閩江下游水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

張 鵬，逄 勇,2，石成春，羅 丹

(1．河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2．河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098； 3．福州市環(huán)境科學(xué)研究院，福建 福州 350011)

閩江是福建省最大的河流，干流全長(zhǎng)541 km，流域面積60 992 km2，上游沙溪、富屯溪和建溪三大支流在南平附近匯合后稱閩江干流，南平以上為閩江上游，南平至水口水庫為閩江中游，水口水庫以下為閩江下游。閩江在福州市境內(nèi)流域面積約8 000 km2，長(zhǎng)約117 km，主要支流有安仁溪、梅溪、大目溪、溪源溪、陶江、大樟溪、源里溪、井下溪、小目溪、下洞江等。閩江水口水庫位于閩清縣，于1993年4月蓄水運(yùn)行[1-2]。閩江下游流經(jīng)閩清、白沙、竹岐、侯官，至南臺(tái)島上游淮安處被分為南、北港兩支流，南港、北港分流在洪汛期南港多，枯水期北港多，但由于南港近年嚴(yán)重挖沙，枯水期北港分流已經(jīng)越來越少[3]。南、北港至馬尾處重新匯合。隨著閩江流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，閩江流域污染物排放量逐年增大[4]，受河口潮汐環(huán)境的影響，水口水庫下泄流量較小時(shí)，河道內(nèi)污染物來回回蕩[5]，水體交換時(shí)間延長(zhǎng)[6]，嚴(yán)重威脅閩江下游水源地水質(zhì)安全。

為全面掌握閩江下游水環(huán)境狀況，分析河道水質(zhì)變化趨勢(shì)，增強(qiáng)管理工作的科學(xué)性、預(yù)見性，本研究采用季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)法，對(duì)水口水庫運(yùn)行以來1993—2011年閩江下游干流和主要支流的水質(zhì)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，并應(yīng)用偏相關(guān)分析法對(duì)鄰近人口聚集地的竹岐、魁岐斷面夏秋季DO降低的原因進(jìn)行分析，以期為閩江下游水環(huán)境管理和環(huán)境綜合決策提供科學(xué)的依據(jù)。

圖1 閩江下游省控?cái)嗝嫖恢梅植?/p>

1 研究資料和分析方法

1.1 研究資料

根據(jù)《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》設(shè)置的福州市國(guó)考、省考斷面，選擇閩江下游7個(gè)干流斷面(格洋口(國(guó)控?cái)嗝?、下西園(省控，跨縣界斷面)、竹岐(國(guó)控、跨縣界斷面)、魁岐(省控?cái)嗝?、灣邊(省控?cái)嗝?、閩安(國(guó)控?cái)嗝?、琯頭(國(guó)控、跨縣界斷面))和2個(gè)支流斷面(梅溪口(省控?cái)嗝?、大樟溪(國(guó)控?cái)嗝?)的水質(zhì)數(shù)據(jù)(圖1)，其中竹岐、魁岐、梅溪口靠近人口聚集區(qū)，水質(zhì)受人為影響較大。根據(jù)閩江下游水污染特征和省控監(jiān)測(cè)常規(guī)指標(biāo)，確定DO、CODMn、COD、BOD、NH3-N、TP、TN 7項(xiàng)指標(biāo)為分析項(xiàng)目，選取水口水庫運(yùn)行以來1993—2011年各月的水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料對(duì)閩江下游干流和支流的水質(zhì)變化趨勢(shì)和原因進(jìn)行分析。

1.2 季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)法

季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)法是Mann-Kendall檢驗(yàn)法的一種推廣，其原理是將歷年同月(同一時(shí)期)的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果后面的監(jiān)測(cè)值(時(shí)間上)大于前面的監(jiān)測(cè)值，則記為“+1”，小于則記為“-1”，相等則記為“0”[7-10]。如果求和大于0，則判為上升趨勢(shì)；如果求和小于0，則判為下降趨勢(shì)；如果求和等于0，則判為無明顯變化趨勢(shì)。該方法適用于河湖等水質(zhì)隨季節(jié)性規(guī)律變化的多年變化趨勢(shì)分析[9,11-12]。

季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)法的零假設(shè)H0為隨機(jī)變量，在時(shí)間上獨(dú)立，假設(shè)1年12個(gè)月的水質(zhì)數(shù)據(jù)具有相同的概率分布。設(shè)有n年p月的實(shí)測(cè)水質(zhì)資料矩陣X為

(1)

式中：xnp為第n年p月水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)值。

a． 對(duì)于p月中第i月(1≤i≤p，p≤12)的情況，根據(jù)季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)法，第i月歷年水質(zhì)序列相比較的“+1”和“-1”之和Si為

(2)

其中

設(shè)第i月內(nèi)水質(zhì)序列中共有ni個(gè)非漏測(cè)值，則第i月內(nèi)可作比較的差值數(shù)據(jù)組個(gè)數(shù)mi為

(3)

在零假設(shè)H0下，隨機(jī)系列Si(i=1，2，…，p)近似地服從正態(tài)分布，則Si的均值和方差為

E(Si)=0

(4)

(5)

若ni個(gè)非漏測(cè)值中有y個(gè)數(shù)值相同，則

(6)

b． 對(duì)于p月(p≤12)總體情況，令

在零假設(shè)H0下，p月Si的均值和方差為

E(Si)=0

(7)

(8)

其中

式中：Si和Sk(i≠k)均為獨(dú)立隨機(jī)變量的函數(shù)，即Si=f(Xi)，Sk=f(Xk)，其中Xi，Xk分別為第i月、k月歷年的水質(zhì)序列，且Xi∩Xk=φ。

因?yàn)閄i和Xk分別來自i月和k月的水質(zhì)實(shí)測(cè)資料，且全體時(shí)間序列X中的所有元素都是獨(dú)立的，故協(xié)方差Cov(Si,Sk)=0。將其代入式(5)，得

(9)

當(dāng)n年水質(zhì)系列有y個(gè)數(shù)相同時(shí)，同樣也有

(10)

若n≥10，S也服從正態(tài)分布，且標(biāo)準(zhǔn)方差Z為

(11)

c． 趨勢(shì)檢驗(yàn)。肯達(dá)爾檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量t=S/m，在雙尾趨勢(shì)檢驗(yàn)中，如果|z|≤zα/2，則接受零假設(shè)H0。這里FN(zα/2)=α/2，F(xiàn)N為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)，則

(12)

趨勢(shì)檢驗(yàn)的顯著水平α值為

(13)

取顯著性水平α為0.1和0.01，即當(dāng)α≤0.01時(shí)，說明肯達(dá)爾檢驗(yàn)具有高度顯著性水平；當(dāng)0.01<α≤0.1時(shí)，說明肯達(dá)爾檢驗(yàn)是顯著性的。在α值滿足上述兩條件情況下，當(dāng)t>0時(shí)，則具有顯著性(或高度顯著性)上升趨勢(shì)；當(dāng)t<0時(shí)，則具有顯著性(或高度顯著性)下降趨勢(shì)；當(dāng)t=0時(shí)，則為無趨勢(shì)。

1.3 偏相關(guān)分析方法

a． 兩個(gè)變量間的相關(guān)分析。正態(tài)分布的等間距測(cè)度的變量x與y相關(guān)系數(shù)采用Pearson積矩相關(guān)公式[12]計(jì)算：

(14)

b． 偏相關(guān)分析。控制變量z，變量x、y之間的偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式[13]為

(15)

式中：rxy,z為控制了z的條件下，x、y之間的偏相關(guān)系數(shù)；rxz、ryz分別為變量x、z間的和變量y、z間的相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于肯達(dá)爾檢驗(yàn)法的水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

表1 閩江下游水質(zhì)變化趨勢(shì)分析結(jié)果

注：↑表示顯著上升趨勢(shì)；↑↑表示高度顯著上升趨勢(shì)；↓表示顯著下降趨勢(shì)；↓↓表示高度顯著下降趨勢(shì)；☆表示無明顯變化趨勢(shì)。

經(jīng)過計(jì)算，閩江下游水質(zhì)變化趨勢(shì)分析結(jié)果見表1。由表1可見，9個(gè)斷面中有6個(gè)DO監(jiān)測(cè)值呈現(xiàn)高度顯著性下降趨勢(shì)，占66.67%，其他3個(gè)斷面未有明顯變化趨勢(shì)，可以得出閩江下游DO質(zhì)量呈明顯的惡化趨勢(shì)。有5個(gè)斷面的CODMn呈現(xiàn)顯著性或高度顯著性下降趨勢(shì)，占總數(shù)的55.56%，呈現(xiàn)顯著性或高度顯著性上升的有2個(gè)斷面，占22.22%，可以得出閩江下游CODMn質(zhì)量呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。有5個(gè)斷面的COD呈現(xiàn)顯著性或高度顯著性下降趨勢(shì)，占總數(shù)的55.56%，呈現(xiàn)顯著性或高度顯著性上升的有1個(gè)斷面，占11.11%，另外3個(gè)斷面COD監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未有明顯變化趨勢(shì)，因此閩江下游COD質(zhì)量呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。有2個(gè)斷面的BOD呈現(xiàn)顯著性或高度顯著性下降趨勢(shì)，占總數(shù)的22.22%，呈現(xiàn)顯著性或高度顯著性上升的有2個(gè)斷面，占22.22%，另外5個(gè)斷面BOD監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未有明顯變化趨勢(shì)，總的來說，閩江下游BOD質(zhì)量保持較好，未有明顯變化趨勢(shì)。4個(gè)斷面的NH3-N呈現(xiàn)顯著性或高度顯著性下降趨勢(shì)，占總數(shù)的44.44%，呈現(xiàn)顯著性或高度顯著性上升的有3個(gè)斷面，占33.33%，另外2個(gè)斷面NH3-N監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未有明顯變化趨勢(shì)，可見閩江下游NH3-N質(zhì)量保持較好，稍微有好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。9個(gè)斷面的TP均呈現(xiàn)顯著性或高度顯著性上升趨勢(shì)，總的來說，閩江下游TP質(zhì)量有明顯惡化趨勢(shì)。5個(gè)斷面的TN均呈現(xiàn)顯著性或高度顯著性上升趨勢(shì)，另外4個(gè)斷面TN監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未有明顯變化，總的來說，閩江下游TN質(zhì)量有明顯惡化趨勢(shì)。

總體來說，近十幾年來閩江下游水體水質(zhì)總體較好[15]，各指標(biāo)均滿足GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水要求，但局部水質(zhì)有惡化趨勢(shì)，尤其以DO為最。6個(gè)DO監(jiān)測(cè)值呈現(xiàn)高度顯著性下降趨勢(shì)的斷面中，格樣口斷面靠近水口水庫，DO較低是由于水口水庫底部泄水，低DO的水體復(fù)氧不及時(shí)所致；其他5個(gè)斷面主要是靠近人口聚集地，DO有明顯的降低趨勢(shì)，其中鄰近福州市區(qū)的北港魁岐斷面水質(zhì)明顯比其他干流斷面的水質(zhì)差，其主要受福州2條城市內(nèi)河(白馬河和光明港)的污染。琯頭斷面DO未有明顯變化，由于靠近外海，受漲落潮影響，高DO的海水稀釋，總體水質(zhì)較好。支流的梅溪口斷面受閩清鎮(zhèn)的影響，水質(zhì)相對(duì)較差，但近十幾年除了TP上升外，其他水質(zhì)指標(biāo)有明顯好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，說明閩清治污措施卓有成效。

為更直觀地分析閩江下游DO變化趨勢(shì)，選取靠近閩侯縣的竹岐斷面和靠近福州市區(qū)的魁岐斷面進(jìn)行進(jìn)一步研究，兩個(gè)斷面DO均有高度顯著性下降趨勢(shì)。為了排除溫度、豐平枯下泄流量的影響，選擇兩個(gè)斷面1993—2011年的夏秋季(6—11月)DO監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)每4年一個(gè)均值進(jìn)行分析，其變化趨勢(shì)見圖2。由圖2可見，竹岐、魁岐斷面夏秋季DO均值總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。1997—2000年DO比1993—1996年稍有降低，主要受竹岐斷面流量增大的影響；2009—2011年與2005—2008年竹岐斷面流量變化不大的情況下，魁岐斷面相比竹岐斷面DO明顯下降，一方面是由于污染物的增加，另一方面最主要原因是北港分流比的減小，流入北港的流量相比之前明顯減少，統(tǒng)計(jì)可知2009—2011年北港平均流量為387 m3/s(北港分流比為40%)，比2005—2008年的675 m3/s(北港分流比為23%)降低了43%，然而竹岐斷面流量?jī)H僅降低了6%。

圖2 1993—2011年竹岐、魁岐斷面夏秋季DO及竹岐斷面流量變化趨勢(shì)

2.2 基于偏相關(guān)分析法的竹岐、魁岐斷面DO降低原因分析

2.2.1 竹岐、魁岐斷面DO與徑流量的偏相關(guān)性分析

低DO主要發(fā)生在高溫季節(jié)，分析1993—2011年夏秋季(6—11月)竹岐、魁岐斷面DO質(zhì)量濃度均值與年均徑流量的相關(guān)性，DO質(zhì)量濃度與徑流量的散點(diǎn)分布及趨勢(shì)線見圖3，可見兩者有一定的線性關(guān)系。

(a) 竹岐斷面

(b) 魁岐斷面

地區(qū)污染物排放量與生產(chǎn)總值一般呈線性關(guān)系，在污染物排放量不確定的情況下，由于閩江流域環(huán)境污染指數(shù)還未達(dá)到庫茲涅茨曲線的拐點(diǎn)，尚處于環(huán)境污染隨經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)而加重的階段[16]，因此可以利用地區(qū)GDP的變化反映污染物排放量的變化。以福州市區(qū)GDP為控制變量，分析竹岐、魁岐多年夏秋季DO質(zhì)量濃度與竹岐斷面年均徑流量的偏相關(guān)關(guān)系(因極端流量下DO與流量相關(guān)性不好，除去1998、2010年兩個(gè)極端洪水年份)。1993—2011年(1998、2010除外)，竹岐斷面的夏秋季DO質(zhì)量濃度與竹岐斷面徑流量有極顯著性強(qiáng)相關(guān)，偏相關(guān)系數(shù)為0.749，魁岐斷面的夏秋季DO質(zhì)量濃度與徑流量有極顯著性極強(qiáng)相關(guān)，偏相關(guān)系數(shù)為0.866。可以看出，控制福州市GDP的情況下，隨著閩江干流下游竹岐斷面年均徑流量的增大，竹岐、魁岐斷面DO質(zhì)量濃度呈現(xiàn)顯著性增加趨勢(shì)；反之，隨著流量的降低，兩個(gè)斷面DO質(zhì)量濃度也降低[17]。

2.2.2 竹岐、魁岐斷面DO與福州市GDP的偏相關(guān)性分析

1993—2011年夏秋季(6—11月)竹岐、魁岐斷面DO質(zhì)量濃度均值與福州市GDP散點(diǎn)分布和趨勢(shì)線見圖4，兩者呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系。

(a) 竹岐斷面

(b) 魁岐斷面

以徑流量為控制變量，分析1993—2011年竹岐、魁岐斷面的夏秋季節(jié)DO與福州市GDP的偏相關(guān)性，可知竹岐斷面的夏秋季DO與福州市GDP有極顯著性強(qiáng)相關(guān)，偏相關(guān)系數(shù)為-0.739，魁岐斷面的夏秋季DO與福州市GDP有極顯著性極強(qiáng)相關(guān)，偏相關(guān)系數(shù)為-0.875。可以看出，在控制徑流量的情況下，隨著福州市GDP的增加，竹岐、魁岐斷面DO質(zhì)量濃度呈現(xiàn)顯著性降低趨勢(shì)，進(jìn)而說明隨著污染物排放量的增加，水體DO會(huì)越來越低。

3 結(jié) 論

a. 近十幾年來，閩江下游水質(zhì)總體較好，上段的水口水庫和下段的入海口河道水質(zhì)變化不大，但鄰近人口聚集地的河道水質(zhì)狀況呈下降趨勢(shì)，尤其是竹岐、魁岐斷面夏秋季DO降低最為明顯，北港魁岐斷面的DO不僅受上游城市內(nèi)河排污的影響，而且受北港分流比的影響。

b. 控制福州市GDP的情況下，1993—2011年(1998、2010除外)竹岐、魁岐斷面的夏秋季DO質(zhì)量濃度與竹岐徑流量均成極顯著性正相關(guān)，偏相關(guān)系數(shù)分別為0.749和0.866；控制徑流量的情況下，1993—2011年竹岐、魁岐斷面的夏秋季DO與福州市GDP均成極顯著性負(fù)相關(guān)，偏相關(guān)系數(shù)分別為-0.739 和-0.875。

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