基于WPI的盘龙河水质变化特征研究
2022-03-18李代华夏永竹
付 奔，李代华，夏永竹，王 龙，余 航*
(1.云南省水文水资源局文山分局，云南 文山，663099；2.云南农业大学水利学院，昆明，650201)
1 引言
水是一种自然资源，近年来由于受到自然和人类活动的影响，使得全球各地的水资源危机和水环境污染成为急需解决的难题[1]。对此，应该全面分析和评价河流水质，为水污染防治提供依据。这是因为河流水质是流域生态系统评价的一个重要指标，也是分析流域污染特征的重要依据之一[2-3]。随着CO2等温室气体排放增加，使得气候变暖，进而影响水循环的各个要素(如降水、气温、径流等)和循环方式。这将对水量产生严重影响，进而直接影响水环境中污染物的来源和迁移转化行为[4]，最终影响水环境质量[5]。也就是说，水文气象要素的改变将会引起河流水质的变化。因此，分析河流水质变化特征以及与水文气象要素的关系具有重要意义。
盘龙河位于云南省西南部，属于国际河流，其河流水质对下游地区有较大影响。一些学者对盘龙河流域纳污能力[6]、环境剩余容量[7]、水资源管理[8]和污染物变化[9]等问题进行了深入探讨，而关于水质变化特征以及与水文气象要素的关系的研究较少。因此，本文选取盘龙河的水质、径流和降水数据，利用水污染指数(WPI)、创新趋势方法(ITA)和Spearman相关性分析盘龙河水质的变化特征以及与水文气象要素的关系。这将为合理开发利用水资源和保护盘龙河生态环境提供参考。
2 数据和方法
2.1 研究区概况
盘龙河位于云南省文山州，为红河流域上游，在文山州麻栗坡县天保镇出境，进入越南境内并汇入红河(如图1所示)。盘龙河流经云南蒙自、砚山、马关、西畴和麻栗坡共计5个县市；其在国内径流面积为6497km2，国内河长245.1km，平均比降7.24‰。盘龙河流域内夏秋东南和西南暖湿气流活跃，暖湿多雨，冬春受变性冷高压和干暖偏西气流控制，多晴少雨；流域内降水时空分布不均，多年平均降水量1200mm，多年平均径流量27.6亿m3[6，8]。
图1 盘龙河和站点位置
2.2 研究数据
本文选取盘龙河5个水质站的pH、溶解氧(DOX)、氨氮(NH3N)、高锰酸盐指数(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氟化物(F)、总磷(TP)计算各站点的WPI，并研究其时空变化特征；然后选取降水(PRE)、气温(AIRT)、水温(WT)和径流(RO)数据分析水文气象要素与水质的关系。雨量站、水质站和径流站位置如图1所示。本文使用的数据起止时间为：回龙水库，2014-2019年；天生桥，2016-2019年；灰土寨，2002-2019年；花桥，2002-2019年；天保，2010-2019年。
2.3 研究方法
2.3.1 WPI
本文采用WPI描述各站点的水质状况，该方法是根据水质要素的观测浓度(Ci)和标准容许浓度(Si)为依据进行计算，其计算简单、灵活，并且可以根据需求或数据限制调整相应的水质要素总数(n)，其计算步骤如下[10]。
(1)计算各水质要素的污染负荷。公式如下：
(1)
(2)
式中，Ci为第i个水质要素的观测浓度；Si为第i个水质要素的标准值，其取值根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[11]选取。参考文献[10]计算WPI仅依赖于式(1)(pH除外)，这是由于其所选取的水质要素均为越小越好，然而本文选取了DOX，其越大表明水质越好，故需新增式(2)。也就是说，式(1)计算水质要素越小表明水质越好的情况；式(2)计算水质要素越大表明水质越好的情况。此外，对于pH而言，7表明水为中性，其过大或过小均是有害的，根据这一观点，采用下式计算不同pH值的范围。
(3)
(4)
如果pH<7，采用式(3)计算；pH>7，则采用式(4)计算。Sia和Sib分别表示最小和最大的可接受的pH值，本文根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)确定pH的范围为6～9。
(2)计算WPI，根据计算得到的各水质要素的污染负荷。计算其平均值即为WPI，公式如下：
(5)
式中：n表示水质要素总数，本文n=7；i表示个水质要素。
(3)水质类别划分。WPI将水质分为四类：WPI<0.5，表示水质优良；0.5
2.3.2 趋势分析
当前广泛采用的趋势检测方法为Mann-Kendall[12-13]，其在使用时需假设数据序列是独立的，然而某些数据序列并不满足该假设。因此，本文采用ITA[14]进行趋势分析，该方法不需要假设数据序列正态和独立。具体方法如下[14-17]：
(1)作图判断趋势
(2)显著性判断
如果计算的斜率值的绝对值|s|小于临界值|CL|，则接受原假设H0，表示不存在显著趋势；否则拒绝原假设H0，表示有显著趋势。根据下式计算斜率值S：
(6)
临界值CL根据下式计算：
CL(1-a)-0±ScriσS
(7)
式中：α为临界水平，取0.05；Scri为标准正态分布的临界概率；σS为根据式(8)计算的斜率的标准差：
(8)
2.3.3 相关分析
本文根据SPSS软件的Spearman相关性分析，研究水文气象要素与水质的相关关系。
3 结果和讨论
3.1 空间变化特征
本文根据上述方法计算了每个站点的全年和各季节的WPI，如图2所示。图2表明，花桥的全年和各季节的平均WPI均大于其余4个站点，此外，除花桥春季平均WPI比0.75稍大，呈中度污染以外，其余各时间尺度的5个站点的平均WPI均小于0.75，水质良好。具体来说，花桥的全年、夏季和冬季的平均WPI大于0.5小于0.75，水质良好；其余站点的平均WPI均小于0.5，水质优良。春季除花桥以外，其余站点的平均WPI同样小于0.5，水质优良；而花桥的平均WPI大于0.75，水质呈中度污染。秋季5个站点的平均WPI均小于0.5，水质优良。
图2 盘龙河全年和季节的平均WPI
以上结果说明，盘龙河全年和各季节(花桥的春季除外)的水质良好，但这仅仅反映的是多年平均的情况，而对于较小的时间尺度来说，其表现可能有所不同(如图3所示)。图3表明，回龙水库和天保的月WPI均小于0.75，水质良好；天生桥在2016年1月和2019年8月的WPI大于1，呈重度污染，其余各月的WPI均小于0.75，水质良好；灰土寨在2013年8月的WPI大于0.75小于1，呈中度污染，其余WPI均小于0.75，水质良好；天生桥有19个月的WPI大于0.75，呈中度污染，其中4个月的WPI更是超过了1，呈重度污染。以上分析表明，盘龙河上游和下游水质好于中游，特别是出境进入越南时，水质良好。造成中游花桥水质较差的原因主要是由于花桥位于文山州城区。据统计，在新世纪以来，花桥的污染物浓度比其他4个站点要大[18]。另外，2015年盘龙河干流入河排污量总计1048万t，NH3N入河量为14.8t[6]，有研究表明，在盘龙河中上游的NH3N污染最为严重，而下游相对较小[7]。这些研究说明盘龙河中游水质较差，而在上游和下游水质较好，这与本文研究结果一致。
图3 盘龙河5个站点的月WPI
3.2 时间变化特征
图4为全年和各季节的WPI的变化趋势。图4表明，除个别点以外，回龙水库其余WPI在45°斜线下方，表示全年和各季节的WPI呈下降趋势，且具有显著性。天生桥全年、秋季和冬季的WPI在45°斜线下方，表示呈下降趋势；春季和夏季的WPI分别靠近45°斜线下方和上方，分别呈下降和上升趋势。除秋季以外，灰土寨其余WPI主要在45°斜线上方，呈上升趋势，其中全年、夏季和冬季有显著的上升趋势；秋季WPI最大值在45°斜线下方，呈下降趋势，中间值在45°斜线上方，呈上升趋势，最小值则靠近45°斜线，趋势不明显，由于受到最大值的影响，使得秋季WPI呈不显著的下降趋势。花桥全年、夏季、秋季的WPI在45°斜线上方，呈上升趋势，且具有显著性；春季的WPI在45°斜线下方，呈下降趋势，且具有显著性；冬季WPI靠近45°线，呈不显著的上升趋势。天保全年、春季和夏季的WPI主要在45°斜线下方，呈下降趋势，且全年和春季有显著的下降趋势；秋季WPI最大值、中间值和最小值分别在45°斜线上方、下方和靠近该线，分别呈上升、下降和没有趋势，总体上秋季WPI呈不显著的上升趋势；冬季WPI均在45°斜线下方，呈显著的下降趋势。
2012-2019年《中国生态环境状况公报》(2016、2017未统计)公布的结果表明，盘龙河水质变化不大，为Ⅱ～Ⅲ类。另外，2015-2017年的盘龙河水质基本维持在Ⅱ～Ⅲ类，水质较稳定[6]。总体来看，盘龙河水质较好且稳定，但各水质要素的变化趋势可能不同，21世纪盘龙河从上游至下游各站点的BOD5总体呈增加趋势；TP呈现上升后下降的趋势；NH3N总体呈减少趋势[9]。以上研究表明，盘龙河各水质要素的变化趋势不同，从而使得盘龙河各站点的WPI变化趋势各不相同。
注：由于天生桥数据范围为2016-2019年，因此仅有两个点，故无法进行显著性检验。
3.3 与水文气象因素的关系
影响水质的水文气象因素较多，然而本文由于受到资料条件限制，故采取PRE、AIRT、WT和RO来分析与WPI的关系。并且经检验，这些要素并不完全属于正态分布，因此，本文利用SPSS软件的Spearman相关性进行研究如图5所示。
注：图中加粗方框表示在0.01水平(双尾)有显著的相关关系。由于各站点的WPI只与其上游的PRE和RO有关，故分析时仅考虑上游的PRE和RO。由于回龙水库无流量站，因此，没有分析RO与WPI的关系；天生桥的水质检测从2016年开始，PRE数据截止为2016年，且附近没有流量站，因此，没有分析PRE和RO与WPI的关系。
图5表明，除花桥的WPI与RO呈显著的负相关关系以外，其余绝大多数各站点的WPI与RO、PRE呈不显著的负相关关系。另外，除回龙水库以外，其余站点的WPI与AIRT、WT也表现出不显著的负相关关系。此外，回龙水库的PRE与AIRT、WT呈显著的负相关关系；花桥的AIRT与WT呈显著的正相关关系，其余各要素之间的相关关系较差。总体来说，盘龙河的WPI与水文气象要素没有显著的相关关系，在长湖也有类似的结论，即在某些站点的PRE与综合污染指数呈不显著的负相关关系[19]。然而，在物理成因上水文气象要素对河流水质有影响，具体来说，降水形成径流后，降水和径流冲刷积聚在地表的污染物，并随着径流进入江河湖库，污染了流域内的地表水和(或)地下水[20-21]。此外，随着AIRT的上升，江河湖库的WT也会升高，通常情况下，温度上升将会影响水体的物化特性，以及温层分布[22]和加速水体中化学反应和生物降解速率等[23-24]。以上分析说明，PRE和RO、AIRT和WT对水质有影响[5]，然而本文分析的结果是WPI与水文气象要素关系较差，这可能是由于WPI反映的是多个水质要素的综合影响引起的，故接下来分析水文气象要素与水质要素的关系如图6所示。
图6表明，灰土寨RO与CODMn呈显著的正相关关系；花桥RO与NH3N、BOD5呈显著的负相关关系。回龙水库PRE与CODMn、F、TP呈显著的负相关关系，与pH、DOX呈显著的正相关关系；灰土寨PRE与pH呈显著的负相关关系，与DOX呈显著的正相关关系；花桥PRE与DOX呈显著的正相关关系。天生桥AIRT与CODMn呈显著的正相关关系，与BOD5呈显著的负相关关系。总体来说，降水与各水质要素的关系好于其他水文气象要素。这是由于降雨是水质的主要影响因素之一，特别是在初始降水阶段，大量污染物随地表径流汇入河流，对水质造成较大的影响[25-26]。气温与水温之间通过辐射等方式传递热量，使得水温与气温呈正相关关系，而水温升高将提高污染物离子活跃程度，使得离子浓度增加、从而使得水体中化学反应速率加快，另外还会增强微生物活性，释放底泥中内源性氮和磷[27-30]。已有研究表明，水文气象要素与水质要素，以及各水质要素都具有不同类型和不同显著性的相关关系[25，31-36]。以上分析说明，水文气象要素对各水质要素有不同程度的影响，这也就使得水文气象要素与WPI的关系较差。
注：图中加粗方框表示在0.01水平(双尾)有显著的相关关系；加粗椭圆框表示在0.05水平(双尾)有显著的相关关系。
4 结论
(1)总体来说，除花桥春季WPI稍大于0.75水质较差以外，其余WPI均小于0.75，甚至多数WPI小于0.5，这表明盘龙河全年和各季节的水质较好。另外，回龙水库和天保的月WPI均小于0.75，水质较好，其余3个站点的月WPI尽管有大于0.75，甚至大于1的情况，但还是以小于0.75为主，故这些站点的水质在多数月份较好。
(2)盘龙河上游的回龙水库和天生桥的多数散点在45°斜线下方，即主要以下降趋势为主，而在中游和下游的灰土寨、花桥和天保的多数散点在45°斜线上方，即以上升趋势为主，且大多数趋势在置信水平α=0.05时有显著的上升或下降趋势。
(3)从WPI来看，除花桥RO与WPI有显著的负相关关系以外，其余水文气象要素与WPI均没有显著的相关关系；回龙水库的水文气象要素与WPI主要呈正相关关系，而其余4个站点主要呈负相关关系。从水质要素来看，多数情况下水文气象要素与水质要素没有显著的相关关系；水文气象要素与pH、F主要呈负相关关系，与DOX、TP主要呈正相关关系，其余水质要素在不同的站点有不同的相关关系。
