嘉興市區河道水質變化趨勢及影響因素分析

婁孝飛，王 穎，張海軍，張海平,*

(1. 同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092；2. 丹華水利環境技術〈上海〉有限公司，上海 200235；3. 嘉興市水利水電勘察設計研究院，浙江嘉興 314001)

城市河流作為城市經濟發展的命脈，與人類的發展密切相關，不僅具有供應水源、美化環境等基本功能，還具有保護自然生態及防洪排澇等重要作用[1-2]。近些年來不斷加速的城市化導致了城市水環境的嚴重惡化，降雨徑流沖刷大量的污染物，使其進入受納水體而造成污染[3-4]，我國的水質惡化問題日益嚴重，并逐漸成為制約地區發展的主要因素之一[5]。隨著人們對水環境質量要求的提升及對水環境現狀的關注，許多學者對河湖、水庫等水質變化情況及其影響因素進行了研究。王紫琦[6]應用試驗和模型兩種手段研究了北京城市河岸帶結構對河流水質的影響，發現河流溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N)、硝氮和總磷(TP)濃度均有明顯的季節變化，且改變護岸類型、水生植物的多度及河岸的彎曲程度等河岸帶的結構指標可使河流水質發生變化。段仲昭等[7]、車蕊等[8]采用統計分析或建模等方法分析了極端降水對流域水質的影響，確定其污染物特征及時空變化趨勢。王巍巍[5]利用模糊綜合評價、聚類分析以及Mann-Kendall測試等技術研究了大氣降水對錦州市河流水質的影響規律，得到錦州市水質模糊綜合評價指數與無量綱化降水量的回歸方程。張德林等[9]分析了淀山湖湖體CODMn、NH3-N和TN等水質資料變化規律及溫度、降水等對水質的影響，認為氣溫、光照等氣象因子通過影響水體中污染物來源、遷移轉化方式等過程而直接或間接地影響水質。楊潔等[10]分析了蘇州市河流水質與景觀格局之間的關系及其變化規律，發現蘇州市河流水質狀況總體較差，但呈現好轉趨勢，河流水質受到城鎮用地、旱地及水田的綜合影響并表現出尺度效應。宗棟良等[11]通過對西麗水庫降雨前、中、后水質以及雨水和地表徑流的監測分析，發現雨水和地表徑流中均含有嚴重超標污染物，降雨時, 水庫各項污染指標全面上升，雨后0.5 h水庫水體出現一定程度的自凈作用。李婉等[12]探討了河岸帶生態修復措施對北京轉河水質的影響，發現轉河NH3-N、硝氮、TP、DO的濃度均有非常明顯的季節變化，河流周邊的土地利用方式，水生植物的有無、類型、多度和生物量，護岸材料，河岸的曲直均對轉河水質有重要影響。劉梅等[13]研究認為，氣溫上升促進了底泥中內源氮、磷的釋放，降水減少降低了水體的稀釋能力，同時，減少陸地污染物進入水體。眾多研究表明，水體水質不僅受到土地利用、污染物排放等人為因素干擾，降水、光照、河岸環境等自然條件也會對其產生重要影響，故對河湖、水庫等水體水質變化的研究不僅要關注人為因素的影響，更要考慮自然條件的作用，尤其是對于城市內水體的研究。

圖1 嘉興地理位置和控制斷面分布Fig.1 Situation and Distribution of Rivers Control Sections in Jiaxing

嘉興市區地處杭嘉湖河網水系最發達地區，河流水質易受各種因素影響，因此，有必要對其水質變化趨勢及影響因素進行研究。本文根據嘉興市區河道的水質與降水歷史資料，研究水質指標變化趨勢及其影響因素，分析水質變化趨勢及降水對嘉興市區河流水質的影響規律，研究成果可為市區水環境治理提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區域概況

嘉興市(30°21′～31°2′N，120°18′～121°16′E)(圖1)東臨大海，南倚錢塘江，北靠太湖，西接天目之水，市域地勢低平，平均地面高程在2.16 m左右，水網密布，河道分布密度為每平方公里3.5 km。嘉興市屬東亞季風區，四季分明，雨量充沛。多年平均年降雨量為1 193.5 mm，80%的年份降水量多于1 000 mm。由于每年冬夏季風強弱、進退的時間等不同，各年降水狀況有差異，年際雨量變化較大。自2000年開始，嘉興市建設城市防洪工程，構建了嘉興市城市防洪大包圍圈；2011年起，利用城市防洪設施實施定期河道換水，通過排澇機組調節內河水位使得嘉興市區河水形成一個固定流向，從而引入活水、排出滯留水與污水并加快河水流速，以此達到引流入內帶走污水死水、改善水質的目的。

1.2 方法

收集2015年1月—2019年12月嘉興市區9個省市控斷面(編號及斷面名稱為：9塘匯、19北運橋、8石臼漾水廠、26長征橋、7龍鳳大橋、18南湖、31南門水廠、28倪家匯、27人中浜)及境外上游4個斷面(96新生新運橋、21新塍出口、1王江涇、30螞蟥塘橋)的地表水水質監測資料及同期日降水量觀測資料，水質監測頻次為每月一次。采用單因子評價法(即取某一評價因子的多次監測的極值或平均值，與該因子的標準值相比較。)對嘉興市大包圍圈內9個省市控斷面的水質進行評價，標準采用《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)，監測項目包括水溫、pH、電導率、DO、CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TN、TP、揮發酚、氰化物、汞、鉛、鎘、砷、銅、鋅、六價鉻、石油類、氟化物、糞大腸菌群、陰離子表面活性劑和硫化物共24項。其中，BOD5反映水體中有機物的污染狀況；COD反映水中受還原性物質污染的程度，是有機物相對含量的綜合指標之一；NH3-N是水體中的營養素，也是水體中的主要耗氧污染物；TN、TP是水體富含有機質的指標，可反映水體富營養化狀態。此6項指標可代表河流水質的基本情況，故主要對這6項指標進行分析。

應用Mann-Kendall檢驗法(M-K檢驗法)對河道水質CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TN和TP濃度的變化趨勢進行分析，以檢驗變化趨勢的強弱及顯著性。M-K檢驗法是被世界氣象組織推薦的一種非參數檢驗方法，適用于長時間序列的氣象及水文數據的變化趨勢的顯著性及突變特征的檢驗。非參數檢驗方法不要求數據總體服從特定的分布，且允許數據缺失，是理想的氣象及水文數據檢驗方法[7,14-15]。

在M-K檢驗中，原假設H0為時間序列數據(X1，X2，…，Xn)，是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本，備擇假設H1是雙邊檢驗，對于所有的i，j≤n，且i≠j，Xi和Xj的分布是不相同的，檢驗統計變量S如式(1)。

(1)

其中：當Xi-Xj大于、等于或小于零時，sign(Xi-Xj)分別為1、0、-1。S服從均值為0的正態分布，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。當n>10時，標準正態統計變量如式(2)。

(2)

在趨勢檢驗中，對于給定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2，則原假設是不可接受的，即在置信水平α上，時間序列數據存在明顯的上升或下降趨勢。Z為正值表示增加趨勢，負值表示減少趨勢，|Z|在大于等于1.64、2.32時表示通過了信度95%、99%顯著性檢驗。

2 結果和討論

2.1 市區河流水質特征

2015年1月—2019年12月，嘉興市大包圍圈內9個省市控制斷面的CODMn、CODCr濃度變化幅度較大，分別在2.50～8.93 mg/L(Ⅱ～Ⅳ類水)與5.00～35.60 mg/L(Ⅰ～Ⅴ類水)，平均值為4.91 mg/L與16.91 mg/L，均達到Ⅲ類水標準。對于CODMn，9個監控斷面中石臼漾水廠的水質最好，但波動較大；北運橋的水質最差，污染相對較嚴重。對于CODCr，9個監控斷面中石臼漾水廠的水質最好，龍鳳大橋的水質最差。此外，CODMn、CODCr濃度均存在季節變化，3月—8月濃度較高，而9月—翌年2月濃度較低。

BOD5濃度變化幅度很大，在0.50～10.60 mg/L(Ⅰ～劣Ⅴ類水)，平均值為3.93 mg/L，達到Ⅲ類水標準。9個監控斷面中石臼漾水廠的水質最好，且水質穩定，人中浜的水質最差。BOD5濃度存在季節變化，3月—8月濃度較高，而9月—翌年2月濃度較低，與COD變化趨勢相同。

NH3-N濃度變化幅度很大，在0.02～3.81 mg/L(Ⅰ～劣Ⅴ類水)，平均值為0.85 mg/L，達到Ⅲ類水。9個監控斷面中石臼漾水廠的水質最好，大多數時間達到Ⅱ類水標準，塘匯、人中浜的水質較差，且人中浜的水質波動很大。NH3-N濃度>2 mg/L的劣Ⅴ類水，主要集中在2016年8月以前；而≤0.15 mg/L的Ⅰ類水主要集中在2019年7月以后的時段。NH3-N濃度的季節變化比較明顯，1月—4月濃度較高，而5月—9月濃度較低。

TN濃度在0.61～8.78 mg/L，平均值為3.42 mg/L，整體波動較大。9個監控斷面中石臼漾水廠的水質最好，南門水廠最差。石臼漾水廠及龍鳳大橋的TN濃度在2019年7月之后有較明顯的改善，明顯低于其他7個控制斷面。TN 濃度的季節變化比較明顯，一年中高峰值出現在1月—4月，而低谷值出現在5月—9月，與NH3-N變化趨勢相同。

TP濃度在0.05～0.48 mg/L(Ⅱ～劣Ⅴ類水)，平均值為 0.18 mg/L，為Ⅲ類水標準。9個監控斷面中石臼漾水廠的水質最好，龍鳳大橋處的水質最差，大多數時間水質為Ⅳ類，且水質波動較大。TP濃度存在季節變化，高峰值出現在2月—4月，低谷值出現在8月—10月。

總體來說，CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N和TP指標大部分時間能達到Ⅲ類。9個監控斷面中石臼漾水廠的6項水質指標都比較低，水質較好，而位于市區下游的人中浜的水質相對較差。6項指標濃度變化趨勢如圖2所示。

圖2 2015年—2019年嘉興市區9個省市控斷面CODMn(a)、CODCr(b)、BOD5(c)、NH3-N(d)、TN(e)和TP(f)濃度變化Fig.2 Variations of CODMn(a), CODCr(b), BOD5(c), NH3-N(d), TN(e) and TP(f) Concentrations at 9 Control Sections in Jiaxing during 2015—2019

2.2 水質變化趨勢分析

對CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TN和TP 6項水質指標進行M-K檢驗分析，如表1所示。由表1可知，2015年—2019年嘉興市區河道水質濃度呈極顯著降低的趨勢，各指標整體Z值為-5.14～-2.73，p值均小于0.01。此外，6項水質指標中，CODMn的Z值最小(-5.14)，NH3-N次之(-4.34)，表明2015年—2019年，嘉興市區河道的CODMn和NH3-N濃度改善最為明顯。9個控制斷面中，石臼漾水廠和龍鳳大橋各項指標的Z值較小。龍鳳大橋位于杭州塘上，靠近市區西側，其水質可反映上游入境水質，表明近年來上游來水水質持續改善。石臼漾水廠水質的改善，則反映了上游來水水質改善及石臼漾濕地凈化的雙重效應。人中浜和北運橋位于市區下游，各項指標的Z值相對較大，表明市區仍存在一定的污染源。總體而言，9個控制斷面的水質改善趨勢極為明顯，表明嘉興市及整個杭嘉湖區域的河道水環境治理取得了良好的成效。

表1 嘉興市區河道水質指標的M-K檢驗結果Tab.1 M-K Test Results of River Water Quality in Jiaxing

注：*表示變化趨勢顯著，p<0.05；**表示變化趨勢顯著，p<0.01

2.3 影響因素分析

2.3.1 市區河道水質與上游來水相關性分析

統計分析嘉興市區河道的CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TN和TP濃度變化與上游來水水質的相關性，給定顯著性水平α=0.05，樣本數n=60，進行檢驗(表2)。市區水質指標與來水水質的相應指標呈極顯著正相關，CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TN和TP所對應的相關系數為0.830、0.500、0.607、0.835、0.603、0.502。CODMn、NH3-N指標的相關系數較大，相關性在6個指標中相對較強；CODCr和TP的相關性較弱，表明市區河道水質受上游來水的影響很大。

表2 市區河道水質與上游來水的相關性分析Tab.2 Correlation of Water Quality between Urban Rivers and the Upstream Rivers

注：*表示相關性顯著，p<0.05；**表示相關性顯著，p<0.01

2.3.2 市區河道水質與降雨量相關性分析

對市區河道CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TN和TP濃度與當天、前1 d、前2 d、前7 d、當月、前1個月和前2個月的降水量進行相關性分析，如表3所示。市區河道水質濃度與前7 d、當月降水量均無顯著相關性，CODMn濃度與當天降水量，CODCr濃度與當天降水量、前1 d降水量、前2 d降水量呈顯著負相關，表明河道CODMn和CODCr濃度受短期降水量影響明顯，降水量越大，CODMn和CODCr濃度越低。TN、NH3-N濃度與前2個月降水量呈顯著或極顯著負相關；TP濃度與前1個月和前2個月降水量呈極顯著正相關，表明市區河道NH3-N、TN和TP濃度對降水的響應呈現時間滯后性，在1～2個月。同時，較大的降水量可降低水體NH3-N和TN濃度，卻導致TP濃度升高。NH3-N和TN濃度降低主要為雨水的稀釋作用，降水對水體中 NH3-N、TN 的稀釋作用遠大于降水所形成的徑流而進入河流的NH3-N、TN。環境中的磷大量被吸附于土壤顆粒中，降雨形成的地表徑流使表土層被侵蝕而進入河流，導致水體含磷量增加[13, 16]，本研究也表現為這種現象。不同水質指標對降水呈現出復雜的響應特征，主要是因為不同水質指標的主要影響因素及污染來源有所不同，比如區域輸入性污染、城市防洪工程的調度運行、當地合流制管網的溢流等，而本文的影響因素是依據數理統計方法得到的，因此，需要收集更大空間范圍和更多方面的信息，以進一步深化研究。

表3 圈內水質指標與降水量的相關系數Tab.3 Correlation between River Water Quality and Precipitation

注：*表示相關性顯著，p<0.05；**表示相關性顯著，p<0.01

3 結論

(1)2015年—2019年，嘉興市區河道的CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N和TP濃度大部分時間能達到地表水Ⅲ類標準。總體而言，9個省市控斷面中，石臼漾水廠的水質較好，而位于市區下游的北運橋和人中浜的水質相對較差。時間上，CODMn、CODCr、BOD5濃度3月—8月較高，9月—翌年2月較低；NH3-N、TN濃度1月—4月較高，5月—9月較低；TP濃度高峰值出現在2月—4月，低谷值出現在8月—10月。

(2)M-K檢驗結果表明，2015年—2019年嘉興市區河道水質呈極顯著的改善趨勢，其中,CODMn和NH3-N濃度改善最為明顯。9個控制斷面中，石臼漾水廠和龍鳳大橋各項指標的Z值較小，而人中浜和北運橋的Z值相對較大，表明嘉興市及整個杭嘉湖區域的河道水環境治理取得了良好的成效，但市區仍存在一定的污染源。

(3)嘉興市區河道水質濃度與上游來水水質濃度呈極顯著正相關，表明嘉興市區河道水質受上游來水的影響很大。

(4)嘉興市區河道水質濃度對降水呈現出復雜的響應特征，前1～2 d較大的降水能明顯降低河道CODMn和CODCr濃度，而降水對河道NH3-N、TN和TP濃度的影響呈現1～2個月的滯后性，表明不同水質指標的主要影響因素及污染來源有所不同。