嘉陵江清風(fēng)峽斷面水體pH值時(shí)間序列特征及其影響因素分析

胡翠華, 劉守江*, 楊丹, 王旭熙

1. 西華師范大學(xué) 國(guó)土資源學(xué)院，四川 南充 637000；

2. 嘉陵江流域研究所，四川 南充 637009

河流是內(nèi)陸市政、工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)灌溉用水的主要來(lái)源，在消化和承載市政和工業(yè)廢水及農(nóng)業(yè)耕地的地表徑流方面，河流承擔(dān)著一個(gè)重要的角色。隨著我國(guó)工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，人們生活水平也在不斷提高，人們對(duì)水資源水環(huán)境的質(zhì)量要求也是越來(lái)越高。然而地表水的成分日趨復(fù)雜，水污染嚴(yán)峻形勢(shì)不容樂觀。因此，對(duì)水質(zhì)變化趨勢(shì)的研究仍是學(xué)界關(guān)心的熱點(diǎn)課題。當(dāng)前，我國(guó)在河流水質(zhì)研究方面進(jìn)展較迅速，重點(diǎn)關(guān)注河流水體主要指標(biāo)隨時(shí)間序列的變化趨勢(shì)。而水體pH值是水體水化學(xué)特征的綜合反映，天然水體的水質(zhì)與全球變化、環(huán)境酸化有著一定的響應(yīng)關(guān)系[1]，因此對(duì)pH值的時(shí)間變化特征的分析具有的重要的環(huán)境指示意義。為此，本文采用時(shí)間序列分析方法[2]，分析廣元清風(fēng)峽斷面2007—2017年嘉陵江水體pH值時(shí)間序列變化特征，揭示和預(yù)測(cè)水文過(guò)程變化趨勢(shì)[3]，同時(shí)分析pH值與DO、CODMN、NH3-N等主要污染指標(biāo)之間的相關(guān)性，探討其變化驅(qū)動(dòng)因子及對(duì)清風(fēng)峽水環(huán)境的影響。水環(huán)境中溶解氧（DO）被消耗后，恢復(fù)到初始狀態(tài)所需時(shí)間的長(zhǎng)短，可以反映出水體污染程度以及水體自凈能力大小[4]。水體中的有機(jī)物含量可以用化學(xué)耗氧量（COD）來(lái)反映，COD值越大,表示水中有機(jī)污染物含量高，說(shuō)明水體污染越嚴(yán)重。氨氮（NH3-N）是微生物降解水中有機(jī)物的產(chǎn)物，能間接反映出水中有機(jī)物含量的高低[5]。通過(guò)時(shí)間動(dòng)態(tài)變化分析pH值與主要驅(qū)動(dòng)因子之間的相關(guān)性，以期為清風(fēng)峽水質(zhì)評(píng)價(jià)和水體污染防治，以及水資源水環(huán)境的科學(xué)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 流域環(huán)境概況

清風(fēng)峽位于廣元市朝天區(qū)（105°35′—106°17′E，32°31′—32°51′N），嘉陵江上游，川陜甘三省交界的邊陲地帶。地勢(shì)東北高，西南低，最高峰大尖山海拔1 998.9 m，最低點(diǎn)酒茶溝海拔475 m，相對(duì)高差1 523.9 m，形成東北部中山區(qū)、中部河谷平壩、西南低山區(qū)的特殊地理環(huán)境。由于地處亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，該流域境內(nèi)氣候濕潤(rùn)，雨量充足，光照適中，四季分明，年平均降雨量980 mm。東北部中山區(qū)冬寒夏涼，西南部低山區(qū)及平壩河谷地帶冬冷夏熱。由于地處冷暖空氣對(duì)流交匯的秦巴山地區(qū)中部，故夏秋季多雨而冬春季多風(fēng)。這里水利資源開發(fā)潛力巨大。清風(fēng)峽與其相連的明月峽、小安峽又被稱為嘉陵江上游“小三峽”是廣元市一大風(fēng)景旅游區(qū)[6]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理方法

清風(fēng)峽水質(zhì)監(jiān)測(cè)所在流域斷面設(shè)置在陜-川省界處，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，由國(guó)務(wù)院環(huán)境保護(hù)行政主管部門統(tǒng)一組織，中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站指導(dǎo)地方環(huán)境監(jiān)測(cè)站采樣監(jiān)測(cè)。

本研究數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站（http://www.cnemc.cn/），該項(xiàng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能，在跨界污染糾紛、污染事故預(yù)警、重點(diǎn)工程項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)估及保障公眾用水安全方面發(fā)揮了重要作用[7]。本研究涉及的參數(shù)主要是pH值、溶解氧（DO）、高錳酸鹽化學(xué)耗氧量（CODMN）及其氨氮（NH3-N）等。首先對(duì)監(jiān)測(cè)得到的2007—2017年pH值斷面水質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后對(duì)pH值進(jìn)行時(shí)間序列特征分析。我國(guó)由于設(shè)立環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間不長(zhǎng),現(xiàn)有的長(zhǎng)序列監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)少，常采用水質(zhì)年均值的變化曲線來(lái)描述水質(zhì)的變化趨勢(shì)[8]。所有數(shù)據(jù)的處理均在統(tǒng)計(jì)分析軟件Excel中完成。

參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，清風(fēng)峽河流斷面水質(zhì)類別監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1所示。

表 1 清風(fēng)峽河流斷面水質(zhì)分類統(tǒng)計(jì)表（2007—2017 年）Tab. 1 Statistical results of water quality classification of the Qingfeng Gorge section (2007-2017)

由表1可以看出，2007—2017年水質(zhì)總體情況較好，大多年份基本為Ⅰ類和Ⅱ類水質(zhì)，而且Ⅰ類水次數(shù)顯著多于Ⅱ類水次數(shù)。僅在2013和2017年分別出現(xiàn)1次Ⅲ類水，2016年出現(xiàn)1次Ⅳ類水。說(shuō)明從2007—2012年，清風(fēng)峽河流斷面水體清潔，水質(zhì)較好；從2013年開始，水體在一定程度上出現(xiàn)污染，水質(zhì)有下降趨勢(shì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 pH 值年際變化

在清風(fēng)峽河流斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)pH值數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)出清風(fēng)峽2007—2017年各年pH年均值（見圖1），分析清風(fēng)峽pH值年際變化特征。

圖 1 清風(fēng)峽 pH 均值年際變化趨勢(shì)圖Fig. 1 Trend chart of interannual variation of pH value in the Qingfeng Gorge

從圖1可以看出，從2007—2017年，清風(fēng)峽pH值總體上是在7.98～8.44之間波動(dòng)，呈一定的下降趨勢(shì)，年際變化較小。pH值在2009年達(dá)到最大值8.44，2015年值最小7.98，其變幅較小。其中2015年清風(fēng)峽pH值下降到極小值，可能與水體腐殖質(zhì)過(guò)多，二氧化碳偏高、溶解氧不足以及大氣酸沉降帶來(lái)的污染有關(guān)。

2007—2017年pH值平均值為8.21，水體呈微堿性。清風(fēng)峽水體常年呈微堿性，在水體氮的循環(huán)中，pH值起著重要作用，硝化作用、固氮作用都以微堿性pH值7.5～8.5最適宜；微堿性水生環(huán)境有利于嘉陵江魚類的生長(zhǎng)和繁殖。天然水體的pH主要取決于 CO2、HCO3?、CO32?三者在平衡體系中各組分的相對(duì)含量，Shapiro等提出高pH/低CO2條件有利于藍(lán)藻形成競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的理論[9]。

3.2 pH 值季節(jié)變化

從春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)，對(duì)2007—2017年清風(fēng)峽水體pH值季節(jié)變化特征進(jìn)行對(duì)比分析。由于清風(fēng)峽2007年pH值數(shù)據(jù)樣本缺失較多，為提高分析的準(zhǔn)確性，減小誤差，本文分析清風(fēng)峽pH值季節(jié)變化特征的時(shí)間范圍是2008—2017年（見圖2）。

清風(fēng)峽水體在2008-2017年春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)均呈堿性，pH>7。除 2015、2016年外，其pH從大到小順序是：春季（8.29）>冬季（8.25）>秋季（8.16）>夏季（8.14），即冬春季節(jié)高于夏秋季節(jié)，而且是春季pH值最大，夏季pH值最小。春季最大值8.59出現(xiàn)在2008年和2009年，最小值7.83出現(xiàn)在2014年；夏季最大值8.38出現(xiàn)在2009年，最小值7.91出現(xiàn)在2012年；秋季最大值8.5出現(xiàn)在2016年，最小值7.77出現(xiàn)在2013年；冬季最大值8.51出現(xiàn)在2009年，最小值7.63出現(xiàn)在2015年。各個(gè)季節(jié)pH值呈逐年下降趨勢(shì)，變化較穩(wěn)定，pH最低值>7，水體呈微堿性。

圖 2 2008-2017 年清風(fēng)峽 pH 值季節(jié)變化特征Fig. 2 Seasonal variation characteristics of pH value in the Qingfeng Gorge from 2008 to 2017

廣元清風(fēng)峽地處亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候區(qū)，夏秋季多雨，特別是夏季降水量大，而冬春少雨，特別是春季降水最少。同時(shí)夏秋季節(jié)大氣酸性物質(zhì)容易通過(guò)降酸雨的形式進(jìn)入到水體中，加重河流水體的酸化程度，所以夏秋季pH值明顯低于冬春季。這也說(shuō)明降水是引起該河段水體pH值變化非常顯著的因素。另外，夏秋季節(jié)農(nóng)業(yè)活動(dòng)頻繁，化肥的使用也可能會(huì)導(dǎo)致pH值的降低，表明人類活動(dòng)在一定程度上引起水體pH值的變化。當(dāng)然水體pH值的變化，對(duì)水生動(dòng)植物會(huì)產(chǎn)生重要影響，對(duì)下游居民生產(chǎn)生活也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的影響。

3.3 pH 值周變化

選取平均值、中位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等多個(gè)指標(biāo)，對(duì)清風(fēng)峽pH值周變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（見表2）,表中觀測(cè)數(shù)為該年pH值監(jiān)測(cè)周數(shù)。

表 2 清風(fēng)峽 2007—2017 年 pH 值周變化統(tǒng)計(jì)表Tab. 2 Statistical results of weekly pH variation in the Qingfeng Gorge from 2007 to 2017

通過(guò)“區(qū)域”指標(biāo)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)各年份pH值周變化幅度較小；2016年pH值周變化幅度最小，2013年pH值周變化幅度最大。由“峰度”和“偏度”指標(biāo)，可以看出，2009年和2017年峰度值>3，其余年份峰度值均<3，總體上看峰度值偏?。黄鹊慕^對(duì)值都<2，除2008年、2010年和2016年，其余年份偏度值均是負(fù)數(shù)；說(shuō)明pH值分布狀態(tài)平穩(wěn)，pH值周變化較穩(wěn)定。從“方差”和“標(biāo)準(zhǔn)差”指標(biāo)可以看出，方差最大值<0.3，標(biāo)準(zhǔn)差最大值<0.5，說(shuō)明了pH值的離散程度較小，pH值周變化平穩(wěn)。綜上所述，pH值周變化幅度較小、分布狀態(tài)平穩(wěn)，但個(gè)別年份出現(xiàn)小波峰情況、pH值離散程度較小，pH值周變化穩(wěn)定，極少出現(xiàn)劇烈變化的情況。

周變化平穩(wěn)，可能是由于時(shí)間跨度較小，短時(shí)間內(nèi)水體pH值受到自然環(huán)境變化、工農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響較小。雖然清風(fēng)峽pH值周變化幅度較小，變化平穩(wěn)；但可以看出其水體長(zhǎng)期處于堿性狀態(tài)。水體長(zhǎng)期弱堿性對(duì)水生生物將會(huì)產(chǎn)生顯著影響。

3.4 pH 值與 DO、CODMn、NH3-N 相關(guān)性分析

通過(guò)統(tǒng)計(jì) 2007—2017年 pH與 DO、CODMn、NH3-N的數(shù)據(jù)，對(duì)四者進(jìn)行了相關(guān)性矩陣分析，結(jié)果見表3所示。

表 3 相關(guān)性矩陣分析結(jié)果Tab. 3 Results of correlation matrix analysis

通過(guò)表3可以看出pH值與DO相關(guān)系數(shù)為?0.098、pH值與CODMn相關(guān)系數(shù)為?0.099、pH值與NH3-N相關(guān)系數(shù)為?0.077；另外從矩陣中還可以看出DO、CODMn、NH3-N這三者之間的相關(guān)性系數(shù)。相關(guān)系數(shù)取值范圍[?1,1]，絕對(duì)值趨近于1者表明相關(guān)性越大。僅NH3-N和CODMn之間呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著?？梢钥闯鰌H值與DO、CODMn、NH3-N之間的相關(guān)系數(shù)都為負(fù)數(shù)且其相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值<0.1，表明pH值與DO、CODMn、NH3-N三者均呈不顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

清風(fēng)峽水體pH值總體呈一定的下降趨勢(shì)，主要原因是區(qū)域大氣酸沉降造成水體酸性物質(zhì)濃度升高。對(duì)于防治酸性物質(zhì)的污染，可以適當(dāng)?shù)呐嘀哺∮沃参?，促使藻類繁殖茂盛，可以在一定程度上起到調(diào)節(jié)pH值的作用。清風(fēng)峽處于川—陜交界處，易受到酸雨的影響，為減少酸雨的影響，應(yīng)植樹造林保護(hù)環(huán)境；調(diào)整區(qū)域能源結(jié)構(gòu)，推廣使用清潔能源，從而減少酸性氣體的環(huán)境排放量。

4 結(jié)語(yǔ)

環(huán)境是人類生存發(fā)展的基本前提，清風(fēng)峽水環(huán)境的保護(hù)對(duì)廣元段嘉陵江流域長(zhǎng)期發(fā)展有著重要意義。本研究以嘉陵江廣元段清風(fēng)峽斷面水質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用文獻(xiàn)法、統(tǒng)計(jì)法對(duì)清風(fēng)峽2007—2017年河流水體pH值時(shí)間變化特征進(jìn)行了分析，并探討其變化的成因及影響。結(jié)果表明嘉陵江水體的PH值存在緩慢的逐年酸化，以及顯著的季節(jié)波動(dòng)趨勢(shì)，主要是大氣酸沉降、農(nóng)業(yè)面源污染和季節(jié)性降水等因素在一定程度上影響的結(jié)果。季節(jié)性降水是與當(dāng)?shù)卮髿夂蛳噙m應(yīng)的自然過(guò)程，而大氣酸沉降、農(nóng)業(yè)面源污染是人類活動(dòng)帶來(lái)的不利影響；應(yīng)當(dāng)減少大氣酸性物質(zhì)的排放，減少農(nóng)藥化肥的使用量加大農(nóng)業(yè)面源污染治理力度。影響河流水質(zhì)的因素很多，如何從大量的水質(zhì)影響因子中選擇合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)就十分重要，今后應(yīng)進(jìn)一步科學(xué)的確定影響水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵因子，進(jìn)而精確指導(dǎo)環(huán)境監(jiān)測(cè)和治理等相關(guān)工作。