新豐江新豐段水環(huán)境質(zhì)量時(shí)空分布特征及 變化趨勢(shì)分析

馮秋園，吳 劍

（1. 韶關(guān)市生態(tài)環(huán)境局 新豐分局，廣東 韶關(guān) 511100；2. 韶關(guān)市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站 新豐分站， 廣東 韶關(guān) 511100；3.廣東省韶關(guān)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，廣東 韶關(guān) 512026）

新豐江屬于東江水系，是東江發(fā)源地之一，起源于新豐縣云髻山，是新豐縣內(nèi)唯一干流，集雨面積為 1 096 km2，流量占新豐江水庫(kù)平均進(jìn)流量的1/4，是香港和廣東省部分地區(qū)的供水源，惠及人口達(dá)4 000多萬(wàn)，縣域內(nèi)新豐江水質(zhì)好壞將直接影響到新豐江水庫(kù)及東江下游供水安全［1-3］. 已有新豐江及其流域的相關(guān)研究只有生態(tài)安全和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量［4-5］、土地利用變化［6］及面源污染［2］、水網(wǎng)結(jié)構(gòu)［7］、氨氮磷污染狀況［1，3］等，對(duì)水環(huán)境質(zhì)量及污染源分析的研究較少. 為此，筆者對(duì)新豐江水環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空分布特征進(jìn)行研究并分析其原因，對(duì)制定科學(xué)的保護(hù)措施，保障下游供水安全具有重要意義.

1 材料和方法

1.1 分析區(qū)域及數(shù)據(jù)

在新豐江新豐段設(shè)置了4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分別為梅坑河（MKH）、水文站（SWZ）、譚石橋（TSQ）和馬頭福水（MT）斷面，其中馬頭福水?dāng)嗝媸巧仃P(guān)市與河源市東江流域跨市交界水域水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，也是國(guó)家考核斷面. 筆者對(duì)上述4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面從2016年至2021年的氨氮（NH4）、總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸鉀指數(shù)（CODMn）月度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

1.2 統(tǒng)計(jì)分析

由于不確定樣本數(shù)據(jù)的分布，采用非參數(shù)K-W（Kruskal-Wallis）檢驗(yàn)對(duì)不同監(jiān)測(cè)斷面干、濕季的有關(guān)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行方差分析，判斷其是否存在顯著差異［8］. 采用貝葉斯方差分析模型（Bayesian ANOVA）分析空間位置差異、年內(nèi)變化、年際變化對(duì)水質(zhì)變化的影響大?。?］. 通過(guò)時(shí)間序列分解算法（STL）對(duì)MT斷面主要水質(zhì)指標(biāo)長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，剖析其變化趨勢(shì)和周期性變化規(guī)律［10］.

2 結(jié)果與討論

2.1 水環(huán)境空間分布特征

對(duì)不同監(jiān)測(cè)斷面的主要水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行K-W檢驗(yàn)分析，結(jié)果如圖1~圖4所示. 可見(jiàn)，對(duì)于NH4，其多年平均質(zhì)量濃度在0.13~0.49 mg·L-1之間；上游（MKH斷面）和中游（SWZ、TSQ斷面）之間、中游和下游（MT斷面）之間均存在顯著性差異，中游（0.35 mg·L-1左右）顯著高于上游（0.25 mg·L-1）和下游（0.25 mg·L-1）. 對(duì)于TN，其多年平均質(zhì)量濃度在0.48~0.73 mg·L-1之間；上游（0.48 mg·L-1）與中游 （0.70 mg·L-1左右）、下游（0.68 mg·L-1）之間均存在顯著性差異，中游與下游之間不存在顯著性差異，上游的質(zhì)量濃度最低，其次是下游，中游質(zhì)量濃度最高. 對(duì)于TP，其多年平均質(zhì)量濃度在0.05~0.08 mg·L-1之間；上、中、下游之間均存在顯著性差異，其中上游最低（0.05 mg·L-1），其次是下游 （0.06 mg·L-1），中游兩個(gè)斷面的質(zhì)量濃度最高，約為0.075 mg·L-1. 對(duì)于CODMn，其多年平均質(zhì)量濃度在1.32~2.23 mg·L-1之間；與TP的空間分布類(lèi)似，上、中、下游之間均存在顯著性差異，且上游最低（1.32 mg·L-1），其次是下游（1.77 mg·L-1），中游兩個(gè)斷面的質(zhì)量濃度最高，約為2.15 mg·L-1.

圖1 氨氮（NH4）的空間分布特征

圖4 高錳酸鉀指數(shù)（CODMn）的空間分布特征

綜上，新豐江水質(zhì)指標(biāo)總體上呈現(xiàn)出上游優(yōu)于下游，下游優(yōu)于中游的趨勢(shì)，但是TN質(zhì)量濃度從上游到下游呈略升高趨勢(shì). 分析其原因，新豐江從上游到中游之間穿過(guò)新豐縣城，縣城常住人口占全縣總常住人口一半以上，人口聚集［11］，雖然新豐縣新建了縣城第二污水處理廠，并持續(xù)按照雨污分流模式對(duì)縣城污水管網(wǎng)進(jìn)行了全面改造，生活污水收集有改善，但由于歷史欠賬較多，收集率仍然不高，因此導(dǎo)致經(jīng)過(guò)縣城后水體污染物濃度有所升高；中游到下游階段，由于新豐縣嚴(yán)格落實(shí)廣東省及韶關(guān)市“三線一單”生態(tài)環(huán)境分區(qū)管控方案，嚴(yán)格控制水污染項(xiàng)目建設(shè)，新建、改建、擴(kuò)建涉水建設(shè)項(xiàng)目實(shí)行主要污染物和特征污染物排放減量替代［12-13］，同時(shí)由于推進(jìn)土地流轉(zhuǎn)和發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，推廣綠色防控害蟲(chóng)技術(shù)等，大幅度降低了面源污染的強(qiáng)度，因此在污染源得到控制的情況下，河流發(fā)揮自凈作用，加之層坑河、姜坑河等水質(zhì)較好的支流匯入所產(chǎn)生的稀釋作用，使得下游污染物濃度有所下降.

圖2 總氮（TN）的空間分布特征

圖3 總磷（TP）的空間分布特征

2.2 水環(huán)境時(shí)間分布特征

根據(jù)有關(guān)研究，將新豐江流域每年的4—9月定義為濕季、1—3月和10—12月定義為干季［3］.為了分析不同季節(jié)，尤其是干、濕季不同降雨、溫度條件對(duì)新豐江水質(zhì)的影響，對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面干、濕季的主要水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了K-W檢驗(yàn)，結(jié)果如圖5~圖8所示. 可見(jiàn)，除了TSQ斷面的NH4和TN指標(biāo)之外，其它各個(gè)斷面干、濕季節(jié)的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均無(wú)顯著性差異，說(shuō)明降雨、溫度等外部氣候因素對(duì)新豐江水質(zhì)的影響不顯著. 新豐江水質(zhì)保障和提升的關(guān)鍵點(diǎn)仍舊在于源頭污染源的控制和削減.

圖5 氨氮（NH4）的季節(jié)分布特征

圖6 總氮（TN）的季節(jié)分布特征

圖7 總磷（TP）的季節(jié)分布特征

圖8 CODMn的季節(jié)分布特征

2.3 各水質(zhì)指標(biāo)影響因素分析

通過(guò)貝葉斯方差分析得到空間位置、年際變化、年內(nèi)變化對(duì)新豐江新豐段水質(zhì)指標(biāo)影響的結(jié)果如圖9.可見(jiàn)，對(duì)于NH4，受空間位置的影響最大，其次是年內(nèi)各月變化，而年際變化的影響最小，即在2016—2021年各年之間，NH4相對(duì)穩(wěn)定. 對(duì)于TN，受年際變化影響最大，其次是空間位置，而年內(nèi)各月變化影響很小，說(shuō)明2016—2021年各年之間，TN排放變化顯著，但年內(nèi)各月影響很小. 對(duì)于TP和CODMn，都是受空間位置影響最大，年際和年內(nèi)各月變化都不顯著，推測(cè)TP和CODMn主要受空間上不同污染源排放的影響.

圖9 各水質(zhì)指標(biāo)的影響因素的方差分析圖

2.4 水質(zhì)變化趨勢(shì)及規(guī)律

為分析水環(huán)境質(zhì)量在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)和規(guī)律，采用STL分析MT斷面的各類(lèi)水質(zhì)指標(biāo)，得到的結(jié)果如圖10~圖13所示. 從長(zhǎng)期變化趨勢(shì)來(lái)看，對(duì)于NH4，在2019年之前保持穩(wěn)定，2019—2020年呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，2021年后又不斷下降. 對(duì)于TN，存在一個(gè)明顯的逐年增加趨勢(shì). 推測(cè)這與為了保生豬供應(yīng)，生豬養(yǎng)殖規(guī)?；嘏B(yǎng)戶增加有關(guān). 對(duì)于TP，在2018年有一個(gè)峰值，之后呈顯著下降趨勢(shì). 對(duì)于CODMn，呈穩(wěn)中略升趨勢(shì). 通過(guò)季節(jié)性變化分析可以明顯看出NH4、TN、TP、CODMn均存在顯著的周期約12個(gè)月的循環(huán)變化，其中NH4、TN、TP濃度在濕季較低，干季偏高，而CODMn則在濕季較高，干季相對(duì)較低.

圖10 馬頭福水?dāng)嗝鍺H4的變化趨勢(shì)及規(guī)律

圖11 馬頭福水?dāng)嗝鎀N的變化趨勢(shì)及規(guī)律

圖12 馬頭福水?dāng)嗝鎀P的變化趨勢(shì)及規(guī)律

圖13 馬頭福水?dāng)嗝鍯ODMn的變化趨勢(shì)及規(guī)律

3 結(jié)論與展望

由以上分析可以看出新豐江的水環(huán)境質(zhì)量總體是處于穩(wěn)定優(yōu)良狀態(tài)，TP甚至有明顯的下降趨勢(shì)，但是同時(shí)NH4在近幾年略有波動(dòng)，TN呈上升趨勢(shì). 上游的水質(zhì)總體上要好于中、下游，各類(lèi)污染物濃度在經(jīng)過(guò)縣城區(qū)域后都顯著升高，鑒于縣城區(qū)域無(wú)直接污水外排企業(yè)，推斷縣城生活污水是導(dǎo)致主要污染物濃度升高的主要原因，這與2021年環(huán)境統(tǒng)計(jì)的新豐江水質(zhì)污染物主要源自于生活源的結(jié)果相符，在中游至下游段，一方面由于污染源相對(duì)較少，另一方面由于層坑河、姜坑河等水質(zhì)更好的支流匯入，在水體自凈和稀釋的綜合作用下，各項(xiàng)污染物濃度有所下降. 不同季節(jié)的溫度、降雨等客觀因素雖不會(huì)對(duì)新豐江水質(zhì)產(chǎn)生顯著影響，但是在一定程度上仍會(huì)導(dǎo)致各類(lèi)水質(zhì)指標(biāo)有周期性變化. 對(duì)于TN，排放源的年際變化對(duì)濃度變化影響最大，對(duì)于其他水質(zhì)指標(biāo)，不同空間位置的排放源是影響其濃度的最主要因素.

對(duì)新豐江水環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空分布特征及變化趨勢(shì)進(jìn)行分析對(duì)于了解新豐江水環(huán)境安全及進(jìn)行有效的水生態(tài)環(huán)境監(jiān)管和治理具有十分重要的意義. 通過(guò)與之前的研究對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，新豐江水環(huán)境質(zhì)量與10多年前相比有了極大的改善，新豐江干流段的水質(zhì)都可以穩(wěn)定達(dá)到II類(lèi)水平，且TP呈下降趨勢(shì). 但是氮，尤其是TN仍舊較高，而且存在不斷上升的風(fēng)險(xiǎn)，水質(zhì)仍受居民聚集區(qū)生活污水排放的影響較大，且受到降雨等因素的影響. 但由于缺乏充足的數(shù)據(jù)支撐，目前還無(wú)法對(duì)工業(yè)污染源、生活污染源、農(nóng)業(yè)面源污染、畜禽養(yǎng)殖污染的貢獻(xiàn)比作出精準(zhǔn)定量的分析. 已有研究表明，雖然歷來(lái)新豐江水庫(kù)大部分水質(zhì)指標(biāo)都保持在I類(lèi)，處于貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，但近年來(lái)TN已接近甚至超過(guò)II類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，且NH4和TN呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，新豐江水庫(kù)從20世紀(jì)末的“低氮高磷”變?yōu)楫?dāng)前的“高氮低磷”狀態(tài)，這一變化趨勢(shì)與新豐江的主要水質(zhì)指標(biāo)的變化趨勢(shì)一致［14］，即氮污染風(fēng)險(xiǎn)有所增加. 新豐江水庫(kù)為深水水庫(kù)，水力停留時(shí)間長(zhǎng)（2年左右），污染物一旦進(jìn)入水體后不易排出，且地處亞熱帶，水溫較高，氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽一旦升高，存在極高的富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)，且部分支流污染形勢(shì)嚴(yán)峻［14］. 因此，在下一步的研究中，全面摸清新豐江流域，甚至包括整個(gè)新豐江庫(kù)區(qū)的各類(lèi)污染源貢獻(xiàn)量，完善全流域從陸地-河流-湖庫(kù)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，深入開(kāi)展不同氣候、降雨、土地利用等外界條件下的污染源-河流-湖庫(kù)水質(zhì)、水生態(tài)變化研究，構(gòu)建科學(xué)的響應(yīng)-預(yù)警-管理體系，對(duì)于有的放矢地對(duì)新豐江流域及新豐江水庫(kù)進(jìn)行精細(xì)化、網(wǎng)格化、科學(xué)化管控，制定有效的污染治理、生態(tài)修復(fù)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警措施具有重要意義.