江蘇省農(nóng)村地表水功能區(qū)水環(huán)境單因子指標(biāo)評(píng)價(jià)與空間分析*

王 梁，陳守越

(臨沂大學(xué)，山東臨沂 276000)

水是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，水環(huán)境質(zhì)量的高低嚴(yán)重影響人民生命健康與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。氮元素是植物生長(zhǎng)所需的重要營(yíng)養(yǎng)元素，是天然水體中的重要生源要素。也是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要營(yíng)養(yǎng)元素之一。氨氮是水體中氮素存在的主要形式之一，通常被作為評(píng)價(jià)水體水質(zhì)及功能的重要指標(biāo)［1］。

江蘇省由于人口密度大，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，加上長(zhǎng)期以來(lái)忽視了生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，生活垃圾、化肥農(nóng)藥和工業(yè)“三廢”對(duì)河流和土地的污染日趨嚴(yán)重，極大地影響了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)《2009～2011年度江蘇省環(huán)境狀況公報(bào)》，2009～2011年江蘇省廢水排放量達(dá)50.90億t，氨氮排放量為6.98萬(wàn)t。其中工業(yè)廢水氨氮排放量為1.39萬(wàn)t，占19.9%，生活污水氨氮排放量為5.59萬(wàn)t，占80.1%。與2006～2008年相比，在GDP增長(zhǎng)12.5%的情況下，全省工業(yè)廢水排放量減少9 400萬(wàn)t，氨氮排放總量減少48萬(wàn)t。水體中氮素的來(lái)源包括工業(yè)廢水及生活污水的大量排放，這些人為活動(dòng)增加了河流中氮的含量，改變了河流原有的結(jié)構(gòu)和功能，引起水質(zhì)惡化，從而加劇了水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生。因此，通過(guò)對(duì)水環(huán)境中氨氮含量的研究分析可從一定程度上判定水體的環(huán)境質(zhì)量。國(guó)內(nèi)對(duì)氨氮污染指標(biāo)評(píng)價(jià)的研究以工程化調(diào)控技術(shù)研究為主［2］，但對(duì)污染嚴(yán)重且受到強(qiáng)烈人工干擾的區(qū)域水環(huán)境污染物空間分布特征的研究較少。為此，該文在全面調(diào)查江蘇省重點(diǎn)河水系現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了水環(huán)境氨氮分布特征，并根據(jù)氨氮污染物濃度對(duì)水體進(jìn)行了分類，對(duì)氨氮的空間自相關(guān)進(jìn)行了比較，以期為控制氨氮污染物排放及水環(huán)境治理提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等條件的差異將全省分為蘇南地區(qū) (蘇州、無(wú)錫、常州)、蘇中地區(qū) (南京、鎮(zhèn)江、揚(yáng)州、泰州、南通)、蘇北地區(qū) (連云港、淮安、鹽城、宿遷、徐州)三大區(qū)域。2009～2011年對(duì)農(nóng)村區(qū)域內(nèi)重點(diǎn)河流域進(jìn)行了全面考察的基礎(chǔ)上，確定農(nóng)村地表水采樣點(diǎn)260個(gè)(圖1)。采樣點(diǎn)主要分布在在重要的工業(yè)用水區(qū)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)、漁業(yè)用水區(qū)、飲用水水源保護(hù)區(qū)和景觀娛樂(lè)用水區(qū)。取樣時(shí)間分別為每年春季3～5月、秋季9～11月。對(duì)每個(gè)市的農(nóng)村地表水監(jiān)測(cè)斷面重復(fù)取3個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)取3個(gè)重復(fù)樣。取樣后12小時(shí)內(nèi)將樣品送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行氨氮含量分析。

水環(huán)境功能區(qū)氨氮的分析采用納氏比色法。

圖1 江蘇省農(nóng)村地表水取樣點(diǎn)分布

1.2 研究方法

1.2.1 單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)

單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)表示單項(xiàng)污染物對(duì)水質(zhì)污染影響的程度，其計(jì)算公式為:

式中Pi為單項(xiàng)污染指標(biāo)的污染指數(shù);Ci為單項(xiàng)污染指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度;Si為2002年國(guó)家公布的地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中氨氮指標(biāo)的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn) (GB3838—2002)［3-4］。氨氮指標(biāo)的單因子評(píng)價(jià)分級(jí)如表1所示。

1.2.2 局部空間自相關(guān)分析

應(yīng)用GIS制圖技術(shù)［5-6］和局部空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)水環(huán)境中氨氮指標(biāo)的空間特征分析。局部空間自相關(guān)分析可度量每個(gè)區(qū)域單位與其周邊鄰近地區(qū)之間的局部空間關(guān)聯(lián)和差異程度，以Moran散點(diǎn)地圖或LISA聚集圖等形式反映鄰近區(qū)域單元間的空間相似性或相關(guān)性，從而識(shí)別空間集聚和空間孤立，探測(cè)空間異質(zhì)等空間特征，并彌補(bǔ)了全局空間自相關(guān)指數(shù)難以探測(cè)出空間集聚位置及區(qū)域相關(guān)的程度的局限。

表1 氨氮指標(biāo)評(píng)價(jià)分級(jí)

空間聯(lián)系局域指標(biāo) (Local Indicators of Spatial Association，即LISA)用來(lái)度量區(qū)域i與其周邊地區(qū)之間的空間差異程度及其顯著性。

局部 Moran 指數(shù) Ii的計(jì)算公式為［7－8］:

式中:n是參與分析的空間單元數(shù);xi和xj分別表示某現(xiàn)象或?qū)傩蕴卣髟诳臻g單元i和j上的觀測(cè)值;是觀測(cè)值的均值;wij為研究對(duì)象i和j之間的空間鄰接矩陣?？臻g鄰接矩陣用來(lái)定義空間對(duì)象的相互鄰接關(guān)系，是空間自相關(guān)分析的前提，一般按照鄰接規(guī)則或是距離規(guī)則定義［9-10］。

根據(jù)各個(gè)區(qū)域單元局部空間自相關(guān)指標(biāo) (LISA)的不同可以將區(qū)域單元與其鄰近區(qū)域單元之間的局部空間聯(lián)系形式分為4種類型:第一類型為高指標(biāo)值的區(qū)域單元被同是高值的區(qū)域單位所包圍的空間聯(lián)系形式 (高高);第二類型為低指標(biāo)值的區(qū)域單元被高值的區(qū)域單位所包圍的空間聯(lián)系形式 (低高);第三類型為低指標(biāo)值的區(qū)域單元被同是低值的區(qū)域單位所包圍的空間聯(lián)系形式 (低低);第四類型為高指標(biāo)值的區(qū)域單元被低值的區(qū)域單位所包圍的空間聯(lián)系形式 (高低)［11-12］。

采用GeoDa軟件進(jìn)行空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因子評(píng)價(jià)

江蘇省各地市農(nóng)村地表水功能區(qū)水環(huán)境中氨氮指標(biāo)的單因子評(píng)價(jià)結(jié)果差異較大 (表2)。總體來(lái)看，江蘇省13個(gè)地市農(nóng)村地表水功能區(qū)水環(huán)境中部分地區(qū)氨氮含量超標(biāo)，存在一定程度的氨氮污染。

表2 各地市農(nóng)村地表水功能區(qū)水環(huán)境氨氮指標(biāo)單因子評(píng)價(jià)結(jié)果 (2009～2011)

從季節(jié)變化來(lái)看，2009～2011年春季，常州市功能區(qū)水環(huán)境中的氨氮均值評(píng)價(jià)結(jié)果在13個(gè)地市中最差，評(píng)價(jià)為嚴(yán)重污染，說(shuō)明常州市農(nóng)村地表水功能區(qū)中氨氮含量均值偏高，存在非常嚴(yán)重的氨氮污染。無(wú)錫、南京、揚(yáng)州、南通等地區(qū)的評(píng)價(jià)結(jié)果為輕度至中度污染，其他地區(qū)氨氮指標(biāo)評(píng)價(jià)為警戒限或無(wú)污染，其中蘇北地區(qū)除鹽城外，其他各市調(diào)查水體中的氨氮含量均值較低，評(píng)價(jià)結(jié)果為無(wú)氨氮污染。2009～2011秋季，常州市仍然是氨氮污染最為嚴(yán)重的地區(qū)，但是與春季相比，氨氮指標(biāo)含量有較大下降，評(píng)價(jià)結(jié)果為輕度污染。蘇北地區(qū)中的連云港、淮安、宿遷、徐州等地區(qū)的評(píng)價(jià)結(jié)果同春季一致，均為無(wú)污染。蘇中地區(qū)的泰州市調(diào)查水體中的氨氮含量均值較春季進(jìn)一步下降，評(píng)價(jià)為無(wú)污染。其他地區(qū)污染指數(shù)皆在警戒限范圍內(nèi)。

江蘇省13個(gè)地市的整體評(píng)價(jià)結(jié)果秋季較春季好，只有鎮(zhèn)江、淮安、鹽城、徐州的單因子評(píng)價(jià)污染指數(shù)略有上升，但上升幅度未改變?cè)u(píng)價(jià)結(jié)果，其他各市污染指數(shù)都有所下降。其主要原因，一方面秋季氨氮排放量較春季少，另一方面秋季的降雨量遠(yuǎn)高于春季，一定程度上稀釋了水體中氨氮的濃度。從區(qū)域來(lái)看，蘇北地區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)于蘇中地區(qū)，而蘇南地區(qū)為三大區(qū)域中氨氮污染最為嚴(yán)重的地區(qū) (表3)。蘇南地區(qū)春季氨氮污染較為嚴(yán)重，評(píng)價(jià)為中度污染，秋季評(píng)價(jià)為輕度污染。其中常州為主要污染地區(qū)，蘇州、無(wú)錫、常州的氨氮污染依次加重。蘇中地區(qū)春季區(qū)域整體氨氮含量評(píng)價(jià)為輕度污染，秋季污染指數(shù)降至警戒限內(nèi)。其中南京市氨氮含量均值下降較快，從春季的中度污染降至警戒限，揚(yáng)州、南通較區(qū)域內(nèi)其他各市氨氮污染指數(shù)偏高。蘇北地區(qū)春、秋季評(píng)價(jià)結(jié)果均為無(wú)污染，且各地市的評(píng)價(jià)結(jié)果也無(wú)變化，說(shuō)明該地區(qū)調(diào)查水體中氨氮含量較為穩(wěn)定，且污染較少，其中鹽城市氨氮含量評(píng)價(jià)為警戒限，為區(qū)域內(nèi)水體中氨氮含量較高的地區(qū)。

表3 區(qū)域農(nóng)村地表水功能區(qū)水環(huán)境氨氮單因子評(píng)價(jià)結(jié)果 (2009～2011)

水環(huán)境中氨氮的主要來(lái)源為工業(yè)廢水、生活污水的排放及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥的流失。地區(qū)之間氨氮含量的差異與各地區(qū)的自然、經(jīng)濟(jì)條件密不可分。蘇南地區(qū)區(qū)域面積較小，人口較為密集，水體中生活污水的排放強(qiáng)度較大，導(dǎo)致水體中氨氮含量及濃度較高。蘇南地區(qū)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，工業(yè)廢水排放強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，同樣導(dǎo)致水體中氨氮含量的上升。雖然蘇北地區(qū)是江蘇省主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，其化肥施用量及使用強(qiáng)度遠(yuǎn)高于蘇南地區(qū)，但是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥的流失僅是氨氮排放中較小的一部分，不足以對(duì)區(qū)域的氨氮排放總量產(chǎn)生決定性的影響。

2.2 江蘇省農(nóng)村地表水功能區(qū)氨氮指標(biāo)空間分布現(xiàn)狀

江蘇省農(nóng)村地表水功能區(qū)水環(huán)境中氨氮指標(biāo)空間分布現(xiàn)狀如圖2。從圖2可以看出，春季氨氮指標(biāo)的空間差異性較大，從Ⅰ—Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)到劣Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)皆有出現(xiàn)。其中15個(gè)縣市達(dá)到了Ⅰ—Ⅱ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，主要分布在蘇北的徐州、連云港、鹽城和蘇中的南京等地區(qū);34個(gè)縣市達(dá)到了Ⅲ類水水質(zhì)要求，主要分布于蘇北除大豐市、Ⅰ—Ⅱ類區(qū)域以外的全部地區(qū)，蘇中的南通、鎮(zhèn)江、揚(yáng)州、泰州的部分縣市及高淳縣，蘇南的昆山、張家港、吳江及溧陽(yáng)、江陰等市;10個(gè)縣市為Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，主要分布在蘇北的大豐市，蘇中的南通部分縣市、揚(yáng)州市區(qū)、姜堰市，蘇南的蘇州部分縣市及宜興市;符合Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的縣市共有2個(gè)，為金壇市、泰州市區(qū);該項(xiàng)指標(biāo)劣于Ⅴ類水地區(qū)共4個(gè)，分別為江都市、常州市區(qū)、無(wú)錫市區(qū)、南京市區(qū)?？傮w來(lái)說(shuō)部分地區(qū)氨氮濃度較高，污染區(qū)域相對(duì)集中，蘇北地區(qū)該指標(biāo)濃度明顯低于其他地區(qū)。

2009～2011年秋季，全省地表水環(huán)境氨氮濃度有17個(gè)縣市達(dá)到了Ⅰ—Ⅱ類水水質(zhì)要求，主要分布在蘇北的徐州、連云港、鹽城、淮安部分縣市及蘇中的南通市區(qū)、句容市、儀征市、靖江市、泰州市區(qū)等地;10個(gè)縣市為Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，主要有蘇北的大豐市、贛榆縣、睢寧市，蘇中的如東縣、揚(yáng)州市區(qū)、姜堰市，蘇南的常州市區(qū)、常熟市、昆山市、江陰市;Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的縣市有2個(gè)，為江都市、金壇市;其余的36個(gè)縣市全部達(dá)到了Ⅲ類水水質(zhì)要求，在蘇南、蘇中、蘇北都有集中分布。

由宏觀尺度上分析，2009～2011年秋季的氨氮污染狀況較春季有明顯的改善，春季的污染區(qū)域較為集中。贛榆縣、睢寧縣春季氨氮濃度屬于Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，但秋季卻升高至Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn);而南京市、泰州市等地區(qū)水質(zhì)狀況改善較為明顯。蘇北大部分地區(qū)及南通、揚(yáng)州等蘇中地區(qū)水體中氨氮濃度較為穩(wěn)定，季節(jié)變化不大。

圖2 2009～2011年江蘇省農(nóng)村地表水環(huán)境氨氮空間分布

2.3 江蘇省農(nóng)村地表水功能區(qū)氨氮指標(biāo)空間自相關(guān)分析

在Z檢驗(yàn) (5%)的基礎(chǔ)上繪制出LISA聚集圖 (圖3)，從圖3可以看出，2009～2011年春季與秋季相比，江蘇省農(nóng)村地表水功能區(qū)水環(huán)境中氨氮含量的空間聚集態(tài)勢(shì)變化特征如下:(1)空間差異較小、區(qū)域自身和區(qū)域周邊氨氮濃度均顯著較高 (顯著HH)的縣市個(gè)數(shù)由5個(gè)增加到為6個(gè)，春季為無(wú)錫市的3個(gè)市區(qū)、泰州市區(qū)、姜堰市，秋季為宜興市、無(wú)錫市區(qū)、常州市區(qū)、揚(yáng)中市區(qū)、興化市、太倉(cāng)市，主要區(qū)域集中在無(wú)錫、泰州一帶，分布范圍及空間聚集態(tài)勢(shì)有擴(kuò)大的趨勢(shì);上述地區(qū)人口密度、工業(yè)廢水排放量在全省范圍內(nèi)較高。(2)空間差異較小、區(qū)域自身和區(qū)域周邊氨氮濃度均顯著較低 (顯著LL)的縣市個(gè)數(shù)由5個(gè)減少到了4個(gè)，主要分布區(qū)域由春季的豐縣、沛縣、銅山縣、睢寧縣、漣水縣變?yōu)樨S縣、沛縣、銅山縣、徐州市區(qū)，徐州地區(qū)秋季氨氮含量與周邊地區(qū)的差距減小，形成了顯著LL聚集區(qū);該類型地區(qū)的共同特征是工業(yè)廢水排放強(qiáng)度較低，人口密度較小。(3)自身氨氮濃度較低而周邊地區(qū)氨氮濃度較高 (顯著LH)的縣市由上半年的揚(yáng)中市變?yōu)樘┲菔袇^(qū)、丹陽(yáng)市，該類型區(qū)域的形成同時(shí)周邊區(qū)域常為顯著HH聚集區(qū)。(4)自身氨氮濃度較高而周邊地區(qū)較低 (顯著HL)的縣市范圍有所調(diào)整，由春季的南京市區(qū)轉(zhuǎn)為秋季的睢寧縣、漣水縣。睢寧縣由于秋季氨氮含量升高導(dǎo)致空間集聚狀態(tài)的改變，而漣水縣是由于周邊區(qū)域氨氮含量下降而呈現(xiàn)新的空間集聚狀態(tài)。

總體來(lái)看，顯著高高區(qū)域主要集中在蘇南的無(wú)錫市、常州市地區(qū)，該區(qū)域是氨氮污染的集中區(qū)域，地區(qū)整體氨氮濃度過(guò)高;顯著低低區(qū)域主要集中在蘇北地區(qū)的徐州市，其區(qū)域氨氮單因子污染指數(shù)是13個(gè)地市中最低的;空間聚集態(tài)勢(shì)的變化主要集中在顯著低高與顯著高低的區(qū)域，上述兩種區(qū)域類型隨自身氨氮濃度與周邊地區(qū)氨氮濃度的變化而變化。春秋兩季氨氮濃度空間聚集態(tài)勢(shì)雖有變化，但整體的聚集態(tài)勢(shì)格局變化不大，說(shuō)明江蘇省農(nóng)村地表水功能區(qū)水環(huán)境中的氨氮濃度存在較強(qiáng)的空間聚集分布。

圖3 2009～2011年江蘇省農(nóng)村地表水環(huán)境氨氮空間聚集

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

(1)從單因子污染評(píng)價(jià)來(lái)看，江蘇省三大主要區(qū)域間的污染狀況有較大差異，蘇北地區(qū)基本不存在氨氮污染，而蘇南地區(qū)水體中氨氮濃度過(guò)高，存在較為嚴(yán)重的氨氮污染。秋季較春季氨氮濃度有較大下降，污染狀況有所減輕。

(2)從江蘇省縣域氨氮指標(biāo)空間分布狀況來(lái)看，春季各縣市水質(zhì)狀況差異較大，部分縣市氨氮污染非常嚴(yán)重，但污染區(qū)域相對(duì)集中;秋季蘇南地區(qū)的污染集中區(qū)域氨氮濃度下降明顯，污染狀況整體好轉(zhuǎn)。

(3)從江蘇省縣域氨氮指標(biāo)空間聚集態(tài)勢(shì)來(lái)看，氨氮指標(biāo)具有較強(qiáng)的空間聚集分布態(tài)勢(shì)，形成了以無(wú)錫為主的顯著高高區(qū)域和以徐州為主的顯著低低區(qū)域，空間趨同性較強(qiáng)，空間集聚區(qū)的形成有利于區(qū)域環(huán)境污染防治的開(kāi)展。

3.2 建議

通過(guò)提高對(duì)工業(yè)企業(yè)氨氮的排放標(biāo)準(zhǔn)，督促企業(yè)進(jìn)行深度治理，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的達(dá)標(biāo)排放;根據(jù)流域水質(zhì)的情況，分期分批在城市污水處理廠增加脫磷除氮的功能;對(duì)集中式規(guī)?；男笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行污染的治理;推廣測(cè)土施肥的方法，減少農(nóng)業(yè)的化肥使用量以控制氨氮水環(huán)境污染。

［1］楊瑞珍.降水資源的高效利用——滄州農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇.中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2009，30(1):9～15

［2］陳亞萍，康永祥．渭河干流陜西段水體中CODmn，NH3－N的時(shí)空變化特征.水土保持通報(bào)，2006，26(4):48～51

［3］高國(guó)力．我國(guó)主體功能區(qū)規(guī)劃的特征、原則和基本思路.中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2007，28(6):8～13

［4］韓彥霞.滄州市地表水污染現(xiàn)狀評(píng)價(jià)、危害及防治措施.水資源研究，2008，29(1):6～7

［5］朱琳，聶紅濤，陶建華．渤海灣天津近岸海域水環(huán)境空間變異分析.海洋學(xué)報(bào)，2007，29(6):134～139

［6］李俊祥，王玉潔，宋永昌，等．基于GIS的上海市河道及其水污染空間特征分析.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2004，24(5):632～635

［7］馬曉冬，馬榮華，徐建剛．基于ESDA－GIS的城鎮(zhèn)群體空間結(jié)構(gòu).地理學(xué)報(bào)，2004，59(6):1048～1057

［8］Anselin L．lacal indicators of spatial association:LIS．Geographical analysis，1995，27(3):93 ～115

［9］韋素瓊，張金前，陳健飛．基于空間自相關(guān)的閩臺(tái)城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布研究．地理科學(xué)進(jìn)展，2007，26(3):11～17

［10］邱炳文，王欽敏，陳崇成，等．福建省土地利用多尺度空間自相關(guān)分析．自然資源學(xué)報(bào)，2007，22(2):311～320

［11］楊忍，任志遠(yuǎn).西北五省人口經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)狀況及空間相關(guān)分析.統(tǒng)計(jì)與決策，2009，(10):86～88

［12］趙小風(fēng)，黃賢金，張興榆，等.區(qū)域COD、SO2及TSP排放的空間自相關(guān)分析:以江蘇省為例.環(huán)境科學(xué)，2009，30(6):1580～1586