歐陽志宏，郭懷成，王婉晶，高 偉

北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京100871

湖泊是地球上重要的淡水資源庫、洪水調(diào)蓄庫和物種基因庫，與人類生產(chǎn)和生活息息相關(guān)，在維持流域生態(tài)平衡、滿足生產(chǎn)生活用水、減輕洪澇災(zāi)害和提供豐富水產(chǎn)品等方面發(fā)揮著不可替代的作用［1］。近幾十年來，隨著區(qū)域氣候環(huán)境變化，尤其是人類活動干擾的不斷加強(qiáng)，湖泊水質(zhì)環(huán)境受到嚴(yán)重威脅，水體富營養(yǎng)化［2-4］、有機(jī)污染［5］、酸化［6］等水環(huán)境污染問題受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

近幾十年來，滇池流域人口快速增長，經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)張，滇池流域水環(huán)境壓力越來越大［7］。同時，由于歷史上的圍湖造田以及城市排水系統(tǒng)和污水處理設(shè)施建設(shè)相對滯后等因素，滇池入湖污染負(fù)荷日益加重，滇池水質(zhì)下降，生態(tài)環(huán)境惡化，藍(lán)藻頻發(fā)，湖泊富營養(yǎng)化嚴(yán)重［8］。20世紀(jì)70年代，滇池草海和外海水質(zhì)均為Ⅲ類水，1980年代初，水質(zhì)逐漸被污染，1990年代迅速惡化，并被納入國家重點(diǎn)治理的3大湖泊之一。從“九五”開始，尤其是“十五”以來，滇池污染治理的問題受到中央、省、市等各級政府的高度重視，其治理工作得到快速推進(jìn)。

解析滇池在 1982—2012年的典型污染物(CODMn、BOD5、TN、NH3-N 和 TP)年際變化特征，并分析社會經(jīng)濟(jì)因素對滇池水質(zhì)變化的影響，對滇池水污染治理和環(huán)境管理提供了科學(xué)依據(jù)。

1 實驗部分

滇池流域(102°29'～ 103°01'E，24°29'～25°28'N)位于云貴高原中部，地處長江、紅河、珠江3大水系分水嶺地帶，流域面積2 920 km2。處于昆明市轄區(qū)內(nèi)，主要包括昆明主城五華、盤龍、西山、官渡4區(qū)及呈貢、晉寧、嵩明3縣的50多個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))、街道［9］。滇池北面有一道天然湖堤將其分割成南北2部分水域，北部俗稱草海，南部稱外海，外海是滇池的主體部分。草海和外海的湖面面積分別為10.8、298.2 km2(1 887.4 m高程時)。滇池整個湖岸線長163 km，最大水深為11.3 m，平均水深約5.3 m，湖體容積1.56 km3［10］。

1.1 數(shù)據(jù)來源

時間尺度為1982—2012年，數(shù)據(jù)主要包括滇池水體CODMn、BOD5、TN、NH3-N 和TP 的歷年平均濃度，滇池流域人口，人均GDP等。CODMn、BOD5、TN、NH3-N和TP等水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于昆明市環(huán)境監(jiān)測中心、昆明市環(huán)保局和“十二五”滇池水專項調(diào)研資料，包括滇池生態(tài)安全調(diào)查與評估(2008年)，滇池流域水污染防治“十一五”規(guī)劃，滇池流域水污染防治“十二五”規(guī)劃以及期刊數(shù)據(jù)等。人口和GDP等社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于昆明市統(tǒng)計年鑒和昆明市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報等。

草海承接昆明主城區(qū)的生活污水，由于面積和容量較小，受到人為工程治理項目措施作用顯著。因此，研究僅采用滇池外海(8個監(jiān)測點(diǎn))的年平均數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。需要說明的是，在1982—2001年期間，滇池的監(jiān)測點(diǎn)位不斷調(diào)整變化，在最多年份達(dá)24個監(jiān)測點(diǎn)。2002年通過國家點(diǎn)位優(yōu)化認(rèn)證，最終確定了10個滇池監(jiān)測點(diǎn)位，其中草海2個，外海8個。

1.2 研究方法

時間序列趨勢判斷方法有參數(shù)統(tǒng)計檢驗法和非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法，雖然前者比后者更為有效，但是參數(shù)檢驗法要求數(shù)據(jù)獨(dú)立且服從正態(tài)分布，而非參數(shù)檢驗法只要求數(shù)據(jù)獨(dú)立，且不受少數(shù)異常值的干擾［11］。Mann-Kendall是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法［12］，廣泛應(yīng)用于水文、氣象資料的趨勢分析，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值干擾，尤其適用于順序變量［13］。研究選擇Mann-Kendall法分析水質(zhì)變化趨勢，并與Daniel趨勢檢驗法進(jìn)行對比驗證。

1.2.1 Mann-Kendall

在該檢驗法中，按照時間序列的順序，比較序列中每個值與其余值的大小，定義統(tǒng)計量(S)的計算公式為

當(dāng)n＞8時，S近似服從正態(tài)分布［14］，其均值和方差滿足式(3):

式中:m為n年時間序列中具有相同值的變量數(shù)目;tp為第p組的相同值數(shù)目。

統(tǒng)計檢驗值(Z)計算公式為

原假設(shè):序列無趨勢變化，采用雙邊檢驗，在給定顯著水平(α)，查算臨界值 (Z1－a/2)。當(dāng)|Z|≥Z1－a/2時，拒絕原假設(shè)，即在該置信水平上，時間序列存在顯著變化趨勢。Z的大小表示數(shù)據(jù)變化趨勢，Z＞0表示上升趨勢，Z＜0表示下降趨勢。

1.2.2 Daniel秩相關(guān)系數(shù)法

該法屬于非參數(shù)檢驗，采用秩相關(guān)系數(shù)檢驗趨勢變化的顯著性。Daniel秩相關(guān)系數(shù)(rs)計算公式為［14］

式中:di為秩次差，Xi為時期i到時期n按指標(biāo)數(shù)值從小到大排列的序號，Yi為對應(yīng)的按時間序列的序號，n為年份。rs＞0表示序列有上升趨勢，rs＜0表示有下降趨勢。將 | r s|與Spearman秩相關(guān)系數(shù)的臨界值(Wp)比較，若 |r s|＞W(wǎng)p表示變化趨勢有顯著的統(tǒng)計學(xué)意義。

2 污染物指標(biāo)變化趨勢

滇池水體污染指標(biāo)年際變化情況見圖1。

圖1 滇池水體污染指標(biāo)年際變化

2.1 CODMn與BOD5的變化

如圖 1(a)所示，1982—2012年間，滇池CODMn平均濃度變化范圍為5.31～12.58 mg/L，變異系數(shù)為0.25。1987—2012年間，滇池BOD5平均濃度變化范圍為2.16～6.08 mg/L，變異系數(shù)為0.25。

隨時間變化來看，滇池CODMn和BOD5不同時期的變化存在不穩(wěn)定性。CODMn在1982—1994年呈上升趨勢，1995年下降明顯，1995—2005年出現(xiàn)波動，變化趨勢不明顯，2006—2012年出現(xiàn)上升趨勢。1987—2012年BOD5與同期CODMn變化情況不同，BOD5在1987—1999年呈上升趨勢，在1999—2012年呈下降趨勢。總體來看，2012年CODMn較1982年增長了58.1%，2012年BOD5較1987年增長了21.4%。

2.2 TN與NH3－N的變化

如圖1(b)所示，1982—2012年，滇池TN濃度變化范圍為0.29～3.01 mg/L，變異系數(shù)為0.29。TN呈波動上升趨勢，2012年TN濃度比1982年增長了565%。1987—2012年，NH3-N濃度變化范圍為0.01～0.36 mg/L，變異系數(shù)為0.44。NH3-N總體呈上升趨勢，其中1987—2002年呈波動上升趨勢，2002—2012年變化相對平穩(wěn)。與1987年相比，2012年滇池NH3-N增長了204%。

2.3 TP的變化

如圖1(c)所示，1982—2012年，滇池 TP平均濃度范圍為0.09～0.33 mg/L，變異系數(shù)為0.31。滇池 TP年際變化波動較大，1982—1999年呈明顯上升趨勢，1999年達(dá)到峰值，1999—2012年呈下降趨勢。與1982年相比，2009年TP增長了102%。

2.4 富營養(yǎng)狀態(tài)的變化

根據(jù) 1999—2012年滇池水體 CODMn、TN、TP、SD和Clh-a數(shù)據(jù)計算滇池綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，分析1999—2012年滇池富營養(yǎng)化變化情況。如圖1(d)所示，1999—2012年滇池綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)變化范圍為60.8～69.8，屬于中度富營養(yǎng)。1999—2002年，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)不斷下降，2002年為60.8，接近輕度富營養(yǎng)級別;2002—2012年呈明顯的波動上升趨勢，2012年為68.43，比較接近重度富營養(yǎng)級別，滇池富營養(yǎng)化狀況在不斷惡化。

2.5 時間序列趨勢檢驗

總體來看，滇池水質(zhì)發(fā)生了顯著變化，但波動性較強(qiáng)，變化趨勢尚不明晰。為明確各污染指標(biāo)的變化特征，需要進(jìn)行統(tǒng)計檢驗。

計算 1982—2012 年滇池 CODMn、BOD5、TN、NH3-N和 TP(BOD5和 NH3-N為1987—2012年)的變化趨勢檢驗值。Mann-Kendall和Daniel檢驗結(jié)果均表明，滇池TN通過α=0.01顯著水平上的檢驗，表現(xiàn)出顯著的上升趨勢;Mann-Kendall檢驗表明NH3-N通過α=0.05顯著水平上的檢驗，而Daniel結(jié)果顯示NH3-N通過α=0.01顯著水平上的檢驗，總體而言，NH3-N有顯著上升趨勢。Mann-Kendall和Daniel檢驗均表明CODMn和TP略有上升，但都未通過α=0.05檢驗，表明趨勢不顯著。BOD5的Mann-Kendall統(tǒng)計值為0，而Daniel統(tǒng)計值為－0.044，表明BOD5基本未發(fā)生變化(表1)。

表1 滇池特征污染物(1982—2012年)Mann-Kendall和Daniel趨勢檢驗結(jié)果

3 滇池水質(zhì)與社會經(jīng)濟(jì)因素相關(guān)性

1988—2012年，滇池流域人口數(shù)量持續(xù)增長，由1988年172.7萬人增長到2012年363.2萬人，增長了1.1倍;經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，在人口不斷增長的情況下，人均GDP由1 777.5元增長到2012年的65 715.1元，增長了近36倍(圖2)。

圖2 1988—2012年滇池流域人口和人均GDP

社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致滇池流域城鎮(zhèn)生活污水及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動帶來的水土流失、化肥流失等污染物排放量的持續(xù)增長，滇池流域水環(huán)境狀況不斷惡化，水質(zhì)持續(xù)下降。通過對滇池流域人口、人均GDP與水質(zhì)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，揭示社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對滇池水質(zhì)變化的影響。選取CODMn、TN和TP作為表征滇池水質(zhì)的特征污染物，分析其與滇池流域社會經(jīng)濟(jì)因素的相關(guān)性。

對滇池水質(zhì)多年變化分析發(fā)現(xiàn)，2000年是水質(zhì)變化的關(guān)鍵年，相關(guān)研究［15］也有同樣的結(jié)論。2000年是“十五”計劃實施的開局之年，滇池治理的大量主要工作是在“九五”之后的2000年開展的。以2000年作為分界，采用IBM SPSS 20.0分別對 1988—2012、1988—1999 以及 2000—2012年的水質(zhì)數(shù)據(jù)與滇池流域人口和人均GDP進(jìn)行相關(guān)分析，并對相關(guān)系數(shù)(r)進(jìn)行顯著性檢驗，分析結(jié)果見表2。

表2 滇池水質(zhì)與流域人口、人均GDP相關(guān)性統(tǒng)計

由表2可見，1988—2012年，滇池 CODMn與人均 GDP，TN與人口、人均 GDP密切相關(guān)，在α=0.01水平上顯著相關(guān)。TP與人口、人均GDP呈負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性不強(qiáng)。1988—1999年，隨著滇池流域人口和人均GDP的不斷增長，TN和TP呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，其中TN與人均GDP，TP與人口和人均GDP都顯著相關(guān)。流域人口和人均GDP與CODMn濃度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)較低，不顯著。2000—2012年，隨著流域人口和人均GDP不斷增長，CODMn濃度不斷上升。CODMn與流域人口和人均GDP密切相關(guān)，在α=0.01水平上顯著相關(guān)。TN、TP與人口和人均GDP分別呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)性，但都不顯著。

4 社會經(jīng)濟(jì)因素對水質(zhì)變化的影響分析

滇池流域人口快速增長，人口聚集效應(yīng)明顯，滇池北岸昆明主城4區(qū)聚集了滇池流域80%以上的人口。人口的高度密集和快速城鎮(zhèn)化以及居民生活水平的提高和生活方式的改變，導(dǎo)致城市生活污水和污染物迅速增長，但排水管網(wǎng)、污水處理能力相對滯后導(dǎo)致滇池流域生活污染源不斷上升。2007年生活源污水排放量、CODMn、TN和TP排放量比1988年分別增長174%、297%、343%和461%。滇池流域城鎮(zhèn)人均每日綜合用水量從1988年的163 L增至2009年的240 L，隨著用水量的逐年增長，滇池清潔補(bǔ)給水、生態(tài)用水嚴(yán)重匱乏，給滇池流域水環(huán)境帶來了巨大的壓力。根據(jù)《昆明城市總體規(guī)劃修編(2008—2020)》和《昆明市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃(2011—2015年)》，2015、2020年滇池流域常住人口總數(shù)分別達(dá)到385.6萬、430萬人，城市化率達(dá)到90%以上［9］。隨著人口數(shù)量的持續(xù)增長，生活水平的提高，一方面污染物排放將進(jìn)一步增多，給流域水環(huán)境帶來巨大壓力;另一方面會增加對滇池流域的用水需求，使滇池的生態(tài)服務(wù)功能相對減弱。

昆明是中國最大的鮮切花生產(chǎn)、貿(mào)易基地。自1980年代中期，滇池流域特別是呈貢縣大力發(fā)展花卉、蔬菜種植業(yè)，流域農(nóng)業(yè)快速發(fā)展。雖然滇池流域第一產(chǎn)業(yè)比重大幅下降，但是第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值增長，農(nóng)業(yè)化肥使用量的不合理增長導(dǎo)致流域農(nóng)業(yè)面源污染不斷上升。隨著昆明市“退二進(jìn)三”步伐加快，滇池流域第三產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)飛速發(fā)展趨勢，其在地區(qū)生產(chǎn)總值中所占比重已上升到較高的水平，已取代工業(yè)成為流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)［16］。但第三產(chǎn)業(yè)污染排放量不斷增加，對滇池的壓力也日漸增強(qiáng)。

1990年代以來，尤其是1999年昆明市開展達(dá)標(biāo)排放“零點(diǎn)行動”，工業(yè)污染源得到有效控制，2008年工業(yè)源TN和TP排放量較1988年分別下降40%和65%。

社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對滇池水質(zhì)變化的影響可以歸結(jié)為4個方面:

第一，社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展是滇池水質(zhì)變化的重要原因。從CODMn、TN與人口、人均GDP的相關(guān)性分析結(jié)果可以看出，滇池流域人口、人均GDP與TN、CODMn關(guān)系密切。受到流域人口增長和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響，滇池水體TN和CODMn濃度呈不斷上升趨勢。TP與流域人口、人均GDP呈弱負(fù)相關(guān)，主要原因是滇池磷的治理取得一定成效，磷污染得到有效控制。

第二，2000年后社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對滇池TN、TP影響減弱。在流域人口持續(xù)增加的情況下，與2000年前相比，2000年后滇池TN、TP與流域人口的相關(guān)性明顯降低，甚至流域人口與TP呈負(fù)相關(guān)。這表明，2000年后對城市生活污水的收集和處理措施取得初步成效。2000年后城市生活污水的收集處理能力不斷增強(qiáng)，隨著2007年昆明市北岸截污工程的推進(jìn)，污水處理廠改建、擴(kuò)建工程的大規(guī)模展開，污水管網(wǎng)的建設(shè)與完善，2010年污水處理能力達(dá)到1.01×106m3/d，主城理論污水處理率達(dá)到95%。

在滇池流域人均GDP逐年持續(xù)增長的情況下，2000年后滇池TN、TP濃度與人均GDP的相關(guān)性明顯降低，特別是TP與人均GDP呈負(fù)相關(guān)。這表明2000年后經(jīng)濟(jì)發(fā)展對滇池的TN、TP的壓力在減小，即在經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的情況下，污染物產(chǎn)生量及入湖污染物的量得到一定削減。

第三，滇池TP濃度在1988—1999年不斷上升，1999年達(dá)到峰值，2000年出現(xiàn)下降趨勢，表明“十一五”以來滇池磷的治理取得一定成效。1998年昆明市政府發(fā)布了《關(guān)于在滇池流域內(nèi)禁止經(jīng)銷和限制使用含磷洗滌用品的通告》，無磷洗衣粉得到推廣應(yīng)用，減少了生活污水中磷的含量。同時，從1990年代起滇池流域先后建立8座污水處理廠和2處截污泵站，污水處理量和處理能力明顯提升，2007年點(diǎn)源TP削減量比1993年增加48倍，TP的有效削減對2000年后TP濃度下降起到關(guān)鍵作用?！笆晃濉逼陂g，政府進(jìn)一步加強(qiáng)了對磷污染的源頭控制，滇池面山采石場全面停封，滇池南岸富磷區(qū)礦山的生態(tài)和植被修復(fù)等工程項目都對磷匯入滇池起到重要作用。可以看出，滇池磷污染控制措施取得一定成效是滇池磷濃度在2000年后出現(xiàn)下降趨勢的關(guān)鍵原因。

第四，2000年前后社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對滇池CODMn影響特征不同。與2000年前相比，2000年后滇池CODMn與人口、人均GDP的相關(guān)性明顯增強(qiáng)，相關(guān)性由負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)轱@著正相關(guān)。

1996年西園隧道的建成使得草海水體不再流入外海，外海、草海水體無交換，昆明主城產(chǎn)生的污染物絕大部分流入草海，草海水域面積小(10.8 km2)，主城區(qū)點(diǎn)源 CODMn削減對草海CODMn濃度有顯著影響，草海水質(zhì)受到人為污染控制措施影響大。研究所用水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于外海監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)。外海的匯水區(qū)內(nèi)農(nóng)田比例比較大，CODMn污染源主要來自農(nóng)業(yè)、農(nóng)村面源污染和生活污染。一方面，外海的水域面積比較大(298.2 km2)，主城區(qū)點(diǎn)源CODMn削減對外海水體CODMn影響相對較小;另一方面，雖然滇池流域第一產(chǎn)業(yè)比重不斷下降，2002—2007年，第一產(chǎn)業(yè)比重由12.69%下降到3.35%，但第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值卻增長39.2%。農(nóng)業(yè)、農(nóng)村面源CODMn污染負(fù)荷呈上升趨勢，CODMn負(fù)荷量2007年比1988年增加46.8%。隨著人口增長和第一產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)、農(nóng)村面源CODMn排放不斷增加而沒有得到有效控制，這是CODMn在2000年后與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈顯著正相關(guān)的關(guān)鍵原因。

5 結(jié)論

基于滇池外海1982—2012年的水質(zhì)數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall和Daniel趨勢檢驗法解析滇池水體 CODMn、BOD5、TN、NH3-N 和 TP 的變化特征，揭示滇池典型污染物CODMn、TN、TP與人口、人均GDP的相關(guān)性，分析社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對滇池水質(zhì)的影響。主要結(jié)論為在α=0.01顯著水平上，滇池TN(1982—2012年)和 NH3-N(1987—2012年)呈顯著上升趨勢，CODMn和TP有上升趨勢但不顯著，BOD5基本未發(fā)生變化。滇池CODMn、TN濃度與流域人口、人均GDP密切相關(guān)，人口增長和社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展是滇池CODMn和TN濃度上升的重要原因。隨著滇池污染防治工作不斷推進(jìn)，2000年后滇池流域社會及經(jīng)濟(jì)發(fā)展對滇池TP、TN影響開始減弱;滇池磷治理取得初步成效。2000年前后，CODMn與人口、人均GDP相關(guān)性由負(fù)相關(guān)變?yōu)轱@著正相關(guān)，主要原因是滇池流域農(nóng)業(yè)、農(nóng)村面源尚未得到有效控制。

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