潁河干流阜陽(yáng)段水質(zhì)時(shí)空變化特征及影響分析

應(yīng) 玉

(安徽省阜陽(yáng)水文水資源局，安徽 阜陽(yáng) 236000)

潁河位于淮河左岸，是淮河最大的支流，源于河南省嵩山，流經(jīng)豫、皖兩省，在安徽省潁上縣沫河口入淮，干流全長(zhǎng)620km，流域面積36651km2[1]，其中安徽省境內(nèi)208km，流域面積4010km2。安徽省境內(nèi)主要支流有萬(wàn)福溝、柳河、茨淮新河、濟(jì)河、泉河等，涉及界首、太和、阜陽(yáng)城區(qū)、潁上、臨泉等地。潁河安徽段人口稠密，工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，資源豐富，是安徽省重要的糧、棉、油生產(chǎn)基地，潁河水環(huán)境質(zhì)量狀況直接影響兩岸居民生活生產(chǎn)以及下游淮河水環(huán)境質(zhì)量。為此，本文選取潁河安徽河南省界至潁河入淮河段為典型性分析河段，探討分析2012—2021年潁河干流阜陽(yáng)段水質(zhì)時(shí)空變化特征，進(jìn)一步了解污染物的變化特征及來(lái)源，為區(qū)域水環(huán)境管理和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。潁河阜陽(yáng)段示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 潁河阜陽(yáng)段示意圖

1 研究方法和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究方法

1.1.1 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法[2]是評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量的重要方法之一。該方法將各項(xiàng)污染因子與選定的水質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度比值加和平均。依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，采用下式計(jì)算綜合污染指數(shù)：

(1)

(2)

式中：Ri為水質(zhì)因子i的污染指數(shù)；R為綜合污染指數(shù)；ρi為水質(zhì)因子i的實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度，mg/L；ρsi為水質(zhì)因子i的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度，mg/L；n為水質(zhì)因子個(gè)數(shù)。

1.1.2 季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)方法

季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)方法[3-5]是一種非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)法，將歷年相同月或相同季的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可避免季節(jié)性影響，且此檢驗(yàn)方法只考慮相對(duì)排列不考慮大小，可避免漏測(cè)、指標(biāo)數(shù)值未檢出等因素的影響。數(shù)據(jù)系列一般選取5～12年為宜，數(shù)據(jù)系列過(guò)長(zhǎng)會(huì)隱藏當(dāng)前趨勢(shì)，過(guò)短則不能準(zhǔn)確確定趨勢(shì)。

1.1.3 皮爾遜相關(guān)系數(shù)法

皮爾遜相關(guān)系數(shù)法[6-7]用于度量?jī)蓚€(gè)變量(X和Y)之間的線性相關(guān)程度，其值介于-1～1之間。當(dāng)二者分布在一條直線上時(shí)，皮爾遜相關(guān)系數(shù)等于1或-1；當(dāng)相關(guān)系數(shù)小于0時(shí)，稱為負(fù)相關(guān)，大于0時(shí)稱為正相關(guān)；兩個(gè)變量之間沒(méi)有線性關(guān)系時(shí)，皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0。相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為

(3)

一般情況下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可將相關(guān)程度分為：0.8<|ρ(X，Y)|≤1.0為極強(qiáng)相關(guān)；0.6<|ρ(X，Y)|≤0.8為強(qiáng)相關(guān)；0.4<|ρ(X，Y)|≤0.6為中等程度相關(guān)；0.2<|ρ(X，Y)|≤0.4為弱相關(guān)；0<|ρ(X，Y)|≤0.2為極弱相關(guān)或無(wú)相關(guān)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

水質(zhì)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于安徽省水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心阜陽(yáng)分中心，采用水質(zhì)代表性斷面界首界臨鄲大橋、阜陽(yáng)閘、潁上閘2012—2021年氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學(xué)需氧量(CODCr)、總磷(TP)重要參數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)；降水量、過(guò)境水量來(lái)源于2012—2020年《阜陽(yáng)市水資源公報(bào)》；社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于2012—2020年《阜陽(yáng)市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》。

2 結(jié)果與分析

2.1 空間變化特征

采用箱形圖方法分析潁河干流阜陽(yáng)段各斷面主要污染指標(biāo)NH3-N、CODMn、CODCr、TP的變化特征，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，各斷面NH3-N中位值差異明顯，變化幅度大，其中界首界臨鄲大橋斷面中位值和變化幅度均較大，數(shù)值變化高于其他兩個(gè)斷面；CODMn中位值差異較大，中位值排序依次為：界首界臨鄲大橋>阜陽(yáng)閘>潁上閘，變化幅度較接近；CODCr中位值差異較小，阜陽(yáng)閘斷面變化幅度最大；TP中位值接近，界首界臨鄲大橋斷面變化幅度最大。

圖2 潁河干流阜陽(yáng)段水質(zhì)指標(biāo)濃度變化情況

潁河干流阜陽(yáng)段各斷面綜合污染指數(shù)變化情況見(jiàn)圖3。由圖3可知，界首界臨鄲大橋斷面中位值和變化幅度最大，阜陽(yáng)閘斷面次之，潁上閘斷面最小。從空間上分析，上游界首界臨鄲大橋因其位于豫皖省界，上游河南來(lái)水由此進(jìn)入安徽境內(nèi)，綜合污染指數(shù)相對(duì)較高，年際變化幅度最大，仍是水污染的重點(diǎn)防治斷面。

圖3 潁河干流阜陽(yáng)段各斷面綜合污染指數(shù)變化情況

2.2 年內(nèi)變化特征

將潁河干流阜陽(yáng)段2012—2021年逐月水質(zhì)數(shù)據(jù)按汛期(5—9月)、非汛期(1—4月、10—12月)進(jìn)行劃分，采用箱形圖對(duì)潁河干流阜陽(yáng)段汛期與非汛期主要水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行年內(nèi)變化特征分析，見(jiàn)圖4。由圖4可知，NH3-N、CODMn、CODCr非汛期變化幅度均大于汛期，NH3-N非汛期中位值明顯高于汛期，以NH3-N 指標(biāo)評(píng)價(jià)水質(zhì)，汛期優(yōu)于非汛期；CODMn和CODCr汛期和非汛期中位值接近；TP汛期的中位值略高于非汛期，汛期與非汛期波動(dòng)幅度相近，以TP指標(biāo)評(píng)價(jià)水質(zhì)，非汛期優(yōu)于汛期。

圖4 潁河干流阜陽(yáng)段年內(nèi)水質(zhì)指標(biāo)濃度變化情況

對(duì)各斷面汛期、非汛期、全年期綜合污染指數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，不同水期綜合污染指數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，表明水質(zhì)情況總體向好。除2012年3個(gè)斷面、2014年阜陽(yáng)閘以及2015年阜陽(yáng)閘、潁上閘斷面綜合污染指數(shù)相近外，2013—2016年斷面汛期、非汛期綜合污染指數(shù)差異均較大，非汛期綜合污染指數(shù)大于汛期綜合污染指數(shù)，表明汛期水質(zhì)情況優(yōu)于非汛期。2017—2021年汛期、非汛期、全年期綜合污染指數(shù)差異均較小，界首界臨鄲大橋斷面非汛期綜合污染指數(shù)均大于汛期，潁上閘和阜陽(yáng)閘有個(gè)別年份汛期綜合污染指數(shù)大于非汛期，主要原因是受TP影響，河流的主要污染物從NH3-N、CODMn、CODCr逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)P，這與孔令鍵等[8]研究結(jié)果一致。

表1 監(jiān)測(cè)斷面不同水期綜合污染指數(shù)

2.3 年際變化特征

采用PWQTrend2010水質(zhì)分析軟件對(duì)潁河干流阜陽(yáng)段進(jìn)行季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)(無(wú)流量調(diào)節(jié))，對(duì)區(qū)域水質(zhì)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，界首界臨鄲大橋、阜陽(yáng)閘、潁上閘斷面NH3-N、CODMn、CODCr、TP均呈高度顯著下降趨勢(shì)，濃度中值均為Ⅲ類水限值以下，表明水質(zhì)綜合情況有顯著改善，其中NH3-N的下降幅度最大，TP次之，CODMn最小。

表2 潁河干流阜陽(yáng)段水質(zhì)變化趨勢(shì)分析結(jié)果

2.4 水質(zhì)變化影響因素分析

選取時(shí)間系列2012—2020年進(jìn)行影響因素分析，選擇降水量、過(guò)境水量2項(xiàng)自然因素，生產(chǎn)總值、糧食種植面積、常住人口、化肥施用量4項(xiàng)社會(huì)因素，采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)對(duì)潁河干流阜陽(yáng)段水質(zhì)指標(biāo)綜合污染指數(shù)與影響因素的相關(guān)性進(jìn)行分析。

2.4.1 自然因素影響

根據(jù)變化特征將潁河干流阜陽(yáng)段劃分為2012—2016年和2017—2020年2個(gè)時(shí)間段進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，2012—2016年，NH3-N、CODCr與降水量呈中等程度以上負(fù)相關(guān)，說(shuō)明降水量對(duì)水質(zhì)NH3-N、CODCr有改善作用，TP與降水量呈正強(qiáng)相關(guān)，說(shuō)明降水量會(huì)增加TP的污染；NH3-N、CODCr與過(guò)境水量呈中等程度以上正相關(guān)，說(shuō)明過(guò)境水量會(huì)加重NH3-N、CODCr污染，TP與過(guò)境水量呈中等程度負(fù)相關(guān)，說(shuō)明過(guò)境水量對(duì)TP起到改善作用。2017—2020年，降水量與CODMn、CODCr呈中等程度正相關(guān)，其他水質(zhì)指標(biāo)與降水量呈弱的正相關(guān)；過(guò)境水量與水質(zhì)指標(biāo)呈弱相關(guān)、極弱質(zhì)相關(guān)或無(wú)相關(guān)。

表3 潁河干流阜陽(yáng)段水質(zhì)指標(biāo)與降水量、過(guò)境水量的皮爾遜相關(guān)系數(shù)

綜上分析，2012—2016年潁河干流阜陽(yáng)段水體污染受點(diǎn)源和面源的綜合作用，2017—2020年受點(diǎn)源污染作用較小，面源污染相對(duì)較大。

2.4.2 經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展因素影響

對(duì)NH3-N、CODMn、CODCr、TP年濃度與4項(xiàng)社會(huì)因素進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，水質(zhì)指標(biāo)與生產(chǎn)總值、常住人口均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城鎮(zhèn)化發(fā)展并未以犧牲水環(huán)境為代價(jià)，這與張彩麗等[9]研究結(jié)果一致；糧食種植面積、化肥施用量與水質(zhì)指標(biāo)成呈相關(guān)關(guān)系，考慮農(nóng)田化肥流失導(dǎo)致水質(zhì)污染。

表4 潁河干流阜陽(yáng)段水質(zhì)指標(biāo)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)2012—2021年潁河干流界首界臨鄲大橋、阜陽(yáng)閘、潁上閘3個(gè)斷面水質(zhì)變化特征和影響因素進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)，NH3-N、CODMn、CODCr、TP濃度均呈高度顯著下降趨勢(shì)，表明潁河干流阜陽(yáng)段水質(zhì)顯著向好。從空間變化特征分析來(lái)看，上游界首界臨鄲大橋斷面與下游斷面相比，綜合污染指數(shù)相對(duì)較高，持續(xù)加強(qiáng)省界斷面的污染防控工作仍是今后污染防治的重點(diǎn)。由于水環(huán)境綜合治理、居民環(huán)保意識(shí)的提高，經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化的發(fā)展對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生了促進(jìn)作用，河流污染由點(diǎn)源和面源污染逐步轉(zhuǎn)化為面源污染，農(nóng)業(yè)面源污染控制成為改善潁河干流水環(huán)境質(zhì)量的重要任務(wù)。建議進(jìn)一步加大對(duì)區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)種植面源污染的管理力度，不斷推進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)推廣力度，降低面源污染對(duì)河流水質(zhì)的影響，為潁河干流阜陽(yáng)段的水質(zhì)提供安全保障。