基于不同綜合水質(zhì)評價(jià)方法的長江流域水質(zhì)時(shí)空差異性對比分析

王飛宇，李肖楊，賈軍偉，左凌峰，于雪靜，張 彥

(1.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；3.鄭州大學(xué) 水利與交通學(xué)院，鄭州 450001；4.中電建華東勘測設(shè)計(jì)研究院（鄭州）有限公司，鄭州 450000；5.江蘇省水文水資源勘測局南通分局，江蘇 南通 226006）

基于不同綜合水質(zhì)評價(jià)方法的長江流域水質(zhì)時(shí)空差異性對比分析

王飛宇1，李肖楊1，賈軍偉4，左凌峰1，于雪靜5，張 彥2,3*

(1.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；3.鄭州大學(xué) 水利與交通學(xué)院，鄭州 450001；4.中電建華東勘測設(shè)計(jì)研究院（鄭州）有限公司，鄭州 450000；5.江蘇省水文水資源勘測局南通分局，江蘇 南通 226006）

【目的】探究不同綜合水質(zhì)評價(jià)方法在長江流域水質(zhì)評價(jià)的運(yùn)用，并進(jìn)一步分析長江流域干流及主要支流水質(zhì)變化特征及時(shí)空差異性。【方法】基于長江流域16 個代表性監(jiān)測斷面2008—2018 年的水質(zhì)數(shù)據(jù)，利用水質(zhì)綜合指數(shù)法、水污染指數(shù)法和綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對長江干流及其主要支流的流域水質(zhì)狀況進(jìn)行綜合評價(jià)，并采用M-K趨勢檢驗(yàn)、聚類分析和判別分析對流域水質(zhì)的時(shí)空分布特征開展研究。【結(jié)果】在汛期和非汛期，樂山岷江大橋監(jiān)測斷面DO 質(zhì)量濃度最小分別為2.86 mg/L 和3.16 mg/L，南昌滁槎斷面CODMn和NH3-N 質(zhì)量濃度最大分別為10.00 mg/L 和6.45 mg/L、2.23 mg/L 和4.48 mg/L；非汛期時(shí)南昌滁槎斷面采用水污染指數(shù)法評價(jià)，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)IV 類及以上監(jiān)測次數(shù)的占比最大為31.82%，樂山岷江大橋斷面采用水質(zhì)綜合指數(shù)法評價(jià)，處于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)IV 類及以上監(jiān)測次數(shù)的占比最大為19.70%；水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的良好程度為綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法＞水質(zhì)綜合指數(shù)法＞水污染指數(shù)法；樂山岷江大橋、長沙新港和南昌滁槎等斷面水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的變化趨勢最為顯著且趨于好轉(zhuǎn)；水質(zhì)評價(jià)結(jié)果在空間上具有一定的差異性，樂山岷江大橋、長沙新港和南昌滁槎等斷面的水質(zhì)評價(jià)結(jié)果相對較差，岷江、湘江和贛江相較于長江其他河流的水質(zhì)狀況略差?！窘Y(jié)論】不同綜合水質(zhì)評價(jià)方法對長江流域主要監(jiān)測斷面水質(zhì)的評價(jià)結(jié)果具有一定差異性，且水質(zhì)綜合指數(shù)法的評價(jià)結(jié)果更能體現(xiàn)水質(zhì)現(xiàn)狀情況。

長江流域；水質(zhì)評價(jià)；時(shí)空差異；聚類分析

0 引 言

【研究意義】長江流域作為我國的第一大流域，其在全國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中具有重要的地位，在生態(tài)環(huán)境保護(hù)越來越受到重視的背景下，長江流域水環(huán)境保護(hù)成為長江大保護(hù)的重要內(nèi)容，因此開展長江流域水質(zhì)評價(jià)對長江流域水環(huán)境管理與保護(hù)具有重要意義[1-2]?！狙芯窟M(jìn)展】河流水質(zhì)評價(jià)是采用特定方法定量描述水體質(zhì)量優(yōu)劣程度的分析手段，目前河流水質(zhì)評價(jià)的方法主要有單因子評價(jià)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、模糊綜合評價(jià)法、粗糙集-貝葉斯網(wǎng)絡(luò)評價(jià)法、熵權(quán)-偏序集模型評價(jià)法、灰色聚類分析法、水質(zhì)綜合指數(shù)法、水污染指數(shù)法以及綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法等[3-6]。相關(guān)學(xué)者運(yùn)用不同的評價(jià)方法對長江流域水質(zhì)狀況進(jìn)行了評價(jià)分析，如董春燕等[7]和王逸可等[8]利用模糊綜合評價(jià)法對長江中游和南京市長江子匯洲水源地的水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)；白云等[9]基于智能互補(bǔ)思想提出了粗糙集－貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)評價(jià)方法并評估了嘉陵江流域重慶段的水質(zhì)狀況；陳慧文等[10]利用灰色聚類分析法對上海市長江口水質(zhì)狀況進(jìn)行了評價(jià)；部分研究[11-16]利用水污染指數(shù)法分別對長江黃石段、漢江中下游干流、贛江上游桃江流域、沱江流域、湘江長沙段支流、瀾滄江西藏段水質(zhì)狀況進(jìn)行評價(jià)；朱葉華等[17]采用水質(zhì)綜合指數(shù)法評價(jià)了長江沙市江段的水質(zhì)狀況；有研究[18-23]利用綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價(jià)了漢江中下游、嘉陵江白廟子段、重慶市主城區(qū)8 條河流、漢江流域硫鐵礦區(qū)厚子河支流、長江徐六涇斷面和長江口主要入海通道斷面的水質(zhì)狀況?！厩腥朦c(diǎn)】雖然相關(guān)研究運(yùn)用各種評價(jià)方法對長江流域水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，但由于不同的水質(zhì)評價(jià)方法對河流水質(zhì)狀況的評價(jià)結(jié)果略有不同，為了更加精準(zhǔn)地描述長江流域水體狀況，本研究選擇不同綜合水質(zhì)評價(jià)方法對長江流域水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)并分析其時(shí)空差異性特征?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究基于2008—2018 年長江流域干流及主要支流代表性監(jiān)測斷面的水質(zhì)數(shù)據(jù)，利用水質(zhì)綜合指數(shù)法、水污染指數(shù)法和綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對長江流域水質(zhì)狀況進(jìn)行評價(jià)，并結(jié)合Mann-Kendall 趨勢檢驗(yàn)法、聚類分析等方法探究流域水質(zhì)的時(shí)空差異性特征，以期為長江流域水生態(tài)環(huán)境綠色健康發(fā)展提供相應(yīng)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)來源

1.1.1 研究區(qū)概況

長江流域（24°N—35°N、90°E—122°E）是我國第一大流域，干流全長約6 300 km，自西向東流經(jīng)青海、四川、西藏、云南、重慶、湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、上海等11 個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市），流域面積約180 萬km2（圖1），其中，漢江[24]是長江最大的支流，全長約1 577 km，流域面積約為15.9 萬km2。流域大部分地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，降水年內(nèi)分布不均。長江流域作為我國經(jīng)濟(jì)的重心，年均接納廢污水量約占全國的1/3，目前隨著水生態(tài)環(huán)境治理力度的加強(qiáng)，長江流域水質(zhì)整體上呈較好的變化趨勢。根據(jù)中國生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)，2019、2020 年和2021 年長江流域處于Ⅰ—Ⅲ類水質(zhì)斷面的占比分別為91.7%、96.7%和97.1%，但仍有部分支流水質(zhì)狀況相對較差且流域內(nèi)仍有湖庫存在水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象。水質(zhì)狀況是長江水生態(tài)環(huán)境健康的重要表征[25-26]，明晰長江流域干流及主要支流水質(zhì)狀況對流域生態(tài)資源安全具有重要意義。

1.1.2 數(shù)據(jù)來源

水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)主要來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站編制的《全國主要流域重點(diǎn)斷面水質(zhì)自動監(jiān)測周報(bào)》，文中選取長江干流及主要支流（岷江、沱江、嘉陵江、湘江、贛江、漢江、丹江口水庫和夾江）16個監(jiān)測斷面的4項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，監(jiān)測斷面位置及基本信息見圖1及表1。水質(zhì)指標(biāo)為全國主要流域重點(diǎn)斷面水質(zhì)自動監(jiān)測周報(bào)中監(jiān)測指標(biāo)，包括pH、溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）和氨氮（NH3-N），指標(biāo)數(shù)據(jù)分析執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）[27]。水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測時(shí)間為2008年1—12月，指標(biāo)監(jiān)測頻次為每周1次。

表1 監(jiān)測斷面基本信息Table 1 Basic information of the monitoring sections

1.2 研究方法

1.2.1 水污染指數(shù)法

水污染指數(shù)法是以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）中推薦的單因子評價(jià)法為基礎(chǔ)，選取最嚴(yán)重的指標(biāo)作為水質(zhì)類別的判斷依據(jù)。根據(jù)水質(zhì)類別與水污染指數(shù)（WPI）對應(yīng)表（表2），利用內(nèi)插法計(jì)算監(jiān)測斷面每個評價(jià)指標(biāo)的WPI值并進(jìn)行比選，在各監(jiān)測斷面分別取各指標(biāo)對應(yīng)的WPI最大值作為該斷面的WPI值[28-29]。其具體計(jì)算過程如下所示：

當(dāng)水質(zhì)為I—V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，WPI計(jì)算式見式（1）；若DO≥7.5 mg/L，其WPI取20；若2≤DOlt;7.5 mg/L，WPI計(jì)算式見式（2）；當(dāng)水質(zhì)超過V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，WPI計(jì)算式見式（3）。

式中：C(i)、Ct(i)、Ch(i)、C5(i)分別為第i個水質(zhì)監(jiān)測濃度值、水質(zhì)監(jiān)測濃度值所在類別標(biāo)準(zhǔn)的下限濃度值、水質(zhì)監(jiān)測濃度值所在類別標(biāo)準(zhǔn)的上限濃度值和第i個水質(zhì)監(jiān)測濃度值在地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中V類標(biāo)準(zhǔn)濃度限值；WPI(i)、WPIt(i)、WPIh(i)分別為各水質(zhì)監(jiān)測濃度值對應(yīng)的水污染指數(shù)值；若地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中2個水質(zhì)等級標(biāo)準(zhǔn)值相同，則按低分?jǐn)?shù)值區(qū)間插值計(jì)算。pH的WPI值一般取20，此外，若pHlt;6，WPI=100+6.67×(6-[pH])； 若pH＞9，WPI=100+8×([pH]-9)；若DOlt;2 mg/L，WPI=100+40×(2-[DO])/2。

1.2.2 水質(zhì)綜合指數(shù)法

水質(zhì)綜合指數(shù)[30]（WQI）的計(jì)算式為：

式中：n為監(jiān)測斷面水質(zhì)指標(biāo)總數(shù)，Ci為監(jiān)測斷面各水質(zhì)指標(biāo)的歸一化數(shù)值，wi為各水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重。其中，水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重值依據(jù)監(jiān)測斷面不同水質(zhì)指標(biāo)對水質(zhì)影響的程度確定，影響程度較小的水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重為1，影響程度最大的指標(biāo)權(quán)重為4。水質(zhì)綜合指數(shù)法根據(jù)WQI值將水質(zhì)狀況分為5個等級，分別為優(yōu)（80～100）、好（60～80）、良（40～60）、中（20～40）、差（0～20），具體如表2所示。

1.2.3 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法

綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)[31-32]能完整標(biāo)識水質(zhì)類別、水質(zhì)情況以及是否達(dá)到水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)值等信息。該方法主要包括單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的計(jì)算，綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)計(jì)算以及水質(zhì)等級的確定3個步驟。通常標(biāo)識指數(shù)由整數(shù)位和3位或4位小數(shù)組成，其結(jié)構(gòu)為：

式中：X1.X2為綜合水質(zhì)指數(shù)，即單項(xiàng)水質(zhì)指數(shù)的平均值；X3和X4為標(biāo)識碼，由X1.X2判斷得出。其中，X1為河流總體的綜合水質(zhì)類別；X2為綜合水質(zhì)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處位置，根據(jù)四舍五入的規(guī)則確定，且可實(shí)現(xiàn)在同類水中進(jìn)行水質(zhì)優(yōu)劣比較；X3為參與綜合水質(zhì)評價(jià)的水質(zhì)指標(biāo)中，劣于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的單項(xiàng)指標(biāo)個數(shù)；X4為綜合水質(zhì)類別與水體功能區(qū)類別的比較結(jié)果，視綜合水質(zhì)的污染程度，1位或2位有效數(shù)字，當(dāng)綜合水質(zhì)優(yōu)于或者等于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)時(shí)其為0。

綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)中的綜合水質(zhì)指數(shù)部分X1.X2，既反映了綜合水質(zhì)類別，又反映了同一水質(zhì)類別中綜合水質(zhì)的連續(xù)性和綜合水質(zhì)污染程度，X1.X2數(shù)值越大，綜合水質(zhì)越差。X1.X2具體計(jì)算式為：

式中：m為參加綜合水質(zhì)評價(jià)的水質(zhì)單項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)目；P1、P2、Pm分別為第1、2、m個水質(zhì)因子的單因子水質(zhì)指數(shù)，為對應(yīng)單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)中的整數(shù)位和小數(shù)點(diǎn)后第1位（單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)中的X1.X2）。其綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)與水質(zhì)類別對應(yīng)情況如表2所示。

表2 不同水質(zhì)評價(jià)方法評價(jià)結(jié)果與水質(zhì)類別對應(yīng)Table 2 Corresponding table of evaluation results of different water quality evaluation methods and water quality categories

1.2.4 聚類分析和判別分析

聚類分析[28,33]是根據(jù)研究對象的特性，進(jìn)行定量分析的一種多元統(tǒng)計(jì)方法。在本研究中聚類分析主要是在水質(zhì)指標(biāo)間定義距離，或在水質(zhì)指標(biāo)間定義相似系數(shù)，距離或相似系數(shù)代表水質(zhì)指標(biāo)間的相似程度，并按照相似程度的大小進(jìn)行聚集，進(jìn)而形成關(guān)系圖譜。本研究利用SPSS21.0 軟件進(jìn)行長江流域水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的時(shí)間和空間尺度的聚類分析，聚類距離測量方式為平方歐氏距離，水質(zhì)評價(jià)中常按照監(jiān)測時(shí)間和監(jiān)測斷面的地理位置進(jìn)行聚類，分析長江流域水質(zhì)的時(shí)空變化特征。判別分析[34]主要是根據(jù)聚類分析結(jié)果進(jìn)而識別具有顯著性的水體污染物指標(biāo)，其是按照一定的判別原則建立判別函數(shù)，進(jìn)而通過水體污染物數(shù)據(jù)系列確定判別系數(shù)，并計(jì)算判別指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

長江流域主要監(jiān)測斷面2008—2018年不同時(shí)期水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)情況如圖2所示，可知在汛期和非汛期各監(jiān)測斷面的pH值均處于6～9之間。對于DO，在汛期時(shí)南京林山（S7）、樂山岷江大橋（S8）、瀘州沱江二橋（S10）、長沙新港（S12）、南昌滁槎（S13）、武漢宗關(guān)（S14）、南陽陶岔（S15）和揚(yáng)州三江營（S16）等監(jiān)測斷面DO質(zhì)量濃度的最小值分別為4.76、2.86、4.29、3.98、2.87、4.26、4.87、3.69 mg/L，達(dá)到了IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及以上；在非汛期時(shí)樂山岷江大橋、長沙新港和南昌滁槎等斷面DO質(zhì)量濃度的最小值分別為3.16、4.86、3.81 mg/L，達(dá)到了IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。對于CODMn，在汛期時(shí)攀枝花龍洞（S1）、樂山岷江大橋、宜賓涼姜溝（S9）、瀘州沱江二橋、南昌滁槎和揚(yáng)州三江營等斷面CODMn質(zhì)量濃度的最大值分別為6.60、7.10、7.00、10.00、6.20、6.60 mg/L，達(dá)到了IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；在非汛期時(shí)南昌滁槎斷面CODMn質(zhì)量濃度的最大值為6.45 mg/L，達(dá)到了IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。對于NH3-N，在汛期時(shí)長沙新港和南昌滁槎斷面NH3-N質(zhì)量濃度的最大值分別為1.15 mg/L和2.23 mg/L，達(dá)到了IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和劣V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；在非汛期時(shí)南京林山、樂山岷江大橋、長沙新港、南昌滁槎和揚(yáng)州三江營等斷面NH3-N質(zhì)量濃度的最大值分別為1.15、1.88、1.28、4.48、1.33 mg/L，達(dá)到了IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及以上。整體來說，長江流域主要監(jiān)測斷面在非汛期時(shí)DO和NH3-N的平均質(zhì)量濃度略大于汛期，汛期時(shí)CODMn的平均質(zhì)量濃度略大于非汛期；樂山岷江大橋（岷江）、長沙新港（湘江）和南昌滁槎（贛江）等斷面的水質(zhì)狀況次于長江流域干流及其他支流監(jiān)測斷面的水質(zhì)狀況。

圖2 長江流域主要監(jiān)測斷面不同時(shí)期水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)情況Fig.2 Statistics of water quality indicators in different periods at the main monitoring sections in the Yangtze River Basin

2.2 不同水質(zhì)評價(jià)方法下水質(zhì)評價(jià)結(jié)果對比分析

利用水污染指數(shù)法（WPI）、水質(zhì)綜合指數(shù)法（WQI）和綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法（Iwq）對長江流域所選取的監(jiān)測斷面水質(zhì)狀況進(jìn)行評價(jià)，其結(jié)果對比如圖3所示。可知，長江流域各監(jiān)測斷面在汛期和非汛期時(shí)WPI值、WQI值和Iwq值處于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)III類及以下的監(jiān)測次數(shù)占比均相對較高，汛期時(shí)WPI值、WQI值和Iwq值處于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)III類及以下的監(jiān)測次數(shù)占比分別為77.27%、90.91%和100.00%，在非汛期時(shí)處于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)III類及以下的監(jiān)測次數(shù)占比分別為68.18%、80.30%和100.00%。攀枝花龍洞（S1）、南京林山（S7）、樂山岷江大橋（S8）、宜賓涼姜溝（S9）、瀘州沱江二橋（S10）、長沙新港（S12）、南昌滁槎（S13）、武漢宗關(guān)（S14）、南陽陶岔（S15）和揚(yáng)州三江營（S16）等斷面的WPI值在汛期時(shí)處于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)IV類及以上的占比分別為1.52%、4.55%、19.70%、3.03%、7.58%、21.21%、22.73%、1.52%、1.52%和3.03%，其中南昌滁槎的WPI值在汛期時(shí)處于劣V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)占比為1.52%；南京林山、樂山岷江大橋、長沙新港、南昌滁槎和揚(yáng)州三江營等斷面的WPI值在非汛期時(shí)處于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)IV類及以上的占比分別為1.52%、22.73%、6.06%、31.82%和1.52%，其中南昌滁槎的WPI值在非汛期時(shí)處于劣V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)占比為7.58%。樂山岷江大橋、長沙新港、南昌滁槎和揚(yáng)州三江營等斷面的WQI值在汛期時(shí)處于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)IV類及以上的占比分別為1.52%、1.52%、9.09%、1.52%，樂山岷江大橋、長沙新港和南昌滁槎等斷面的WQI值在非汛期時(shí)處于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)IV類及以上的占比分別為19.70%、1.52%和13.64%。長江流域各監(jiān)測斷面的Iwq值在汛期和非汛期均處于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)III類及以下。整體來說，綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法水質(zhì)評價(jià)結(jié)果表明各監(jiān)測斷面水質(zhì)狀況較好，水質(zhì)綜合指數(shù)法次之，水污染指數(shù)法相對較差；且汛期時(shí)水質(zhì)評價(jià)結(jié)果相對于非汛期的評價(jià)結(jié)果相對較差。

圖3 長江流域主要監(jiān)測斷面不同時(shí)期水質(zhì)評價(jià)結(jié)果對比Fig.3 Comparison of water quality evaluation results in different periods at the main monitoring sections in the Yangtze River Basin

2.3 水質(zhì)評價(jià)結(jié)果時(shí)間差異性分析

為分析各監(jiān)測斷面在不同水質(zhì)評價(jià)方法下的評價(jià)結(jié)果的變化趨勢，利用M-K趨勢檢驗(yàn)法對其評價(jià)結(jié)果的變化趨勢進(jìn)行檢測，具體如表3所示。南京林山（S7）、樂山岷江大橋（S8）、南昌滁槎（S13）和南陽陶岔（S15）等斷面在汛期時(shí)WPI值呈顯著的減小趨勢，而長沙新港（S12）在汛期時(shí)WPI值呈顯著的增加趨勢；重慶朱沱（S2）、岳陽城陵磯（S4）、南京林山、樂山岷江大橋、長沙新港和南昌滁槎等斷面在非汛期時(shí)WPI值呈顯著的減小趨勢。樂山岷江大橋、長沙新港和南陽陶岔斷面在汛期時(shí)WQI值呈顯著的增加趨勢，而安慶皖河口（S6）在汛期時(shí)WQI值呈顯著的減小趨勢；重慶朱沱、岳陽城陵磯、九江河西水廠（S5）、安慶皖河口、樂山岷江大橋、瀘州沱江二橋（S10）、長沙新港、南昌滁槎和南陽陶岔等斷面在非汛期時(shí)WQI值呈顯著的增加趨勢，而廣元清風(fēng)峽在非汛期時(shí)WQI值呈顯著的減小趨勢。攀枝花龍洞（S1）、宜昌南津關(guān)（S3）、九江河西水廠、樂山岷江大橋、武漢宗關(guān)（S14）和南陽陶岔等斷面在汛期時(shí)Iwq值呈顯著的減小趨勢，而安慶皖河口在汛期時(shí)Iwq值呈顯著的增加趨勢；宜昌南津關(guān)、樂山岷江大橋、長沙新港和南昌滁槎等斷面在非汛期時(shí)Iwq值呈顯著的減小趨勢。由于WPI值和Iwq值越大說明水質(zhì)評價(jià)結(jié)果越差，而WQI值越大說明水質(zhì)評價(jià)結(jié)果越好，因此長江流域大部分監(jiān)測斷面的水質(zhì)評價(jià)結(jié)果趨于變好，而安慶皖河口和廣元清風(fēng)峽斷面分別在汛期和非汛期的評價(jià)結(jié)果趨于變差。此外，在3種水質(zhì)評價(jià)方法下樂山岷江大橋、長沙新港、南昌滁槎和南陽陶岔等斷面水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的變化趨勢最為顯著。

表3 各監(jiān)測斷面在不同水質(zhì)評價(jià)方法下的評價(jià)結(jié)果的變化趨勢Table 3 Trend of the evaluation results under different water quality evaluation methods at each monitoring section

對各監(jiān)測斷面不同時(shí)期水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的差異性分析（圖4）可知，對于WPI值，在汛期和非汛期時(shí)樂山岷江大橋和南昌滁槎斷面WPI值的變化幅度相對較大，分別為73.20和72.20、81.74和126.17；其變異系數(shù)分別為35.10%和35.55%、38.46%和44.14%，均呈中等變異性。對于WQI值，在汛期和非汛期時(shí)樂山岷江大橋、長沙新港和南昌滁槎等斷面WQI值的變化幅度相對較大，分別為38和44、40和34、45和39；其變異系數(shù)分別為10.27%和18.24%、11.27%和11.41%、14.63%和16.16%，均呈中等變異性。相較WPI和WQI，樂山岷江大橋、長沙新港和南昌滁槎斷面Iwq值在汛期和非汛期的變化幅度相對較大，分別為1.69和1.82、1.69和1.51、1.86和2.01；其變異系數(shù)分別為18.43%和25.08%、13.96%和17.01%、18.86%和21.13%，均呈中等變異性；在汛期時(shí)揚(yáng)州三江營斷面Iwq值的變化幅度相對較大，為2.02，其變異系數(shù)為20.18%，呈中等變異性?？傮w來說，長江流域各監(jiān)測斷面不同水質(zhì)評價(jià)結(jié)果均有不同程度的差異性，而樂山岷江大橋、長沙新港和南昌滁槎等斷面水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的差異性較大。

2.4 水質(zhì)評價(jià)結(jié)果空間差異性分析

為分析各監(jiān)測斷面在不同水質(zhì)評價(jià)方法下評價(jià)結(jié)果的空間差異性，本文利用聚類分析將汛期和非汛期水質(zhì)評價(jià)結(jié)果進(jìn)行聚類，如圖5所示。在汛期和非汛期WPI值和WQI值的空間聚類具有一致性，在空間尺度上將監(jiān)測斷面均分為2組且每組包含的監(jiān)測斷面相同，對于WPI值，A組的監(jiān)測斷面主要包括攀枝花龍洞（S1）、重慶朱沱（S2）、宜昌南津關(guān)（S3）、岳陽城陵磯（S4）、九江河西水廠（S5）、安慶皖河口（S6）、南京林山（S7）、樂山岷江大橋（S8）、宜賓涼姜溝（S9）、瀘州沱江二橋（S10）、廣元清風(fēng)峽（S11）、長沙新港（S12）、武漢宗關(guān)（S14）、南陽陶岔（S15）和揚(yáng)州三江營（S16），B組的監(jiān)測斷面主要包括南昌滁槎（S13）；對于WQI值，A組的監(jiān)測斷面主要包括S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S9、S10、S11、S14、S15和S16，B組的監(jiān)測斷面主要包括S8、S12和S13。Iwq值在汛期時(shí)的空間聚類情況與WQI值的分組是一致的，在非汛期時(shí)Iwq值A(chǔ)組的監(jiān)測斷面主要包括S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S9、S10、S11、S12、S14、S15和S16，B組的監(jiān)測斷面主要包括S8和S13。綜上所述，根據(jù)水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的空間聚類結(jié)果可知其與長江流域水質(zhì)統(tǒng)計(jì)特征分析以及水質(zhì)評價(jià)結(jié)果基本上是一致的，即樂山岷江大橋（岷江）、長沙新港（湘江）和南昌滁槎（贛江）等斷面的水質(zhì)狀況相對較差。

圖4 長江流域主要監(jiān)測斷面不同時(shí)期水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的差異性Fig.4 Differences of water quality evaluation results in different periods at the main monitoring sections in the Yangtze River Basin

對不同時(shí)期3 種水質(zhì)評價(jià)結(jié)果空間聚類進(jìn)行判別分析如表4 和表5 所示。由表4 可知，判別分析的判別函數(shù)基本可以解釋所有水質(zhì)評價(jià)結(jié)果在不同時(shí)期的信息，WPI值在汛期和非汛期時(shí)Wilks 的Lambda 值分別為 0.007 和 0，卡方系數(shù)分別為54.938 和91.086；WQI值在汛期和非汛期時(shí)Wilks的Lambda 值分別為0 和0，卡方系數(shù)分別為73.313和71.629；Iwq值在汛期和非汛期時(shí)Wilks 的Lambda值分別為0 和0，卡方系數(shù)分別為75.760 和69.924；在不同時(shí)期水體污染物判別函數(shù)的顯著性檢驗(yàn)值均小于0.005，說明在不同時(shí)期下水體污染物的空間聚類結(jié)果有效。另外WPI值在汛期和非汛期空間聚類分析結(jié)果的判別分析交叉驗(yàn)證正確率均達(dá)到了93.80%，WQI值和Iwq值在汛期和非汛期空間聚類分析結(jié)果的判別分析交叉驗(yàn)證正確率均達(dá)到了100%（表5），可知其判別分析交叉驗(yàn)證正確率均超過了90%，達(dá)到了較高的判別正確率，說明長江流域主要監(jiān)測斷面在3 種水質(zhì)綜合評價(jià)方法下的空間聚類結(jié)果相對較好；同時(shí)對于WQI值，在汛期和非汛期其空間聚類分析結(jié)果與水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果及時(shí)間差異性結(jié)果具有較大的一致性；因此，總體來說在時(shí)間和空間上水質(zhì)綜合指數(shù)法的評價(jià)結(jié)果更符合長江流域水質(zhì)現(xiàn)狀情況。

圖5 各監(jiān)測斷面不同時(shí)期水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的空間尺度聚類情況Fig.5 Spatial-scale cluster of water quality evaluation results in different periods at each monitoring section

表4 不同時(shí)期水質(zhì)評價(jià)結(jié)果空間尺度上判別分析統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)Table 4 Statistical test of discriminant analysis on the spatial scale of water quality evaluation results in different periods

表5 不同時(shí)期水體污染物指標(biāo)空間尺度上判別分析交叉驗(yàn)證正確率Table 5 Accuracy of cross-validation of discriminant analysis on spatial scales of water pollutant indicators in different periods

3 討 論

流域水質(zhì)評價(jià)作為流域水環(huán)境保護(hù)和治理的基礎(chǔ)工作，對流域水資源的合理開發(fā)利用具有重要意義。本文基于水質(zhì)綜合指數(shù)法、水污染指數(shù)法和綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對長江流域干流及主要支流的水質(zhì)狀況進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明，長江流域主要監(jiān)測斷面水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的良好程度為綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法＞水質(zhì)綜合指數(shù)法＞水污染指數(shù)法，這主要是由于水污染指數(shù)法是將監(jiān)測斷面各水質(zhì)指標(biāo)對應(yīng)的WPI最大值作為該斷面的WPI值，即將水體污染物污染最嚴(yán)重的狀態(tài)作為其水質(zhì)評價(jià)的結(jié)果；水質(zhì)綜合指數(shù)法是將各水質(zhì)賦予一定的權(quán)重，權(quán)重是由監(jiān)測斷面不同水質(zhì)指標(biāo)對水質(zhì)影響的程度確定；綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法主要包括單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的計(jì)算，其標(biāo)識指數(shù)主要是各水質(zhì)指標(biāo)的單因子水質(zhì)指數(shù)的平均值所得；因此長江流域主要監(jiān)測斷面在綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法下評價(jià)結(jié)果的水質(zhì)狀況較好，水質(zhì)綜合指數(shù)法次之，水污染指數(shù)法的評價(jià)結(jié)果相對較差；同時(shí)結(jié)合本研究長江流域水質(zhì)統(tǒng)計(jì)特征分析以及水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的時(shí)間和空間差異性分析可知水質(zhì)綜合指數(shù)法的評價(jià)結(jié)果更能體現(xiàn)水質(zhì)現(xiàn)狀情況。長江流域主要監(jiān)測斷面DO和NH3-N質(zhì)量濃度的均值非汛期略大于汛期，這主要是由于汛期時(shí)河道徑流量較大并攜帶了耗氧污染物進(jìn)入河流，加劇了河流水體中DO的消耗。相關(guān)研究表明長江流域干流宜昌城區(qū)水體的CODMn質(zhì)量濃度在豐水期內(nèi)隨徑流量的增大而增大[35]，這與本研究汛期時(shí)CODMn質(zhì)量濃度均值略大于非汛期時(shí)CODMn質(zhì)量濃度均值的結(jié)果是一致的。另外，相關(guān)研究表明長江下游江段2013—2018年氨氮質(zhì)量濃度大幅下降[1]，長江干流CODMn質(zhì)量濃度和NH3-N質(zhì)量濃度在2010—2019年呈現(xiàn)出降低趨勢[36]，2016—2020年岷江干流大部分?jǐn)嗝嫠|(zhì)類別呈好轉(zhuǎn)趨勢[37]，湘江流域永州段所有監(jiān)測斷面CODMn質(zhì)量濃度均呈顯著下降趨勢[38]，2015—2020年岷、沱江流域成都段地表水環(huán)境質(zhì)量明顯改善且其大部分?jǐn)嗝嬷饕廴疚餄舛认陆第厔蒿@著[39]，長江干流地表水水質(zhì)總體相對較好且上游水質(zhì)好于中下游[40]，這與本研究長江流域大部分監(jiān)測斷面的水質(zhì)評價(jià)結(jié)果趨于變好的結(jié)果是一致的；長江流域上中下游CODMn質(zhì)量濃度在2017—2020年分別下降18.5%、16.0%和14.0%，同時(shí)岷沱江和中游兩湖地區(qū)污染物通量對入長江的貢獻(xiàn)較大，這與樂山岷江大橋（岷江）、入洞庭湖斷面長沙新港（湘江）和入鄱陽湖斷面南昌滁槎（贛江）的水質(zhì)狀況相對較差是一致的[41]。

4 結(jié) 論

1）在汛期和非汛期時(shí)樂山岷江大橋監(jiān)測斷面DO質(zhì)量濃度最小，分別為2.86 mg/L和3.16 mg/L，南昌滁槎斷面CODMn和NH3-N質(zhì)量濃度最大，分別10.00 mg/L和6.45 mg/L、2.23 mg/L和4.48 mg/L；各監(jiān)測斷面DO和NH3-N質(zhì)量濃度的均值非汛期略大于汛期，CODMn質(zhì)量濃度的均值汛期略大于非汛期。

2）在汛期和非汛期時(shí)南昌滁槎斷面在水污染指數(shù)法水質(zhì)評價(jià)下處于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)IV類及以上監(jiān)測次數(shù)的占比均最大，分別為22.73%和31.82%，南昌滁槎斷面（汛期）和樂山岷江大橋斷面（非汛期）在水質(zhì)綜合指數(shù)法水質(zhì)評價(jià)下處于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)IV類及以上監(jiān)測次數(shù)的占比最大，分別為9.09%和19.70%；水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的良好程度為綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法＞水質(zhì)綜合指數(shù)法＞水污染指數(shù)法，且水質(zhì)綜合指數(shù)法的評價(jià)結(jié)果更能體現(xiàn)水質(zhì)現(xiàn)狀情況。

3）樂山岷江大橋、長沙新港和南昌滁槎等斷面的水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的變化趨勢最為顯著且趨于好轉(zhuǎn)，同時(shí)其在時(shí)間上具有較大的差異性；水質(zhì)評價(jià)結(jié)果在空間上具有一定的差異性，樂山岷江大橋、長沙新港和南昌滁槎等斷面的水質(zhì)評價(jià)結(jié)果相對較差，岷江、湘江和贛江相對于長江其他河流其水質(zhì)狀況略差。

（作者聲明本文無實(shí)際或潛在利益沖突）

Comparative Analysis of Spatiotemporal Variability in Water Quality of the Yangtze River Based on Different Water Quality Evaluation Methods

WANG Feiyu1, LI Xiaoyang1, JIA Junwei4, ZUO Lingfeng1, YU Xuejing5, ZHANG Yan2,3*
(1. Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 2. Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453002, China; 3. School of Water Conservancy and Transportation, Zhengzhou University,Zhengzhou 450001, China; 4. Huadong Engineering (Zhengzhou) Corporation Limited, PowerChina, Zhengzhou 450000, China;5.Nantong Branch Bureau, Jiangsu Provincial Hydrology and Water Resources Investigation Bureau, Nantong, 226006, China)

【Objective】A prerequisite for managing a catchment is to comprehensively understand the changes in its water quality. Using different methods, this paper comparatively analyzes the spatiotemporal variation in water quality of the Yangtze River, including its main streams and tributaries. 【Method】The study is based on water quality data collected from 2008 to 2018 from 16 monitoring sections within the basin. Various methods, including the comprehensive water quality index (WQI), water pollution index (WPI), and comprehensive water quality identification index (Iwq), were used to assess water quality. Additionally, statistical methods including the Mann-Kendall trend test, cluster analysis, and discriminant analysis were utilized to analyze the spatiotemporal variation in water quality.【Result】In flooding and non-flooding seasons, the section proximal to the Leshan Minjiang Bridge had minimum dissolved oxygen (DO) concentration, which is 2.86 mg/L and 3.16 mg/L, respectively. Conversely,the Nanchang Chucha section had maximum concentration of chemical oxygen demand (CODMn) and ammonia nitrogen (NH3-N), which was 10.00 mg/L and 6.45 mg/L, and 2.23 mg/L and 4.48 mg/L, respectively. In the nonflooding season, 31.82% of water in the Nanchang Chucha section achieved Class IV grade or higher (evaluated byWPI), whereas this figure reduced to 19.70% (evaluated byWQI) for the Leshan Minjiang Bridge section. TheIwqmethod yielded the highest water quality, followed byWQIandWPI. All three methods indicated that water quality had improved in the Leshan Minjiang Bridge, Changsha Xingang, and Nanchang Chucha sections. Water quality varied spatially, with poor quality observed in the Leshan Minjiang Bridge, Changsha Xinkang, and Nanchang Chucha sections, and slightly poor quality was found in the Minjiang, Xiangjiang, and Ganjiang sections.【Conclusion】The evaluation of water quality using different methods within the Yangtze River basin yielded varied results, with theWQImethod working best.

Yangtze River Basin; water quality evaluation; spatio-temporal differences; cluster analysis

X824

A

10.13522/j.cnki.ggps.2023102

王飛宇, 李肖楊, 賈軍偉, 等. 基于不同綜合水質(zhì)評價(jià)方法的長江流域水質(zhì)時(shí)空差異性對比分析[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào),2023, 42(10): 74-84.

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1672 - 3317（2023）10 - 0074 - 11

2023-03-16

2023-06-25

2023-10-18

美麗中國生態(tài)文明建設(shè)科技工程專項(xiàng)資助項(xiàng)目（XDA23040304）；河南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（212300410310）

王飛宇（1992-），女。博士，主要從事流域水循環(huán)模擬研究。E-mail: wangfy.14s@igsnrr.ac.cn

張彥（1989-），男。助理研究員，主要從事水資源與水環(huán)境研究。E-mail: zhangyan09@caas.cn

@《灌溉排水學(xué)報(bào)》編輯部，開放獲取CC BY-NC-ND 協(xié)議

責(zé)任編輯：趙宇龍