潭江水質(zhì)時(shí)空變化特征及其驅(qū)動(dòng)因子

蘇程佳，陳曉宏，譚永強(qiáng)，歐陽衛(wèi)華

(1.全國(guó)博士后創(chuàng)新(江門)示范中心，廣東 江門 529000; 2.廣東省江門市生態(tài)環(huán)境局，廣東 江門 529000；3.中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心，廣東 廣州 510275)

水質(zhì)作為評(píng)價(jià)河流生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康的重要指標(biāo)，是自然因素以及人類活動(dòng)對(duì)水生態(tài)環(huán)境影響的綜合體現(xiàn)[1-2]。河流作為城市供水主要來源之一，其水質(zhì)的優(yōu)劣不僅關(guān)系到當(dāng)?shù)氐墓┧踩灿绊懼?dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。然而，隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快，世界各地的河流都出現(xiàn)了嚴(yán)重的水污染現(xiàn)象，水污染愈發(fā)成為水環(huán)境治理的突出問題[3-6]，如印度的恒河[7]、印度尼西亞的芝塔龍河[8]、英國(guó)的泰晤士河[9]以及國(guó)內(nèi)的海河、遼河、汾河、練江、茅洲河等[7-12]，近年來因污染嚴(yán)重成了重點(diǎn)治理的對(duì)象。

潭江是珠江流域三角洲河網(wǎng)的重要組成部分，近年來隨著水環(huán)境治理力度的加大，水環(huán)境質(zhì)量有了一定的提升，但還存在不少問題。李艷靜等[13]對(duì)潭江表層沉積物中多環(huán)芳烴分布特征及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究結(jié)果表明，潭江沉積物多環(huán)芳烴污染整體處于中等污染水平，而且部分采樣點(diǎn)某些多環(huán)芳烴含量超過了效應(yīng)區(qū)間低值，可能對(duì)生物存在潛在危害。陳偉濤[14]基于2001—2010年的水質(zhì)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，潭江上游河段水質(zhì)較好,而且顯著優(yōu)于中下游水質(zhì)，入海口河段則為輕度污染；而唐廉等[15]的研究卻發(fā)現(xiàn)，潭江上游水質(zhì)最好，中游及入海口附近水質(zhì)次之，下游水質(zhì)最差。兩者的研究結(jié)果并不一致，說明潭江的水質(zhì)變化特征較為復(fù)雜，仍需進(jìn)一步研究。

科學(xué)認(rèn)識(shí)水質(zhì)的變化特征及其驅(qū)動(dòng)力是解決水生態(tài)環(huán)境問題的關(guān)鍵[16-17]，但目前關(guān)于潭江水質(zhì)的研究主要集中在其變化特征方面[13，15]，對(duì)水質(zhì)變化的驅(qū)動(dòng)力分析尚不多見。此外，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平的不斷提高，人民群眾對(duì)水環(huán)境的要求越來越高，2019年出臺(tái)的《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》對(duì)大灣區(qū)的水環(huán)境治理提出了更高的要求。基于此，本文采用Mann-Kendall(M-K)趨勢(shì)檢驗(yàn)以及水質(zhì)綜合指數(shù)等方法分析了潭江2001—2019年的水質(zhì)變化特征，利用主成分分析方法識(shí)別了主導(dǎo)潭江水質(zhì)變化的水質(zhì)參數(shù)，并通過相關(guān)性模型分析了影響水質(zhì)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子，以期為區(qū)域水環(huán)境治理提供參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況

潭江(圖1)是珠江流域三角洲諸河之一，干流全長(zhǎng)248 km，集水面積5 068 km2。潭江發(fā)源于廣東省陽江市牛圍嶺山，自西向東流至江門市新會(huì)區(qū)雙水附近折向南流，匯入珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)，最終在江門市新會(huì)區(qū)崖門口入南海[15]。

圖1 潭江流域水質(zhì)站點(diǎn)分布

1.2 研究數(shù)據(jù)及其來源

選取潭江流域具有代表性的溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學(xué)需氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)和總氮(TN)等7項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)對(duì)潭江水質(zhì)變化特征進(jìn)行分析。采用的逐月水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于江門市生態(tài)環(huán)境局，數(shù)據(jù)年限為2001—2019年，其中CODMn、TP、TN這3項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的年限為2003—2019年，對(duì)涉及COD、TP、TN參與的計(jì)算過程均采用與這3項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)相同的年限數(shù)據(jù)，逐年水質(zhì)數(shù)據(jù)利用逐月水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均得到。恩城水廠、牛灣和蒼山渡口分別是潭江上、中、下游的水質(zhì)代表站(圖1)。人口、GDP、降水量、森林覆蓋率等水質(zhì)變化的影響因子同期數(shù)據(jù)來源于江門市的統(tǒng)計(jì)年鑒。

2 研究方法

采用M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)[18]以及水質(zhì)綜合污染指數(shù)[19]等方法分析潭江2001—2019年的水質(zhì)變化特征，利用主成分分析方法[20]識(shí)別主導(dǎo)潭江水質(zhì)變化的水質(zhì)參數(shù)，最后通過相關(guān)性模型[21]分析影響水質(zhì)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。

2.1 M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)

M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，該方法不要求數(shù)據(jù)服從某一概率分布且具有與參數(shù)檢測(cè)方法相同的檢測(cè)能力，人為影響因素少、定量化程度高。其定義[18]如下：

設(shè)序列為x1、x2、…、xn，令S為

(1)

式中：xi、xj分別為序列第i年和第j年的變量值，且j>i；sign為符號(hào)函數(shù)。隨著n增大，S近似服從正態(tài)分布。M-K統(tǒng)計(jì)量Z計(jì)算公式為

(2)

式中：σS為S的標(biāo)準(zhǔn)差，其中Z>0表明序列有上升趨勢(shì)，Z<0表明序列有下降趨勢(shì)，Z=0表明序列既無上升又無下降的趨勢(shì)。當(dāng)|Z|≥1.65、1.96、2.58時(shí)分別表示通過了置信水平為90%、95%和99%的顯著性檢驗(yàn)。

2.2 主成分分析法

主成分分析法是一種將多個(gè)具有一定相關(guān)性的變量重新組合成一組新的互不相關(guān)的幾個(gè)綜合變量，同時(shí)可根據(jù)實(shí)際需要從中選取少數(shù)幾個(gè)綜合變量來盡可能多地反映原來變量信息的統(tǒng)計(jì)方法，其中重新組合得到的綜合變量稱做主成分。通常情況下，可選取特征值接近于1且累計(jì)貢獻(xiàn)率超過85%的前m(m小于原變量個(gè)數(shù))個(gè)主成分，然后根據(jù)主成分的貢獻(xiàn)率以及各主成分中不同影響因子的載荷確定研究問題的主要影響因子，方法原理及計(jì)算步驟可參考文獻(xiàn)[19]。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)年際變化特征

圖2為潭江干流上、中、下游7項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)質(zhì)量濃度的變化過程，表1為圖2水質(zhì)參數(shù)質(zhì)量濃度的統(tǒng)計(jì)特征值。從圖2可以看出，潭江水質(zhì)參數(shù)質(zhì)量濃度的年際變化十分顯著。如潭江上游的BOD5質(zhì)量濃度在2001—2011年基本保持不變，多年平均值為1.00 mg/L左右，2011年后則開始快速上升，在2015年達(dá)到最大值1.90 mg/L，此后開始迅速下降至2019年的0.87 mg/L；潭江中游的NH3-N質(zhì)量濃度雖然整體呈明顯的下降趨勢(shì)，但是2001—2019年間卻經(jīng)歷了4次“先升后降”的波動(dòng)過程，其中2014—2019年是快速下降階段。從整體上看，潭江上游的DO質(zhì)量濃度最高，下游其次，中游最低，其余水質(zhì)參數(shù)的質(zhì)量濃度均表現(xiàn)為上游最低、下游其次、中游最高，水質(zhì)參數(shù)的質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)特征值(表1)結(jié)果也與上述結(jié)果一致。可見潭江上游的水質(zhì)最好，下游其次，中游最差。

圖2 潭江水質(zhì)參數(shù)質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)

表1 潭江水質(zhì)參數(shù)質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)特征值

為了進(jìn)一步確定潭江水質(zhì)參數(shù)質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)，利用M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行趨勢(shì)分析，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，潭江上游7項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)中CODMn和BOD5質(zhì)量濃度呈下降趨勢(shì)，但是下降趨勢(shì)并不明顯；其余5項(xiàng)質(zhì)量濃度呈上升趨勢(shì)，其中NH3-N、TP和TN質(zhì)量濃度為顯著上升，TP和TN更是通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，表明潭江上游的水質(zhì)有一定的惡化趨勢(shì)。潭江中游7項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)中DO和NH3-N質(zhì)量濃度呈下降趨勢(shì)，且NH3-N質(zhì)量濃度為顯著下降；另外5項(xiàng)質(zhì)量濃度呈上升趨勢(shì)，其中CODMn、BOD5和TN質(zhì)量濃度表現(xiàn)為顯著上升趨勢(shì)，說明潭江中游的水質(zhì)惡化趨勢(shì)較為顯著。潭江下游7項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)中CODMn、COD和NH3-N質(zhì)量濃度呈下降趨勢(shì)，并且都是顯著下降；另外4項(xiàng)質(zhì)量濃度呈上升趨勢(shì)，而且DO質(zhì)量濃度表現(xiàn)出顯著上升趨勢(shì)，說明潭江下游的水質(zhì)無明顯惡化趨勢(shì)。

表2 潭江水質(zhì)參數(shù)變化趨勢(shì)M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)Z值

根據(jù)潭江水質(zhì)治理目標(biāo)，以GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算潭江上、中、下游的水質(zhì)綜合污染指數(shù)，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，潭江上游的水質(zhì)綜合污染指數(shù)在閾值線以下，但整體呈上升趨勢(shì)，表明潭江上游的水污染較輕但有一定的惡化趨勢(shì)。潭江中、下游的水質(zhì)綜合污染指數(shù)變化過程基本一致，都表現(xiàn)為“先升后降”的變化過程，而且除2001年和2002年外，其余年份的水質(zhì)綜合污染指數(shù)均大于1，但是中游的水質(zhì)綜合污染指數(shù)大于下游，表明潭江中、下游水污染較上游嚴(yán)重。

圖3 潭江干流水質(zhì)綜合污染指數(shù)變化

3.2 影響水質(zhì)變化的參數(shù)識(shí)別

為識(shí)別影響水質(zhì)變化的主要參數(shù)，對(duì)潭江上、中、下游7項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了主成分分析，結(jié)果如表3所示。從表3可知，潭江上游水質(zhì)參數(shù)的前3個(gè)主成分的特征值大于1，第4、5個(gè)主成分的特征值接近1，且此時(shí)前5個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為86%，大于閾值85%，表明前5個(gè)主成分已具備表征原水質(zhì)參數(shù)主體信息的能力；而潭江中游水質(zhì)參數(shù)的前4個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為89%，下游水質(zhì)參數(shù)的前5個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率也已大于閾值85%，表明它們均已能反映原水質(zhì)參數(shù)的主體信息。

表3 潭江水質(zhì)參數(shù)主成分的特征值與貢獻(xiàn)率

分別選取潭江上、中、下游水質(zhì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的前5、前4、前5個(gè)主成分計(jì)算其主成分荷載，結(jié)果如表4所示。綜合表3和表4可知，潭江上游水質(zhì)參數(shù)的第1主成分的貢獻(xiàn)率為29%，COD和BOD5是其荷載較大的兩個(gè)水質(zhì)參數(shù)，且荷載大小基本一致，表明兩者在第1主成分中的重要性相當(dāng)，而第2至第5主成分的貢獻(xiàn)率均為15%左右，相應(yīng)荷載最大的水質(zhì)參數(shù)分別是DO、TP、NH3-N和TN，說明主導(dǎo)潭江上游水質(zhì)變化的水質(zhì)參數(shù)是COD、BOD5、DO、TP、NH3-N和TN。類似地，可知主導(dǎo)潭江中游水質(zhì)變化的水質(zhì)參數(shù)是TN、NH3-N、CODMn、DO和BOD5，而潭江下游水質(zhì)變化受所有7項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)的共同主導(dǎo)。

表4 潭江水質(zhì)參數(shù)主成分荷載

3.3 水質(zhì)變化的驅(qū)動(dòng)因子

水質(zhì)變化的驅(qū)動(dòng)因子有很多，可根據(jù)因子的屬性將其分為自然因子和人為因子兩大類[16,22-23]，其中影響水質(zhì)變化的自然因子主要包括降水量、氣溫、水溫、pH值、土地利用類型以及風(fēng)速等；人為因子主要包括人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及污染物排放量等。考慮數(shù)據(jù)的代表性及可靠性，本文選取人口和GDP作為人為因子的典型代表，選取降水量、森林覆蓋率、水溫和pH值作為自然因子的典型代表。利用選取的驅(qū)動(dòng)因子與潭江的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表5～7所示。

表5 潭江上游水質(zhì)參數(shù)與驅(qū)動(dòng)因子的相關(guān)性檢驗(yàn)

表6 潭江中游水質(zhì)參數(shù)與驅(qū)動(dòng)因子的相關(guān)性檢驗(yàn)

從表5可以發(fā)現(xiàn)，就驅(qū)動(dòng)因子的角度來看，人口與除DO及CODMn外的其余5項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)均呈顯著相關(guān)關(guān)系，GDP只與TP和TN顯著正相關(guān)，表明人為因子中，人口對(duì)潭江上游水質(zhì)的影響大于GDP，即人口是影響水質(zhì)變化的主要人為因子。對(duì)于自然因子而言，降水量與所有水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性均沒通過顯著性檢驗(yàn)，森林覆蓋率與除DO、CODMn和 NH3-N 外的其余水質(zhì)參數(shù)均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，水溫與BOD5和TP顯著正相關(guān)，pH值除與DO顯著正相關(guān)外，與其他水質(zhì)參數(shù)無顯著相關(guān)關(guān)系，表明在自然因子中，森林覆蓋率是影響水質(zhì)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。可見人口與森林覆蓋率是影響潭江上游水質(zhì)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。

同樣地，由表6、表7可知，在人為因子中，人口、GDP是影響潭江中、下游水質(zhì)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子；而在自然因子中，森林覆蓋率與水溫是影響潭江中、下游水質(zhì)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。

對(duì)比表5～7的結(jié)果可知，潭江上、中、下游有著影響水質(zhì)變化的共同驅(qū)動(dòng)因子，即人口和森林覆蓋率，表明生活污水排放和土地利用類型等對(duì)流域水質(zhì)有較大的影響，這與已有的研究結(jié)果[16,24-25]一致。值得注意的是，雖然潭江上、中、下游有著影響水質(zhì)變化的共同驅(qū)動(dòng)因子，但也存在差異，具體表現(xiàn)為影響潭江中、下游水質(zhì)變化的驅(qū)動(dòng)因子除人口和森林覆蓋率外，還包括GDP和水溫，說明相比于上游，潭江中、下游水質(zhì)變化的影響因素更復(fù)雜。

表7 潭江下游水質(zhì)參數(shù)與驅(qū)動(dòng)因子的相關(guān)性檢驗(yàn)

本文研究發(fā)現(xiàn)，潭江上游的NH3-N與人口顯著正相關(guān)，與GDP正相關(guān)，但并不顯著；而中、下游NH3-N與人口和GDP均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明相比于上游，潭江中、下游的NH3-N與人口之間的關(guān)系受到了其他因素的影響，因?yàn)橄啾扔谏嫌危督小⑾掠蔚貐^(qū)的城鎮(zhèn)更密集，人口更多、密度更大，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平更高，人類及其社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)水質(zhì)的影響更大[26]。

此外，已有研究表明，水質(zhì)參數(shù)之間同樣存在一定的相關(guān)關(guān)系[27-30]。本文也有同樣的發(fā)現(xiàn)，如潭江中游的DO與TP顯著負(fù)相關(guān)，潭江下游的DO與TN顯著正相關(guān)，表明水質(zhì)參數(shù)間的相互作用也會(huì)影響水質(zhì)變化，這從側(cè)面反映出了水質(zhì)變化驅(qū)動(dòng)機(jī)理和影響要素的復(fù)雜性。

4 結(jié) 論

a.潭江干流不同水質(zhì)參數(shù)的年際變化差異較大。從整體上看，潭江上游的水質(zhì)最好，但有一定的惡化趨勢(shì)；下游的水質(zhì)次之，且無明顯的惡化趨勢(shì)；中游的水質(zhì)最差，而且惡化趨勢(shì)較為顯著。

b.潭江上、中、下游主導(dǎo)水質(zhì)變化的水質(zhì)參數(shù)并不完全一致，上游水質(zhì)變化的主導(dǎo)水質(zhì)參數(shù)是COD和BOD5，中游為TN和NH3-N，下游則是TN、NH3-N和TP。潭江中、下游存在主導(dǎo)水質(zhì)變化的共同參數(shù)，即TN和NH3-N。

c.人口和森林覆蓋率是影響潭江上游水質(zhì)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子，而影響潭江中、下游水質(zhì)變化的驅(qū)動(dòng)因子除人口和森林覆蓋率外，還包括GDP和水溫；受人類因素的影響，潭江中、下游水質(zhì)變化與自然驅(qū)動(dòng)因子之間的關(guān)系有所改變。