氣候變化和污染防治政策對岷江流域水質(zhì)的影響研究

吳 瑤，袁 旺，柳 強(qiáng)，史 箴，周 淼

(1.四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，成都 610091；2.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085)

引 言

水質(zhì)在區(qū)域和國家層面上受到人類活動[1]和氣候變化[2～4]的影響是顯著的[5～10]。目前，分析氣候變化和人類活動的研究是基于過程耦合與數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法開展的。比如結(jié)合了氣候模型、水文模型、水質(zhì)模型或生態(tài)模型的綜合模型[11]、SWAT等[12]，然而，面對水生環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性，基于過程的模型對數(shù)據(jù)的深度和廣度要求較高，對一些偏遠(yuǎn)河流或缺少基礎(chǔ)資料的流域系統(tǒng)操作難度大，并且僅適用于小區(qū)域或一條河流[13]。對于數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法，可以直接分析目標(biāo)變量之間的關(guān)系，包括多元回歸[14]、趨勢分析[15～17]等，它們對數(shù)據(jù)的限制較低，利于對大尺度和缺少長期觀測資料的流域進(jìn)行水質(zhì)分析研究。

岷江流域作為長江上游地區(qū)重要的一級支流，許多學(xué)者已在岷江流域開展部分研究，如水資源的時空分布[18～20]和限于短期水質(zhì)變化等[21]。然而，對岷江流域的長期水質(zhì)動態(tài)變化研究尚且不夠。本研究運(yùn)用趨勢分析方法系統(tǒng)分析了在氣候變化和人類活動的影響下，岷江流域水質(zhì)的時空變化特征和影響機(jī)制，以此為流域水質(zhì)的長期管理工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、決策依據(jù)和科學(xué)支撐。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 研究區(qū)概況

岷江流域位于中國西南部的四川省(東經(jīng)102.5～104.7，北緯28.3～33.2)，全長約760km，流域面積為45000km2。岷江流域流經(jīng)阿壩州、成都、眉山、樂山和宜賓市，年平均降水量和年平均溫度分別為1036.7mm和17.8℃(圖1)。作為四川省的重要經(jīng)濟(jì)區(qū)之一，GDP為2.44萬億元，分別占四川省2020年的31.94% 。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究選擇岷江流域的17個氣象站點(diǎn)(上游的M1～M2，中游的M3～M12和下游的M13～M17)和26個水質(zhì)站點(diǎn)(上游的S1～S4，中游的S5～S17和下游的M18～M26)構(gòu)成氣象與水質(zhì)數(shù)據(jù)集(表1)。氣象數(shù)據(jù)從四川省氣象局獲得，包括2011～2020年的每日的降水量、最高溫度、最低溫度和平均溫度數(shù)據(jù)。水質(zhì)數(shù)據(jù)由四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站通過地表水自動監(jiān)測系統(tǒng)收集并提供，選取每日的溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、

圖1 岷江流域地形圖與水質(zhì)站點(diǎn)、氣象監(jiān)測站點(diǎn)分布圖Fig.1 Map of topography and distribution of water quality and meteorological stations in the MRB.

五日生化需求量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)和化學(xué)需氧量(CODCr)。水質(zhì)參數(shù)由地表水自動監(jiān)測系統(tǒng)每4小時自動采樣一次，每日數(shù)據(jù)代表當(dāng)天所有數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。所有水質(zhì)參數(shù)的檢測方法與精度均符合生態(tài)環(huán)境部頒布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。廢水排放數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)來自岷江流域流經(jīng)城市(成都市、眉山市、樂山市、宜賓市、阿壩藏族羌族自治州)各市2011-2020的統(tǒng)計年鑒。生態(tài)工程措施的數(shù)據(jù)(包括投資額、生態(tài)工程建設(shè)規(guī)模等)由四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站提供。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析通過R 3.4.0、Microsoft Office Excel 2016、Origin 2021實(shí)現(xiàn)，顯著性水平為0.05。使用ArcMap 10.8 進(jìn)行空間制圖。

1.3.1 Seasonal Mann-Kendall test

Seasonal Mann-Kendall檢驗(yàn)(SMK)是一種穩(wěn)健的非參數(shù)檢驗(yàn)方法[22-23]，適用于研究季節(jié)性變化特征的變量在時間上的變化趨勢。根據(jù)SMK檢驗(yàn)，在原假設(shè)H0中，數(shù)據(jù)集是(x1，x2，x3，…，xn是n個獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量的樣本。設(shè)X=(X1，X2，…，Xn)T和Xi=(xi1，xi2，…，xinp)，其中X和Xi分別為監(jiān)測樣本系列和子樣本系列，每個月的統(tǒng)計量Si定義如下：

表1 岷江流域水質(zhì)站點(diǎn)與氣象站點(diǎn)信息Tab.1 Information of water quality stations and meteorological stations in the MRB

(1)

式中，sgn(x)是符號函數(shù)：

(2)

(3)

(5)

標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)差 (標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計量)遵循標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，計算如下：

(6)

1.3.2 Sen’s slope

Sen’s slope被認(rèn)為是比傳統(tǒng)趨勢估計方法更強(qiáng)的線性趨勢估計方法，這種方法可以描述趨勢的斜率(作為每年/每月的變化)[24]。為了得到趨勢估計值G，所有配對數(shù)據(jù)的計算如下：

(7)

(8)

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)的變化趨勢

SMK檢驗(yàn)和Sen's slope分別用于分析岷江流域的水質(zhì)參數(shù)趨勢和趨勢變化強(qiáng)度分析(表2、表3)。pH雖然在流域尺度上并沒有明顯的變化趨勢。溶解氧在岷江流域中呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，<0.05(△Mean=+0.11 mg/L·year-1)?！鱉ean(平均變化強(qiáng)度)的值是以具有顯著變化趨勢的站點(diǎn)的Sen’s slope值的平均值計算的。總體而言，全流域CODMn(△Mean=-0.16 mg/L·year-1)、BOD5(△Mean=-0.23 mg/L·year-1)、NH3-N(△Mean=-0.06 mg/L·year-1)、TP(△Mean=-0.02 mg/L·year-1)和CODCr(△Mean=-0.88 mg/L·year-1)呈明顯下降趨勢(P<0.05)。65.38%的站點(diǎn)的溶解氧呈上升趨勢，主要分布在岷江流域中游和上游。此外，64.71%的站點(diǎn)的上升強(qiáng)度超過了流域平均值，主要分布在岷江中游。CODMn下降的站點(diǎn)61.54%集中在流域北部，BOD5下降的站點(diǎn)76.92%集中在岷江中游北部和中部，但是這兩個區(qū)域的下降強(qiáng)度數(shù)值都低于流域平均值。NH3-N下降的站點(diǎn)占76.92%，其中40.00%的站點(diǎn)集中在岷江中游，其下降強(qiáng)度大于流域平均值。而TP呈下降趨勢的有21個站點(diǎn)，主要在岷江中游，岷江流域北部的TP沒有明顯趨勢。CODCr的下降的站點(diǎn)約占84.62%，其中60.00%的下降幅度小于流域平均值。CODCr下降幅度大于流域平均值的站點(diǎn)主要分布在中部地區(qū)。

表2 岷江流域水質(zhì)SMK趨勢分析Tab.2 SMK trend analysis of water quality in the MRB

2.2 氣候變化對水質(zhì)的影響

岷江流域的氣溫和降水都表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性和周期性，屬于典型的高溫季節(jié)和降水同步的氣候模式。具體來說，岷江流域每年有70.26%～90.14%的降水集中在6～9月，同時水質(zhì)參數(shù)與降水一樣呈周期性變化，水質(zhì)變化的周期性與汛期是相關(guān)的。在非汛期(10月～次年5月)，降水的增加可能導(dǎo)致陸地上積累的污染物隨徑流進(jìn)入水體，或河道中的擾動沉積物，使污染物返回到水體中，導(dǎo)致水質(zhì)變差。進(jìn)入汛期(6～9月)后，隨著陸上污染輸入的減少和河流流量的增加，污染物被稀釋，自凈能力增強(qiáng)，水質(zhì)得到改善。2013年至2016年，年降水量平均每年減少49.03mm，2016年后，年降水量明顯增加，平均每年增加138.32mm。隨著降水的增加和人類活動的介入，岷江流域的水質(zhì)有所改善，CODMn、BOD5、NH3-N、TP和CODCr每年分別下降7.59%、10.15%、20.54%、19.68%和10.80%，而DO每年增加4.45%(圖2)。

在近年來氣候變化的影響下，降水中心南移是岷江流域降水模式變化的一個重要特征。強(qiáng)降水主要集中在岷江流域西部和西南部。岷江下游的年平均降水量比上游和中游分別多198.15mm和68.82mm。特別是在2018年降水大幅增加后，這種聚集效應(yīng)更加明顯。在岷江流域，南部平原因?yàn)槭艿絹碜阅虾５臍饬饔绊?，會出現(xiàn)大量降水。而北部高原的降水較少，是因?yàn)閬碜杂《妊蟮臍饬魇艿綑M斷山脈的阻擋[25]。降水的時空差異可能進(jìn)一步推動對水質(zhì)變化的空間異質(zhì)性的影響。

圖2 岷江流域降水與水質(zhì)關(guān)系圖Fig.2 Relationship between precipitation and water quality in the Minjiang River Basin

2.3 污染防治措施(污染排放和生態(tài)工程)對水質(zhì)的影響

表4 廢水排放變化及其與水質(zhì)的關(guān)系擬合參數(shù)統(tǒng)計Tab.4 Statistics of fitting parameters of wastewater emission change and its relationship with water quality

續(xù)表4

3 結(jié) 論

岷江流域水質(zhì)在2011～2020期間在氣候變化和污染防治政策的影響下得到了明顯改善，尤其是在“十三五”計劃期間。全流域水質(zhì)參數(shù)的削減強(qiáng)度平均為0.23 mg/L· year-1，其中，CODCr是主要的削減指標(biāo)。在岷江流域的水質(zhì)改善過程中，隨著降水的增加和污染防治政策的介入，岷江流域的表征污染水平的水質(zhì)參數(shù)平均每年下降13.75%，而DO每年增加4.45%。污染防治政策對水質(zhì)的改善行為主要在污染減排措施和生態(tài)工程的建設(shè)，僅每減少10t CODCr或1噸NH3-N的排放可以使岷江流域污染物當(dāng)量有效下降0.60 mg/L，而生態(tài)工程建設(shè)如人工濕地、河流生態(tài)修復(fù)區(qū)、對非點(diǎn)源污染的削減也是有效的，兩者的共同作用是岷江流域水質(zhì)改善的主要的驅(qū)動因子。