陳 昊

（1.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200135； 2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

0 引言

國務(wù)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(biāo)準(zhǔn)）是水環(huán)境質(zhì)量改善的兩大階段性目標(biāo)指標(biāo)，是水生態(tài)功能系統(tǒng)初步恢復(fù)目標(biāo)得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)。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(dá)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(biāo)準(zhǔn)》，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(xué)方法對歷年大量水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測的重點監(jiān)測因子和相應(yīng)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(shù)手段。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

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(fēng)性氣候，全年四季分明，日照充分，雨量充沛。冬季盛行西北風(fēng)，寒冷干燥；夏季多東南風(fēng)，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(fēng)，11 月至次年2 月盛行西北風(fēng)。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]。

1.2 我國地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)定義

根據(jù)GB 3838—2000《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》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(hù)區(qū)、飲用水源保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)的水體，則被定義為喪失功能水體。

從水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的修訂依據(jù)來看，夏青等[2-4]在編制我國水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行分類。其中，DO 作為水體感官指標(biāo)及保護(hù)水生生物生存的指標(biāo)，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(biāo)，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(hù)水生生物的毒理學(xué)指標(biāo)[5-8]，IV 類水體1.5 mg/L 參考了日本漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)上確定V 類水標(biāo)準(zhǔn)。而在目前上海的實際應(yīng)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(biāo)。TP 作為控制水體富營養(yǎng)化的主要指標(biāo)，在基于國外研究的基礎(chǔ)上從防治水體富營養(yǎng)化角度提出了標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，并建議各地區(qū)根據(jù)水體實際情況進(jìn)行進(jìn)一步控制。

1.3 分析方法

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(luò)應(yīng)用等。Spearman 斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)可認(rèn)為是等級變量之間的Person 皮爾遜相關(guān)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(yīng)等級。

本文選取上海市典型水體2018 年水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行相關(guān)性分析，計算Spearman 相關(guān)系數(shù)，明確相關(guān)性較高的月份，探索不同因子對年均值起主導(dǎo)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(fù)雜關(guān)系建立模型，用來預(yù)測估計一種處理方法對結(jié)果的影響。本文在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，利用RStudio 對特征月份濃度值與年均值關(guān)系進(jìn)行線性回歸分析，尋找不同因子的最佳擬合回歸關(guān)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。

2 結(jié)果與討論

2.1 月度變化相關(guān)性分析

2018 年DO 濃度月度值與年均值相關(guān)系數(shù)及超標(biāo)倍數(shù)見圖1。由圖1 可見，DO 與年均值相關(guān)性較高的月份為4~7 月（相關(guān)系數(shù)大于0.75），其中6 月相關(guān)性最高；冬季與夏季的相關(guān)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(dá)到年均值的2.5 倍，有25%的斷面達(dá)到年均值的1.75 倍，有25%的斷面達(dá)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(dá)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(guān)性并不高，濃度整體較低的7 月份則與年均值相關(guān)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(jìn)一步對于7 月份DO 濃度值與年均值進(jìn)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(guān)系數(shù)及超標(biāo)倍數(shù)

NH3-N 濃度月度值與年均值相關(guān)系數(shù)及超標(biāo)倍數(shù)見圖2。由圖2 可見，NH3-N 與年均值相關(guān)性較高的月份為 2，4 和 5 月（相關(guān)系數(shù)大于 0.85）；冬季與夏季的相關(guān)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(guān)性同樣較高，而與年均值相關(guān)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(jìn)一步對于2 月份NH3-N 濃度值與年均值進(jìn)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(guān)系數(shù)及超標(biāo)倍數(shù)

TP 濃度月度值與年均值相關(guān)系數(shù)及超標(biāo)倍數(shù)見圖3。由圖3 可見，TP 濃度月均值與年均值相關(guān)性較高的月份為4~8 月 （相關(guān)系數(shù)大于0.75），其中，5 月份相關(guān)系數(shù)最大； 冬季與夏季的相關(guān)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(guān)性較高，而TP 濃度整體較低的4 月份與年均值的相關(guān)性同樣較高。本文將進(jìn)一步對于7 月份TP 濃度值與年均值進(jìn)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(guān)系數(shù)及超標(biāo)倍數(shù)

2.2 回歸分析結(jié)果

選取DO 的2018 年7 月份濃度值與年均值進(jìn)行擬合，見圖4。分別進(jìn)行了一元線性回歸、指數(shù)、對數(shù)回歸分析，根據(jù)擬合結(jié)果，DO 的7 月濃度值與年均值更符合指數(shù)關(guān)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(jié)果

由圖4 可見，DO 質(zhì)量濃度在7 月份達(dá)到2 mg/L的情況下，年均質(zhì)量濃度對應(yīng)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(yīng)僅為0.1 mg/L。

選取NH3-N 的2018 年2 月份濃度值與年均值進(jìn)行擬合，見圖5。分別進(jìn)行了一元線性回歸、指數(shù)、對數(shù)回歸分析，根據(jù)擬合結(jié)果，NH3-N 的2 月濃度值與年均值更符合指數(shù)關(guān)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(jié)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(yīng)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(jìn)行擬合，見圖6。分別進(jìn)行了一元線性回歸、指數(shù)、對數(shù)回歸分析，根據(jù)擬合結(jié)果，TP 的7 月濃度值與年均值更符合一元線性關(guān)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(jié)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(dá)到0.57 mg/L。

2.3 討論

（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(dǎo)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(biāo)的月度與年均值相關(guān)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(biāo)的相關(guān)性變化特征不同，主要原因在于不同指標(biāo)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(guān)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(dá)到地表水 II 類水標(biāo)準(zhǔn)（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(yīng)水平。

NH3-N 的2 月濃度與年均值關(guān)系的指數(shù)關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)水平。

TP 的月度值與年均值關(guān)系呈現(xiàn)線性關(guān)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(guān)系。TP 月度質(zhì)量濃度≤0.4 mg/L（地表水V 類水標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)水平。

（3）對水質(zhì)控制目標(biāo)意義的討論

根據(jù)我國水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中對于V 類水體的指標(biāo)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(hù)、富營養(yǎng)化防控角度制定了較為寬松的標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到V 類水標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)充分考慮各項水質(zhì)指標(biāo)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(fù)為目標(biāo)的重要節(jié)點目標(biāo)之一，也是我們從關(guān)注水體功能分類到關(guān)注水生生物急性、慢性毒性兩類生態(tài)基準(zhǔn)為體系的管理體系調(diào)整的基礎(chǔ)。通過回歸曲線推算得出不同指標(biāo)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(shù)手段，確保各因子在不同月份的最差值達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，才是我們真正消除劣V 類水體有意義的指標(biāo)。

3 結(jié)論與建議

無論是黑臭水體還是劣V 類水體，DO，NH3-N是最主要超標(biāo)因子，水質(zhì)的類別受到該2 項指標(biāo)的影響最大，TP 則對V 類水體的達(dá)標(biāo)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(guān)注 DO，NH3-N 和 TP 等 3 項指標(biāo)。

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(guān)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(yīng)重點關(guān)注水質(zhì)最差月份的監(jiān)測情況，DO 應(yīng)重點關(guān)注7月份，NH3-N 應(yīng)關(guān)注 2 月份，TP 應(yīng)關(guān)注 7 月。

回歸分析顯示，從判斷最差月份能夠達(dá)到V 類水標(biāo)準(zhǔn)的角度考慮，DO 質(zhì)量濃度在7 月份達(dá)到2 mg/L 的情況下，年均值對應(yīng)擬合結(jié)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(yīng)擬合結(jié)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(yīng)擬合結(jié)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(yīng)對于達(dá)不到參考限值的水體進(jìn)一步開展連續(xù)監(jiān)測，結(jié)合周邊污染源識別，方能明確其水質(zhì)實際情況。