赤水河流域水質演變特征及污染源識別

周 瑋，高漸飛，王 苑

（1. 貴州工業職業技術學院，貴州 貴陽 550008；2. 貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001）

赤水河流域是長江上游重要生態屏障，生物多樣性的重要保護區，生態價值彌足珍貴；更是全世界首屈一指的優質白酒產區，沿岸地區數千家酒企，為中國白酒產業貢獻了數萬億產值，成為長江經濟帶上以生態立身的制造業產業群，具有極其重要的生態和經濟地位[1?2]。赤水河水質狀況的好壞不僅直接影響流域生態穩定和環境質量，還與國民經濟和社會發展息息相關[2]。但由于白酒工業的快速發展及城鎮化的推進，沿河取水，同時又排放大量COD、氨氮（NH3-N）等污染物進入河流，水量減少、水質變差等水環境問題逐漸顯現。據報道，2001～2012 年干流上茅臺斷面水質污染最為嚴重，水質整體上呈現惡化趨勢，高錳酸鹽指數（CODMn）、BOD5、NH3-N 和大腸桿菌超標(Ⅱ類)[3?4]；主要支流中鹽津河污染較嚴重[2]，其中總磷（TP）嚴重超標。但2015～2017 年，習水縣境監測結果顯示除了TP，其余各指標均呈下降趨勢[5]。受涵蓋多省域、地形地貌復雜等因素影響，目前，關于赤水河水質時空變化的研究要么時間序列短，要么尺度范圍小，還難以表征其整體水質污染變化特征。對污染源定性或推測分析顯示，枯水期，水質受城鎮污水影響明顯[2]；豐水期，主要污染源為農田徑流面源污染，其次是煤礦和白酒工業[3]。但不同斷面(空間尺度)是否存在一致的主要污染源尚不清楚，而這是制定出針對性和有效性防治策略的重要支撐。為此，研究基于10 年(2008～2017 年)，干流3 個斷面水質、水量和對應的經濟社會指標，分析水質狀況的時空變化過程、趨勢及其突變情況，解析其主要污染源，以期為因地制宜、科學管理赤水河流域水環境提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

赤水河發源于云南省鎮雄縣，沿川黔邊界流至貴州省茅臺鎮，經古藺河至赤水市，再經四川省合江縣與習水河相匯后入長江，干流全長444.5 km。其中上游云南省河段長73.5 km，完全流經貴州省境內的河段共長126 km，下游四川省境內51 km，川黔界河3 段共長194 km。流域處于高原與盆地過渡地帶，地勢西南高而東北低，流域落差1 588 m，平均比降3.57‰，多年平均氣溫13.1～17.6 ℃，降水＞量隨海拔增高遞減，中、下游丘陵區1 000～1 500 mm，上游高原區年降雨900～1 000 mm，降水主要集中于6～9 月（約占全年的70%）。涉及云南省鎮雄、威信，四川省敘永、古藺、合江，貴州省七星關、大方、金沙、仁懷、赤水、習水、桐梓、播州13 個縣(市、區)，流域土地總面積18 959.50 km2。

1.2 數據來源

以赤水河流域（貴州?。? 個長期水文、水質監測斷面，分別是上游斷面-赤水站、中游斷面-茅臺站、下游斷面-鰱魚溪站，見圖1。

圖1 監測斷面分布

2008 年1 月～2017 年12 月逐月水質、水量監測數據為評價數據集。其中水質指標為國內河流水環境要求的主要考核污染物： CODMn、NH3-N和TP。

1.3 研究方法

1.3.1 污染指數評價法 污染指數法是通過計算各斷面水質的若干個指標的污染指數，對比相關標準以反映水體的質量狀況，評價標準根據《貴州省赤水河流域環境保護規劃：2013—2020 年》，赤水、茅臺和鰱魚溪3 個監測斷面水質按照《地表水環境質量標準：GB 3838—2002》Ⅱ類考核。污染指數包括單因子污染指數、綜合污染指數，見式（1～2）：

1.3.2 時間序列分析法 時間序列法能夠測度出單一或多項因素對序列的作用影響，常用的方法包括趨勢擬合法、平滑法、累積距平法和Mann-Kendall 檢驗法等。其中Mann-Kendall 檢驗法是一種非參數檢驗方法，變量不會受到異常值影響，能有效揭示某一樣本過程的變化趨勢及其突變情況[6]。采用其來分析流域內水質指標的變化規律及突變特征。

2 結果與分析

2.1 赤水河流域水質綜合評價

赤水河流域水質類別占比情況，見圖2。

圖2 2008～2017 年赤水河流域水質類別占比

圖2 可知，2008～2017 年間，赤水河干流以Ⅰ類、Ⅱ類水體為主，基本能達水質考核要求。但2011 年以前Ⅰ類和Ⅱ類水質占比連續下降，Ⅳ類及以下水質比例則增加；2012 年Ⅰ類和Ⅱ類水質占比有所回升，之后連續2 年又回落，至2016 年起才再次上升。從監測指標的年均濃度來看，TP 濃度變化不明顯，CODMn濃度變化較為顯著。當CODMn、NH3-N 濃度升高時，Ⅰ類水質占比明顯降低，表明其為水體主要的污染因子，對水質影響較大。

2.2 流域水質時間變化

2.2.1 年際變化 （1）污染指數變化。各污染指數年際變化情況，見圖3。

圖3 各指標污染指數年際變化

10 年 間，3 個 斷 面CODMn污 染 指 數在0.23～0.91 之間波動，其中茅臺站和鰱魚溪站在2017 年均出現較大幅度上升。相比較，茅臺站和鰱魚溪站斷面NH3-N 年際變化較劇烈，其中在2009～2015 年呈持續上升趨勢，之后出現好轉；而赤水站則呈現穩定變化特征。TP 污染指數變化最為顯著的是赤水站，由2008 年的最高位（2.85）下降至2009 年的0.25；其次是茅臺站，2008～2011 年TP污染指數整體呈上升趨勢，2011 年達到峰值2.40后出現大幅下降再逐漸趨于穩定；鰱魚溪站TP 污染指數在2008～2012 年波動較大，之后在0.50 上下小幅浮動。

綜合污染指數結果顯示，見圖4。3 個斷面水質綜合污染指數整體介于0.20～1.20 之間，波動顯著，相互之間變化趨勢分異也較為顯著。其中，2008～2011 年，赤水站水質先變好再變差；茅臺站由2008 年峰值1.20 劇烈下調，而至鰱魚溪站水質呈持續惡化趨勢，至2011 年綜合污染指數達到峰值1.09，遠高于其他年份。說明此期間茅臺站至鰱魚溪站河段污染排放量較大，集中造成了干流水質變差。2012 年以后流域水質綜合指數呈現穩定態勢，在惡化過程中出現好轉，可能得益于《貴州省赤水河流域保護條例》的出臺，濫排放得到整治，水質狀況明顯改善[7]。

圖4 綜合污染指數年際變化

總體來看，2008～2017 年間，上、中、下游水質污染指數變化較大，中游和下游變化趨勢較為相似。2008～2011 年干流水質污染指數經歷劇烈變化后趨于平穩，但中游和下游的CODMn和NH3-N 污染指數2012 年后又出現大幅度波動。表明隨著中游和下游白酒工業及其城鎮化快速發展，污染負荷加重，導致水質在好轉過程中會逆變。

（2）突變檢驗分析。利用Mann-Kendall 檢驗進一步驗證代表斷面3 個檢測指標的變化趨勢，并確定其突變年份，檢驗結果，見表1。

表1 可知，各斷面水質指標變化趨勢基本與污染指數變化分析結果一致， 2011 和2015 年茅臺站、鰱魚溪站NH3-N、TP 均發生突變，也是年際變化中的值峰點；再次表明中游和下游水質污染超標風險比較大，應予高度關注。

表1 監測指標Mann-Kendall 檢驗結果

2.2.2 年內變化 水質綜合污染指數年內變化情況，見圖5。

圖5 水質綜合污染指數年內變化

圖5 可知，各斷面污染指數年內變化顯著。其中，赤水站年內變化幅度最大，從0.20～0.91，7 月污染指數最大；茅臺站4、6 和10～12 月月污染指數較大，其他月份污染指數波動幅度大，6 月達到較高值0.69，后污染指數下降至10 月開始大幅上升，在12 月出現最大值0.80。鰱魚溪站水質在5、7 和11 月污染指數較大，最大污染指數出現在7 月，為0.95?？傮w而言，流域年內以7 月水質最差，11 月至次年3 月水質較好。

2.3 流域水質空間變化

水質指標污染指數沿程變化情況，見圖6。

圖6 水質指標污染指數沿程變化

圖6 可知，CODMn污染指數沿程變化較為顯著，從上游至下游呈增大趨勢，在下游污染指數達到最大0.62，說明流域范圍越大其受人類活動帶來的污染負荷越大。NH3-N 污染指數變化幅度最大，變化范圍為0.15～0.78，也是沿程上升趨勢，其中至茅臺站后大幅上升，與其白酒工業在此開始高度密集相關[8]。TP 污染指數沿程變化從上游至下游呈先增大后減小的趨勢，但污染負荷也增加。

綜上，赤水河干流水質沿程逐漸變差，至中游主要污染因子為NH3-N 和TP，且CODMn開始影響水質，至下游CODMn已成為主要污染因子。

2.4 污染源解析

2.4.1 污染源相關性分析 為進一步分析影響赤水河流域水質變化的污染物來源，基于水質演變特征，結合流域周圍社會經濟發展因子（城鎮人口、農村人口、白酒產量、糧食種植和牲畜養殖）與水質監測指標年濃度均值，通過Pearson 相關系數判斷不同因子之間的相關性及其強弱程度，并對結果進行評價和檢驗，以初步研究赤水河流域污染物主要來源，有利于針對性進行流域污染防治。具體相關系數結果，見表2。

表2 Pearson 相關系數結果表

水質指標CODMn污染源相關性結果顯示，除位于中游的茅臺站斷面外，常駐人口與CODMn年濃度呈現顯著正相關性，上游赤水站斷面中與農村人口相關系數達0.76，下游鰱魚溪站斷面中與城鎮人口相關系數達0.41，說明上游水質污染與農村地域差異大、村寨分散和生活污水管理水平低下有關，而下游因城鎮化程度高、生活污水排放密集，對水質污染影響較大。NH3-N 解析結果表明，與赤水站相關系數最高的是糧食種植面積，白酒產量、城鎮人口對中游斷面茅臺站NH3-N 影響最大，相關系數分別達到0.83 和0.61，均表現出高度正相關性；其中，白酒生產為主導的輕工業在中游地區發展迅猛，且由于其每年10 月“下沙”期的取水主要依賴于赤水河，造成干流中游斷面徑流量減少，工業污水及廢棄物增多，污染負荷加大[9]，這也與茅臺站NH3-N 污染指數逐年升高并且年內變化突變的特征相符。同時，下游斷面也受到酒類企業、城鎮發展與農業生產影響。通過分析TP 年濃度相關性結果可知，農村人口對流域水質影響主要集中在上游斷面，相關系數為0.68；而中游、下游污染負荷主要來源于農業生產中糧食種植所產生的大量化肥、農藥殘留和規?；B殖產生的大量排泄物、廢棄物。

綜上，農村生活污水是赤水河上游污染物的主要來源，主要呈現在CODMn和TP；中游起水質主要受到工業廢水和城鎮污水影響，體現于CODMn和NH3-N 上。

2.4.2 主要污染源分析 為落實及推進赤水河流域的水污染防治，基于綜合污染指數法與污染物朔源評價結果對污染物來源進行詳細分析。赤水河流域主要超標污染物為CODMn、NH3-N 和TP 等，污染源有生活污水、工業廢水等，根據污染源的排放情況將其分為點源污染和非點源污染。

（1）點源污染。赤水河流域的點源污染主要為白酒工業和城鎮生活污水。按照流域不同區域污水、廢水排放情況分析，流域上游主要受生活污染源影響，由于上游以較為分散的農村村鎮為主，其生活污水相鄰點源距離跨度大，范圍廣，污染物復雜，且村莊缺乏完善的污水收集處理系統，極大地影響了赤水河流域水體環境質量。而中游、下游城鎮化進程加快，人口密度增大，白酒工業經濟迅猛發展，城鎮生活污水、生活垃圾、工業廢水和工業固體廢棄物等污染源成為影響流域水質的重要因素。

（2）非點源污染。赤水河流域內除白酒工業集中區外，多以農業生產為主[10]，農業生產中大量使用的化肥、農藥等有害物質，大部分都仍然殘留在土壤及水分中。除此之外，秸稈農膜等固體廢棄物、畜禽養殖糞便污水，都會通過地表徑流、土壤侵蝕和農田排水等形式進入赤水河，且可能因長期使用產生了累積，導致造成的面源污染具有分散性、隨機性和累積性等特點，污染治理難度大。

3 結論與討論

（1）2008～2017 年赤水河干流以Ⅰ類、Ⅱ類水質為主，水質年際和年內變化都較顯著。2008～2011 年整體持續變差，2012 年起開始進入相對平穩好轉期，但也有逆變發生；7 月污染指數最高，水質最差；11 月至次年3 月污染指數低，水質較好。

（2）赤水河干流水質沿程逐漸變差。上游水質優良，茅臺站起受白酒工業影響，NH3-N 污染指數大幅上升，CODMn污染指數也升高；至下游，CODMn、NH3-N 污染指數持續升高，水質受到城鎮生活、白酒工業雙重影響。

（3）上游斷面CODMn、TP 污染負荷與農村人口呈顯著正相關，表明點源污染是其主要污染源；同時，農業面源污染源對水質影響也較大。至中游，NH3-N、TP 年濃度與白酒產量、城鎮人口相關系數最高，成為其主要污染源。至下游水質壓力來自城鎮化、白酒工業和農業面源等多方面。