum in the study area in recent 20 years

近些年來造成徒駭河濟(jì)南段水質(zhì)污染的主要原因：一是徒駭河上游污染嚴(yán)重，2018～2019年間，徒駭河聊城段水質(zhì)總體為V～劣V類，超標(biāo)項(xiàng)目有化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、氨氮、總磷、氟化物、硒等[3]；二是濟(jì)南段沿途各類未經(jīng)處理工業(yè)廢水及暴雨徑流攜帶的農(nóng)村污水、畜禽養(yǎng)殖廢水的直接排入。入境斷面夏口各項(xiàng)污染因子的污染指數(shù)普遍高于出境斷面申橋，說明徒駭河的污染程度在濟(jì)南段有一定程度緩解。

2.2 徒駭河濟(jì)南段綜合污染狀況

綜合污染狀況采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)來表述。 根據(jù)公式(2)、(3)計(jì)算出徒駭河濟(jì)南段的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，從圖5可知，夏口在2001～2020年間綜合污染指數(shù)范圍為0.56～9.4，申橋指數(shù)范圍為0.47～7.0，兩個(gè)斷面大部分監(jiān)測(cè)年的綜合污染指數(shù)值大于1，整體水質(zhì)污染程度仍然較高。夏口綜合污染指數(shù)2001～2007年均大于3，申橋2004～2007年大于3，水質(zhì)處于重污染階段。根據(jù)兩個(gè)斷面綜合污染指數(shù)線性傾向趨勢(shì)，綜合污染指數(shù)隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，且夏口斷面2014年起，申橋斷面2015年起，綜合污染指數(shù)均小于1，說明徒駭河濟(jì)南段水環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)狀態(tài)，污染狀況大大減輕。

圖5 徒駭河濟(jì)南段各斷面綜合污染指數(shù)Fig.5 Comprehensive pollution index of each section in Jinan section of Tuhai River

2.3 徒駭河濟(jì)南段近20年來變化趨勢(shì)

2.3.1 變化趨勢(shì)分析

表2為2001～2020年徒駭河干流各斷面綜合污染指數(shù)與年份的Spearman相關(guān)系數(shù)，表3為2001～2020年徒駭河干流各項(xiàng)污染物污染指數(shù)與年份的Spearman相關(guān)系數(shù)，當(dāng)Spearman相關(guān)系數(shù)為負(fù)值時(shí)，說明污染指數(shù)隨年份增加呈下降趨勢(shì)，水質(zhì)改善，反之水質(zhì)趨于惡化，且其絕對(duì)值越大，水質(zhì)變化程度也越大。

從表2可知，夏口、申橋2個(gè)斷面綜合污染指數(shù)的Spearman相關(guān)系數(shù)均為負(fù)值，且相關(guān)性顯著，說明2個(gè)斷面水質(zhì)均呈現(xiàn)下降或者改善趨勢(shì)，其中夏口改善程度較大。由表3可知，夏口、申橋2個(gè)斷面的高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、生化需氧量、氨氮、揮發(fā)酚、石油類污染指數(shù)的Spearman相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，在置信度(雙測(cè))為 0.01 時(shí)，相關(guān)性是顯著的，說明污染程度呈下降趨勢(shì)；夏口斷面的氟化物、砷，申橋斷面的氟化物污染指數(shù)的Spearman相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，在置信度(雙測(cè))為 0.05 時(shí)，相關(guān)性是顯著的，說明污染程度下降，水質(zhì)有改善；其它指標(biāo)如總磷、汞污染指數(shù)的Spearman相關(guān)系數(shù)較小，為弱相關(guān)或不相關(guān)。各斷面的化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、石油類好轉(zhuǎn)趨勢(shì)最為明顯。

表2 徒駭河干流綜合污染指數(shù)Spearman相關(guān)系數(shù)Tab.2 Spearman correlation coefficient of comprehensive pollution index in the main stream of Tuhai River

表3 徒駭河干流各項(xiàng)污染物污染指數(shù)Spearman相關(guān)系數(shù)Tab.3 Spearman correlation coefficients of various pollutant pollution indexes in the main stream of Tuhai River

2.3.2 水質(zhì)變化內(nèi)驅(qū)力分析

“十二五”與“十三五”時(shí)期，濟(jì)南市以“水十條”為抓手，積極推進(jìn)徒駭河水環(huán)境的治理與改善工作，實(shí)現(xiàn)流域水污染防治體系的構(gòu)建和優(yōu)化，關(guān)閉“散亂污”企業(yè)，整治面源污染，開展污水集中收集處理設(shè)施建設(shè)，2019年濟(jì)南市污水集中處理率已達(dá)97.7%[20]。由圖6可知，2010～2019年，濟(jì)南市排入徒駭河的化學(xué)需氧量及氨氮

圖6 2010～2019年濟(jì)南市排入徒駭河流 域的廢水量及污染物排放量Fig.6 Amount of wastewater and pollutants discharged into Tuhai River Basin in Jinan from 2010 to 2019

的總量總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。說明落實(shí)嚴(yán)格的水環(huán)境保護(hù)政策有利于降低污染物的外源性輸入，而污染物輸入的降低是徒駭河濟(jì)南段水質(zhì)改善的主要原因。

入境斷面夏口自2014年起，出境斷面申橋自2015年起，綜合污染指數(shù)小于1，說明上游來水的水質(zhì)改善也影響著濟(jì)南段水質(zhì)的改善。

3 結(jié) 論

3.1 近20年來，徒駭河濟(jì)南段超標(biāo)指標(biāo)有高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、生化需氧量、氨氮、總磷、揮發(fā)酚等，入境斷面夏口各項(xiàng)污染因子的污染指數(shù)普遍高于出境斷面申橋，說明徒駭河的污染程度在濟(jì)南段有一定程度緩解。造成徒駭河水質(zhì)污染原因主要有上游污染的沖擊及沿岸各類未經(jīng)處理廢水的排入。

3.2 近20年來，綜合污染指數(shù)下降明顯，各斷面水環(huán)境質(zhì)量呈改善趨勢(shì)，污染狀況大大減輕。夏口、申橋斷面大部分監(jiān)測(cè)指標(biāo)的污染指數(shù)呈下降趨勢(shì)，化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、石油類好轉(zhuǎn)趨勢(shì)最為明顯。

3.3 濟(jì)南市積極推進(jìn)徒駭河水環(huán)境的治理與改善工作，實(shí)現(xiàn)流域水污染防治體系的構(gòu)建和優(yōu)化，外源性污染物輸入持續(xù)降低是徒駭河濟(jì)南段水質(zhì)改善的主要原因，其次為上游來水的水質(zhì)改善。