淮河生态经济带不同水文时期水质的时空特征研究*

吉婷婷，王细元

(1.淮阴师范学院教师教育学院，江苏淮安 223300； 2.淮河生态经济带研究院，江苏淮安 223300；3.淮阴师范学院城市与环境学院，江苏淮安 223300)

0 引言

水质优劣直接影响到水资源承载力的高低，是区域可持续发展的重要影响因素。因此，水质的时空变化特征和分异规律的认识是水资源环境研究的热点，更是水环境治理的科学基础。

诸多学者围绕水质时空变化进行了大量研究，以多指标综合分析为主的水质评价为水质整体特征的认识提供了参考[1-3]。在评价方法上，基于统计分析的方法应用较多，如聚类和因子分析方法[4-5]； 且多方法综合集成分析和人工智能方法等也广泛开展[6-9]，如多元统计和空间判别分析方法的综合[6]、考虑水质和水量的综合评价等[7]及遥感和人工神经网络技术等[8， 9]。水质分析的时空尺度也涉及不同层次，空间尺度上包括不同行政单元、流域层面等[10-11]； 时间尺度上涉及到多年长序列、年尺度、季节尺度、月尺度等[3， 7， 10]。水质时空分异的研究还涉及水体污染的主要成分、污染源构成等[1， 6， 11]。

淮河生态经济带主体位于淮河流域内，近年来针对淮河流域水质的研究已较丰富[12-17]，包括淮河流域水质长序列的时空特征分析[12]，流域主要湖泊水质的空间特征[13， 14]、水质变化的污染源分析等[15-17]，这些研究为淮河流域提供了水质时空特征的科学认识。但，目前从战略规划视角对淮河生态经济带水环境时空特征的研究尚为缺乏，同时已有对淮河流域的研究多注重于长时段水质变化趋势分析，以多年长时间尺度或日尺度为主，而较少考虑因降水变化而导致丰平枯不同水文期的水质时空变化，不利于从水文变化规律视角认识水质变化，且对于年内水体污染防治的时空针对性也不够，尚不足以为规划驱动背景下的生态经济发展提供有效参考。

同时，国务院在《淮河生态经济带》的批复中明确要求，淮河生态经济带应当推进绿色发展，改善淮河流域生态环境，做好污染防治攻坚战[18]。这也意味着，充分了解经济带当前水质的时空特征现状，掌握尤其是水体污染在年内丰平枯水期的差异，是生态经济带和谐发展的现实需要。并且，随着淮河生态经济带城镇化以及经济社会活动的加强，势必导致水环境的变化，对科学治理水污染提出了更高要求。而不同水文时期下水污染特征是水污染治理与管控的重要基础。因此，有必要探讨规划驱动下不同水文时期的水质空间特征。

基于此，文章以淮河生态经济带为例，采用统计分析和空间分析方法，以年内丰、平、枯短时间尺度，开展不同水文时期的水质时空分异规律研究，为规划驱动下的针对性水污染防治与管控提供科学依据。

1 研究区概况

淮河生态经济带是我国东部沿海地区转型发展的战略腹地，是中西部地区重要的出海通道，是国家现代化建设大局和全方位开发格局中的重要组成部分，其范围为江苏、安徽、河南3省的20个市1个县(图1)。2015年末，经济带总人口1.286 9亿人，地区生产总值4.061 328万亿元，分别占全国的9.4%和6%。根据各市县水资源公报计算可知， 2015年淮河生态经济带水资源总量为734.4亿m3，人均水资源量598m3； 总用水量为425亿m3，人均用水量336m3。

图1 淮河生态经济带位置范围与水质站点分布

淮河生态经济带位于淮河流域内，水系众多，淮河干流发源于河南省桐柏山太白顶北麓，其水系的显著特点是淮河干流偏南，支流南北不对称(图1)。北岸支流多而长，流经黄淮平原； 南岸支流少而短，流经山地、丘陵[12， 15]。淮河生态经济带水系以淮河干流为主轴，包括史灌河、淠河、沙颍河、洪汝河、涡河、新汴河、新濉河、涡河、包河、泉河、黑茨河等支流水系；其下游以废黄河为界，分淮河及沂沭泗河两大水系，二水系通过京杭大运河、淮沭新河和徐洪河贯通。

2 数据与方法

2.1 数据来源

由于淮河生态经济带所处的淮河流域自20世纪80年代以来水体受人类活动影响较大，水体污染逐渐转变为以氨氮型污染为主[12， 17]，且考虑到溶解氧、化学需氧量以及氨氮类水质指标能够反映氨氮型水体污染的分析，并且考虑水质指标的可获得性，所以选择pH、DO、CODMn和NH3-N共4项水质指标进行分析。选择2016年淮河生态经济带内20个水质站点的52周水质资料，数据来源于中华人民共和国生态环境部地表水自动监测周报，20个站点分布与详情见图1和表1。

表1 淮河生态经济带20个水质站点信息

序号站点代码水系省份县市序号站点代码水系省份县市1淮滨S1淮河干流河南信阳11徐庄S11泉河安徽阜阳2王家坝S2淮河干流安徽阜南12张大桥S12黑茨河安徽阜阳3石头埠S3淮河干流安徽淮南13付桥闸S13涡河河南鹿邑4蚌埠闸S4淮河干流安徽蚌埠14颜集S14包河安徽亳州5小柳巷S5淮河干流安徽滁州15小王桥S15沱河安徽淮北6淮河大桥S6淮河干流江苏盱眙16公路桥S16新汴河安徽泗县7班台S7洪汝河河南驻马店17大屈S17新濉河江苏泗洪8蒋集站S8史灌河河南信阳18杨庄S18奎河安徽宿州9七渡口S9颖河安徽界首19西大桥S19邳苍分洪道江苏邳州10沈丘闸S10沙河河南周口20小红圈S20武河江苏徐州

表2 地表水质评价标准 mg/L

2.2 研究方法

考虑到淮河生态经济带位于我国东部季风区的淮河流域内，且位于我国南北气候过渡带地区，受梅雨多寡影响，降水变率大，降水集中于5—9月，冬季降水明显偏少。因此，该文将5—9月划为丰水期， 12—2月为枯水期，其余3—4月和10—11月作为平水期，以不同水文时期各站点均值分析水质指标的时空分布特征。

采用箱图法，分析水质年内时间上的波动特征及波动幅度。并基于水质周尺度资料，获得不同站点的月尺度水质指标均值，分析不同水文时期水质指标值的月尺度时序变化。

水质的单因子评价上，采用不同水文时期各水质指标相应监测数值的平均值，并将其与中华人民共和国地表水环境质量标准(GB3838-2002)(表2)进行比较分析[19]，以获得各站点不同水质指标值的水质等级； 同时，采用聚类分析方法，对基于4项水质指标的丰平枯水期各站点进行聚类分析，以得到不同站点水质的空间综合分布特征。而水质空间格局的表达则采用GIS方法。

3 结果与讨论

3.1 不同水文时期水质的时间特征

3.1.1 不同水文时期水质的变幅特征

采用箱图方法分析不同水文时期pH、DO、CODMn和NH3-N的波动变化(图2)。可以看出，丰平枯水时期pH的波动幅度较小，中位值上，平水期略偏大，而丰水期最小。DO在不同水文时期的中位值差异较大，尽管波动幅度类似，但表现为枯水期中位值最大，丰水期中位值最低，这也说明枯水期以DO评价的水质较好，丰水期较差。CODMn在不同水文时期的中位值差异较小，变化较平稳，但丰水期的波动幅度更大，并以高值波动为主，平水期波动幅度则较低。NH3-N在不同水文时期中尽管中位值接近，但丰水期的波动幅度最小，而枯水期波动幅度最大，且为偏高值波动为主。

3.1.2 不同水文时期水质的时序变化

基于月尺度，获得不同站点的水质指标均值，得到不同水文时期水质的时序变化(图3)。可以看出，pH指标在不同水文时期的各月变化都较平稳，变幅亦较小， 9月最大而7月最小。

丰水期时，DO指标在时间上为高—低—高的变化过程， 5月， 6月和9月相对偏高，与此期水温相对偏低而溶解度偏高有关； 而7月和8月偏低，可能与气温升高导致溶解度偏低以及水体污染物增加和水体生物生长有关。CODMn和NH3-N两项指标都表现为丰水期前期偏高，后期偏低的变化过程。平水期时，DO指标在3月和11月偏高，而4月和10月偏低，也反映了较为明显的气温影响。CODMn和NH3-N两项指标都表现为3月最高， 4月最低的时间变化。枯水期时，DO指标为2月最高， 12月偏低，与枯水期时经济活动减弱，且气温偏低有关，这一时期也是年内DO最好的时段。CODMn和NH3-N两项指标也是2月浓度最高而12月最低，但浓度总体偏高，与此期河道径流明显减小相关。

图2 淮河生态经济带不同水文时期pH(a)、DO(b)、CODMn(c)和NH3-N(d)指标的箱图

图3 淮河生态经济带不同水文时期各水质指标的时序变化

3.2 不同水文时期水质的空间特征

3.2.1 丰水期的水质空间特征

丰水期不同指标的水质类别见图4。可以看出，丰水期除泗县S16公路桥站pH偏大外，其余站点的pH都介于6～9之间(图4a)，符合国家地表水环境质量标准，且pH在经济带内的淮河干支流都较一致，水质都较良好。

图4 淮河生态经济带丰水期pH(a)、DO(b)、CODMn(c)和NH3-N(d)的空间特征

溶解氧DO在丰水期总体水质状况良好，但空间分布差异较大(图4b)，有Ⅰ类水有5个站点， Ⅱ类水体7个站点， Ⅲ类水5个站点。水质较差站点有3个，为Ⅳ类水质，分别为S7班台、S9七渡口、S18杨庄，位于洪汝河、颍河和奎河水系等支流水系，可能与丰水期径流带入大量陆源污染增加以及气温升高有关。丰水期DO均值最大的为S16公路桥站的9.244 8mg/L，最小为S9七渡口站的3.651mg/L，变动幅度为5.593 8mg/L。

从CODMn单因子上看(图4c)，丰水期有7个站点CODMn浓度超标，其中，S7班台、S10沈丘闸、S11徐庄、S12张大桥、S14颜集和S15小王桥6个站为Ⅳ类水，S18杨庄为Ⅴ类水，主要位于经济带内淮河干流以北支流水系，且主要位于安徽省境内，可见经济带内丰水期支流水系水质较差。其余干支流则以Ⅲ类水居多，有7个站点， Ⅱ类水主要位于淮河干流及中游江苏境内支流水系。丰水期内CODMn均值差距较大，最大的为S18杨庄的11.791mg/L，最小的为S8蒋集的2.319mg/L。

丰水期以NH3-N浓度为指标的水质在空间上表现为干支流都良好的格局(图4d)，以Ⅱ类水居多，且有3个站点为Ⅰ类水，仅S14颜集、S18杨庄两站所在的包河、奎河水体为Ⅳ类水体。丰水期NH3-N浓度均值为0.428 2mg/L，最高值为S18杨庄的1.472 4mg/L，最低为经济带淮河干流上游S1淮滨的0.095mg/L。

进一步，对丰水期pH、DO、CODMn和NH3-N 4项指标的水质站点聚类分析表明(图5)，丰水期水质站点可以划分为三大类，第一类为S7、S9、S14和S18 4站，该类站点水质总体最差，是以CODMn和NH3-N类指标超标为主的水体污染型，主要位于淮河干流北侧的支流水系，也即北侧洪汝河、颍河、包河和奎河支流； 第二类为S2、S4、S6、S10、S11、S12和S15 7站，总体水质中等； 第三类则为S1、S3、S5、S8、S13、S16、S17、S19和S20 9站，总体水质偏好，分布于经济带内淮河干流以及北侧支流的上游。

图5 淮河生态经济带丰水期水质站点的聚类分析(a)与空间分布(b)

3.2.2 平水期的水质空间特征

与丰水期类似，除泗县S16公路桥站外，平水期其余站点pH指标都符合国家地表水质标准，介于6～9之间(6a)。

平水期时各站DO水质较好(图6b)，都为Ⅲ类水质以上，其中Ⅰ类水质站点14个， Ⅱ类水质站点4个， Ⅲ类水质站点2个。DO均值最大的为S16公路桥的11.674 1mg/L，最小的为S9七渡口的5.154 7mg/L。

图6 淮河生态经济带平水期pH(a)、DO(b)、CODMn(c)和NH3-N(d)的空间特征

平水期CODMn浓度的空间分异特征较明显(图6c)，总体水质良好，有15个站点为Ⅱ、Ⅲ类水质，占站点总数的75%， Ⅳ类水站点4个， Ⅴ类水站点1个，仍然表现为干流水质较好，支流较差的格局，受污染水质主要位于洪汝河、沙河、包河、新汴河与新濉河上。不同站点CODMn的均值差异也较大，最大的为S18杨庄的12.364 7mg/L，最小为S8蒋集的2.547 1mg/L，同前述丰水期的CODMn空间特征较相似。

平水期NH3-N浓度的均值较偏高(图6d)，为0.739 2mg/L，最高为S14颜集的3.363 5mg/L，最低是上游S1淮滨的0.220 6mg/L。空间变化上也表现为干流水质良好的格局，绝大部分站点为Ⅱ类水质，有13个，占65%。但颍河、包河与奎河的S9七渡口、S14颜集、S18杨庄为Ⅴ类水，沙河S10沈丘闸为Ⅳ类水质。

平水期水质站点的聚类分析显示(图7)，水质较差类站点为北侧支流的S9、S14和S18 3个站点，平水期是年内水质较差站点最少的时期； 水质中等站点为S5、S6、S8、S13、S16、S17、S19和S20 8个站点，空间上集中在经济带的淮河中游水系； 其余9个站点为水质偏好类型，以淮河干流居多，可见，平水期是年内水质优良站点最多的时期。

图7 淮河生态经济带平水期水质站点的聚类分析(a)与空间分布(b)

3.2.3 枯水期的水质空间特征

枯水期不同指标水质的空间分布上显示(图8)，pH在干支流都良好(图8a)，数值位于6～9之间，符合国家地表水质标准，无pH超标站点。

图8 淮河生态经济带枯水期pH(a)、DO(b)、CODMn(c)和NH3-N(d)的空间特征

枯水期以DO为指标评价的水质优良(图8b)，除包河S14颜集站为Ⅱ类水体外，其余站点都达到Ⅰ类水质，是以DO单因子指标评价的最好水质时段，这可能与枯水期主要为冬季，且冬季气温偏低水体溶解度更高有关[3， 11]。枯水期最大的DO均值为S15小王桥的13.7mg/L，最小为S14颜集的6.425mg/L。

枯水期CODMn的水质空间变化差别较大(图8c)，干流水质较好，为Ⅱ类水居多； Ⅲ类水7个站，其中支流5个，干流2个； Ⅳ类水5个站， Ⅴ类水1个站点，皆位于支流水系。可见，支流水体总体水质较差。枯水期不同站点CODMn的均值也差异较大，最大的为S18杨庄的11.35mg/L，最小为S8蒋集的2.27，与丰水期时CODMn浓度空间特征类似。

枯水期NH3-N浓度的均值为0.987 5mg/L，明显偏高，最高值为S9七渡口的3.435mg/L，最低值为下游S17大屈的0.251mg/L。空间变化上(图8d)，尽管总体水质较好，以Ⅱ类水居多，但无Ⅰ类水体，且支流S9七渡口、S10沈丘闸、S13付桥闸、S14颜集、S18杨庄出现Ⅴ类水质，污染水质站点较丰水期明显增多，这可能与枯水期水文流量减小、径流减弱以及枯水期水体生物残体分解释放作用加强有关[7， 11]。

对枯水期水质的聚类综合分析表明(图9)，枯水期经济带内水质较差类站点为S7、S9、S10、S13、S14和S18 6个站，该时期是水质较差站点数量最多的时期； 水质中等类站点为S5、S8、S11、S15、S16、S17和S19 7个站； 其余7站点为水质偏好类型，集中在经济带内的淮河干流区域。

图9 淮河生态经济带枯水期水质站点的聚类分析(a)与空间分布(b)

4 不同水文时期水质特征的影响因素分析

4.1 水质时序差异的影响因素分析

综合不同水文时期水质的变幅和时序特征发现，丰水期时经济带水质相对较差，而平水期和枯水期相对较好，且丰水期前期水质差而后期相对较好，枯水期时NH3-N浓度较高，这可能与丰水期时所处雨季，且汛期前期将大量地表污染物带入河道有关，造成河道CODMn和NH3-N的浓度增加； 而进入丰水期后期，降水、径流减少，且河道浮游植物吸收净化作用处于平稳状态，水体污染物浓度呈现下降趋势[15]。而在枯水期，随着地表径流进一步减小，污染物浓度有所回升，由于枯水期污染物主要来源于生活污水排放，因此，CODMn浓度较低但NH3-N浓度相对偏高； 同时，枯水期时水温明显偏低，DO含量升高，有利于水质改善，所以水体污染表现为较突出的氨氮污染类型。再者，淮河生态经济带内水质很大程度上取决于河道流量，但由于流域内众多水库、水闸等水利工程对河道径流实行调节控制，使得污染物的蓄积，在丰水期调蓄泄洪时造成污染物的集中排放，也导致水体污染[12， 14]。

4.2 水质空间差异的影响因素分析

从不同水文时期水质空间分布的综合特征可以看出，淮河生态经济带水体水质的空间异质性较为突出，其空间格局是，干流水质明显偏好，而干流北侧支流水系的水质总体偏差。这一空间格局可能与近年来流域不同区域间自然环境和人类活动差异大有关，其原因主要表现在：(1)淮河生态经济带境内的淮河支流南北不对称，北岸支流多而长且流经平原，南岸支流少而短且流经山地、丘陵，加之淮河流域南部降水较北部偏多，使得南北支流水文特征差异较大，导致淮河干流北侧支流河道径流的自净消解能力较弱[12， 14]。(2)尽管淮河流域下游河道水质受到上游水体影响，但由于干流河道径流沿途增加，下游径流量相对较大，污染容蓄和调节容量也偏大，因而干流水质相对较好； 但对于北侧支流水系来说，大多为雨季行洪而旱季有水无流甚至河道断流的局面，这种河道水文特征对水污染物稀释自净能力不利[17]，使得支流水体上下游水质关联更大，从而使得干流北侧支流水体污染加重。

5 结论

对淮河生态经济带不同水文时期的水质时空特征进行了分析，主要结论如下。

(1)不同水文时期，除DO外，pH、CODMn和NH3-N中位值都较接近，但丰水期前期水体污染物浓度偏高而后期偏低，在平水期和枯水期污染物浓度则分别以2月和3月偏高。这一认识从不同水文时期水文变化角度揭示了水体污染的年内时间变化规律，在已有淮河流域长时段水质时间变化趋势分析的基础上，推进了年内不同时段水质变化规律的认识，这也意味着，应当加强淮河生态经济带年内特别是平水期和枯水期时的水污染监测与防治工作，为水污染的针对性防治提供了科学参考。

(2)空间上，不同水文时期中以pH单因子评价的水质在干支流都较一致，但CODMn和NH3-N指标都表现为干流偏低而干流北侧支流偏高的空间特征，也即干流水质较好而干流北侧支流水质较差，水质站点的聚类分析结果也凸显了这一特征。已有在淮河河南段水质空间规律的研究也表明，淮河干流以南的水环境质量优于淮河以北，而该文则进一步延展了这一空间规律的认识，即在淮河生态经济带的河南、安徽境内，其淮河干流水质总体较好而干流北侧支流水质较差。这一水质空间格局特征，可为经济发展过程中针对具体流域加强水体污染的治理提供科学指导，即应重点关注经济带河南境内北部洪汝河、沙河、涡河以及安徽境内北部颍河、包河和奎河支流水系的管控，加强这些水系区域农业面源污染和生活污水污染的监测与防治，加强河流沿岸城市和农村点源污染处理能力。

由于该文采用的是国家水质重点监测站点的数据，站点相对较少，缺少经济带东部水质站点，所获得水质空间格局特征的精细度还有待提高，还需未来进一步采用更多站点资料进行分析，以获得更高精度的水质空间分布格局认识。

(3)整体上看，水质变化的主要影响因素与水系格局、降水变化和人类活动有关。水质的时序变化特征主要与丰平枯水期降水径流多寡的稀释消解作用有关，并受境内水库水闸等水利工程的调节控制作用影响，应当实施闸坝的和谐调控，减少污染的集中下泄，达到河流水生态健康保护及修复的目的。水质的空间特征主要与境内淮河支流水系南北不对称且降水南多北少导致的水文特征差异和水体自净能力有关。由于该文侧重于水质变化的时空特征分析，对水质变化的影响因素分析相对偏宏观，未来可考虑采用更多水质指标的分析，并结合淮河生态经济带不同水系地区如降水、工业废水、COD排放、氨氮排放、化肥施用、农药施用等资料进行更为细致的相关分析，进一步解析水质变化的影响因素，为针对性的污染源防控提供具体指导。