湘江流域永州段水质变化趋势及突变分析

武 力，刘慧莹，向 超，陈 喆，王敦球

（1.桂林理工大学环境科学与工程学院，广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004；2.湖南省永州水文水资源勘测局，湖南 永州 425000；3.永州经济技术开发区环境保护局，湖南 永州 425000）

2018 年《中国环境质量公报》[1]显示：中国七大流域（长江、黄河、珠江、淮河、海河、辽河和松花江）的监测断面水质处于IV 类及以下的仍有25.8%，其中长江流域Ⅳ类及以下水质断面占总数量的12.6%，总体情况依然不容乐观。

湘江是长江流域洞庭湖水系中水资源总量与开发利用率最大的流域，近年来，因水污染负荷加大，湘江干、支流总体水环境质量下行压力增加，2016 年湘江流域42 个干、支流监测断面中月均有2.6 个断面达到IV 类或劣V 类标准[2]。湘江水环境保护成为学者们研究的热点，尤其是对湘江中、下游如株洲、湘潭等地水质的研究报道较为频繁[3]，而对湘江上游（永州段）水质的研究报道较少。

水质评价可以准确反映水环境质量状况，不同时间段的水质变化以及不同区域的水质变化可以反映流域水环境的发展变化，并为预测流域水质未来发展趋势提供依据。目前，用于水环境质量评价的方法主要有单因子评价法、综合污染指数法、人工神经网络法、灰色聚类法、模糊综合评价法等。例如：许玻珲[4]运用BP 神经网络开展了眉湖水质评价；安宇翔[5]论述了灰色聚类法在水质评价中的应用；周林虎[6]利用灰色聚类法评价了太子河的水环境质量；潘俊等[7]利用模糊评价法评价了溪泉湖3 条河流的水质；付敏明[8]利用模糊评价法分析了淮北市3 条主要河流的水质情况。

目前，用于水质变化趋势的研究方法主要有季节性肯达尔检验法、spearma 秩相关分析法、时间序列分析法、滑动T 检验法等，这些方法侧重各不相同。spearman 秩相关分析法适于监测数据较少、影响因素单一的相关检验。刘秀花等[9]利用spearman 秩相关分析法，研究了汉江丹江口水库水质变化趋势；杨盼等[10]采用spearman 秩相关系数法探究了长江干流氮、磷浓度的年际变化趋势和年内变化规律。季节性肯达尔检验法主要适用于监测数据呈非正态分布特征的趋势分析。房鑫[11]基于季节性肯达尔检验原理，利用PWQTrend 水质分析软件，对浑河干流抚顺段3 个主要监测断面的主要污染因子进行了水质变化趋势研究；彭珂等[12]以湘江长沙段三汊矶断面2001—2011年水质监测结果为样本，运用季节性肯达尔检验分析湘江长沙段水质变化趋势及影响因素；祝宾红[13]采用肯达尔检验法对雅鲁藏布江干流主要污染因子的演变趋势进行了分析研究。姜岩等[14]利用时间序列分析法研究了洞庭湖水质变化趋势；王臻[15]通过时间序列分析法研究了三沙湾水质的变化趋势。滑动T 检验法是通过考察2 组样本均值的差异是否显著来检验突变，可以发现趋势改变的突变点，常常被应用于长时间序列的水文序列突变研究[16]。

笔者利用spearman 秩相关分析法研究了湘江上游永州段水质的变化趋势，再通过滑动T 检验法进行突变分析，识别了区域的污染因子、污染源、突变时间及前后变化量，以期全面掌握湘江永州流域的水资源保护状况及发展趋势，为推动湘江保护与治理提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

湘江发源于湖南省蓝山县紫良瑶族乡，向北流经江华、道县、双牌等地，至永州市萍岛纳湘江西源（原来的湘江干流），至常宁市茭河口纳舂陵水，至衡阳市纳蒸水和耒水，至衡山县纳洣水，至株洲县渌口镇纳渌水，至湘潭纳涟水，至长沙市区纳浏阳河、捞刀河、沩水，至湘阴县城西镇浩河口村分东、西两支汇入洞庭湖，流域面积94 816 km2（其中湖南省内面积85 383 km2、湖南省外面积9 433 km2），全长948 km，平均坡降0.189‰，是洞庭湖水系中流域面积最大的河流。流域内降水量丰沛，但时空分布不均，主要集中在春夏2 季，湘江年最高水位大多出现于4 至7 月，年最低水位一般出现在12 月至次年1 月。

1.2 数据来源与处理

选取由湖南省河湖水质监测中心永州分中心提供的湘江永州流域较有代表性的道县、祁阳、冷水滩、老埠头、渌埠头、南津渡和双牌7 个断面（图1）2007—2019 年逐月的高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮（NH3-N）和总磷（TP）3 项水质参数浓度监测数据作为研究对象，以“GB 3838—2002，地表水环境质量标准”作为评价标准。

图1 湘江永州段水质断面示意图

1.3 研究方法

利用spearman 秩相关分析法研究水环境质量现状以及水质变化趋势，再通过滑动T 检验法进行突变分析，得到了水质突变时间和跳跃量。

1.3.1 spearman 秩相关分析法 秩相关分析法又称等级相关系数法，是衡量时间序列变化趋势在统计上有无显著性的常用方法，在污染物浓度变化趋势研究中得到大量应用[17-20]。用于检验水质指标数据序列与其响应时间序列间的相关性，从而判断水质序列在时间序列上是否存在趋势变化，计算公式见公式（1）、（2）。将秩相关系数rs的绝对值同spearman 秩相关系数统计表中的临界值Wp进行比较，如果|rs|＞|Wp|，则表明变化趋势有显著意义。

式中，di为变量Xi与Yi的差值；Xi为周期i到周期N按浓度值从小到大排列的序号；Yi为按时间排列的序号；N为年份。

1.3.2 滑动T 检验法 滑动T 检验法通过考察2 组样本均值的差异是否显著来检验突变。基本思想是把一连续的时间序列分成2 个子序列，将2 个子序列均值有无显著差异看作来自2 个总体的均值有无显著差异的问题来检验，若2 个子序列的均值差异超过一定的显著水平，则认为均值发生了显著变化，有突变发生。

对于样本量为n的时间序列x，人为设置某一时刻为基准点，将连续的随机变量分为2 个子序列x1和x2，其样本量分别为n1和n2（实际操作中，一般取n1=n2），均 值 分 别 为和，方 差 分 别为s和s22。如公式（3）构造统计量C。公式（3）遵从自由度为n1+n2-2 的 t 分布。滑动的连续计算可得到统计序列ti，i= 1，2，…，n-（n1+n2）+1。给定显著水平α（一般取 0.05 或 0.01），查t分布表得到其临界值tα，若|ti|＜tα，则认为2 子序列的均值无显著差异；反之，认为该时间序列在基准点时刻出现突变。

2 结果与分析

2.1 湘江流域永州段CODMn、NH3-N 和TP浓度变化趋势及水质评价

2.1.1 CODMn浓度变化趋势及水质评价 由图2 可知，道县站、南津渡站、老埠头站、冷水滩站、渌埠头站的CODMn浓度介于0.4～3.7 mg/L 之间，稳定达到“GB 3838—2002，地表水环境质量标准”（国标）中的II 类标准限值（4 mg/L），双牌、祁阳站CODMn浓度介于0.5～4.3 mg/L，稳定达到国标中的III 类标准限值（6 mg/L），CODMn浓度的最高峰一般出现在9—11 月，最高值达到4.3 mg/L，9—11 月CODMn浓度偏高的主要原因是枯水期水量骤减导致CODMn浓度升高，道县站、双牌站、南津渡站、老埠头站、冷水滩站、渌埠头站的CODMn平均浓度介于1.3～1.4 mg/L 之间，祁阳站的CODMn平均浓度为1.7 mg/L，上游站点的CODMn平均浓度小于下游站点，表明上游水质较好。

图2 湘江流域永州段各断面CODMn 浓度变化趋势

2.1.2 NH3-N 浓度变化趋势及水质评价 由图3 可知，7 个站点的NH3-N 浓度介于0.025～0.799 mg/L 之间，稳定达到国标中的III 类标准限值（1.0 mg/L）；NH3-N浓度的最高峰一般出现在2—4 月和12 月，最高值达到0.799 mg/L，2—4 月NH3-N 浓度偏高的主要原因是2—4 月是该地水稻种植的播种期，大量氮元素因淋洗而流进河道。12 月主要是枯水期水量骤减导致NH3-N浓度升高。道县站、双牌站、南津渡站的NH3-N 平均浓度介于0.151～0.160 mg/L，老埠头站、冷水滩站、渌埠头站的NH3-N 平均浓度介于0.184～0.190 mg/L，祁阳站的的NH3-N 平均浓度0.237 mg/L，上游站点的NH3-N 平均浓度低于下游站点，即上游水质较好。

图3 湘江流域永州段各断面NH3-N 浓度变化趋势

2.1.3 TP 浓度变化趋势及水质评价 由图4 可知，南津渡站、冷水滩站、双牌站、渌埠头站的TP 浓度介于0.005～0.280 mg/L，稳定达到国标中的IV 类标准限值（0.3 mg/L），道县站、老埠头、祁阳站TP 浓度介于0.005～0.160 mg/L，稳定达到国标中的III 类标准限值（0.2 mg/L）；TP 浓度最高峰一般出现在7—8 月和11 月，最高值达到0.280 mg/L，7—8 月TP 浓度偏高的主要原因是汛期降雨量大，将大量污染物带入河道导致污染物浓度升高，11 月主要是枯水期水量骤减导致污染物浓度升高；南津渡站、道县站、双牌站、老埠头站、渌埠头站的TP 平均浓度分别为0.03 mg/L，冷水滩站、祁阳站的TP 平均浓度分别为0.04 mg/L；上游的站点TP 平均浓度低于下游站点，主要原因是冷水滩区和祁阳县是永州市经济社会发展相对较快的区域，自然环境受到人为干扰显著。

图4 湘江流域永州段各断面TP 浓度变化趋势

2.2 湘江流域永州段高锰酸盐指数、氨氮、总磷浓度变化趋势检验及突变分析

2.2.1 高锰酸盐指数、氨氮、总磷浓度变化趋势 由表1 可知，祁阳站CODMn浓度和NH3-N 浓度呈下降趋势，TP 浓度呈上升趋势，其中NH3-N 浓度变化趋势不显著，而CODMn浓度和TP 浓度变化趋势显著，磷是关键污染物；祁阳站断面位于县级城区断面，其TP 浓度显著上升的同时，NH3-N 浓度呈下降趋势，可推断其主要污染源是生活污水（主要是含磷量较高的洗涤废水）；其他6 个站点的NH3-N 浓度和TP 浓度水质呈显著上升趋势，CODMn浓度呈显著下降趋势，以氮、磷为关键污染物。环境统计数据显示，农业源和生活源是永州市氮、磷污染的主要来源。老埠头站和渌埠头站均不在城区范围内，周边区域无城镇污染源分布，表明老埠头站、渌埠头站非点源氮、磷污染控制不到位，主要污染源来自农业面源污染；南津渡站、双牌站、冷水滩站、道县站和祁阳站分布在城区，氮、磷污染控制不到位，主要污染源为生活源。7 个站点的CODMn浓度均呈显著下降趋势，表明CODMn的污染控制比较到位，流域各站点水质的CODMn浓度均得到有效控制。

表1 湘江流域永州段各断面CODMn、NH3-N 和TP 浓度月变化趋势显著性检验

2.2.2 永州段各断面CODMn、NH3-N 和TP 浓度突变分析 由表2 可知，所有站点污染物浓度的突变跳跃年份均集中在2009—2012 年，正值“十一五”到“十二五”的过渡时期，我国经济社会高度发展，农业、工业规模不断增大，对环境产生一定影响；突变跳跃月份集中在11 月至次年4 月，即污染物浓度的突变均出现在枯水期，主要是因为枯水期水流量较小导致氨氮和总磷浓度偏高，加上冬季河底生物的腐烂分解，将有机氮、磷还原成无机氮、磷释放回水中[21]，因此每年3—4 月污染物浓度达到高峰。

表2 湘江流域永州段各断面CODMn、NH3-N 和TP 浓度突变分析 （mg/L）

各站点的CODMn浓度跳跃年份均出现在2011 年1—2 月，CODMn浓度的最大跳跃量为0.72 mg/L，发生在冷水滩站；NH3-N 浓度的最大跳跃量出现在祁阳站，时间为2009 年3 月，跳跃前均值为0.33 mg/L，跳跃后均值为0.23 mg/L，跳跃量为0.10 mg/L，2009年以来，祁阳中心城区污水收集与处理率逐步提升，NH3-N 得到有效治理，经过处理后转化为NO3--N；TP浓度的最大跳跃量出现在道县站，时间为2011 年2月，跳跃前均值为0.01 mg/L，跳跃后均值为0.04 mg/L，跳跃量为0.03 mg/L；从3 种污染物的跳跃量来看，各站点TP 浓度跳跃量＜NH3-N 浓度跳跃量＜CODMn浓度跳跃量。

3 结 论

数据显示，2007—2019 年，双牌站、祁阳站的CODMn浓度达到“GB 3838—2002，地表水环境质量标准”（国标）中的III 类及以上标准限值，道县站、南津渡站、老埠头站、冷水滩站、渌埠头站的CODMn浓度稳定达到国标II 类标准限值；7 个站点的NH3-N浓度稳定达到国标III 类标准限值；南津渡站、冷水滩站、双牌站、渌埠头站的TP 浓度达到国标IV 类及以上标准限值，道县站、老埠头站、祁阳站的TP 浓度稳定达到国标III 类及以上标准限值；上游的站点CODMn、NH3-N、TP 平均浓度均低于下游站点。

研究的7 个站点CODMn浓度均呈下降趋势，且趋势显著。除祁阳外，其他6 个站点的NH3-N、TP浓度均呈显著上升趋势，氨氮、总磷是该地区的关键污染物，首要污染源为农业非点源污染，其次是生活源污染。

各站点污染物浓度的突变跳跃年份均集中在2009—2012 年，TP 和NH3-N 浓度呈显著上升趋势，突变跳跃月份集中在11 月至次年4 月，即污染物浓度的突变均出现在枯水期；CODMn浓度的最大跳跃出现在2011 年1 月的冷水滩站，其跳跃量为0.72 mg/L；NH3-N 浓度最大跳跃出现在2009 年3 月的祁阳站，其跳跃量为0.10 mg/L；TP 浓度最大跳跃出现在2011 年2 月的道县站，其跳跃量为0.03 mg/L；各站点TP 浓度跳跃量＜NH3-N 浓度跳跃量＜CODMn浓度跳跃量。