祝新明,袁 婧,王 翡,李 莉,呂 升

(浙江省嘉興生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，浙江 嘉興 314000)

引 言

河流水資源是一種寶貴的自然資源，與人類的生存、發(fā)展息息相關(guān)。開展河流水質(zhì)評價，識別變化趨勢，有利于掌握河流的水環(huán)境污染特征，進而為河流水資源的合理開發(fā)利用和污染防治提供科學的技術(shù)支撐[1～3]。目前河流水質(zhì)評價有多種方法，如多元統(tǒng)計法[4]，BP神經(jīng)網(wǎng)絡方法[5]，模糊綜合法[6]等，其中綜合水質(zhì)標識指數(shù)法，因其評價簡便并能反映河流水質(zhì)完整信息而廣受歡迎[7]。河流水質(zhì)趨勢變化常常受汛期和非汛期影響，傳統(tǒng)的趨勢分析方法，如Spearman秩相關(guān)系數(shù)法難以監(jiān)測到部分變化趨勢[8]，季節(jié)性kendall趨勢檢驗法具有受季節(jié)性周期影響小，可以將側(cè)漏值和奇異值的影響降至最低等優(yōu)勢而應用廣泛[9]。

長山河作為嘉興市域內(nèi)的一條重要河流，承擔著航運、泄洪、飲用水源、灌溉等多種功能，但長期以來水質(zhì)以Ⅴ類、劣Ⅴ為主。近年來隨著“五水共治”、河長制等措施的不斷推進，其水質(zhì)得到了較大的改善，但對其水質(zhì)評價的相關(guān)報道較少，且主要集中在長山河海寧段[10]，難以反映長山河流域水質(zhì)狀況的全貌。因此本文利用綜合水質(zhì)標識指數(shù)法對2015～2019年長山河水質(zhì)開展評價，并利用季節(jié)性kendall檢驗法對近五年長山河水質(zhì)變化趨勢進行簡要分析，以期為長山河水資源保護和污染防治提供有益的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

長山河位于浙江省嘉興市，是一條人工開鑿的河流，為杭嘉湖南排工程的重要組成部分[11]。長山河起始桐鄉(xiāng)市洲泉鎮(zhèn)，河流總趨勢為西北東南向，東流先與杭州塘交匯，北岸與靈安港、康涇塘、南永興港連接，續(xù)東南流與長水塘交匯；東南流先后與呂冢港、武通港、里洪塘連接，南岸與袁花支河連接，最終經(jīng)長山閘入錢塘江，流經(jīng)桐鄉(xiāng)市、海寧市和海鹽縣，由于受工業(yè)、農(nóng)業(yè)面源、外來污水和生活污水的污染，長山河水環(huán)境問題比較突出[12]。長山河主干河道全長66.7km，河底寬度為8～65m，水域面積為4.71km2，為當?shù)亟煌ㄟ\輸，農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟社會發(fā)展發(fā)揮了重要的作用[13]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文以2015～2019年長山河上晚村、聯(lián)合橋等4個監(jiān)測斷面(見圖1)的地表水站月均值監(jiān)測結(jié)果為基礎，參照當?shù)亟唤訑嗝婵己藰藴剩x取高錳酸鹽指數(shù)，氨氮和總磷等3個指標作為評價因子，評價標準采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)，數(shù)據(jù)描述見表1。

圖1 長山河監(jiān)測斷面分布示意圖Fig.1 The distribution of monitoring sections of Changshan River

表1 2015～2019年長山河4個監(jiān)測斷面月均濃度變化表Tab.1 The monthly-average concentration of four monitoring sections of Changshan River during the year 2015～2019

續(xù)表1

1.3 評價方法

1.3.1 綜合水質(zhì)標識指數(shù)法

綜合水質(zhì)標識指數(shù)法兼具定性和定量評價特點，可以對河流綜合水質(zhì)做出合理評價[14]。其組成為

Iwq=X1.X2X3X4

(1)

公式(1)中Iwq為綜合水質(zhì)標識指數(shù)，X1為河流總體的水質(zhì)類別，X2為綜合水質(zhì)在X1類變化區(qū)間所處位置，X3為參與綜合水質(zhì)評價的指標劣于功能區(qū)目標單項指標個數(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。X1.X2為所有測量值的單因子水質(zhì)標識指數(shù)的整數(shù)位和小數(shù)位數(shù)第1位的平均值[15]。

通過綜合水質(zhì)標識指數(shù)Iwq的整數(shù)位和小數(shù)點后第1位，可以判定綜合水質(zhì)類別以及綜合水質(zhì)隨時空變化評價，判定關(guān)系見表2，具體判別方法見文獻[16]。

表2 綜合水質(zhì)標識指數(shù)的水質(zhì)級別評判及時空變化評價[16]Tab.2 The water quality grade evaluation and spatiotemporal change evaluation of comprehensive water quality identification index

1.3.2 季節(jié)性kendall檢驗

季節(jié)性kendall檢驗是Mann-Kendall檢驗方法的一種推廣，其可以克服河流水質(zhì)汛期非汛期的周期變化，側(cè)漏值和未檢出值等因素的不利影響而在水質(zhì)趨勢檢驗中應用廣泛[17-18]。季節(jié)性kendall檢驗的原理為將歷年相同的月(季)的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比較，如果后面的值高于前面的值，則記為“+”，否則記為“-”。如果“+”的個數(shù)比“-”的個數(shù)多，則為可能為上升趨勢，反之為下降趨勢，如果兩者相等則趨勢不明顯。

肯達爾發(fā)現(xiàn)，當n≥10時，隨機序列S近似服從正態(tài)分布：

(2)

且標準方差Z為：

(3)

趨勢檢驗的顯著水平α值為：

(4)

顯著性水平α為0.1和0.01，即當α≤0.01時，說明肯達爾檢驗具有高度顯著性水平；當0.01≤α≤0.1時，說明肯達爾檢驗是顯著性的。在α值滿足上述兩個條件情況下，當t>0時，則具有顯著性(或高度顯著性)上升趨勢；當t<0時，則具有顯著性(或高度顯著性)下降趨勢；當t=0則為無趨勢[19]。

利用季節(jié)性kendall檢驗法判斷水質(zhì)趨勢時，一般以5至8年為宜，過短或過長的水質(zhì)序列都可能導致趨勢分析結(jié)果的偏差[20]。因此為保證趨勢分析的可靠性，本文選取5年水質(zhì)序列進行季節(jié)性kendall檢驗。本研究中季節(jié)性kendall趨勢分析基于R軟件的wql軟件包(version0.4.9)提供的函數(shù)實現(xiàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 基于綜合水質(zhì)標識指數(shù)的水質(zhì)評價

對長山河4個水站監(jiān)測結(jié)果的年均值開展評價，各監(jiān)測點位綜合水質(zhì)標識指數(shù)結(jié)果見圖2。

圖2 2015～2019年長山河各監(jiān)測斷面綜合水質(zhì)Fig.2 The comprehensive water quality of monitoring sections of Changshan River from 2015 to 2019

由圖2可知，從空間跨度看，2015～2019年長山河四個監(jiān)測斷面均符合Ⅲ類水體功能區(qū)的要求，但水質(zhì)污染呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。具體看，晚村至聯(lián)合橋監(jiān)測斷面綜合水質(zhì)均有一定程度的惡化，綜合水質(zhì)分別惡化22.5%、6.4%、9.7%、5.9%和6.1%，其中以2015年綜合水質(zhì)惡化尤為顯著，說明長山河桐鄉(xiāng)段水質(zhì)惡化導致其出境水質(zhì)變差。2015～2019年聯(lián)合橋至長山河大橋監(jiān)測斷面綜合水質(zhì)有一定程度的改善，綜合水質(zhì)改善率分別為2.9%、0.3%、8.8%、19.4%和22.9%，其中2018年綜合水質(zhì)為輕微改善，2019年綜合水質(zhì)為顯著改善，說明長山河海寧段水質(zhì)改善導致其出境水質(zhì)變好。2015～2019年長山河大橋至長山閘一號橋監(jiān)測斷面綜合水質(zhì)改善分別為2.7%、8.6%、9.7%、6.9%和3.7%，水質(zhì)基本不變。從長山河入口和出口看，即晚村至長山閘一號橋監(jiān)測斷面綜合水質(zhì)看，2015年綜合水質(zhì)惡化15.8%，為輕微惡化，2016和2017年綜合水質(zhì)改善3.0%和9.7%，水質(zhì)基本不變，2018和2019年綜合水質(zhì)分別改善20.6%和21.2%，水質(zhì)改善顯著。

從時間跨度看，2015～2019年晚村斷面的綜合水質(zhì)均維持在Ⅲ類水平，但2019年較2015年綜合水質(zhì)惡化6.1%，水質(zhì)趨勢為基本不變，聯(lián)合橋斷面綜合水質(zhì)維持在Ⅲ類水平，2019年較2015年綜合水質(zhì)改善8.1%，水質(zhì)趨勢為基本不變。長山河大橋斷面2015年至2017年綜合水質(zhì)維持在Ⅲ類水平，2018年至2019年綜合水質(zhì)有所改善，達Ⅱ類水質(zhì)標準，2019年較2015年綜合水質(zhì)改善27%，為顯著改善。長山閘一號橋斷面2015至2016年綜合水質(zhì)為維持在Ⅲ類水平，2017年2019年綜合水質(zhì)有所改善，達Ⅱ類水質(zhì)標準，2019年較2015年綜合水質(zhì)改善27.8%，為顯著改善?？傮w看，近五年除晚村斷面水質(zhì)惡化外，其余三個監(jiān)測斷面水質(zhì)均有不同程度的改善，表明通過推動長山河沿線水污染企業(yè)污染整治，污水入網(wǎng)，推進農(nóng)村生活污水治理，種養(yǎng)業(yè)污染控制，減少農(nóng)田化肥使用量等水污染防治措施，長山河水質(zhì)得到了較大的改善，水質(zhì)由21世紀初以Ⅴ類，劣Ⅴ為主，轉(zhuǎn)變?yōu)闉棰箢愃|(zhì)為主體。

2.2 基于季節(jié)性kendall檢驗水質(zhì)趨勢分析

利用季節(jié)性kendall檢驗法對2015～2019年長山河各監(jiān)測斷面月均值水質(zhì)開展趨勢分析，結(jié)果見表3。

表3 長山河4個監(jiān)測斷面趨勢分析結(jié)果Tab.3 The trend analysis results of four monitoring sections of Changshan River

續(xù)表3

由表3可知，從監(jiān)測指標看，高錳酸鹽指數(shù)變化趨勢高度顯著上升有2個監(jiān)測斷面，占比50%，高度顯著下降有2個斷面，占比50%，氨氮變化趨勢高度顯著下降的有3個監(jiān)測斷面占比75%，無明顯趨勢變化的有1個監(jiān)測斷面，占比25%?？偭鬃兓厔莞叨蕊@著下降的有3個監(jiān)測斷面，占比75%，顯著下降的有1個監(jiān)測斷面，占比25%。根據(jù)莊犁等對嘉興市入河污染源解析研究表明嘉興市入河污染源以面源污染為主，而其中畜禽養(yǎng)殖污染是面源污染的主要來源[21]。以生豬為例，根據(jù)桐鄉(xiāng)市，海寧市和海鹽縣的生豬養(yǎng)殖統(tǒng)計結(jié)果顯示[22～27]，2019年比2015年生豬養(yǎng)殖數(shù)量均有大幅下降，其中海鹽縣下降幅度最大，這使得長山河大部分監(jiān)測斷面高錳酸鹽指數(shù)，氨氮，總磷等監(jiān)測項目濃度呈顯著下降成為可能。

從監(jiān)測斷面看，晚村斷面高錳酸鹽指數(shù)變化趨勢為高度顯著上升，每年約上升0.3mg/L，濃度中值為4.5mg/L，符合地表水Ⅲ類水質(zhì)標準。氨氮為無明顯趨勢變化，濃度中值為0.34mg/L，符合地表水Ⅱ類水質(zhì)標準。總磷變化趨勢為高度顯著下降，每年約下降0.0085mg/L，濃度中值為0.164 mg/L，符合Ⅲ類水質(zhì)標準。綜合水質(zhì)標識指數(shù)法對該斷面的時間跨度分析表明近五年綜合水質(zhì)變化不明顯，表明高錳酸鹽指數(shù)的惡化抵消了總磷顯著改善的效果，而該斷面為長山河入口，表明近五年從上游湖州方向的來水水質(zhì)未有較大的改善。

聯(lián)合橋斷面高錳酸鹽指數(shù)變化趨勢為高度顯著上升，每年約上升0.23mg/L，濃度中值為5.0mg/L，符合地表水Ⅲ類水質(zhì)標準；氨氮變化趨勢為高度顯著下降，每年約下降0.08mg/L，濃度中值為0.51mg/L，符合地表水Ⅲ類水質(zhì)標準，總磷變化趨勢為高度顯著下降，每年約下降0.009mg/L，濃度中值為0.194mg/L，符合地表水Ⅲ類水質(zhì)標準，綜合水質(zhì)標識指數(shù)法對該斷面的時間跨度分析表明近五年綜合水質(zhì)變化不明顯，說明高錳酸鹽指數(shù)顯著上升抵消了氨氮和總磷改善的效果。高錳酸鹽指數(shù)為有機污染指標，與人類活動密切相關(guān)，聯(lián)合橋斷面為長山河上桐鄉(xiāng)市的出境斷面，高錳酸鹽指數(shù)高度顯著上升可能與該區(qū)域內(nèi)農(nóng)田的化肥過量使用，農(nóng)村生活污水排放，畜禽養(yǎng)殖污染等有密切關(guān)系。因此需適時對長山河桐鄉(xiāng)段主流和支流范圍內(nèi)畜禽養(yǎng)殖污染源、農(nóng)業(yè)種植源和生活污染源等開展排查，有效控制畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)田的化肥使用量，推進生活污水有效治理。

長山河大橋監(jiān)測斷面高錳酸鹽指數(shù)，氨氮和總磷的變化趨勢均為高度顯著下降，每年分別下降約為0.54 mg/L、0.14 mg/L、0.0069 mg/L，濃度中值分別為4.2 mg/L、0.42 mg/L、0.124 mg/L，其中高錳酸鹽指數(shù)和總磷達到地表水Ⅲ類水質(zhì)標準，氨氮達地表水Ⅱ類水質(zhì)標準。長山閘一號橋監(jiān)測斷面高錳酸鹽指數(shù)，氨氮變化趨勢均為高度顯著下降，總磷變化趨勢為顯著下降，每年下降分別約為0.74 mg/L、0.078 mg/L、0.008 mg/L，濃度中值分別為4.0 mg/L、0.29 mg/L、0.107mg/L，其中高錳酸鹽指數(shù)和氨氮達到地表水Ⅱ類水質(zhì)標準，總磷達地表水Ⅲ類水質(zhì)標準。綜合水質(zhì)標識指數(shù)時間跨度分析表明長山河大橋和長山閘一號橋監(jiān)測斷面近5年來綜合水質(zhì)均為改善，與季節(jié)性kendall檢驗法的分析結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

本文綜合水質(zhì)標識指數(shù)法結(jié)合基于時間序列的季節(jié)性kendall檢驗對近5年來長山河水治理成效開展簡要的分析。

時間跨度分析表明，長山河綜合水質(zhì)類別均達到或好于Ⅲ類水質(zhì)標準；空間跨度分析表明，長山河水質(zhì)呈先惡化后改善趨勢。監(jiān)測指標變化趨勢為，高錳酸鹽指數(shù)上游呈高度上升趨勢，中下游呈下降趨勢，氨氮上游變化趨勢不明顯，中下游呈下降趨勢；總磷總體呈下降趨勢。

從分析結(jié)果看：一方面長山河水質(zhì)改善顯著，另一方面需要深化長山河上游交接斷面的聯(lián)合巡查聯(lián)合治理機制，進一步推動一體化治理，共同提升交接斷面水環(huán)境質(zhì)量。同時監(jiān)測指標變化趨勢也表明氨氮和總磷的污染趨勢得到控制，但部分斷面高錳酸鹽指數(shù)變化趨勢上升值得環(huán)境管理部門的重視。