小洪河流域生態(tài)水污染狀況時空趨勢分析

史淑娟，王戰(zhàn)勇，郭悅嵩，侯勝玲

(1. 河南省環(huán)境監(jiān)測中心，鄭州 450004；2. 河南省環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，鄭州 450004；3. 新鄭市環(huán)境監(jiān)察大隊，鄭州 451100；4. 鄭州水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001)

0 引 言

近年來，流域水環(huán)境污染、水生態(tài)退化已成為制約社會經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵問題。兩類水問題并不是單獨存在的，相互之間也存在影響關(guān)系。生態(tài)流量是維系河流生態(tài)系統(tǒng)完整性與功能性的重要因素，隨著季節(jié)性流量變化趨勢，加之水污染問題，生態(tài)流量的量與質(zhì)均需要得到保障。生態(tài)流量水文學(xué)法是基于水文資料，將各年份逐月進行豐、平、枯水年分組，選取不同歷時點作為生態(tài)流量等級計算流域生態(tài)流量[1]，其優(yōu)點為快速便捷，所需資料容易獲取，其中常用方法包括Tennant法[2]、Lyon法[3]。流域生態(tài)流量是維持河道及河口的自然生態(tài)系統(tǒng)和維持人類生存發(fā)展所依賴的生態(tài)系統(tǒng)所需要的水量、時間和水質(zhì)[4]，流域水污染的加劇導(dǎo)致生態(tài)水質(zhì)降低進而影響生態(tài)水量，通過分析水質(zhì)與水量的空間關(guān)聯(lián)性可篩選典型污染物，明確治理方向，常用的方法有灰色關(guān)聯(lián)度法[5]、單因子指數(shù)評價法[6]。利用典型污染物，可分析水質(zhì)與水量時空變化趨勢，主要運用的方法有Daniel趨勢檢驗法[7]、小波分析[8]和九點二次平滑法[9]。前期的研究主要是集中在生態(tài)流量的計算和水質(zhì)污染的變化趨勢，很少將兩者結(jié)合起來進行關(guān)聯(lián)及時空趨勢變化分析。因此，本文采用Lyon法計算河流生態(tài)流量，再以優(yōu)序度理論計算生態(tài)流量與污染物之間的關(guān)聯(lián)程度，根據(jù)優(yōu)序度的大小篩選出與河流生態(tài)流量關(guān)系最為密切的典型污染物，通過九點二次平滑法對流域污染趨勢進行時空分析，以小洪河駐馬店段為例，進行了實例研究。本文創(chuàng)新性的將生態(tài)流量與污染物濃度結(jié)合進行流域生態(tài)水污染時空趨勢分析，利用優(yōu)序度理論篩選出對生態(tài)流量影響最大的污染物，并分析主要污染物對河流生態(tài)健康的影響，研究成果可為小洪河流域水生態(tài)、水污染相互影響變化趨勢提供科學(xué)依據(jù)，為流域水資源管理提供技術(shù)支撐，具有重要的實際應(yīng)用價值。

1 研究方法

為研究流域水生態(tài)、水污染狀況關(guān)聯(lián)變化趨勢，本文采用水文學(xué)法中的Lyon法計算生態(tài)流量，利用優(yōu)序度理論篩選出與生態(tài)流量關(guān)聯(lián)最為密切需要的關(guān)鍵變量，最后再利用九點二次平滑分析法對關(guān)鍵變量進行時空變化的趨勢分析。

1.1 Lyon法

Lyon法是美國得克薩斯州水發(fā)展局基于水文頻率變動和生態(tài)需求開發(fā)的水文學(xué)方法[10]，其原理是以水文資料為基礎(chǔ)，在年內(nèi)水期變動考量方面，將年內(nèi)流量劃分為豐水期和枯水期，依據(jù)不同判別標(biāo)準(zhǔn)計算生態(tài)流量。本文利用Lyon法計算流域上下游生態(tài)流量。具體計算法則見表1。

表1 Lyon法的生態(tài)流量計算原理Tab.1 Calculation principle of the ecological flow by the Lyon method

1.2 優(yōu)序度

優(yōu)序度以數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)，要求大量數(shù)據(jù)且需遵從一定的概率分布，具有一定的科學(xué)依據(jù)?；疑P(guān)聯(lián)度來源于幾何相似，其實質(zhì)是進行曲線間幾何形態(tài)的比較，幾何形態(tài)較相近的序列，變化趨勢越接近，關(guān)聯(lián)度也就越高；反之，序列形態(tài)相差較遠，關(guān)聯(lián)度越低。根據(jù)魏鳳英[11]對灰色關(guān)聯(lián)度的研究，進而得到一種更適合計算因變量與自變量之間關(guān)系密切程度的優(yōu)序度，該計算方法更加簡單，更能體現(xiàn)出變量與變量之間相關(guān)的緊密程度。利用關(guān)聯(lián)度計算方法求出污染物與生態(tài)流量之間關(guān)聯(lián)的優(yōu)序度，并篩選出優(yōu)序度最大的污染物。方法計算步驟如下：

(1)對m個自變量xi=(xi1,xi2,…,xin)(i=1,2,…,m)及因變量x0=(x01,x02,…,x0n)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化處理后使各變量之間的量綱統(tǒng)一，n為樣本量，將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的值也記作xij。標(biāo)準(zhǔn)化計算公式如下：

(1)

(2)計算因變量x0與自變量xi之間的相關(guān)系數(shù)，計算公式如下：

(2)

式中：ξij是每個時間點因變量與自變量之間的相關(guān)系數(shù)；ai為權(quán)重系數(shù)。

①權(quán)重系數(shù)ai計算如下：

(3)

式中：li是所有自變量序列與因變量序列取最大距離Δmaxxijl時第i個自變量所占的個數(shù)；同理，si是取最小距離Δmaxxijs所占的個數(shù)。

②li、si計算步驟如下：

Δmaxxijl=max|x0jl-xijl|

Δminxijs=max|x0js-xijs|

(4)

在具體的第j個時間段取出Δmaxxijl和Δminxijs，再計算第i個自變量在所有時間序列n中所占Δmaxxijl的個數(shù)li和Δminxijs的個數(shù)si。

(3)取各時間段相關(guān)系數(shù)的平均值作為最后第i個自變量與因變量之間關(guān)聯(lián)的優(yōu)序度，計算公式如下：

(5)

1.3 九點二次平滑

選取優(yōu)序度最大的污染物作為關(guān)鍵變量，利用篩選出的流域關(guān)鍵污染物在時間和空間上做九點二次平滑。九點二次平滑法有降低通濾波器的作用，以便展現(xiàn)出變量的變化趨勢，與滑動平均相比九點二次平滑的優(yōu)點在于不會削弱過多的波幅。

對時間序列x用二次多項式擬合：

(6)

式中：a0,a1,a2可以根據(jù)最小二乘法原理確定，然后以此確定九點二次平滑計算公式。

九點二次平滑公式如下：

59xi+54xi+1+39xi+2+14xi+3-21xi+4)

(7)

2 實例分析

2.1 流域概況

小洪河發(fā)源于河南省舞鋼市伏牛山區(qū)，流經(jīng)漯河市舞陽縣、駐馬店市西平、上蔡、平輿、新蔡四縣，于新蔡班臺和汝河交匯入大洪河，屬于淮河上游的二級支流，小洪河干流長251 km，流域面積4 287 km2?；春邮侵袊廴究刂频闹攸c之一，洪河作為淮河上游最大的支流，日益嚴重的水污染已成為該流域可持續(xù)發(fā)展的制約因素。根據(jù)流域水資源公報結(jié)合流域?qū)嶋H排污情況，選取COD、氨氮、TP作為小洪河流域的代表性污染因子。

2.2 生態(tài)流量計算結(jié)果及分析

為了選取能代表河流污染情況的典型污染物，即選擇與河流生態(tài)狀況關(guān)聯(lián)最為密切的污染物，首先要計算河流生態(tài)流量。本文以西平、上蔡、平輿和新蔡四站1991-2016年逐日還原流量作為Lyon法計算生態(tài)流量的依據(jù)，計算結(jié)果見圖1。

圖1 關(guān)鍵斷面生態(tài)流量計算結(jié)果Fig.1 Ecological flow calculation results for key sections

由圖1可知，西平、上蔡、平輿和新蔡四站年內(nèi)流量變化明顯，枯水月份和豐水月份月均流量值相差較大，小洪河新蔡段7月份的月均水量為4月份的11倍。豐水月份集中在7-8月，分別占多年平均流量的36.1%、36.2%、44.9%和53.3%；1-4月月均水量較少，分別占多年平均流量的22.0%、20.9%、16.1%和12.5%，多年月均流量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化。就生態(tài)流量計算結(jié)果而言，在流量的年內(nèi)季節(jié)變化模擬方面，能體現(xiàn)出水期差異，能在一定程度上反映流量的季節(jié)性變化。

四站多年平均水量分別為46、72、97、218 m3/s，自上而下依次遞增，表現(xiàn)出典型變化特征；所對應(yīng)的生態(tài)流量值分別為21、27、45、102 m3/s，和天然流量一樣，從上到下逐漸增加，其中新蔡段流量相對于以上三站增加顯著。天然月均水量的水文節(jié)律變化呈現(xiàn)1-6月上下略有浮動，7-10月逐月減少的趨勢。在水文節(jié)律的模擬效果方面，生態(tài)流量計算結(jié)果未出現(xiàn)與天然水文節(jié)律偏差的情況，對天然水文節(jié)律的模擬方面效果較好[12]。

2.3 關(guān)鍵斷面優(yōu)序度計算結(jié)果及分析

選取小洪河流域生態(tài)流量計算結(jié)果中2013年11月-2016年12月各月的生態(tài)流量作為因變量x0，COD、氨氮、TP三個代表性污染物指標(biāo)作為自變量xi(i=1,2,3)，根據(jù)公式(1) ～式(5)計算因變量(生態(tài)流量)與自變量(COD、氨氮、TP)之間關(guān)聯(lián)的優(yōu)序度，計算結(jié)果見表2。

表2 各斷面各指標(biāo)與生態(tài)流量關(guān)聯(lián)的優(yōu)序度 mol/LTab.2 Index and ecological flow priority of each section

從計算結(jié)果可以看出，4個斷面中西平、上蔡和平輿3個斷面的氨氮濃度與小洪河流域生態(tài)流量關(guān)聯(lián)的優(yōu)序度最大，分別是0.95、0.90、0.95，新蔡斷面優(yōu)序度也達到了0.79，COD與生態(tài)流量關(guān)聯(lián)的優(yōu)序度也較大，而TP與生態(tài)流量關(guān)聯(lián)的優(yōu)序度最小，說明小洪河流域中主要影響河流生態(tài)流量健康的為氨氮濃度，其次為COD濃度，TP不易影響該斷面的生態(tài)流量。西平和平輿兩個河段氨氮與生態(tài)流量關(guān)聯(lián)的優(yōu)序度最大，達到了0.95，這與地方的經(jīng)濟發(fā)展以及相關(guān)政策有很大關(guān)系。

氨氮可以作為4個斷面污染源的主要因子，能影響流域中水生生物與底棲動物的多樣性，以及河流中水體的健康程度，小洪河流域中氨氮和生態(tài)流量的關(guān)系緊密，這主要與流域上各城市的發(fā)展有關(guān)。西平、上蔡、平輿三個縣多以平原為主，都是糧食生產(chǎn)大縣，主要農(nóng)作物有小麥、玉米等，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中使用氮肥的頻率大，從而會有游離的氨氮離子或者是含氮化合物排放到小洪河流域中，引起小洪河中氨氮含量豐富；西平縣養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達，大型養(yǎng)殖場對流域中排放糞便等污染物，造成小洪河流域含氮化合物增多；平輿縣工業(yè)發(fā)展迅速，城市化相對嚴重，工業(yè)廢水以及生活污水排放量大，加劇了氨氮的污染狀況。

2.4 時空趨勢分析

根據(jù)多年生態(tài)流量與各斷面代表性污染物的關(guān)聯(lián)程度，最終選取氨氮作為典型污染物進行分析。將西平、上蔡、平輿和新蔡河段2013年11月-2016年12月的逐月氨氮監(jiān)測數(shù)據(jù)利用九點二次平滑法進行時空趨勢分析，分析結(jié)果見圖2。

圖2 關(guān)鍵斷面氨氮濃度趨勢分析Fig.2 Trend analysis of ammonia nitrogen concentration in key sections

從時間上來看，四縣控制斷面的氨氮濃度38個月以來總體上呈下降趨勢，生態(tài)流量在季節(jié)變化模擬方面能在一定程度上反映出氨氮濃度的季節(jié)性變化。西平、平輿和新蔡氨氮濃度起初維持在較高水平，為劣五類水質(zhì)[13]，經(jīng)過“十二五”和國家生態(tài)文明建設(shè)，各地環(huán)保相關(guān)部門狠抓污染治理及控制企業(yè)污染排放，至2016年末，氨氮水平下降幅度明顯，基本達到三類或四類水標(biāo)準(zhǔn)。查閱相關(guān)資料得知，上蔡縣經(jīng)濟整體發(fā)展水平較低，工業(yè)發(fā)展較為落后，氨氮主要污染源來自畜牧業(yè)及農(nóng)業(yè)，這就使得污染控制斷面氨氮監(jiān)測濃度值較低，同時上蔡縣在污染治理及污染物控制等方面監(jiān)管力度較大，在2014年初曾一度出現(xiàn)了氨氮濃度接近于0的情況，但隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展，氨氮水平上下波動較為明顯，但整體上趨于穩(wěn)定，呈下降趨勢。

從空間上來看，自上而下依次是西平、上蔡、平輿和新蔡監(jiān)測斷面。西平斷面多月氨氮平均濃度最高，達到3.73 mol/L，而其生態(tài)流量為21 m3/s，在四縣中最低，這與當(dāng)?shù)夭缓侠淼漠a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及落后的生產(chǎn)水平和環(huán)保意識密切相關(guān)，隨著政府監(jiān)管力度的加強和社會發(fā)展形態(tài)的不斷轉(zhuǎn)變，西平縣的污染治理工作成效十分顯著，但還有較大的改進空間。上蔡、平輿、新蔡三縣的多月氨氮平均濃度分別為1.06、1.43、2.81 mol/L，隨著水流流向而逐漸增加，相應(yīng)生態(tài)流量也是從上到下遞增，越是靠近下游的監(jiān)測斷面其污染物濃度越高，與生態(tài)流量空間變化特征相符合；經(jīng)過污染治理和污染物排放控制之后，最后五個月三縣斷面氨氮平均濃度依次遞增，分別為0.74、0.79、1.47 mol/L，相對于治理前有很大改善。

總體來說，氨氮濃度時空變化趨勢與生態(tài)流量時空變化特征相適應(yīng)。隨著國家污染防治力度的不斷加強，西平、上蔡、平輿和新蔡四縣典型污染物氨氮濃度總體上呈下降趨勢，但當(dāng)?shù)厮h(huán)境質(zhì)量還未達到生態(tài)文明建設(shè)的要求，尚有很大的提升空間；除西平受自身經(jīng)濟條件制約外，其余三縣氨氮濃度向下依次增加，經(jīng)過治理之后仍是如此。

3 結(jié) 語

本文以小洪河流域西平、上蔡、平輿和新蔡段1991-2016年逐日流量為基礎(chǔ)，以Lyon法計算其生態(tài)流量，并結(jié)合2013-2016年各斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，以優(yōu)序度理論計算代表性污染物濃度與生態(tài)流量關(guān)聯(lián)的優(yōu)序度，根據(jù)計算結(jié)果，氨氮濃度與河流生態(tài)流量關(guān)聯(lián)的優(yōu)序度最大，即對生態(tài)流量的影響較大。進而選取和生態(tài)流量關(guān)聯(lián)最密切的污染物氨氮，進行流域生態(tài)水污染時空趨勢變化分析。結(jié)果表明，在時間尺度上，從2013-2016年氨氮濃度有明顯下降的趨勢，流域水生態(tài)環(huán)境得到改善；在空間尺度上，西平監(jiān)測斷面氨氮濃度最高，總體上從河流的上游到下游有下降的趨勢，但水環(huán)境質(zhì)量狀況仍不容樂觀。