陳 昊
(1.上海市環(huán)境科學研究院,上海 200135; 2.同濟大學環(huán)境科學與工程學院,上海 200092)
國務院頒布實施的《水污染防治行動計劃》明確,城市建成區(qū)黑臭水體、喪失功能水體(劣于V 類水體標準)是水環(huán)境質(zhì)量改善的兩大階段性目標指標,是水生態(tài)功能系統(tǒng)初步恢復目標得以實現(xiàn)的基礎。上海市河網(wǎng)區(qū)域的水體量大面廣,鎮(zhèn)級以上河道即達到4 000 多條,而全市共有40 000 多個河湖水體,河道之間連通性較差,水質(zhì)差異較大,全覆蓋監(jiān)測一次經(jīng)費、人力投入極大。對個體河道而言,河道水質(zhì)情況受到溫度、季節(jié)、水文、上游來水水質(zhì)、污染來源特征、水體自身的降解能力等因素,尤其是偶然性污染排放的影響,使得同一監(jiān)測點位水質(zhì)存在一定范圍內(nèi)波動的情況。對照國家GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》,存在不同季節(jié)監(jiān)測評價出的水質(zhì)類別有幾個類別等級的差異的問題。這對長效監(jiān)管過程中劣V 類水體的識別和篩查帶來了很大的難度。利用統(tǒng)計學方法對歷年大量水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,能夠幫助我們有效降低水質(zhì)偶發(fā)性變化的影響,探索水質(zhì)在年際尺度內(nèi)的周期性變化規(guī)律。
因此,本文通過現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,識別上海市域的城市水體主要限制因子,并進行月度變化特征分析,探討在不同月份識別水體水質(zhì)類別進行水質(zhì)監(jiān)測的重點監(jiān)測因子和相應月份參考篩選值,為提高識別、篩查水體水質(zhì)效率提供參考技術手段。
上海市位于長江三角洲東緣,太湖流域下游,東瀕東海,南臨杭州灣,北依長江口,西接江蘇、浙江2省。根據(jù)2018 年的統(tǒng)計數(shù)據(jù),全市的常住人口2 423.78 萬人,戶籍人口1 447.57 萬人;年地表徑流量 32.03 億 m3,本地水資源總量 38.70 億 m3。
上海屬東亞副熱帶季風性氣候,全年四季分明,日照充分,雨量充沛。冬季盛行西北風,寒冷干燥;夏季多東南風,溫暖濕潤。多年平均氣溫15.2~15.7 ℃,多年平均降水量1 097.3 mm,70%集中在4~9 月。4~8 月盛行東南風,11 月至次年2 月盛行西北風。受到氣溫、降雨等氣象條件影響,上海市水環(huán)境質(zhì)量有明顯的季節(jié)性變化[1]。
根據(jù)GB 3838—2000《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》對水體功能類別的定義,I~V 類水體分別定義為源頭水、國家自然保護區(qū)、飲用水源保護區(qū)、水生生物棲息地、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)、工業(yè)和娛樂用水區(qū)、以及農(nóng)業(yè)和一般景觀用水區(qū)等功能,而劣于V 類水標準的水體,則被定義為喪失功能水體。
從水質(zhì)標準的修訂依據(jù)來看,夏青等[2-4]在編制我國水質(zhì)標準的過程中,考慮了將各項水質(zhì)因子從感官、生態(tài)毒性、水體富營養(yǎng)化等方面進行分類。其中,DO 作為水體感官指標及保護水生生物生存的指標,是魚類生存的必要條件,也是衡量水體水質(zhì)好壞的一項重要指標,IV 類水體考慮保證魚類正常生存的最低質(zhì)量濃度,定為3 mg/L,V 類水體為維持魚類不發(fā)生急性死亡,定為2 mg/L。NH3-N(非離子氨)則作為一項保護水生生物的毒理學指標[5-8],IV 類水體1.5 mg/L 參考了日本漁業(yè)水質(zhì)標準允許質(zhì)量濃度,同時兼顧NH3-N 對水體DO 下降的影響,在此基礎上確定V 類水標準。而在目前上海的實際應用中,NH3-N 也是作為生活污染、養(yǎng)殖污染的一項重要指針指標。TP 作為控制水體富營養(yǎng)化的主要指標,在基于國外研究的基礎上從防治水體富營養(yǎng)化角度提出了標準值[9-10],同時考慮了國內(nèi)水體富營養(yǎng)化原因的不同,對IV,V 類水體質(zhì)量濃度分別放寬至0.3 和0.4 mg/L 的標準,并建議各地區(qū)根據(jù)水體實際情況進行進一步控制。
R 語言是用于統(tǒng)計分析、繪圖的語言和操作環(huán)境,R 是屬于GNU 系統(tǒng)的一個自由、免費、源代碼開放的軟件,是一個用于統(tǒng)計計算和統(tǒng)計制圖的優(yōu)秀工具。RStudio 是R 的集成開發(fā)環(huán)境,界面更加豐富實用,使用起來更加方便,它具有調(diào)試、可視化等功能,還支持純R 腳本、腳本文檔混排、交互式網(wǎng)絡應用等。Spearman 斯皮爾曼相關系數(shù)可認為是等級變量之間的Person 皮爾遜相關系數(shù)。對于樣本容量為n 的樣本,n 個原始數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成等級數(shù)據(jù),原始數(shù)據(jù)依據(jù)其在總體數(shù)據(jù)中平均的降序位置,分配一個相應等級。
本文選取上海市典型水體2018 年水質(zhì)數(shù)據(jù)進行分析,DO,NH3-N 和 TP 是黑臭/劣 V 類水體的主要限制因子[11-13],通過RStudio 的R 語言編程平臺,分別對主要限制因子的2018 年度月度值與年均值進行相關性分析,計算Spearman 相關系數(shù),明確相關性較高的月份,探索不同因子對年均值起主導影響作用的月份。
回歸分析通常用來對數(shù)據(jù)元素之間的復雜關系建立模型,用來預測估計一種處理方法對結果的影響。本文在相關性分析的基礎上,利用RStudio 對特征月份濃度值與年均值關系進行線性回歸分析,尋找不同因子的最佳擬合回歸關系,以此明確識別劣V 類水體時不同水質(zhì)監(jiān)測因子在不同時間段的參考限值、監(jiān)測時間及頻次。
2018 年DO 濃度月度值與年均值相關系數(shù)及超標倍數(shù)見圖1。由圖1 可見,DO 與年均值相關性較高的月份為4~7 月(相關系數(shù)大于0.75),其中6 月相關性最高;冬季與夏季的相關性很低,可見單測某個季節(jié)的DO 濃度,不能說明該河道最好或最壞情況。從各月濃度與年均濃度比較來看,2 月份與年均值的比值相較其他月份而言最高,最高達到年均值的2.5 倍,有25%的斷面達到年均值的1.75 倍,有25%的斷面達到年均值的1.35 倍以上;而7 月份相比于年均值而言最低,75%的斷面僅達到年均值的0.8 倍。
DO 濃度整體最高的2 月份與年均值的相關性并不高,濃度整體較低的7 月份則與年均值相關性較高,可見DO 的年均值更多受到夏季低DO 條件下的水質(zhì)狀況影響[14-16],本文將進一步對于7 月份DO 濃度值與年均值進行回歸分析,建立DO 的7 月份對于年均值影響的擬合曲線。
圖1 DO 濃度月度值與年均值相關系數(shù)及超標倍數(shù)
NH3-N 濃度月度值與年均值相關系數(shù)及超標倍數(shù)見圖2。由圖2 可見,NH3-N 與年均值相關性較高的月份為 2,4 和 5 月(相關系數(shù)大于 0.85);冬季與夏季的相關性很低,可見單測某個季節(jié)的NH3-N濃度值,不能說明該河道最好或最壞情況。從各月濃度與年均值比較來看,2 月份與年均值的比值相較其他月份而言最高,3/4 以上的斷面2 月份較年均值高出20%以上,且有半數(shù)以上的斷面高出了50%;而10 月份相比于年均值而言最低,75%的斷面僅為年均值的0.8 倍,有半數(shù)斷面僅為年均值的0.5 倍。
NH3-N 濃度整體最高的2 月份與年均值的相關性同樣較高,而與年均值相關性同樣較高的4 月和5 月月度值與年均值相對趨同,分別有半數(shù)以上的斷面月度水質(zhì)與年均值的差異幅度在30%以內(nèi)。本文將進一步對于2 月份NH3-N 濃度值與年均值進行回歸分析,建立NH3-N 的2 月濃度值對于年均值影響的擬合曲線。
圖2 NH3-N 濃度月度值與年均值相關系數(shù)及超標倍數(shù)
TP 濃度月度值與年均值相關系數(shù)及超標倍數(shù)見圖3。由圖3 可見,TP 濃度月均值與年均值相關性較高的月份為4~8 月 (相關系數(shù)大于0.75),其中,5 月份相關系數(shù)最大; 冬季與夏季的相關性很低,可見單測某個季節(jié)的NH3-N 值,不能說明該河道最好或最壞情況。從各月濃度與年均值比較來看,7 月份月度值與年均值的比值相較其他月份而言最高,3/4 以上的斷面7 月份濃度值高于年均值,且有半數(shù)以上的斷面高出了50%; 而4 月份和11月份的月度值相比于年均值而言最低,各有75%的斷面月度值低于年均值,有半數(shù)斷面低于年均值10%以上。
TP 濃度整體最高的7 月份與年均值的相關性較高,而TP 濃度整體較低的4 月份與年均值的相關性同樣較高。本文將進一步對于7 月份TP 濃度值與年均值進行回歸分析,建立TP 在7 月份月度值對于年均值影響的擬合曲線。
圖3 TP 濃度月度值與年均值相關系數(shù)及超標倍數(shù)
選取DO 的2018 年7 月份濃度值與年均值進行擬合,見圖4。分別進行了一元線性回歸、指數(shù)、對數(shù)回歸分析,根據(jù)擬合結果,DO 的7 月濃度值與年均值更符合指數(shù)關系,為:
式中:ρ(DO)年均為 DO 全年平均質(zhì)量濃度,mg/L;ρ(DO)7月為 DO 7 月份監(jiān)測質(zhì)量濃度,mg/L。
圖4 DO 的7 月質(zhì)量濃度與年均值擬合結果
由圖4 可見,DO 質(zhì)量濃度在7 月份達到2 mg/L的情況下,年均質(zhì)量濃度對應為4.84 mg/L,若DO年均質(zhì)量濃度為2 mg/L 的情況下,7 月份對應僅為0.1 mg/L。
選取NH3-N 的2018 年2 月份濃度值與年均值進行擬合,見圖5。分別進行了一元線性回歸、指數(shù)、對數(shù)回歸分析,根據(jù)擬合結果,NH3-N 的2 月濃度值與年均值更符合指數(shù)關系,為:
式中:ρ(NH3-N)年均為 NH3-N 全年平均質(zhì)量濃度,mg/L;ρ(NH3-N)2月為 NH3-N 的 2 月份監(jiān)測值,mg/L。
圖5 NH3-N 的2 月質(zhì)量濃度與年均值擬合結果
由圖5 可見,NH3-N 在 2 月份質(zhì)量濃度為 2 mg/L 的情況下,年均質(zhì)量濃度對應為1.23 mg/L,若NH3-N 年均質(zhì)量濃度為2 mg/L 的情況下,2 月份可能為3.6 mg/L。
選取TP 的2018 年7 月份濃度值與年均值進行擬合,見圖6。分別進行了一元線性回歸、指數(shù)、對數(shù)回歸分析,根據(jù)擬合結果,TP 的7 月濃度值與年均值更符合一元線性關系,為:
式 中:ρ(TP)年均為 TP 全年 平 均 質(zhì) 量 濃 度,mg/L;ρ(TP)7月為 TP 的 7 月份監(jiān)測質(zhì)量濃度,mg/L。
圖6 TP 的7 月質(zhì)量濃度與年均值擬合結果
由圖6 可見,TP 的 7 月份質(zhì)量濃度為0 mg/L的情況下,年均質(zhì)量濃度為0.31 mg/L,若TP 年質(zhì)量濃度為0.4 mg/L 的情況下,7 月份會達到0.57 mg/L。
(1)各因子月度變化規(guī)律特征
從各因子的月度變化規(guī)律來看,不同因子間月度變化存在較大差異,顯示不同因子污染成因及特征不同。DO 在溫度導致的飽和DO 濃度、污染物耗氧速率等因素影響下月度變化差異較大; 不同斷面NH3-N 在各單一月度的差異幅度較大,并且總體呈現(xiàn)冬季較高的特征,主要原因在于NH3-N 易受局部污染影響且受降解速率影響較大;TP 全年的月度變化整體較為穩(wěn)定,在6~10 月較其余月份略高,其主要原因為地表徑流是TP 的主要污染源之一,6~10月為上海市降雨量較大季節(jié)。
(2)不同因子變化特征
在回歸分析中可以看出,DO,NH3-N 和TP 這3項指標的月度與年均值相關性均較高,可以說明月度數(shù)據(jù)能夠大致反映水質(zhì)斷面的整體情況,但不同指標的相關性變化特征不同,主要原因在于不同指標的污染成因、受溫度水文等影響因素的敏感性存在差異。
DO 的7 月監(jiān)測值與年均值符合指數(shù)關系。7 月份ρ(DO)≥10 mg/L 的斷面,其年均質(zhì)量濃度基本都≥6 mg/L,達到地表水 II 類水標準(ρ(DO)≥ 6 mg/L);7 月份ρ(DO)≥5 mg/L 的斷面,其年均質(zhì)量濃度基本≥5 mg/L,即7 月份高DO 的水體能夠反映其年度整體水質(zhì)較好;7 月份 ρ(DO)≤ 2 mg/L 的斷面,其年均質(zhì)量濃度介于2~7 mg/L 之間,可知單月高DO能夠反映好水體水質(zhì)狀況,但DO 年均值水平不能反映單月DO 濃度的對應水平。
NH3-N 的2 月濃度與年均值關系的指數(shù)關系擬合度較好。NH3-N 月度及年度質(zhì)量濃度較集中于2 mg/L(地表水V 類水標準為≤2 mg/L)以下,年均質(zhì)量濃度≥2 mg/L 的斷面,在2 月份基本同樣高于2 mg/L,可見2 月份NH3-N 質(zhì)量濃度≤2 mg/L,能夠確保該斷面年度整體水平≤2 mg/L,但年均質(zhì)量濃度≤2 mg/L 不能反映單月NH3-N 濃度的對應水平。
TP 的月度值與年均值關系呈現(xiàn)線性關系,且分布較平均,說明無論污染程度如何,TP 月度值與年均值均有較好的線性關系。TP 月度質(zhì)量濃度≤0.4 mg/L(地表水V 類水標準為≤0.4 mg/L)除 1 個斷面外其余各斷面年均值均≤0.4 mg/L,可見7 月份ρ(TP)≤0.4 mg/L,能夠基本確保該斷面年度整體水平≤0.4 mg/L,但年均質(zhì)量濃度≤0.4 mg/L 不能反映單月TP 濃度的對應水平。
(3)對水質(zhì)控制目標意義的討論
根據(jù)我國水質(zhì)標準中對于V 類水體的指標值制定的目的來看,無論是DO,NH3-N 還是TP,主要還是從水體感官、水生態(tài)保護、富營養(yǎng)化防控角度制定了較為寬松的標準值,為此郭曉茆、郭海娟等[7-8]也指出,任一時刻水體的任一項水質(zhì)因子未達到V 類水標準,即表明水質(zhì)支持V 類水某一使用功能就會有問題。這就要求我們在評價水體水質(zhì)類別時,在水質(zhì)季節(jié)變化影響特征下,應充分考慮各項水質(zhì)指標可能出現(xiàn)的最差情況。
目前,我們正在開展的消除劣V 類水體工作,可以說是全市水體從消除黑臭等感官問題逐步轉(zhuǎn)向以水生態(tài)修復為目標的重要節(jié)點目標之一,也是我們從關注水體功能分類到關注水生生物急性、慢性毒性兩類生態(tài)基準為體系的管理體系調(diào)整的基礎。通過回歸曲線推算得出不同指標在不同月份出現(xiàn)的最低值,可作為在水質(zhì)監(jiān)測頻次因客觀因素限制的情況下作為篩選黑臭/劣V 類水體的參考技術手段,確保各因子在不同月份的最差值達到水質(zhì)標準,才是我們真正消除劣V 類水體有意義的指標。
無論是黑臭水體還是劣V 類水體,DO,NH3-N是最主要超標因子,水質(zhì)的類別受到該2 項指標的影響最大,TP 則對V 類水體的達標有較大影響,在后期對于全市黑臭/劣V 類水體的識別中,建議重點關注 DO,NH3-N 和 TP 等 3 項指標。
整體而言,不同因子各月間濃度值存在較大波動,年均值與水質(zhì)較差月份的相關性較高,河道水質(zhì)年度整體情況受水質(zhì)最差月份的影響最大,應重點關注水質(zhì)最差月份的監(jiān)測情況,DO 應重點關注7月份,NH3-N 應關注 2 月份,TP 應關注 7 月。
回歸分析顯示,從判斷最差月份能夠達到V 類水標準的角度考慮,DO 質(zhì)量濃度在7 月份達到2 mg/L 的情況下,年均值對應擬合結果為4.84 mg/L;NH3-N 在2 月份質(zhì)量濃度為2 mg/L 的情況下,年均質(zhì)量濃度對應擬合結果為1.23 mg/L;TP7 的月份質(zhì)量濃度為0.4 mg/L 的情況下,年均質(zhì)量濃度對應擬合結果為0.31 mg/L。上述限值可作為上海市黑臭/劣V 類水體的初步識別限值,應對于達不到參考限值的水體進一步開展連續(xù)監(jiān)測,結合周邊污染源識別,方能明確其水質(zhì)實際情況。