洮滆流域水質時空變化特征及污染物變化趨勢

宦 娟，張 浩，徐憲根，史 兵，蔣建明，孫文迪

（1.常州大學 計算機與人工智能學院 阿里云大數據學院，江蘇 常州 213164；2.常州市環境科學研究院，江蘇 常州 213022）

洮滆流域是太湖流域西部洮滆太水系的主要區域，也是太湖流域上游重要的匯水區。洮滆流域水生態環境質量的改善對提升太湖主要入湖河流水質，改善太湖水生態環境質量極其重要。然而近些年隨著城市化的不斷發展，洮滆流域淺水湖泊富營養化日趨嚴重、藍藻暴發頻繁［1］。因此，如何采取有效環境管理措施改善淺水湖泊水環境狀況已成為洮滆流域急需解決的問題［2－3］。

“十四五”期間，隨著“引江濟太”開通運行，洮滆流域水文和水資源格局發生了重大變化，在原有生態功能受損、污染排放強度較大等問題尚未根治的同時，又面臨著水文格局變化對區域生態環境產生影響的新挑戰，區域水資源平衡、水環境提升、水生態修復和社會經濟高質量協同發展面臨著巨大壓力。因此，科學分析洮滆流域河流水質變化特征，深入剖析流域水生態環境短板，是滆湖和洮湖（長蕩湖）水環境綜合治理與可持續發展的前提。目前河流湖泊水質評價方法有單因子評價法、模糊綜合評價法、灰色系統理論、主成分分析法等［4－6］。當前流域水環境研究多以單個湖泊或河流為研究對象，綜合評價水質變化［7－9］，或結合多元統計方法對某一區域水環境質量時空變化進行分析［10－11］。目前對太湖流域水質的研究較多［12－14］，對洮滆流域內河流水質的研究較少［15］。因此，筆者以常州市洮滆流域河流湖泊為研究對象，分析2020 年7 月至2021 年10 月水質變化趨勢，利用綜合污染指數和動態度探究其水質時空變化特征，并構建深度學習模型預測洮滆流域主要出入湖河流污染物未來變化趨勢，旨在為洮滆流域水環境治理提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

洮滆流域總面積1 707.52 km2，是江蘇南部一個典型的淺水草型湖泊流域，地處長江中下游平原南部，屬亞熱帶季風氣候區，見圖1（圖中圓點表示流域水質監測站點）。該流域東臨太湖、西連長蕩湖、南接宜興、北通長江，主要出入湖河流包括夏溪河、湟里河、中干河、武南河、漕橋河等。洮滆流域包含滆湖和長蕩湖，其中滆湖作為太湖上游和長江中下游的主要湖泊，擔負著溝通長江、太湖兩大水系，進行水量調劑、防洪排澇等重要功能。同時，滆湖作為“引江濟太”的樞紐，將長江水經太滆運河送入太湖。

圖1 洮滆流域水系

1.2 采樣方法

水體富營養化加劇以及總磷超標一直是洮滆流域水體面臨的重點問題，而河湖水體富營養化與氮、磷等營養物質超標密不可分，且易造成水體溶解氧過飽和。研究選取水質監測站點見圖1，監測站點大多位于國家、省地表水考校斷面，水質數據為水質自動監測站高頻監測數據。在對河湖水質進行時空變化分析時，將水質數據整理為月均值；在預測河湖污染物未來變化趨勢時，將水質數據整理為日平均值。熊勇峰等［16］將常州市26 個國家、省地表水考校斷面21 項水質指標以Ⅲ類水限值為標準，發現溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數（CODMn）、總磷（TP）、氨氮（NH3－N）等指標超標次數較多。在對長江中下游典型淺水型湖泊（太湖、巢湖、鄱陽湖等）水質進行分析時［9，17－18］，大多選用DO、pH 值、CODMn、TP、總氮（TN）、NH3－N 等指標作為水質評價指標。因此本研究選取DO、pH 值、CODMn、TP、TN、NH3－N 六項指標作為洮滆流域水質分析評價的指標。

1.3 數據分析和預測方法

（1）綜合污染指數。采用綜合污染指數對河流水質進行綜合評價，計算公式［19］：

式中：Pi為水質評價指標i的污染指數；Ci為水質評價指標i的實測質量濃度，mg／L；Li為水質評價指標i的標準值；n為水質評價指標數量；P為綜合污染指數。

（2）動態度。采用動態度分析方法對洮滆流域水體綜合污染指數變化程度進行分析。計算公式為

式中：S為研究期內河流綜合污染指數動態度，S＞0表示水質變差，S＜0 表示水質變好；Pe為研究期末河流綜合污染指數；Ps為研究期初河流綜合污染指數。

（3）ARIMA 模型。差分移動平均自回歸模型（ARIMA）是常用的非平穩時間序列預測模型［20－21］，它將自回歸（AR）過程和滑動平均（MA）過程結合起來，建立時間序列的復合模型。ARIMA 模型通過d階差分將非平穩時間序列Yt轉化為平穩時間序列Xt進行擬合建模。需要注意的是，若差分次數過多，會造成數據信息損失。ARIMA 模型：

式中：p、q分別為時間序列中的自回歸項數、滑動平均項數；φx和θy分別為自回歸系數和滑動平均系數；εt為白噪聲序列，服從均值為0 的正態分布。

2 結果與分析

2.1 水質時空差異性分析

利用方差分析方法對洮滆流域主要出入湖河流水質進行差異性分析，同時采用Tukey HSD 法檢驗差異性顯著程度。洮滆流域出入湖河流水質在時間和空間上差異性檢驗結果見表1。監測站點各水質指標在時間上均呈現顯著差異性（顯著性水平a＜0.05，a＞0.05表示無顯著性差異，0.01＜a＜0.05 表示具有顯著性差異，a＜0.01 表示具有極顯著差異）。在空間上，TP、pH值的a值分別為0.110、0.935，這兩種水質評價指標在空間上有較高的相似性，各監測站點差異性不明顯；DO、CODMn、TN 和NH3－N 在空間上均呈現顯著性差異（a＜0.05）。為了更加準確描述洮滆流域水質時空變化程度，進一步對主要出入湖河流水質進行綜合污染指數分析和動態度分析。

表1 水質差異性檢驗結果

2.2 主要出入湖河流水質時間變化特征

2020 年7 月洮滆流域主要出入湖河流綜合污染指數均值為0.901，而2021 年10 月的為0.812，相較于2020 年7 月下降了9.88%，主要出入湖河流水質出現好轉。2020 年7 月至2021 年10 月洮滆流域主要出入湖河流綜合污染指數見表2，2021 年1 月洮滆流域主要出入湖河流水質最差，2021 年10 月的水質最好，枯水期（2020－12—2021－03）主要出入湖河流綜合污染指數均值為1.062，豐水期（2021－06—2021－10）的均值為0.861，豐水期相較于枯水期下降了18.93%，說明洮滆流域豐水期水質狀況相較于枯水期有所提升。

表2 洮滆流域主要出入湖河流2020 年7 月至2021 年10 月綜合污染指數

根據2020 年10 月至2021 年10 月河流綜合污染指數月動態度和總體動態度，可以將洮滆流域主要出入湖河流水質變化趨勢分為兩類，一類河流綜合污染指數總體動態度為負，月動態度正負交替，表明河流水質總體呈現好轉趨勢，但水質狀況存在一定波動；另一類河流綜合污染指數總體動態度為正，月動態度正負交替，表明河流水質整體波動變差，見表3。夏溪河、中干河和錫溧漕河綜合污染指數總體動態度為負，水質總體呈好轉趨勢，其中錫溧漕河水質改善最為明顯；湟里河、漕橋河、武南河和武宜運河綜合污染指數總體動態度為正，水質總體呈波動變差趨勢，其中漕橋河水質變差最為嚴峻。通過動態度變化來看，水質好轉河流的改善程度高于水質變差河流的，說明“十四五”開始之年即2021 年，洮滆流域水環境治理取得了一定成效。

表3 2020—2021 年洮滆流域主要出入湖河流水質變化趨勢

雖然洮滆流域主要出入湖河流水質情況有所好轉，但水體富營養化較嚴重、TP 超標等問題依舊存在。2020 年7 月至2021 年10 月洮滆流域主要出入湖河流TP 平均質量濃度呈下降趨勢，由2020 年7 月的0.151 mg／L 下降至2021 年10 月的0.129 mg／L，下降了14.57%。自2020 年以來，常州市關閉了多家高污染、高能耗企業，工業污染點源減少，這反映出人類活動等對流域水環境變化的影響。但是截至2021 年10 月，只有中干河TP 質量濃度達到Ⅳ類水標準，其余河流TP 質量濃度僅達到Ⅴ類水標準。TN 平均質量濃度由2020 年7 月的2.318 mg／L 下降至2021 年10 月的2.101 mg／L，下降了9.36%。2021 年8 月TN 平均質量濃度最低，總體上洮滆流域汛期（6—9 月）TN 質量濃度低于非汛期的。中干河TN 質量濃度較低，能夠達到Ⅲ類水標準。2020 年7 月至2021 年10 月洮滆流域主要出入湖CODMn平均質量濃度波動較為明顯，除2021 年1 月和2021 年7 月CODMn平均質量濃度有明顯增大外，其余時期平均質量濃度呈減小趨勢，由2020 年7 月的4.539 mg／L 下降至2021 年10 月的3.868 mg／L，下降了14.78%。總體來說，2020—2021年洮滆流域主要出入湖河流TP、TN 和CODMn等主要水質指標質量濃度呈減小趨勢，但是在眾多污染物中，磷元素是影響河流水質的關鍵因子，因此改善洮滆流域水質狀況的關鍵在于磷元素的控制。

2.3 主要出入湖河流水質空間變化特征

根據河湖連通關系將洮滆流域主要出入湖河流劃分為長蕩湖－滆湖水系（主要河流包括夏溪河、湟里河和中干河）、滆湖－西太湖水系（主要河流包括武南河和漕橋河）、京杭運河－新孟河水系（包括武宜運河和錫溧漕河）。上述水系與沿江水系相通，形成南北交匯的網狀水系。2021 年10 月長蕩湖－滆湖水系綜合污染指數為0.690，相較于2020 年10 月的0.744 下降了7.26%，綜合污染指數動態度小幅下降，水質狀況有所改善。京杭運河－新孟河水系綜合污染指數最大，但下降幅度最大，由2020 年10 月的1.021 下降至2021 年10 月的0.919，下降了9.99%，綜合污染指數動態度有所減小，水質狀況有所改善。其原因是，新孟河開通引入了水質較好的長江水，拓寬了沿線河道，進而改善了沿線河流水質。滆湖－西太湖水系綜合污染指數由2021 年10 月的0.784 增大至2021 年10 月的0.887，綜合污染指數上升了13.14%，綜合污染指數動態度明顯增大，水質變差。

2.4 主要出入湖河流污染物變化趨勢預測

根據洮滆流域主要出入湖河流綜合污染指數，截至2021 年10 月，中干河綜合污染指數最小、水質狀況最好，錫溧漕河綜合污染指數最大、水質狀況最差，因此選取TP、CODMn和TN 這3 種水質評價指標對這兩條河流主要污染物未來變化趨勢進行預測。

在對樣本數據進行平穩性檢驗和模型定階后，采用ARIMA 模型，以2020 年7 月1 日至2021 年9 月30日數據為訓練集，預測2021 年10 月1 日至31 日中干河和錫溧漕河TP、CODMn和TN 變化趨勢，結果見圖2、圖3（圖中灰色陰影部分為ARIMA 模型預測值區間范圍，在一定程度上可以反映河流污染物未來變化趨勢）。從圖中可以看出，預測值與觀測值擬合較好。2021 年10 月1 日至31 日，中干河TP、CODMn和TN 質量濃度變化范圍分別為0.068～0.189、3.74～6.49、0.349～2.690 mg／L，錫溧漕河的變化范圍分別為0.048～0.310、1.59～4.91、5.13～9.38 mg／L。結合上文對中干河和錫溧漕河水質狀況分析，預測區間趨勢符合兩條河流當前水質狀況，但值得注意的是錫溧漕河TN 質量濃度未來一個月內變化幅度很大。綜上所述，ARIMA 模型能夠較為準確預測未來較長一段時間河流水質變化趨勢。

圖2 中干河主要污染物預測結果

圖3 錫溧漕河主要污染物預測結果

3 結 語

2021 年10 月洮滆流域主要出入湖河流綜合污染指數均值為0.812，相較于2020 年7 月下降了9.98%，2020 年7 月至2021 年10 月洮滆流域主要出入湖河流水質整體呈改善趨勢。洮滆流域出入湖河流主要超標污染物為總磷、總氮和高錳酸鹽指數，3 種污染物平均質量濃度在2020 年7 月至2021 年10 月整體呈現下降趨勢，分別下降了14.57%、9.36%、14.78%。磷元素始終是制約河湖水質的主要因素，改善河湖水質的關鍵在于控制磷的排放。以河湖連通關系為依據，將洮滆流域主要出入湖河流劃分為3 類，2020 年10 月至2021 年10 月長蕩湖－滆湖水系、京杭運河－新孟河水系綜合污染指數動態度分別下降了7.26%、9.99%，水質狀況得到明顯改善，滆湖－西太湖水系綜合污染指數動態度上升了13.14%，水質狀況有所下降。采用ARIMA 模型對中干河和錫溧漕河主要污染物質量濃度變化趨勢進行預測表明，該模型能夠較為準確預測未來較長一段時間河流水質變化趨勢，并可以得出兩條河流主要污染物未來變化范圍。