武暕 趙奎 劉佳奇 丁振軍

（1.遼寧省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧沈陽(yáng) 110161；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所，遼寧沈陽(yáng) 110168；3.遼寧大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110036）

1 引言

氮是陸生和水生生態(tài)系統(tǒng)中不可缺少的營(yíng)養(yǎng)要素，在生物活動(dòng)中起著不可替代的作用，總氮是GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的一項(xiàng)重要水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)［1］，也是富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的要素之一［2］。近年來(lái)，氮污染已成為影響水生態(tài)系統(tǒng)健康和飲用水安全的重要因素［3］，對(duì)氮的污染特征研究及溯源分析工作已有序開(kāi)展，并且得出陸源是造成湖庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化以及近岸海域水質(zhì)惡化的主要來(lái)源［4-5］，而入海河流作為連接陸地和海洋的載體，是陸源污染物質(zhì)來(lái)源中主要途徑之一。2018年，生態(tài)環(huán)境部等部門(mén)印發(fā)了《渤海綜合治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃》，要求減少總氮等污染物入海量，并對(duì)總氮的削減量提出了考核要求。本文基于2017—2021 年遼寧省主要入海河流斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析總氮時(shí)空分布特征，利用ARIMA 模型對(duì)總氮污染較重的入海河流進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期掌握遼寧省總氮污染的主要特征，為管理部門(mén)精準(zhǔn)管控、靶向施策提供有效技術(shù)支持。

2 研究區(qū)域及方法

2.1 研究區(qū)域

遼寧省主要入海河流共計(jì)23 條，覆蓋沿海6個(gè)城市，從東到西依次為丹東、大連、營(yíng)口、盤(pán)錦、錦州和葫蘆島。其中，8 條河流注入黃海，15 條河流注入渤海。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析

采用2017—2021 年遼寧省入海河流入海斷面總氮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)及《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法（試行）》。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用Microsoft Excel 和R 語(yǔ)言（v4.2.2），數(shù)據(jù)處理與繪圖使用tidyverse包（v1.3.2），ARIMA 預(yù)測(cè)使用forecast 包（v8.20）進(jìn)行處理。

2.3 研究方法

利用ARIMA 模型開(kāi)展時(shí)間序列預(yù)測(cè)分析，該模型是一種精度較高的時(shí)間序列短期預(yù)測(cè)方法，能夠很好地認(rèn)識(shí)時(shí)間序列的結(jié)構(gòu)與特征，獲得最小方差意義下的最優(yōu)預(yù)測(cè)［6-7］。

3 結(jié)果分析

3.1 總體情況

2017—2021 年遼寧省23 條入海河流斷面總氮濃度均值在2.30～16.20 mg/L 之間，均超過(guò)地表水Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，全部為劣Ⅴ類(lèi)，其中，5 條河流總氮濃度在2～4 mg/L 之間，15 條河流總氮濃度在4～8 mg/L 之間，3 條河流總氮濃度大于8 mg/L，其中，浮渡河超標(biāo)最為嚴(yán)重，5 年總氮均值為16.2 mg/L，超Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)7.1 倍。

按匯入海區(qū)看，入渤海河流總氮濃度均值為6.99 mg/L，入黃海河流總氮濃度均值為3.62 mg/L，濃度同比高出93.1%，說(shuō)明入渤海河流的氮污染重于入黃海河流，應(yīng)引起管理部門(mén)的重視，加強(qiáng)對(duì)入渤海河流總氮管控措施。

3.2 時(shí)空變化趨勢(shì)

3.2.1 時(shí)間變化趨勢(shì)

從年度變化趨勢(shì)看，2017—2021 年5 年間遼寧省入海河流斷面總氮年均值在4.34～6.39 mg/L 之間，呈逐年上升趨勢(shì)。其中，2017 年最低，2021 年最高，與2017 年相比，2021 年總氮濃度均值增長(zhǎng)76.2%，說(shuō)明總氮污染持續(xù)加重。2017—2021 年遼寧省入海河流總氮年均值變化見(jiàn)表1。

表1 2017—2021 年遼寧省入海河流總氮濃度年均值

2017—2021 年遼寧省入海河流總氮年均值變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖1 2017—2021 年遼寧省入海河流總氮年均值變化趨勢(shì)

從月度變化趨勢(shì)看，2017—2021 年遼寧省入海河流的總氮月均值呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征，兩端高中間低，即春季與冬季總氮月均值較高，平均濃度在6.00 mg/L 以上，最高月份出現(xiàn)在2 月；夏季與秋季總氮月均值相對(duì)較低，在2.00～6.00 mg/L 之間變化，最小值出現(xiàn)在10 月。可能與汛期徑流量有很大相關(guān)性，因冬季氣溫低降雨量少，總氮無(wú)法消耗易蓄積，夏季隨著降雨量增大，總氮濃度被稀釋?zhuān)猿尸F(xiàn)出“U”型變化特征［3］。2017—2021 年遼寧省入海河流總氮月均值變化如圖2 所示。

圖2 2017—2021 年遼寧省入海河流總氮月均值變化趨勢(shì)

3.2.2 空間變化趨勢(shì)

分析遼寧省2017—2021 年5 年數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)得出，遼寧省入海河流總氮濃度從東到西總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，入渤海河流總氮濃度總體高于入黃海河流，且集中分布在營(yíng)口、盤(pán)錦、錦州及葫蘆島4 個(gè)城市［8-10］，結(jié)合近年來(lái)近岸海域監(jiān)測(cè)情況來(lái)看，主要超標(biāo)因子為無(wú)機(jī)氮，且超標(biāo)點(diǎn)位多集中在遼東灣頂部，與入海河流總氮污染有較好對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此加強(qiáng)入海河流，尤其是入渤海河流總氮污染治理勢(shì)在必行。

3.3 預(yù)測(cè)

為更好地掌握總氮污染變化趨勢(shì)，尤其是入渤海河流的總氮污染狀況，有必要基于歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)，為海洋環(huán)境精細(xì)化管理和精準(zhǔn)治污提供有力的技術(shù)支撐。選取位于遼東灣頂部的4 條入海河流，即遼河、大遼河、大凌河、小凌河開(kāi)展預(yù)測(cè)分析。首先利用2017—2021年總氮逐月數(shù)據(jù)，運(yùn)用ARIMA 模型預(yù)測(cè)2022 年總氮逐月數(shù)據(jù)，其次根據(jù)2022 年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)［7］。預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 遼寧省主要入海河流總氮濃度變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)

A 區(qū)域和B 區(qū)域分別代表95%置信區(qū)間與80%置信區(qū)間。遼河入海斷面2022 年總氮濃度各月的預(yù)測(cè)值在1.52～6.75 mg/L 之間，均值為3.94 mg/L，年度呈“U”型變化趨勢(shì)，年際間總體呈下降趨勢(shì)。大遼河入海斷面2022 年總氮濃度各月的預(yù)測(cè)值在3.83～7.96 mg/L 之間，均值為5.89 mg/L，年度呈“U”型變化趨勢(shì)，年際間總體呈上升趨勢(shì)。大凌河入海斷面2022 年總氮濃度各月的預(yù)測(cè)值在4.33～5.24 mg/L之間，均值為4.51 mg/L，年度平穩(wěn)，年際間總體呈波動(dòng)變化趨勢(shì)。小凌河入海斷面2022 年總氮濃度各月的預(yù)測(cè)值在3.45～14.4 mg/L 之間，均值為8.19 mg/L，年度呈“U”型變化趨勢(shì)，年際總體呈下降趨勢(shì)。

為了判斷模型的精準(zhǔn)度，采用預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的均方誤差（MSE）來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)精度的檢驗(yàn)，公式為：

式中，n 為樣本數(shù)量；yi為實(shí)測(cè)值；yi為預(yù)測(cè)值。

根據(jù)均方誤差計(jì)算結(jié)果，大遼河均方誤差值最小，為0.543，表明預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值很接近；遼河和大凌河均方誤差值分別為6.197 和3.608，表明誤差很小，在合理范圍內(nèi)；小凌河均方誤差值為14.14，表明預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值誤差較大，主要原因?yàn)樗h(huán)境實(shí)際上是受多方面影響的系統(tǒng)，而預(yù)測(cè)值是根據(jù)前5 年的數(shù)據(jù)波動(dòng)情況來(lái)進(jìn)行測(cè)算的，小凌河在2017年數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，可能是影響預(yù)測(cè)值的主要原因［6］。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)上述分析，得出2017—2021 年遼寧省主要入海河流的總氮污染年度呈“U”型變化趨勢(shì)，年際間呈上升趨勢(shì)，且入渤海河流總氮污染重于入黃海河流，分布特征為總氮濃度從東到西總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，污染主要集中分布在營(yíng)口、盤(pán)錦、錦州及葫蘆島4 個(gè)城市。選擇ARIMA 模型對(duì)總氮污染較重的4 條入海河流進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出ARIMA 模型能較好地?cái)M合總氮濃度變化趨勢(shì)，但是由于總氮監(jiān)測(cè)受環(huán)境等多方面因素影響以及模型本身的限制因素，未來(lái)結(jié)合其他模型共同預(yù)測(cè)可以提高預(yù)測(cè)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。建議管理部門(mén)有效控制總氮入河入海量，開(kāi)展氮污染溯源分析工作，精準(zhǔn)治污，助力打好重點(diǎn)海域綜合治理攻堅(jiān)戰(zhàn)。