长山河水质评价及变化趋势分析

2022-03-08祝新明

四川环境 2022年1期

祝新明,袁婧,王翡,李莉,吕升

(浙江省嘉兴生态环境监测中心，浙江嘉兴 314000)

引言

河流水资源是一种宝贵的自然资源，与人类的生存、发展息息相关。开展河流水质评价，识别变化趋势，有利于掌握河流的水环境污染特征，进而为河流水资源的合理开发利用和污染防治提供科学的技术支撑[1～3]。目前河流水质评价有多种方法，如多元统计法[4]，BP神经网络方法[5]，模糊综合法[6]等，其中综合水质标识指数法，因其评价简便并能反映河流水质完整信息而广受欢迎[7]。河流水质趋势变化常常受汛期和非汛期影响，传统的趋势分析方法，如Spearman秩相关系数法难以监测到部分变化趋势[8]，季节性kendall趋势检验法具有受季节性周期影响小，可以将侧漏值和奇异值的影响降至最低等优势而应用广泛[9]。

长山河作为嘉兴市域内的一条重要河流，承担着航运、泄洪、饮用水源、灌溉等多种功能，但长期以来水质以Ⅴ类、劣Ⅴ为主。近年来随着“五水共治”、河长制等措施的不断推进，其水质得到了较大的改善，但对其水质评价的相关报道较少，且主要集中在长山河海宁段[10]，难以反映长山河流域水质状况的全貌。因此本文利用综合水质标识指数法对2015～2019年长山河水质开展评价，并利用季节性kendall检验法对近五年长山河水质变化趋势进行简要分析，以期为长山河水资源保护和污染防治提供有益的参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

长山河位于浙江省嘉兴市，是一条人工开凿的河流，为杭嘉湖南排工程的重要组成部分[11]。长山河起始桐乡市洲泉镇，河流总趋势为西北东南向，东流先与杭州塘交汇，北岸与灵安港、康泾塘、南永兴港连接，续东南流与长水塘交汇；东南流先后与吕冢港、武通港、里洪塘连接，南岸与袁花支河连接，最终经长山闸入钱塘江，流经桐乡市、海宁市和海盐县，由于受工业、农业面源、外来污水和生活污水的污染，长山河水环境问题比较突出[12]。长山河主干河道全长66.7km，河底宽度为8～65m，水域面积为4.71km2，为当地交通运输，农业和经济社会发展发挥了重要的作用[13]。

1.2 数据来源

本文以2015～2019年长山河上晚村、联合桥等4个监测断面(见图1)的地表水站月均值监测结果为基础，参照当地交接断面考核标准，选取高锰酸盐指数，氨氮和总磷等3个指标作为评价因子，评价标准采用《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)，数据描述见表1。

图1 长山河监测断面分布示意图Fig.1 The distribution of monitoring sections of Changshan River

表1 2015～2019年长山河4个监测断面月均浓度变化表Tab.1 The monthly-average concentration of four monitoring sections of Changshan River during the year 2015～2019

续表1

1.3 评价方法

1.3.1 综合水质标识指数法

综合水质标识指数法兼具定性和定量评价特点，可以对河流综合水质做出合理评价[14]。其组成为

Iwq=X1.X2X3X4

(1)

公式(1)中Iwq为综合水质标识指数，X1为河流总体的水质类别，X2为综合水质在X1类变化区间所处位置，X3为参与综合水质评价的指标劣于功能区目标单项指标个数，X4为综合水质类别与水体功能区类别的比较结果。X1.X2为所有测量值的单因子水质标识指数的整数位和小数位数第1位的平均值[15]。

通过综合水质标识指数Iwq的整数位和小数点后第1位，可以判定综合水质类别以及综合水质随时空变化评价，判定关系见表2，具体判别方法见文献[16]。

表2 综合水质标识指数的水质级别评判及时空变化评价[16]Tab.2 The water quality grade evaluation and spatiotemporal change evaluation of comprehensive water quality identification index

1.3.2 季节性kendall检验

季节性kendall检验是Mann-Kendall检验方法的一种推广，其可以克服河流水质汛期非汛期的周期变化，侧漏值和未检出值等因素的不利影响而在水质趋势检验中应用广泛[17-18]。季节性kendall检验的原理为将历年相同的月(季)的水质监测数据进行比较，如果后面的值高于前面的值，则记为“+”，否则记为“-”。如果“+”的个数比“-”的个数多，则为可能为上升趋势，反之为下降趋势，如果两者相等则趋势不明显。

肯达尔发现，当n≥10时，随机序列S近似服从正态分布：

(2)

且标准方差Z为：

(3)

趋势检验的显著水平α值为：

(4)

显著性水平α为0.1和0.01，即当α≤0.01时，说明肯达尔检验具有高度显著性水平；当0.01≤α≤0.1时，说明肯达尔检验是显著性的。在α值满足上述两个条件情况下，当t>0时，则具有显著性(或高度显著性)上升趋势；当t<0时，则具有显著性(或高度显著性)下降趋势；当t=0则为无趋势[19]。

利用季节性kendall检验法判断水质趋势时，一般以5至8年为宜，过短或过长的水质序列都可能导致趋势分析结果的偏差[20]。因此为保证趋势分析的可靠性，本文选取5年水质序列进行季节性kendall检验。本研究中季节性kendall趋势分析基于R软件的wql软件包(version0.4.9)提供的函数实现。

2 结果与讨论

2.1 基于综合水质标识指数的水质评价

对长山河4个水站监测结果的年均值开展评价，各监测点位综合水质标识指数结果见图2。

图2 2015～2019年长山河各监测断面综合水质Fig.2 The comprehensive water quality of monitoring sections of Changshan River from 2015 to 2019

由图2可知，从空间跨度看，2015～2019年长山河四个监测断面均符合Ⅲ类水体功能区的要求，但水质污染呈现先上升后下降的趋势。具体看，晚村至联合桥监测断面综合水质均有一定程度的恶化，综合水质分别恶化22.5%、6.4%、9.7%、5.9%和6.1%，其中以2015年综合水质恶化尤为显著，说明长山河桐乡段水质恶化导致其出境水质变差。2015～2019年联合桥至长山河大桥监测断面综合水质有一定程度的改善，综合水质改善率分别为2.9%、0.3%、8.8%、19.4%和22.9%，其中2018年综合水质为轻微改善，2019年综合水质为显著改善，说明长山河海宁段水质改善导致其出境水质变好。2015～2019年长山河大桥至长山闸一号桥监测断面综合水质改善分别为2.7%、8.6%、9.7%、6.9%和3.7%，水质基本不变。从长山河入口和出口看，即晚村至长山闸一号桥监测断面综合水质看，2015年综合水质恶化15.8%，为轻微恶化，2016和2017年综合水质改善3.0%和9.7%，水质基本不变，2018和2019年综合水质分别改善20.6%和21.2%，水质改善显著。

从时间跨度看，2015～2019年晚村断面的综合水质均维持在Ⅲ类水平，但2019年较2015年综合水质恶化6.1%，水质趋势为基本不变，联合桥断面综合水质维持在Ⅲ类水平，2019年较2015年综合水质改善8.1%，水质趋势为基本不变。长山河大桥断面2015年至2017年综合水质维持在Ⅲ类水平，2018年至2019年综合水质有所改善，达Ⅱ类水质标准，2019年较2015年综合水质改善27%，为显著改善。长山闸一号桥断面2015至2016年综合水质为维持在Ⅲ类水平，2017年2019年综合水质有所改善，达Ⅱ类水质标准，2019年较2015年综合水质改善27.8%，为显著改善。总体看，近五年除晚村断面水质恶化外，其余三个监测断面水质均有不同程度的改善，表明通过推动长山河沿线水污染企业污染整治，污水入网，推进农村生活污水治理，种养业污染控制，减少农田化肥使用量等水污染防治措施，长山河水质得到了较大的改善，水质由21世纪初以Ⅴ类，劣Ⅴ为主，转变为为Ⅲ类水质为主体。

2.2 基于季节性kendall检验水质趋势分析

利用季节性kendall检验法对2015～2019年长山河各监测断面月均值水质开展趋势分析，结果见表3。

表3 长山河4个监测断面趋势分析结果Tab.3 The trend analysis results of four monitoring sections of Changshan River

续表3

由表3可知，从监测指标看，高锰酸盐指数变化趋势高度显著上升有2个监测断面，占比50%，高度显著下降有2个断面，占比50%，氨氮变化趋势高度显著下降的有3个监测断面占比75%，无明显趋势变化的有1个监测断面，占比25%。总磷变化趋势高度显著下降的有3个监测断面，占比75%，显著下降的有1个监测断面，占比25%。根据庄犁等对嘉兴市入河污染源解析研究表明嘉兴市入河污染源以面源污染为主，而其中畜禽养殖污染是面源污染的主要来源[21]。以生猪为例，根据桐乡市，海宁市和海盐县的生猪养殖统计结果显示[22～27]，2019年比2015年生猪养殖数量均有大幅下降，其中海盐县下降幅度最大，这使得长山河大部分监测断面高锰酸盐指数，氨氮，总磷等监测项目浓度呈显著下降成为可能。

从监测断面看，晚村断面高锰酸盐指数变化趋势为高度显著上升，每年约上升0.3mg/L，浓度中值为4.5mg/L，符合地表水Ⅲ类水质标准。氨氮为无明显趋势变化，浓度中值为0.34mg/L，符合地表水Ⅱ类水质标准。总磷变化趋势为高度显著下降，每年约下降0.0085mg/L，浓度中值为0.164 mg/L，符合Ⅲ类水质标准。综合水质标识指数法对该断面的时间跨度分析表明近五年综合水质变化不明显，表明高锰酸盐指数的恶化抵消了总磷显著改善的效果，而该断面为长山河入口，表明近五年从上游湖州方向的来水水质未有较大的改善。

联合桥断面高锰酸盐指数变化趋势为高度显著上升，每年约上升0.23mg/L，浓度中值为5.0mg/L，符合地表水Ⅲ类水质标准；氨氮变化趋势为高度显著下降，每年约下降0.08mg/L，浓度中值为0.51mg/L，符合地表水Ⅲ类水质标准，总磷变化趋势为高度显著下降，每年约下降0.009mg/L，浓度中值为0.194mg/L，符合地表水Ⅲ类水质标准，综合水质标识指数法对该断面的时间跨度分析表明近五年综合水质变化不明显，说明高锰酸盐指数显著上升抵消了氨氮和总磷改善的效果。高锰酸盐指数为有机污染指标，与人类活动密切相关，联合桥断面为长山河上桐乡市的出境断面，高锰酸盐指数高度显著上升可能与该区域内农田的化肥过量使用，农村生活污水排放，畜禽养殖污染等有密切关系。因此需适时对长山河桐乡段主流和支流范围内畜禽养殖污染源、农业种植源和生活污染源等开展排查，有效控制畜禽养殖和农田的化肥使用量，推进生活污水有效治理。

长山河大桥监测断面高锰酸盐指数，氨氮和总磷的变化趋势均为高度显著下降，每年分别下降约为0.54 mg/L、0.14 mg/L、0.0069 mg/L，浓度中值分别为4.2 mg/L、0.42 mg/L、0.124 mg/L，其中高锰酸盐指数和总磷达到地表水Ⅲ类水质标准，氨氮达地表水Ⅱ类水质标准。长山闸一号桥监测断面高锰酸盐指数，氨氮变化趋势均为高度显著下降，总磷变化趋势为显著下降，每年下降分别约为0.74 mg/L、0.078 mg/L、0.008 mg/L，浓度中值分别为4.0 mg/L、0.29 mg/L、0.107mg/L，其中高锰酸盐指数和氨氮达到地表水Ⅱ类水质标准，总磷达地表水Ⅲ类水质标准。综合水质标识指数时间跨度分析表明长山河大桥和长山闸一号桥监测断面近5年来综合水质均为改善，与季节性kendall检验法的分析结果一致。