卫河流域河南段水体污染物时空差异性特征分析

张彦，邹磊，李平，窦明，黄仲冬，梁志杰，齐学斌*

（1.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南新乡 453002；2.郑州大学水利科学与工程学院，郑州 450001；3.农业农村部农产品质量安全水环境因子风险评估实验室，河南新乡 453002；4.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程院重点实验室，北京 100101；5.郑州大学生态与环境学院，郑州 450001）

随着经济社会和城市化进程的快速发展，人类活动对流域水体污染物时空差异性的影响越发显著，有效开展流域水体污染物时空差异性特征研究有助于流域水环境管理部门的决策，并可为流域水生态环境保护和农业生产提供一定的依据。目前，相关学者利用统计分析方法开展了河流或湖泊水质时空变化规律的研究，如白会滨等、王昱等、杨巧等、杨蕾等、李发荣等、王翠榆等、苏程佳等和董雯等分别利用不同的统计分析方法分析了海河流域、黑河流域、昆明市盘龙江流域、宁夏阅海湿地、牛栏江流域、晋城市沁河流域、潭江流域和渭河西咸段水质时空变化特征并对其污染源进行解析；刘双爽等、钱文瀚等和任岩等揭示了汉丰湖和高阳湖流域、滆湖流域、新疆艾比湖流域水环境的分异规律；李颖等利用M-K检验和广义可加模型（GAM）分析了洪泽湖水质变化特征及驱动因素；张胜等结合综合污染指数法和综合营养状态指数评价法对汉江中下游丰枯水期水质时空变化特征进行了分析；王一旭等结合自组织映射人工神经网络模型（SOM）和随机森林模型（RF）对苕溪流域的水质进行了空间差异性评估；白晓燕等利用Pettitt变异点分析法和M-K检验法定量判断了珠江三角洲城市群水源地水质的时空变化趋势。

卫河流域作为海河水系南运河的重要支流，在城市和工农业经济发展中起到了关键的作用，然而经济社会发展和人类活动都给其水生态环境带来了危害，2018年海河流域工业废水和城镇生活污水排放总量达到了59.46亿t。相关学者初步开展了卫河流域水质变化规律及污染因子识别相关研究，但对于流域河南段整体水体污染状况及时空差异性特征还需进一步研究，本文利用Mann-Kendall非参数检验法、Pettitt突变检验法、聚类分析和判别分析等方法，对卫河流域河南段不同时期水体污染物分布特征进行统计，并分析了水体污染物的变化趋势和突变特征，最后揭示了水体污染物在不同时期的时空差异性特征，研究成果可为卫河流域河南段的水环境治理提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及数据来源

卫河流域为海河流域南运河的重要支流，发源于山西省陵川县夺火镇，至河北省馆陶县与漳河汇合，流经焦作、新乡、鹤壁、安阳、濮阳5个省辖市，流域面积约为1.53万km，流域内主要河流包括卫河干流、大沙河、共产主义渠、淇河、安阳河、马颊河、汤河等[1，21]。

研究数据主要来源于《河南省地表水环境责任目标断面水质周报》、各地市的《地表水环境责任目标断面水质月报》和《环境质量月报》等，本文选取了卫河流域河南段各地市9个地表水环境责任目标断面的3项水体污染物指标。卫河干流监测断面主要有卫辉皇甫、汤阴五陵、浚县王湾和大名龙王庙，其中大名龙王庙为河南省界的监测断面，共产主义渠监测断面有卫辉下马营，淇河监测断面有浚县前枋城，汤河监测断面有鹤壁耿寺和石辛庄，安阳河监测断面有丁家沟，监测断面具体位置见图1。水体污染物指标主要为化学需氧量（COD）、氨氮（NH-N）和总磷（TP），其中COD和NH-N的监测时段为2014年1月至2020年12月，TP的监测时段为2016年1月至2020年12月，本文所涉及的不同时期中汛期为6—9月，其余月份为非汛期；水质监测数据分析参照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）执行。

图1 卫河流域河南段水体污染物监测断面分布Figure 1 Distribution of water pollutant monitoring sections in the Wei River basin

1.2 研究方法

1.2.1 Mann-Kendall非参数检验法

Mann-Kendall（M-K）是一种基于秩序的非参数检验方法，被广泛应用于径流、降水、气温和水质等水文水环境要素序列的趋势或突变检验。Z为M-K非参数检验法的标准化检验统计值，主要表示时间序列数据的变化趋势，具体详细说明见参考文献[2]。另外，定义统计变量UF为：

通过分析UF和UB的变化可以分析序列x的趋势变化和突变点，当UF和UB的曲线超过置信区间[-1.96，1.96]时，说明水质序列上升或下降的趋势比较显著；当UF和UB的曲线在置信区间的内部相交时，表示该点所对应的时刻是序列突变开始的时刻。

1.2.2 Pettitt突变检验法

Pettitt突变检验法是一种非参数突变点检测的方法，计算简单且受异常值影响较小，广泛用于水文气象以及水质时间系列的突变分析，可用于卫河流域河南段水体污染物突变点检验，具体计算过程如下[18，24-25]：

给定水体污染物个样本的时间序列x，=1，2，3，...，，定义统计变量U：

Pettitt定义统计量K获取最显著的可能突变点：

利用统计量判定突变点是否满足给定显著性水平：

当<0.05时表示存在统计上的显著突变点。

1.2.3 聚类分析

聚类分析是一种探索性的模式识别技术，其中层次聚类分析（HCA）方法目前应用较为常见，主要根据不同监测断面间的相似程度逐次聚合，直到聚成一类，本研究将卫河流域河南段水质特征按照监测时间和监测断面的地理位置进行聚类，进而分析卫河流域河南段水体污染物的时空变化特征。

1.2.4 判别分析

判别分析主要是根据聚类分析结果进而识别具有显著性的水体污染物指标，其是按照一定的判别原则建立判别函数，进而通过水体污染物数据系列确定判别系数，并计算判别指标。判别函数表达式为：

式中：（G）为第类的判别函数；G为第类的固有常数；为参与判别分析的指标个数；w为相应的判别系数；p为第类第个指标值。

2 结果与分析

2.1 水体污染物统计结果分析

卫河流域河南段干流及其支流不同时期水体污染物均值统计分析结果如表1所示。由表可知，在汛期和非汛期，卫河干流、共产主义渠和汤河的COD质量浓度均值在Ⅳ类水质标准以上，NH-N质量浓度达到了劣Ⅴ类水质标准，淇河和安阳河的COD和NH-N质量浓度均值处于Ⅲ类水质标准以下，其中共产主义渠COD质量浓度均值在汛期达到最大，为33.96 mg·L，汤河NH-N质量浓度均值在非汛期达到最大，为3.48 mg·L；卫河干流、共产主义渠、汤河和安阳河TP质量浓度均值在Ⅳ类水质标准以上，淇河TP质量浓度均值处于Ⅱ类水质标准以下，其中共产主义渠TP质量浓度均值在汛期达到最大，为0.33 mg·L；另外，汤河COD和NH-N质量浓度在汛期和非汛期的最大值和最小值间差值最大，说明其波动性较大。整体上在非汛期时NH-N的质量浓度值相对较大，在汛期时TP的质量浓度值相对较大，COD质量浓度变化不明显。卫河流域河南段水体中，淇河和安阳河的水质状况较好，卫河干流、共产主义渠和汤河的水质状况相对较差。卫河流域河南段中NH-N污染程度最高。

表1 卫河流域河南段不同时期水体污染物均值统计（mg·L-1）Table 1 Mean value statistics of water pollutants in different periods in Henan section of Wei River basin（mg·L-1）

2.2 不同时期水体污染物变化趋势分析

根据M-K检验法和Pettitt突变检验法对卫河流域河南段9个监测断面水体污染物的数据系列进行分析，得到各监测断面水体污染物在不同时期的变化趋势及突变点情况（表2）。本文仅列出河南省界的监测断面大名龙王庙水体污染物不同时期M-K检验和Pettitt突变检验图（图2）。大部分监测断面的水体污染物在汛期和非汛期均呈现出显著减小的趋势，监测断面石辛庄的COD在汛期呈现出显著的增加趋势，监测断面卫辉皇甫和大名龙王庙的COD以及卫辉下马营的TP在汛期的变化趋势均不显著，监测断面石辛庄的COD在非汛期呈显著下降趋势，监测断面丁家沟的COD在汛期和非汛期的变化趋势均不显著；淇河监测断面浚县前枋城的COD和TP在汛期和非汛期，及NH-N在汛期的变化趋势均不显著，这可能是由于该监测断面水质一直较好。根据M-K检验法和Pettitt突变检验法得到的各监测断面水体污染物的突变时间基本上具有一致性，水体污染物COD和NH-N的突变时间多集中在2016年和2017年，而水体污染物TP的突变时间多集中在2017年和2018年；在汛期，水体污染物COD的突变时间多集中在7月，NH-N和TP的突变时间在不同监测断面呈现较大的差异，而在非汛期水体污染物的突变时间在不同监测断面具有较大的差异性。

图2 大名龙王庙水体污染物不同时期突变检验图Figure 2 The inspection chart of the water pollutants in Daminglongwangmiao section in different periods

表2 水体污染物不同时期变化趋势及突变点结果Table 2 Variation trend and mutation point of water pollutants in different periods

2.3 不同时期水体污染物时空分布特征

各监测断面水体污染物在不同时期的水质类别占比如图3所示。在汛期监测断面汤阴五陵、浚县王湾、卫辉下马营、鹤壁耿寺COD处于Ⅳ类及以上水质标准的占比分别为64.29%、78.57%、78.57%、67.86%，而在非汛期时均有所增加，分别为66.07%、89.29%、80.36%、80.36%；监测断面浚县前枋城COD处于Ⅳ类及以上水质标准的占比均较小，汛期和非汛期分别为7.14%和5.36%；而在非汛期时监测断面鹤壁耿寺COD达到劣Ⅴ类水质标准的占比为35.71%。

图3 各监测断面不同时期水质类别占比Figure 3 Proportion of water quality types in different monitoring sections in different periods

在汛期时监测断面卫辉皇甫和鹤壁耿寺NH-N处于Ⅳ类及以上水质标准的占比分别为64.29%和67.86%，而在非汛期时均有所增加，分别为69.64%和75.00%；监测断面浚县前枋城NH-N均处于Ⅲ类及以下水质标准；在汛期和非汛期时监测断面卫辉皇甫NH-N达到劣Ⅴ类水质标准的占比分别为64.29%和62.50%。

在汛期监测断面卫辉皇甫和浚县王湾TP处于Ⅳ类及以上水质标准的占比均为65.00%，在非汛期时分别为60.00%和65.00%，监测断面浚县前枋城TP均处于Ⅲ类及以下水质标准；在汛期时监测断面汤阴五陵和卫辉下马营TP达到劣Ⅴ类水质标准的占比分别为30.00%和25.00%。

整体上，对于水体污染物COD和NH-N，处于Ⅲ类及以下水质标准的占比各监测断面呈现出汛期>非汛期，处于Ⅳ类及以上水质标准的占比各监测断面呈现出非汛期>汛期；对于水体污染物TP，大部分监测断面处于Ⅲ类及以下水质标准的占比呈现出非汛期>汛期，处于Ⅳ类及以上水质标准的占比呈现出汛期>非汛期。

2.4 不同时期水体污染物时空差异性分析

为了分析卫河流域河南段不同时期水体污染物时空差异性特征，首先根据聚类分析将不同时期水体污染物进行空间尺度下聚类，结果如图4所示。由图可知，水体污染物COD和TP在汛期和非汛期时的空间聚类结果具有一致性，在空间尺度上将监测断面均分为两组，对于COD，A组的监测断面主要包括卫辉皇甫、卫辉下马营、浚县前枋城、浚县王湾、汤阴五陵、石辛庄、丁家沟和大名龙王庙，B组的监测断面包括鹤壁耿寺；对于TP，A组的监测断面主要包括卫辉皇甫、卫辉下马营、浚县王湾、汤阴五陵、鹤壁耿寺、石辛庄、丁家沟和大名龙王庙，B组的监测断面包括浚县前枋城。NH-N在汛期和非汛期时的空间聚类结果不一致，汛期A组的监测断面包括卫辉下马营、浚县前枋城、浚县王湾、汤阴五陵、石辛庄、丁家沟和大名龙王庙，B组的监测断面包括卫辉皇甫和鹤壁耿寺；非汛期A组的监测断面包括卫辉皇甫、卫辉下马营、浚县王湾、汤阴五陵、鹤壁耿寺和石辛庄，B组的监测断面包括浚县前枋城、丁家沟和大名龙王庙。

图4 不同时期水体污染物空间尺度聚类结果Figure 4 Spatial scale cluster analysis of water pollutants in different periods

对不同时期水体污染物指标空间尺度上聚类结果进行判别分析，结果如表3和表4所示。由表3可知，判别分析的判别函数基本可以解释所有水体污染物在不同时期的信息，COD在汛期和非汛期时Wilks的Lambda值分别为0.003和0.012，卡方系数分别为20.002和15.389；NH-N在汛期和非汛期时Wilks的Lambda值分别为0.026和0.068，卡方系数分别为12.734和9.420；TP在汛期和非汛期时Wilks的Lamb⁃da值分别为0.030和0.017，卡方系数分别为12.247和14.240；在不同时期水体污染物判别函数的显著性检验值均小于0.05，说明在不同时期下水体污染物的空间聚类结果有效。

表3 不同时期水体污染物指标空间尺度上判别分析统计检验Table 3 The statistical test of discriminant analysison spatial scale of water pollutant indexes in different periods

由表4可知，在汛期时COD空间聚类分析结果B组的判别分析交叉验证正确率较大，为62.50%，在非汛期时A组的判别分析交叉验证正确率较大，为87.50%；在汛期和非汛期时NH-N空间聚类分析结果均为A组的判别分析交叉验证正确率较大，分别为57.10%和66.70%，在汛期和非汛期时TP空间聚类分析结果均为A组的判别分析交叉验证正确率较大，分别为62.50%和87.50%。总体来说，卫河流域河南段水体污染物在不同时期的空间聚类结果相对较好。

表4 不同时期水体污染物指标空间尺度上判别分析交叉验证正确率（%）Table 4 The cross validation accuracy of discriminant analysis on spatial scale of water pollutants in different periods（%）

从卫河流域河南段不同时期水体污染物不同分组的差异性（图5）可知，A组的COD在汛期和非汛期时差异性较大，而B组的差异性相对较小；A组和B组的NH-N在汛期和非汛期时差异性均不明显；A组的TP在汛期和非汛期时差异性较大，而B组的差异性相对较小。结果表明，监测断面鹤壁耿寺COD质量浓度和浚县前枋城TP质量浓度在不同时期的波动性均较小，其余监测断面COD和TP质量浓度的波动性相对较大；各监测断面NH-N质量浓度在不同时期的波动性具有一定的相似性。

图5 不同时期水体污染物指标不同分组的差异性Figure 5 Differences of water pollutant indexes of different groups in different periods

3 讨论

卫河流域河南段受到城市扩张以及工农业发展的影响，其水体污染物主要来自于工业废水、生活污水以及农田化肥和农药的施用，水体污染物导致卫河流域河南段的水体受到不同程度的污染，卫河流域河南段各地区水体污染物排放量、农用化肥和农药使用情况如图6和图7所示。卫河流域河南段所辖地市2018年废污水排放总量为9.53亿t，COD排放总量为6.67万t，NH-N排放总量为0.96万t；2019年农用化肥使用折纯量为171.87万t，农药使用量为2.39万t。研究表明淇河的监测断面浚县前枋城的水体状况最好，这与鹤壁市整体水体污染物排放量和化肥农药使用量相对较小有关；卫河流域河南段COD和NH-N在不同时期基本呈现出显著减小的趋势，这与各地市COD和NH-N的排放量呈现减小趋势一致（图6），同时COD和NH-N的突变时间多集中在2016年和2017年，这与卫河流域河南段各地市2016年以来防治城镇生活和工业污染、整治城市黑臭水体以及减少农业面源污染等方面的工作有关；但是从近几年各地市农用化肥和农药使用趋势看（图7），减小趋势不显著，这也是影响卫河流域河南段水质的主要因素，因此，今后要加强卫河流域河南段农用化肥和农药的控制，防控流域内农业面源污染。

图6 卫河流域河南段各地区水体污染物排放量统计Figure 6 Discharge statistics of water pollutants in Henan section of Wei River basin

图7 卫河流域河南段各地区农用化肥和农药使用量Figure 7 Discharge statistics of agricultural fertilizers and pesticides in Henan section of Wei River basin

各监测断面水体污染物COD和NH-N在非汛期的污染程度较大，而TP在汛期的污染程度较大，这主要是由于COD和NH-N污染主要来自于工业和生活污水，在非汛期时流域河道内径流量较小，使得污染程度较大；而TP污染主要来自农业面源污染，在汛期时通过地面径流作用进入河道，使污染程度较大。整体上，卫河流域河南段各监测断面水体污染物具有一定的时空差异性和相似性，要改善流域内河流水体环境，各地市需要进一步加强水污染防治工作。

结合相关研究可知，1980年以前卫河流域水体受到的污染较轻，1990年到2003年由于受到经济社会快速发展的影响，污染程度加重，2004年到2010年污染状况有所好转，但仍然严峻，2011年之后政府治理水体污染力度的逐步加强，特别是2016年以来卫河流域水环境得到了进一步的改善。虽然卫河流域河南段水体污染状况存在波动反复的现象，但整体上随着各方面治理措施的完善，卫河流域河南段的水环境质量状况将得到改善。

4 结论

（1）卫河干流、共产主义渠和汤河的水质状况相对较差，淇河和安阳河的水质状况较好，NH-N为卫河流域河南段主要的水体污染物；各监测断面的水体污染物在不同时期基本上呈现出显著减小的趋势，仅监测断面石辛庄的COD在汛期呈现出显著的增加趋势；COD和NH-N的突变时间多集中在2016年和2017年，而TP的突变时间多集中在2017年和2018年。

（2）水体污染物COD和NH-N处于Ⅲ类及以下水质标准的占比各监测断面呈现出汛期＞非汛期，处于Ⅳ类及以上水质标准的占比各监测断面呈现出非汛期＞汛期；TP处于Ⅲ类及以下水质标准的占比大部分监测断面呈现出非汛期＞汛期，处于Ⅳ类及以上水质标准的占比呈现出汛期＞非汛期。

（3）不同时期下水体污染物的空间聚类结果有效且相对较好，监测断面鹤壁耿寺COD质量浓度和浚县前枋城TP质量浓度在不同时期的波动性均较小，其余监测断面COD和TP质量浓度的波动性相对较大；各监测断面NH-N质量浓度在不同时期的波动性具有一定的相似性。