羅時江水質(zhì)的時空變化特征分析

李 萍

(大理州環(huán)境監(jiān)測站， 云南 大理 671000)

0 引言

洱海是云南省第二大高原淡水湖泊，是大理市的主要飲用水源地，又是蒼山洱海國家級自然保護區(qū)和國家級風(fēng)景名勝區(qū)的核心，具有調(diào)節(jié)氣候、保護生物多樣性、為流域內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展提供水源保障等多種功能[1]。近年來，隨著洱海流域社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，洱海水質(zhì)富營養(yǎng)化問題日漸突出，洱海治理保護面臨巨大的壓力[2]。

羅時江是洱海重要的補給水源之一，年平均徑流量約為1.1億m3，占洱海多年平均徑流量的13%。羅時江屬彌苴河水系，位于彌苴河西側(cè)，流域位于東經(jīng)100°03′～100°10′，北緯25°56′～26°04′，發(fā)源于洱源縣右所中和村和兆邑村交界處，上游屬洱源縣，下游屬大理市，流向從北向南，全長18.29km，流經(jīng)右所、鄧川、上關(guān)三鎮(zhèn)，是洱源縣及大理市上關(guān)鎮(zhèn)農(nóng)田灌溉、排洪除澇的多功能河道[3]。

近年來由于羅時江周邊社會經(jīng)濟的發(fā)展，導(dǎo)致污染嚴重，水質(zhì)已遠遠達不到水環(huán)境功能區(qū)劃Ⅱ類水體要求，給洱海帶入了大量氮、磷等污染物，加劇了洱海富營養(yǎng)化進程。

對羅時江水質(zhì)的時空變化特征進行分析研究，對于治理羅時江，保護洱海，恢復(fù)洱海水質(zhì)功能具有十分重要的意義。

1 監(jiān)測數(shù)據(jù)與分析方法

1.1 水質(zhì)監(jiān)測斷面及參數(shù)選取

根據(jù)羅時江流向，由上游至下游選擇蓮河村、溪長村、沙坪橋3個具有代表性的水質(zhì)監(jiān)測斷面，監(jiān)測時段為2011—2019年，每月監(jiān)測1次，監(jiān)測項目為《GB 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》表1中的24項。根據(jù)《云南省地表水水環(huán)境功能區(qū)劃(2010—2020年)》和《云南省大理白族自治州洱海保護管理條例(修訂)》，羅時江執(zhí)行《GB 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類。水質(zhì)監(jiān)測斷面基本情況見表 1。

表1 羅時江水質(zhì)監(jiān)測斷面基本情況

1.2 分析方法

環(huán)境污染變化趨勢的定量分析，最常用的是Daniel趨勢檢驗，采用spearman 秩相關(guān)系數(shù)，確定分析斷面多時段的水質(zhì)變化趨勢及變化程度[4-5]。

di=Xi-Yi

式中：di：變量Xi與Yi的差值；Xi：周期I到周期N按濃度值從小到大排列的序號；Yi：按時間排列的序號。

將rs的絕對值同 spearman 秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表中的臨界值Wp 進行比較。

當(dāng)rs>Wp,表明變化趨勢有顯著意義：

rs為負值，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；

rs為正值，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。

當(dāng)rs≤Wp，表明變化趨勢沒有顯著意義，說明在評價時段內(nèi)水質(zhì)變化穩(wěn)定或平穩(wěn)[4-5]。

綜合污染指數(shù)是評價水質(zhì)狀況的一個重要指數(shù)。羅時江水質(zhì)綜合污染指數(shù)計算選取的污染物種類為《GB 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》表1中除水溫、pH、DO、TN和糞大腸菌群以外的 19 項指標(biāo)[6]。

污染指數(shù)計算公式：Ai=Ci/Cio

式中：Ai：I項指標(biāo)的污染指數(shù)；Ci：I項指標(biāo)的監(jiān)測值；Cio：I項指標(biāo)的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值；n：參與污染分指數(shù)計算的指標(biāo)項目數(shù)[6]。

2 水質(zhì)時空變化特征分析

2.1 水質(zhì)時間變化趨勢分析

2.1.1 水質(zhì)綜合狀況的年際變化分析

按《GB 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)》對2011—2019年羅時江3個斷面每月監(jiān)測結(jié)果進行綜合評價，如表2。

表2 羅時江2011—2019年每月監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合評價結(jié)果表

由表2可以看出，羅時江的水質(zhì)類別主要以IV類和劣V類水質(zhì)為主，這兩類水質(zhì)所占比例(平均值)分別達34.67%、25.65%，說明羅時江整體水質(zhì)較差。從水質(zhì)類型分布的年際變化情況來看，羅時江水質(zhì)總體呈逐漸好轉(zhuǎn)趨勢，具體表現(xiàn)為III類水質(zhì)所占比例總體呈上升趨勢，由2011年的13.89%上升至2019年的42.42%，劣Ⅴ類水質(zhì)所占比例總體呈下降趨勢，由2011年的36.11%下降至2019年的9.09%。

2.1.2 主要指標(biāo)的年均濃度變化分析

采用秩相關(guān)系數(shù)法對2011—2019年羅時江3個監(jiān)測斷面的DO、CODCr、NH3-N、TP等主要指標(biāo)年均濃度進行分析評價，主要指標(biāo)年均濃度秩相關(guān)系數(shù)見表3。

表3 羅時江3個斷面主要指標(biāo)年均濃度秩相關(guān)系數(shù)

羅時江3個斷面DO年均濃度秩相關(guān)系數(shù)rs>0，且rs絕對值大于臨界值，表明3個斷面DO年均濃度呈上升趨勢，上升趨勢從統(tǒng)計學(xué)上來說是顯著的。3個斷面CODCr年均濃度rs<0，且rs絕對值小于臨界值，表明3個斷面CODCr年均濃度呈下降趨勢，下降趨勢從統(tǒng)計學(xué)上來說是不顯著的。

蓮河村TP、溪長村NH3-N年均濃度秩相關(guān)系數(shù)rs<0，表明蓮河村TP、溪長村NH3-N年均濃度呈下降趨勢；蓮河村NH3-N、溪長村TP、沙坪橋NH3-N、TP年均濃度rs>0，表明3個斷面上述指標(biāo)年均濃度呈上升趨勢。3個斷面TP、NH3-N年均濃度rs絕對值均小于臨界值，表明上述變化趨勢從統(tǒng)計學(xué)上來說是不顯著的。

2.1.3 各斷面綜合污染指數(shù)的年度變化趨勢

對3個監(jiān)測斷面9a的數(shù)據(jù)進行分析，計算出綜合污染指數(shù)，并求出秩相關(guān)系數(shù)rs。由此了解各斷面的水質(zhì)隨時間變化的特征。

表4 羅時江主要斷面2011—2019年綜合污染指數(shù)

由表4可知，羅時江蓮河村、溪長村、沙坪橋3個斷面的綜合污染指數(shù)的秩相關(guān)系數(shù)均為負值，說明羅時江3個主要斷面的水質(zhì)污染均呈下降趨勢。羅時江整體水質(zhì)呈好轉(zhuǎn)趨勢。秩相關(guān)系數(shù)rs的絕對值均小于臨界值0.600，表明羅時江3個主要斷面的水質(zhì)污染下降趨勢從統(tǒng)計學(xué)上來說是不顯著的。

2.1.4 主要指標(biāo)的年內(nèi)變化

根據(jù)2018年3月—2019年2月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對羅時江3個斷面DO、CODCr、NH3-N和TP等主要指標(biāo)濃度逐月監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理分析，變化趨勢如圖1—圖4。

羅時江3個斷面的DO濃度空間差異不大，具有季節(jié)變化特點。DO濃度是冬春季較高，隨著水溫的升高，溶解氧濃度降低，在夏季降到最低，8月份3個斷面都出現(xiàn)較低的溶解氧現(xiàn)象，8月份后DO濃度呈上升趨勢。

羅時江3個斷面的CODCr、NH3-N、TP濃度空間差異不大，月變化趨勢基本一致，具有明顯的季節(jié)性變化特征：春夏季較高，在春季達到峰值，冬季最低。

2.2 空間變化特征

本文采用箱形圖對羅時江2011—2019年每月監(jiān)測數(shù)據(jù)進行描述統(tǒng)計分析，能夠客觀地反映數(shù)據(jù)的離散分布情況，盡可能地排除異常值的影響[7]。箱形圖的箱子是圖形的主體，箱子中間的線，是數(shù)據(jù)的中位數(shù)，代表了樣本數(shù)據(jù)的平均水平；箱子的上下限，是數(shù)據(jù)的上下四分位數(shù)，箱子包含了50%的數(shù)據(jù)，箱子的寬度在一定程度上反映了數(shù)據(jù)的波動程度；箱子的上方和下方連著的橫線，代表著去掉異常值后的最大、最小值。在同一張箱形圖里可以將不同斷面的水質(zhì)指標(biāo)分別進行比較。本文使用箱形圖可直觀地表現(xiàn)出羅時江水質(zhì)的分布結(jié)構(gòu)，并對多組數(shù)據(jù)的空間分布進行分析，再以此為依據(jù)進行統(tǒng)計差異的顯著性分析[7]。

觀察圖5，根據(jù)箱子中位線，可知沙坪橋斷面DO指標(biāo)是最高的，其次為溪長村斷面，蓮河村斷面偏低。從箱子上下四分位數(shù)來看，波動程度從大到小依次為：沙坪橋斷面、溪長村斷面、蓮河村斷面。

圖6、圖8顯示出沙坪橋斷面的CODCr、TP指標(biāo)最小，其次為溪長村斷面，蓮河村斷面嚴重。從箱子上下四分位數(shù)來看，CODCr污染波動程度最大的是沙坪橋斷面，TP污染波動程度最大的是溪長村斷面。

圖7顯示沙坪橋斷面的NH3-N指標(biāo)最小，其次為蓮河村斷面，溪長村斷面嚴重。從箱子上下四分位數(shù)來看，污染波動程度從大到小依次為：蓮河村斷面、溪長村斷面、沙坪橋斷面。

分析2011—2019年羅時江三個主要斷面月綜合評價結(jié)果，水質(zhì)優(yōu)的是沙坪橋斷面，其次為溪長村斷面，較差的是蓮河村斷面。對比箱型圖的結(jié)論，兩者并無矛盾，說明箱型圖的差異性分析較為可靠。

綜上可知，沙坪橋斷面的水質(zhì)最優(yōu)，溪長村斷面的水質(zhì)次之，蓮河村斷面的水質(zhì)較差。

對羅時江3個主要斷面每月監(jiān)測數(shù)據(jù)進行水質(zhì)綜合評價，結(jié)果如表5所示。

表5 羅時江2011—2019年月綜合評價結(jié)果表

3 結(jié)論

(1)分析年際變化選取的是2011—2019年： DO濃度呈上升趨勢， CODCr、NH3-N、TP濃度、綜合污染指數(shù)呈下降趨勢。整體來看，羅時江的水質(zhì)正在逐年改善。說明洱源縣、大理市治理羅時江是有成效的。

(2)分析年內(nèi)水質(zhì)變化選取的是2018年3月—2019年2月的數(shù)據(jù)，結(jié)合季節(jié)變化進行分析，發(fā)現(xiàn)秋冬的水質(zhì)高于春夏。春夏季主要受到降雨及農(nóng)業(yè)面源污染影響，水質(zhì)變差，所以春夏季節(jié)應(yīng)注重羅時江水質(zhì)的污染防治，進一步加強面源污染的防治。

(3)分析空間變化采用箱形圖對羅時江的3個監(jiān)測斷面4個水質(zhì)指標(biāo)的數(shù)據(jù)進行描述統(tǒng)計分析，直觀地表現(xiàn)出沙坪橋斷面的水質(zhì)最優(yōu)，溪長村斷面的水質(zhì)次之，蓮河村斷面的水質(zhì)最差。水質(zhì)上游到下游逐漸變好，說明隨著洱海流域各項污染治理措施的實施，對羅時江水質(zhì)變化起到了積極的作用，使羅時江水質(zhì)逐漸好轉(zhuǎn)，建議在今后的工作中繼續(xù)做好各項污染防治工作。