湘江流域永州段水質(zhì)變化趨勢(shì)及突變分析

武 力，劉慧瑩，向 超，陳 喆，王敦球

（1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.湖南省永州水文水資源勘測(cè)局，湖南 永州 425000；3.永州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)環(huán)境保護(hù)局，湖南 永州 425000）

2018 年《中國(guó)環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》[1]顯示：中國(guó)七大流域（長(zhǎng)江、黃河、珠江、淮河、海河、遼河和松花江）的監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)處于IV 類及以下的仍有25.8%，其中長(zhǎng)江流域Ⅳ類及以下水質(zhì)斷面占總數(shù)量的12.6%，總體情況依然不容樂(lè)觀。

湘江是長(zhǎng)江流域洞庭湖水系中水資源總量與開(kāi)發(fā)利用率最大的流域，近年來(lái)，因水污染負(fù)荷加大，湘江干、支流總體水環(huán)境質(zhì)量下行壓力增加，2016 年湘江流域42 個(gè)干、支流監(jiān)測(cè)斷面中月均有2.6 個(gè)斷面達(dá)到IV 類或劣V 類標(biāo)準(zhǔn)[2]。湘江水環(huán)境保護(hù)成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)，尤其是對(duì)湘江中、下游如株洲、湘潭等地水質(zhì)的研究報(bào)道較為頻繁[3]，而對(duì)湘江上游（永州段）水質(zhì)的研究報(bào)道較少。

水質(zhì)評(píng)價(jià)可以準(zhǔn)確反映水環(huán)境質(zhì)量狀況，不同時(shí)間段的水質(zhì)變化以及不同區(qū)域的水質(zhì)變化可以反映流域水環(huán)境的發(fā)展變化，并為預(yù)測(cè)流域水質(zhì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)提供依據(jù)。目前，用于水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法主要有單因子評(píng)價(jià)法、綜合污染指數(shù)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色聚類法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等。例如：許?，q[4]運(yùn)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展了眉湖水質(zhì)評(píng)價(jià)；安宇翔[5]論述了灰色聚類法在水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用；周林虎[6]利用灰色聚類法評(píng)價(jià)了太子河的水環(huán)境質(zhì)量；潘俊等[7]利用模糊評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)了溪泉湖3 條河流的水質(zhì)；付敏明[8]利用模糊評(píng)價(jià)法分析了淮北市3 條主要河流的水質(zhì)情況。

目前，用于水質(zhì)變化趨勢(shì)的研究方法主要有季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)法、spearma 秩相關(guān)分析法、時(shí)間序列分析法、滑動(dòng)T 檢驗(yàn)法等，這些方法側(cè)重各不相同。spearman 秩相關(guān)分析法適于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較少、影響因素單一的相關(guān)檢驗(yàn)。劉秀花等[9]利用spearman 秩相關(guān)分析法，研究了漢江丹江口水庫(kù)水質(zhì)變化趨勢(shì)；楊盼等[10]采用spearman 秩相關(guān)系數(shù)法探究了長(zhǎng)江干流氮、磷濃度的年際變化趨勢(shì)和年內(nèi)變化規(guī)律。季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)法主要適用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈非正態(tài)分布特征的趨勢(shì)分析。房鑫[11]基于季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)原理，利用PWQTrend 水質(zhì)分析軟件，對(duì)渾河干流撫順段3 個(gè)主要監(jiān)測(cè)斷面的主要污染因子進(jìn)行了水質(zhì)變化趨勢(shì)研究；彭珂等[12]以湘江長(zhǎng)沙段三汊磯斷面2001—2011年水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果為樣本，運(yùn)用季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)分析湘江長(zhǎng)沙段水質(zhì)變化趨勢(shì)及影響因素；祝賓紅[13]采用肯達(dá)爾檢驗(yàn)法對(duì)雅魯藏布江干流主要污染因子的演變趨勢(shì)進(jìn)行了分析研究。姜巖等[14]利用時(shí)間序列分析法研究了洞庭湖水質(zhì)變化趨勢(shì)；王臻[15]通過(guò)時(shí)間序列分析法研究了三沙灣水質(zhì)的變化趨勢(shì)。滑動(dòng)T 檢驗(yàn)法是通過(guò)考察2 組樣本均值的差異是否顯著來(lái)檢驗(yàn)突變，可以發(fā)現(xiàn)趨勢(shì)改變的突變點(diǎn)，常常被應(yīng)用于長(zhǎng)時(shí)間序列的水文序列突變研究[16]。

筆者利用spearman 秩相關(guān)分析法研究了湘江上游永州段水質(zhì)的變化趨勢(shì)，再通過(guò)滑動(dòng)T 檢驗(yàn)法進(jìn)行突變分析，識(shí)別了區(qū)域的污染因子、污染源、突變時(shí)間及前后變化量，以期全面掌握湘江永州流域的水資源保護(hù)狀況及發(fā)展趨勢(shì)，為推動(dòng)湘江保護(hù)與治理提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

湘江發(fā)源于湖南省藍(lán)山縣紫良瑤族鄉(xiāng)，向北流經(jīng)江華、道縣、雙牌等地，至永州市萍島納湘江西源（原來(lái)的湘江干流），至常寧市茭河口納舂陵水，至衡陽(yáng)市納蒸水和耒水，至衡山縣納洣水，至株洲縣淥口鎮(zhèn)納淥水，至湘潭納漣水，至長(zhǎng)沙市區(qū)納瀏陽(yáng)河、撈刀河、溈水，至湘陰縣城西鎮(zhèn)浩河口村分東、西兩支匯入洞庭湖，流域面積94 816 km2（其中湖南省內(nèi)面積85 383 km2、湖南省外面積9 433 km2），全長(zhǎng)948 km，平均坡降0.189‰，是洞庭湖水系中流域面積最大的河流。流域內(nèi)降水量豐沛，但時(shí)空分布不均，主要集中在春夏2 季，湘江年最高水位大多出現(xiàn)于4 至7 月，年最低水位一般出現(xiàn)在12 月至次年1 月。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

選取由湖南省河湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心永州分中心提供的湘江永州流域較有代表性的道縣、祁陽(yáng)、冷水灘、老埠頭、淥埠頭、南津渡和雙牌7 個(gè)斷面（圖1）2007—2019 年逐月的高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、氨氮（NH3-N）和總磷（TP）3 項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，以“GB 3838—2002，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 湘江永州段水質(zhì)斷面示意圖

1.3 研究方法

利用spearman 秩相關(guān)分析法研究水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀以及水質(zhì)變化趨勢(shì)，再通過(guò)滑動(dòng)T 檢驗(yàn)法進(jìn)行突變分析，得到了水質(zhì)突變時(shí)間和跳躍量。

1.3.1 spearman 秩相關(guān)分析法 秩相關(guān)分析法又稱等級(jí)相關(guān)系數(shù)法，是衡量時(shí)間序列變化趨勢(shì)在統(tǒng)計(jì)上有無(wú)顯著性的常用方法，在污染物濃度變化趨勢(shì)研究中得到大量應(yīng)用[17-20]。用于檢驗(yàn)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)序列與其響應(yīng)時(shí)間序列間的相關(guān)性，從而判斷水質(zhì)序列在時(shí)間序列上是否存在趨勢(shì)變化，計(jì)算公式見(jiàn)公式（1）、（2）。將秩相關(guān)系數(shù)rs的絕對(duì)值同spearman 秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表中的臨界值Wp進(jìn)行比較，如果|rs|＞|Wp|，則表明變化趨勢(shì)有顯著意義。

式中，di為變量Xi與Yi的差值；Xi為周期i到周期N按濃度值從小到大排列的序號(hào)；Yi為按時(shí)間排列的序號(hào)；N為年份。

1.3.2 滑動(dòng)T 檢驗(yàn)法 滑動(dòng)T 檢驗(yàn)法通過(guò)考察2 組樣本均值的差異是否顯著來(lái)檢驗(yàn)突變。基本思想是把一連續(xù)的時(shí)間序列分成2 個(gè)子序列，將2 個(gè)子序列均值有無(wú)顯著差異看作來(lái)自2 個(gè)總體的均值有無(wú)顯著差異的問(wèn)題來(lái)檢驗(yàn)，若2 個(gè)子序列的均值差異超過(guò)一定的顯著水平，則認(rèn)為均值發(fā)生了顯著變化，有突變發(fā)生。

對(duì)于樣本量為n的時(shí)間序列x，人為設(shè)置某一時(shí)刻為基準(zhǔn)點(diǎn)，將連續(xù)的隨機(jī)變量分為2 個(gè)子序列x1和x2，其樣本量分別為n1和n2（實(shí)際操作中，一般取n1=n2），均 值 分 別 為和，方 差 分 別為s和s22。如公式（3）構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量C。公式（3）遵從自由度為n1+n2-2 的 t 分布。滑動(dòng)的連續(xù)計(jì)算可得到統(tǒng)計(jì)序列ti，i= 1，2，…，n-（n1+n2）+1。給定顯著水平α（一般取 0.05 或 0.01），查t分布表得到其臨界值tα，若|ti|＜tα，則認(rèn)為2 子序列的均值無(wú)顯著差異；反之，認(rèn)為該時(shí)間序列在基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)刻出現(xiàn)突變。

2 結(jié)果與分析

2.1 湘江流域永州段CODMn、NH3-N 和TP濃度變化趨勢(shì)及水質(zhì)評(píng)價(jià)

2.1.1 CODMn濃度變化趨勢(shì)及水質(zhì)評(píng)價(jià) 由圖2 可知，道縣站、南津渡站、老埠頭站、冷水灘站、淥埠頭站的CODMn濃度介于0.4～3.7 mg/L 之間，穩(wěn)定達(dá)到“GB 3838—2002，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”（國(guó)標(biāo)）中的II 類標(biāo)準(zhǔn)限值（4 mg/L），雙牌、祁陽(yáng)站CODMn濃度介于0.5～4.3 mg/L，穩(wěn)定達(dá)到國(guó)標(biāo)中的III 類標(biāo)準(zhǔn)限值（6 mg/L），CODMn濃度的最高峰一般出現(xiàn)在9—11 月，最高值達(dá)到4.3 mg/L，9—11 月CODMn濃度偏高的主要原因是枯水期水量驟減導(dǎo)致CODMn濃度升高，道縣站、雙牌站、南津渡站、老埠頭站、冷水灘站、淥埠頭站的CODMn平均濃度介于1.3～1.4 mg/L 之間，祁陽(yáng)站的CODMn平均濃度為1.7 mg/L，上游站點(diǎn)的CODMn平均濃度小于下游站點(diǎn)，表明上游水質(zhì)較好。

圖2 湘江流域永州段各斷面CODMn 濃度變化趨勢(shì)

2.1.2 NH3-N 濃度變化趨勢(shì)及水質(zhì)評(píng)價(jià) 由圖3 可知，7 個(gè)站點(diǎn)的NH3-N 濃度介于0.025～0.799 mg/L 之間，穩(wěn)定達(dá)到國(guó)標(biāo)中的III 類標(biāo)準(zhǔn)限值（1.0 mg/L）；NH3-N濃度的最高峰一般出現(xiàn)在2—4 月和12 月，最高值達(dá)到0.799 mg/L，2—4 月NH3-N 濃度偏高的主要原因是2—4 月是該地水稻種植的播種期，大量氮元素因淋洗而流進(jìn)河道。12 月主要是枯水期水量驟減導(dǎo)致NH3-N濃度升高。道縣站、雙牌站、南津渡站的NH3-N 平均濃度介于0.151～0.160 mg/L，老埠頭站、冷水灘站、淥埠頭站的NH3-N 平均濃度介于0.184～0.190 mg/L，祁陽(yáng)站的的NH3-N 平均濃度0.237 mg/L，上游站點(diǎn)的NH3-N 平均濃度低于下游站點(diǎn)，即上游水質(zhì)較好。

圖3 湘江流域永州段各斷面NH3-N 濃度變化趨勢(shì)

2.1.3 TP 濃度變化趨勢(shì)及水質(zhì)評(píng)價(jià) 由圖4 可知，南津渡站、冷水灘站、雙牌站、淥埠頭站的TP 濃度介于0.005～0.280 mg/L，穩(wěn)定達(dá)到國(guó)標(biāo)中的IV 類標(biāo)準(zhǔn)限值（0.3 mg/L），道縣站、老埠頭、祁陽(yáng)站TP 濃度介于0.005～0.160 mg/L，穩(wěn)定達(dá)到國(guó)標(biāo)中的III 類標(biāo)準(zhǔn)限值（0.2 mg/L）；TP 濃度最高峰一般出現(xiàn)在7—8 月和11 月，最高值達(dá)到0.280 mg/L，7—8 月TP 濃度偏高的主要原因是汛期降雨量大，將大量污染物帶入河道導(dǎo)致污染物濃度升高，11 月主要是枯水期水量驟減導(dǎo)致污染物濃度升高；南津渡站、道縣站、雙牌站、老埠頭站、淥埠頭站的TP 平均濃度分別為0.03 mg/L，冷水灘站、祁陽(yáng)站的TP 平均濃度分別為0.04 mg/L；上游的站點(diǎn)TP 平均濃度低于下游站點(diǎn)，主要原因是冷水灘區(qū)和祁陽(yáng)縣是永州市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相對(duì)較快的區(qū)域，自然環(huán)境受到人為干擾顯著。

圖4 湘江流域永州段各斷面TP 濃度變化趨勢(shì)

2.2 湘江流域永州段高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷濃度變化趨勢(shì)檢驗(yàn)及突變分析

2.2.1 高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷濃度變化趨勢(shì) 由表1 可知，祁陽(yáng)站CODMn濃度和NH3-N 濃度呈下降趨勢(shì)，TP 濃度呈上升趨勢(shì)，其中NH3-N 濃度變化趨勢(shì)不顯著，而CODMn濃度和TP 濃度變化趨勢(shì)顯著，磷是關(guān)鍵污染物；祁陽(yáng)站斷面位于縣級(jí)城區(qū)斷面，其TP 濃度顯著上升的同時(shí)，NH3-N 濃度呈下降趨勢(shì)，可推斷其主要污染源是生活污水（主要是含磷量較高的洗滌廢水）；其他6 個(gè)站點(diǎn)的NH3-N 濃度和TP 濃度水質(zhì)呈顯著上升趨勢(shì)，CODMn濃度呈顯著下降趨勢(shì)，以氮、磷為關(guān)鍵污染物。環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，農(nóng)業(yè)源和生活源是永州市氮、磷污染的主要來(lái)源。老埠頭站和淥埠頭站均不在城區(qū)范圍內(nèi)，周邊區(qū)域無(wú)城鎮(zhèn)污染源分布，表明老埠頭站、淥埠頭站非點(diǎn)源氮、磷污染控制不到位，主要污染源來(lái)自農(nóng)業(yè)面源污染；南津渡站、雙牌站、冷水灘站、道縣站和祁陽(yáng)站分布在城區(qū)，氮、磷污染控制不到位，主要污染源為生活源。7 個(gè)站點(diǎn)的CODMn濃度均呈顯著下降趨勢(shì)，表明CODMn的污染控制比較到位，流域各站點(diǎn)水質(zhì)的CODMn濃度均得到有效控制。

表1 湘江流域永州段各斷面CODMn、NH3-N 和TP 濃度月變化趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)

2.2.2 永州段各斷面CODMn、NH3-N 和TP 濃度突變分析 由表2 可知，所有站點(diǎn)污染物濃度的突變跳躍年份均集中在2009—2012 年，正值“十一五”到“十二五”的過(guò)渡時(shí)期，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高度發(fā)展，農(nóng)業(yè)、工業(yè)規(guī)模不斷增大，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定影響；突變跳躍月份集中在11 月至次年4 月，即污染物濃度的突變均出現(xiàn)在枯水期，主要是因?yàn)榭菟谒髁枯^小導(dǎo)致氨氮和總磷濃度偏高，加上冬季河底生物的腐爛分解，將有機(jī)氮、磷還原成無(wú)機(jī)氮、磷釋放回水中[21]，因此每年3—4 月污染物濃度達(dá)到高峰。

表2 湘江流域永州段各斷面CODMn、NH3-N 和TP 濃度突變分析 （mg/L）

各站點(diǎn)的CODMn濃度跳躍年份均出現(xiàn)在2011 年1—2 月，CODMn濃度的最大跳躍量為0.72 mg/L，發(fā)生在冷水灘站；NH3-N 濃度的最大跳躍量出現(xiàn)在祁陽(yáng)站，時(shí)間為2009 年3 月，跳躍前均值為0.33 mg/L，跳躍后均值為0.23 mg/L，跳躍量為0.10 mg/L，2009年以來(lái)，祁陽(yáng)中心城區(qū)污水收集與處理率逐步提升，NH3-N 得到有效治理，經(jīng)過(guò)處理后轉(zhuǎn)化為NO3--N；TP濃度的最大跳躍量出現(xiàn)在道縣站，時(shí)間為2011 年2月，跳躍前均值為0.01 mg/L，跳躍后均值為0.04 mg/L，跳躍量為0.03 mg/L；從3 種污染物的跳躍量來(lái)看，各站點(diǎn)TP 濃度跳躍量＜NH3-N 濃度跳躍量＜CODMn濃度跳躍量。

3 結(jié) 論

數(shù)據(jù)顯示，2007—2019 年，雙牌站、祁陽(yáng)站的CODMn濃度達(dá)到“GB 3838—2002，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”（國(guó)標(biāo)）中的III 類及以上標(biāo)準(zhǔn)限值，道縣站、南津渡站、老埠頭站、冷水灘站、淥埠頭站的CODMn濃度穩(wěn)定達(dá)到國(guó)標(biāo)II 類標(biāo)準(zhǔn)限值；7 個(gè)站點(diǎn)的NH3-N濃度穩(wěn)定達(dá)到國(guó)標(biāo)III 類標(biāo)準(zhǔn)限值；南津渡站、冷水灘站、雙牌站、淥埠頭站的TP 濃度達(dá)到國(guó)標(biāo)IV 類及以上標(biāo)準(zhǔn)限值，道縣站、老埠頭站、祁陽(yáng)站的TP 濃度穩(wěn)定達(dá)到國(guó)標(biāo)III 類及以上標(biāo)準(zhǔn)限值；上游的站點(diǎn)CODMn、NH3-N、TP 平均濃度均低于下游站點(diǎn)。

研究的7 個(gè)站點(diǎn)CODMn濃度均呈下降趨勢(shì)，且趨勢(shì)顯著。除祁陽(yáng)外，其他6 個(gè)站點(diǎn)的NH3-N、TP濃度均呈顯著上升趨勢(shì)，氨氮、總磷是該地區(qū)的關(guān)鍵污染物，首要污染源為農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染，其次是生活源污染。

各站點(diǎn)污染物濃度的突變跳躍年份均集中在2009—2012 年，TP 和NH3-N 濃度呈顯著上升趨勢(shì)，突變跳躍月份集中在11 月至次年4 月，即污染物濃度的突變均出現(xiàn)在枯水期；CODMn濃度的最大跳躍出現(xiàn)在2011 年1 月的冷水灘站，其跳躍量為0.72 mg/L；NH3-N 濃度最大跳躍出現(xiàn)在2009 年3 月的祁陽(yáng)站，其跳躍量為0.10 mg/L；TP 濃度最大跳躍出現(xiàn)在2011 年2 月的道縣站，其跳躍量為0.03 mg/L；各站點(diǎn)TP 濃度跳躍量＜NH3-N 濃度跳躍量＜CODMn濃度跳躍量。