2005～2018年渦河玄武河段水質(zhì)演變趨勢分析

王淑麗 李志萍 趙貴章 姚思雨 袁巧靈

摘要：水質(zhì)演變趨勢分析是水質(zhì)研究的基礎(chǔ)，也是水質(zhì)污染防治的有效手段，在水環(huán)境研究中具有重要意義。基于渦河流域玄武河段2005～2018年水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，通過綜合污染指數(shù)法、模糊綜合評價(jià)法和灰色關(guān)聯(lián)度評價(jià)法，對渦河玄武河段水質(zhì)進(jìn)行了綜合評價(jià)，分析水質(zhì)中的組分變化特征;采用線性趨勢、累積距平法、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)相結(jié)合的方式，識(shí)別渦河流域河流2005～2018年水質(zhì)指標(biāo)的變化趨勢，并進(jìn)行突變分析。結(jié)果表明：2010年前后水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)，水質(zhì)主要為Ⅱ類和Ⅲ類水，且較穩(wěn)定;溶解氧總體呈上升的趨勢，氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量和總磷含量總體呈下降趨勢，且氨氮、高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量下降趨勢顯著;各水質(zhì)指標(biāo)突變次數(shù)和突變時(shí)間存在著差異，且集中出現(xiàn)在2008～2013年和2016年。研究結(jié)果可為渦河水環(huán)境治理提供依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：

水質(zhì)變化; 綜合污染指數(shù)法; Mann-Kendall突變檢驗(yàn); 渦河流域

中圖法分類號(hào)： X522

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.003

0 引 言

水質(zhì)污染趨勢研究是水資源管理和水污染防治的基礎(chǔ)。渦河作為淮河流域第二大支流，水質(zhì)的變化嚴(yán)重影響著淮河水質(zhì)及沿岸地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。近幾十年來，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，污水大量排入河流，導(dǎo)致渦河入境水質(zhì)不佳，加上沿河各級(jí)控制閘長期關(guān)閉，河水徑流量逐年減少，水體自凈能力差，致使渦河成為淮河流域水污染嚴(yán)重、水資源供需矛盾突出、生態(tài)環(huán)境不斷惡化的典型支流之一。因此，研究渦河流域長時(shí)間尺度下水質(zhì)演變趨勢，對深入了解渦河水資源循環(huán)規(guī)律，保護(hù)流域生態(tài)環(huán)境具有重要的指導(dǎo)意義。

目前，國內(nèi)常用的水質(zhì)評價(jià)方法有單因子污染指數(shù)法[1-2]、模糊評價(jià)法[3-4]、主成分分析法、灰色關(guān)聯(lián)度評價(jià)法[5-6]等。劉榮榮等[1]基于單因子污染指數(shù)法對瀏河水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果表明各監(jiān)測斷面水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)超標(biāo)嚴(yán)重。張洪偉等[3]把模糊綜合評判法應(yīng)用于甘肅省正寧縣區(qū)域內(nèi)，針對不同河流和水庫地表水的水質(zhì)指標(biāo)檢測數(shù)據(jù)作出了定量的綜合評價(jià)。岳超等[5]通過引入灰色系統(tǒng)理論對東平湖進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)，得出了各斷面水質(zhì)的隸屬情況及水質(zhì)類別。國內(nèi)常用的水質(zhì)變化趨勢分析方法有Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法、Spearman秩相關(guān)系數(shù)法、線性趨勢法等。劉秀花等[7]應(yīng)用Spearman秩相關(guān)系數(shù)分析了丹江口水庫斷面主要污染因子的變化趨勢，并對顯著上升因子進(jìn)行了累積變化分析，結(jié)果表明水庫水質(zhì)總體上能達(dá)到調(diào)水的標(biāo)準(zhǔn)，但主要污染指標(biāo)的變化均呈上升趨勢。趙秋娜[8]基于Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)方法，對洋河水庫2004～2016年的總磷、高錳酸鹽指數(shù)和氨氮3項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果表明洋河水庫3項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)升高趨勢不顯著，水質(zhì)基本維持在Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)突變點(diǎn)基本集中在2005～2006年和2014～2015年。宋昱等[9]運(yùn)用季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)原理對松花江哈爾濱段的5個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)2006～2015年的4項(xiàng)主要污染因子進(jìn)行了變化趨勢檢驗(yàn)，結(jié)果表明5個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)的4項(xiàng)污染因子變化趨勢及顯著性存在差異，但基本都維持在Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。

由于水質(zhì)序列存在多因素干擾，為確保研究的可靠性，本文通過多種方法相結(jié)合的方式，在對研究結(jié)果分析比較的基礎(chǔ)上，開展綜合評估。為了提高水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用了水質(zhì)評價(jià)較為全面的綜合污染指數(shù)法，并分別引入模糊綜合評價(jià)法和灰色關(guān)聯(lián)度評價(jià)，進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)及污染程度分析。采用線性趨勢、累積距平法、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)3種方法相結(jié)合的方式，對水質(zhì)的變化趨勢過程、顯著性及突變點(diǎn)進(jìn)行綜合分析。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

渦河是淮河第二大支流，淮北平原區(qū)主要河道，呈西北向東南走向。渦河發(fā)源于河南省開封縣賈魯河腳下，東南流經(jīng)開封、通許、扶溝、太康、鹿邑和安徽省亳州、渦陽等地，最終注入淮河，具體地理位置如圖1所示。玄武段位于渦河中游，太康與鹿邑之間，玄武站是渦河流域中上游重要控制站，站以上河長147.6 km，流域面積4 020 km2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究所用的數(shù)據(jù)來源于渦河流域玄武站2005～2018年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用的水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)為溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、化學(xué)需氧量和總磷共5項(xiàng)，其監(jiān)測數(shù)據(jù)完整且連續(xù)。按照GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和《地表水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)辦法（試行）》的要求進(jìn)行水質(zhì)分析。

2 研究方法

2.1 水質(zhì)評價(jià)方法

本研究采用將綜合污染指數(shù)法[1-2]、模糊綜合評價(jià)法[3-4]、灰色關(guān)聯(lián)度評價(jià)法[5-6]相結(jié)合的方法，對渦河流域2005～2018年的水質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)。其中，綜合污染指數(shù)法是目前我國較為常用的水質(zhì)評價(jià)方法。該方法在推求各污染因子實(shí)測濃度與選定的水質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度比值的基礎(chǔ)上，進(jìn)行加和平均得到綜合污染指數(shù)（P），以此來確定水質(zhì)類別。綜合污染指數(shù)越低，水質(zhì)則越潔凈。若某水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)的污染指數(shù)大于1，表明該水質(zhì)指標(biāo)超過了規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限制，水質(zhì)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)越大，說明該水質(zhì)參數(shù)超標(biāo)越嚴(yán)重。

2.2 水質(zhì)變化趨勢分析方法

3 結(jié)果與討論

3.1 水質(zhì)評價(jià)

進(jìn)行綜合污染指數(shù)評價(jià)時(shí)，以GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類水為基準(zhǔn)，計(jì)算各年的地表水環(huán)境質(zhì)量綜合污染指數(shù)，結(jié)果如表1所列。由表1可知：2006～2008年水質(zhì)污染較為嚴(yán)重，綜合污染指數(shù)達(dá)到了1以上，2009年以后水質(zhì)污染程度逐漸降低。在多年監(jiān)測指標(biāo)中氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量的污染指數(shù)結(jié)果多次大于1，屬于超標(biāo)項(xiàng)，污染最嚴(yán)重。

為了探究水質(zhì)污染程度與各水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系，繪制渦河流域2005～2018年各水質(zhì)指標(biāo)變化過程與綜合污染指數(shù)及Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系如圖2所示。由圖2可以直觀地看出：除溶解氧與綜合污染指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，其他水質(zhì)指標(biāo)均與綜合污染指數(shù)呈正相關(guān);2010年之后溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷含量均達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，化學(xué)需氧量在Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)附近上下波動(dòng);綜合污染指數(shù)的變化趨勢與氨氮變化趨勢基本一致，且綜合污染指數(shù)總體呈現(xiàn)出波動(dòng)下降趨勢，水質(zhì)污染程度逐漸好轉(zhuǎn)。

借助于綜合污染指數(shù)評價(jià)法、模糊綜合評價(jià)法以及灰色關(guān)聯(lián)度評價(jià)法3種方法，對渦河流域2005～2018年的水質(zhì)進(jìn)行了綜合評價(jià)，結(jié)果如表2所列。由表2可知：3種方法的評價(jià)結(jié)果存在一定差異，但評價(jià)結(jié)果總體而言具有一定吻合度，且均顯示2006～2008年水質(zhì)污染較為嚴(yán)重，2010年前后水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn);從綜合污染指數(shù)評價(jià)法的結(jié)果來看，2010年之后水質(zhì)主要是中度污染和輕度污染;由模糊綜合評價(jià)法和灰色關(guān)聯(lián)度評價(jià)法的結(jié)果可知，2010年之后水質(zhì)主要是Ⅱ類和Ⅲ類水，且較穩(wěn)定。

3.2 水質(zhì)變化趨勢

線性趨勢分析結(jié)果及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果分別如圖3所示和表3所列。由圖3可知：溶解氧線性系數(shù)為0.086 3，總體呈上升趨勢;氨氮、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、總磷線性系數(shù)分別為-0.207 7，-1.947 0，-0.262 6，-0.020 1，均小于零，總體呈下降趨勢。由表3可知：溶解氧、總磷檢驗(yàn)值|t|t（0.05/2）=1.64，因此下降趨勢顯著。

累積距平法檢驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：溶解氧含量在2005～2010年呈現(xiàn)下降趨勢，在 2011～2018年呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢;氨氮含量在2005～2011年呈現(xiàn)上升的趨勢，2012～2018年呈現(xiàn)下降的趨勢，且在2011年發(fā)生了跳躍;化學(xué)需氧量在2005～2008年呈現(xiàn)上升趨勢，在2009～2018年呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢，且在2008年發(fā)生了跳躍;高錳酸鹽指數(shù)在2005～2011年呈現(xiàn)上升的趨勢，在2012～2018年呈現(xiàn)下降的趨勢，且在2011年發(fā)生了跳躍;總磷含量在2005～2008年呈現(xiàn)上升的趨勢，在2010～2018年呈現(xiàn)下降的趨勢，且在2008年發(fā)生了跳躍。

Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：溶解氧含量存在2個(gè)突變點(diǎn)，突變時(shí)間分別發(fā)生在2013年和2016年，且2個(gè)突變點(diǎn)均位于顯著信度線（α=0.05） 之間，表明突變不顯著;氨氮含量在2009年發(fā)生了突變，突變不顯著;化學(xué)需氧量在2009，2012年和2016年發(fā)生了突變，均不顯著;高錳酸鹽指數(shù)在2011年和2016年發(fā)生了突變，突變不顯著;總磷含量存在2個(gè)突變點(diǎn)，突變時(shí)間分別發(fā)生在2008年和2016年，2個(gè)突變點(diǎn)均不顯著。綜上所述，水質(zhì)指標(biāo)突變次數(shù)和突變時(shí)間存在著差異，但集中出現(xiàn)在2008～2013年和2016年。

4 結(jié) 論

本文選取渦河流域玄武河段2005～2018年的溶解氧、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量5項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，運(yùn)用綜合污染指數(shù)評價(jià)、模糊綜合評價(jià)和灰色關(guān)聯(lián)度評價(jià)法進(jìn)行了水質(zhì)綜合評價(jià)，分析其水質(zhì)變化特征;其次，運(yùn)用線性回歸、累積距平法和Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法識(shí)別渦河流域水質(zhì)指標(biāo)時(shí)間序列的變化趨勢，并進(jìn)行了突變檢驗(yàn)。得到結(jié)論如下：

（1） 3種水質(zhì)評價(jià)方法的結(jié)果具有一定吻合度，均顯示2006～2008年水質(zhì)污染較為嚴(yán)重，2010年以后水質(zhì)污染程度逐漸降低，水質(zhì)主要為Ⅱ類和Ⅲ類水，且較為穩(wěn)定;從2010年開始，溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷含量均達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，化學(xué)需氧量在Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)上下波動(dòng);主要超標(biāo)污染物是化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)和氨氮。

（2） 溶解氧總體呈上升趨勢，而氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量和總磷總體呈下降的趨勢，其中氨氮、化學(xué)需氧量和高錳酸鹽指數(shù)滿足置信度為95%的顯著性檢驗(yàn);溶解氧在2005～2010年呈現(xiàn)下降的趨勢，在 2011～2018年呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢;氨氮和高錳酸鹽指數(shù)在2005～2011年呈現(xiàn)上升趨勢，2012～2018年呈現(xiàn)下降的趨勢;化學(xué)需氧量和總磷含量在2005～2008年呈現(xiàn)上升指數(shù)的趨勢，在2009～2018年呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢。

（3） 各水質(zhì)指標(biāo)的突變次數(shù)和突變時(shí)間存在差異，但集中出現(xiàn)在2008～2013年和2016年;累積距平法突變點(diǎn)檢驗(yàn)結(jié)果包含在Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果中;突變點(diǎn)和水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)時(shí)間點(diǎn)具有較高吻合度，可為水質(zhì)預(yù)測提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉榮榮，顧妮娜，李國棟，等.基于單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法的瀏河水質(zhì)評價(jià)[J].江漢大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，47（2）：139-145.

[2] 鄭琨，張蕾，薛晨亮.單因子指數(shù)法在水質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用研究[J].地下水，2018，40（5）：79-80.

[3] 張洪偉，周添紅，張國珍，等.模糊綜合評判法在地表水水質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用[J].地下水，2017，39（1）：83-86.

[4] 潘俊，高維春，臧海洋.基于模糊綜合評價(jià)法在溪泉湖地表水中的水質(zhì)評價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33（增2）：551-553.

[5] 岳超，鄭志國，楊會(huì)清，等.灰色關(guān)聯(lián)分析法在地表水水質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用[J].治淮，2017（12）：17-18.

[6] 鄭志國，張升第，張秀敏.灰色關(guān)聯(lián)分析法在東平湖水質(zhì)評價(jià)中應(yīng)用[J].山東水利，2016（9）：55-56.

[7] 劉秀花，胡安焱.漢江丹江口水庫水質(zhì)變化趨勢研究[J].人民長江，2008，39（15）：36-38.

[8] 趙秋娜.基于Mann-Kendall模型的洋河水庫水質(zhì)變化趨勢分析[J].吉林水利，2018（3）：53-55.

[9] 宋昱，張思沖，王雪嬌，等.基于季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)法的松花江哈爾濱段水質(zhì)變化趨勢分析[J].哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2019，35（5）：105-110.

[10] 金保明.基于線性回歸與重標(biāo)極差R/S法的年平均流量變化趨勢分析[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2014，36（4）：347-350.

[11] 劉聚濤，楊永生，許新發(fā).撫河流域降水序列趨勢和突變特征分析[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，38（4）：569-574.

[12] 黃玥，黃志霖，肖文發(fā)，等.基于Mann-Kendall法的三峽庫區(qū)長江干流入出庫斷面水質(zhì)變化趨勢分析[J].長江流域資源與環(huán)境，2019，28（4）：950-961.

（編輯：劉 媛）