安阳市2012～2020年地表水质量及其影响因素的回归分析

苏小婉，丁志安，唐 敏，常艳文，赵海丽，李世华，王 颖，丁金杰

(河南省安阳生态环境监测中心，河南 安阳 455000)

1 引言

水是不可替代的独特自然资源，是人与自然共生的基础和前提[1]。随着人口增长和社会经济的发展，水资源需求量急剧增加的同时水体污染日益严重，直接或间接地改变了水环境状况和水生态系统服务功能，这已经成为社会经济可持续发展的主要瓶颈[2]。水体污染的根本来源不仅是河流、湖库水体本身，更重要的是流域内与国民经济和社会发展密切相关的人类生活与生产活动[3]。社会经济发展方式是水环境质量的重要影响因素[4,5]，其对地表水水质的影响主要表现在产业结构[6]、土地利用[7]、生产活动[8]以及科技水平和环境政策[3]等方面。另外，城镇化进程与工业污染、生活污染排放关系显著[9]，而污染物排放的处理与水体污染状况改善密切相关[10]。

人类生活和生产活动能够引起流域物质循环和能量变化，影响污染物的发生、迁移和转化，进而可能对流域水环境产生深刻的影响[11]。因此分析水环境质量状况、变化趋势及其影响因素，是有针对性地开展水环境治理和生态文明建设的重要基础，为保护水资源和修复水生态提供科学依据，具有十分重要的指导意义。本文以2012～2020年安阳市地表水监测数据为依据，采用污染指数评价法及Spearman秩相关系数法，对安阳市地表水污染指数进行了长时间序列分析，以研究其水质整体状况和演变趋势，并运用回归分析法探究了地表水水质与其影响因素的响应关系，为未来安阳市水环境保护和治理提供技术支撑。

2 研究地区及研究方法

2.1 研究地区概况

安阳市下辖9个县(市、区)，地跨海河、黄河两大流域，总流域面积7413 km2，境内河流分属海河流域和黄河流域，以金堤为界，金堤以北属于海河水系，主要河流均汇入卫河，流域面积5702 km2，占全市面积的77%；金堤以南属于黄河水系，主要河流均注入金堤河，流域面积1711 km2，占全市面积的23%。河流受地形影响，主要河流由西向东流。

2.2 监测概况

安阳市地表水环境质量评价选取市级及以上23个断面，其中含国省控考核断面8个，市级考核断面15个，涉及到的河流主要包括：洹河、粉红江、卫河、淅河、茶店河、洪河、硝河、汤河、淇河、露水河、金堤河等。本文监测数据来源于2012～2020年河南省安阳生态环境监测中心地表水手工监测值，监测频次为每月一次。考虑到安阳市地表水环境污染特点，在进行水质评价时选择安阳市具有代表性的污染因子，包括溶解氧、高锰酸盐指数、生化需氧量、化学需氧量、氨氮、总磷、挥发酚、汞、铅、砷、镉、六价铬等，共12项。

2.3 研究方法

2.3.1 污染指数评价法

地表水水质评价方法很多，其中污染指数评价法，由于相对简单明了、易于使用，且评价结果容易比较，成为国内外评价水体污染水平最常见的一种方法。污染指数包括污染因子指数、综合污染指数和平均污染指数等。污染因子指数可以突出污染状况最严重的评价因子对整个评价结果的影响，综合污染指数法则考虑到每个因子对综合结果的贡献，两种方法结合使用可以更科学全面地反应水质状况，而平均污染指数则能够表征水体中各种污染物的综合污染程度，反映水体整体水质状况[12]。

参考已有研究[10,12,13]，污染指数法计算公式和水质分级如下：

(1)污染因子的污染指数。

Pi=Ci/Si

(1)

式(1)中，Pi为污染因子i的污染指数，Ci为污染因子i的实测值，Si为污染因子i的评价标准值。本文评价标准参照《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅲ类标准确定。需注意的是，溶解氧的污染指数采用1/Pi表示。

(2)综合污染指数。

(2)

式(2)中，K为综合污染指数，Pi为污染因子i的污染指数，n为参与评价的污染因子个数。

(3)平均污染指数。

(3)

式(3)中，P为平均污染指数，Pi为污染因子i的污染指数，K为综合污染指数，n为参与评价的污染因子个数。

污染指数水抽评价分级见表1。

表1 污染指数水质评价分级

2.3.2 Spearman秩相关系数法

Spearman秩相关系数分析法常用来衡量环境污染变化趋势的显著性[10,14]，其计算公式见(4)、(5)：

(4)

di=Xi-Yi

(5)

式(4)、(5)中，rs为Spearman秩相关系数，N为时间周期总数，di为变量Xi和Yi的差值；Xi为按环境污染指标值从小到大排列的序号；Yi为按时间排列的序号。

秩相关系数rs的正负分别表示环境污染指标的增长和减少趋势，其绝对值的大小表示强度[15]。将秩相关系数rs的绝对值与Spearman秩相关系数统计表中的临界值Wp(显著水平为0.05，N=9时，Wp=0.6)进行比较，当|rs|>Wp时，变化趋势具有显著意义，反之则无显著意义。

2.3.3 回归分析法

线性回归分析研究的是建立一个能反映因变量与一个或多个自变量之间关系的线性回归方程，利用这个方程来分析因变量和自变量之间的相互关系以及回归系数等相关情况[16]。简单线性回归模型是指只有一个自变量的回归模型。运用简单线性回归分析方法，分别建立地表水平均污染指数与各影响因素的线性回归模型，计算方法见公式(6)：

y=β0+βx+μ

(6)

式(6)中，y为地表水平均污染指数，是因变量，x为地表水水质的影响因素，也是自变量，μ是随机误差项；β0是常数项，β是回归系数。

地表水水质受诸多方面因素影响，考虑样本可获得性、可观察性以及代表性，选择与城市息息相关的经济发展、产业结构、能源消耗、资源消耗和环保举措等5个方面因素。影响因素指标变量定义详见表2，由于2020年统计年鉴数据不足，采用2012～2019年安阳市统计年鉴的相关数据，影响因素指标变量数值较大，对其进行对数处理以减少多重共线性。

表2 安阳市地表水水质影响因素指标变量定义

3 地表水环境状况

3.1 地表水水质状况评价

由图1可知，2012～2020年间，安阳市地表水平均污染指数处于0.378～0.966之间。其中，水质状况为清洁的年份有2019年和2020年，占研究期的22.22%，水质状况受到污染影响的年份为2017～2018年，占比为22.22%，2016年水质状况属于轻度污染，占比为11.11%，而2012～2015年水质污染级别为中度污染，占研究阶段的44.44%。2012～2020年安阳市地表水断面监测年均值的平均污染指数为0.671，污染级别为轻度污染。由此可知，2012～2020年，安阳市地表水整体水质状况为轻度污染，地表水环境质量达到Ⅲ类标准的年份比例仅为22.22%，即安阳市地表水环境质量仍存在较大的改善空间。

图1 安阳市地表水平均污染指数及水质类别变化趋势

从变化趋势来看，采用Spearman秩相关系数分析法，对安阳市2012～2020年地表水平均污染指数的时间序列相关程度进行分析，计算得出Spearman秩相关系数rs为-0.90，其绝对值大于N为9时所对应的临界值0.6，即平均污染指数随时间变化呈显著下降趋势。如图1所示，2012～2020年间安阳市地表水平均污染指数变化量为-0.510，年均变化率为-9.06%。安阳市地表水23个监测断面中，Ⅰ～Ⅲ类水质断面占比呈波动上升势态，至2020年已达到65.22%；而劣Ⅴ类断面占比呈波动下降势态，到2020年劣Ⅴ类断面首次清零。综上可知，“十二五”至“十三五”期间，安阳市地表水环境质量随时间变化呈显著好转趋势，这表明安阳市地表水环境质量改善已取得一定成效。

3.2 主要污染因子分析

用污染因子指数占综合污染指数的比值表示各因子对河流污染的污染贡献率，各年份污染贡献较高的前5项污染因子及其贡献率如表3所示。

表3 安阳市地表水主要污染因子及其污染贡献率

2012～2020年间，污染贡献率排名前5项污染因子累计贡献率除2019年为68.22%，其余年份均已超过70%，按其出现频次依次为：生化需氧量(9次)、化学需氧量(9次)、氨氮(8次)、总磷(8次)、高锰酸盐指数(8次)、溶解氧(2次)、挥发酚(1次)等共7类。

从整个研究时段来看，地表水污染因子监测年均值的污染贡献率前5项污染因子依次为：氨氮、总磷、生化需氧量、化学需氧量和高锰酸盐指数，累计污染贡献率为79.76%，其中氨氮、总磷、生化需氧量、化学需氧量4项因子存在超《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅲ类标准现象，其他因子均满足Ⅲ类标准。因此，安阳市地表水环境的主要污染物为氨氮、总磷、生化需氧量、化学需氧量。

表4为主要污染因子的监测浓度值和污染贡献率，由表4可知，9年间超标因子最大超标倍数依次为：氨氮(3.40)、总磷(1.51)、生化需氧量(0.17)、化学需氧量(0.07)；超标因子超标率依次为：氨氮(77.78%)、总磷(55.56%)、生化需氧量(55.56%)、化学需氧量(22.22%)。可见，无论是污染贡献率还是超标倍数和超标率，氨氮都是安阳市地表水的首要污染因子。

表4 安阳市地表水主要污染因子情况

就污染因子的变化而言，2012～2020年间，4项主要污染因子浓度值随时间变化的Spearman秩相关系数均为负，且绝对值均大于0.6，即主要污染因子浓度值均具有显著地下降趋势，其下降势态显著性由大到小依次为：氨氮(-0.90)、总磷(-0.85)、生化需氧量(-0.82)和化学需氧量(-0.82)。而主要污染因子贡献率的变化趋势则存在差异，其中氨氮和总磷污染贡献率的Spearman秩相关系数均为-0.87，随时间呈显著下降状态，即对地表水整体水质的污染贡献减弱；而化学需氧量和生化需氧量的污染贡献率Spearman秩相关系数分别为0.95和0.88，随时间变化为显著上升状态，即其污染贡献增强。由此可知，安阳市地表水环境主要污染因子的污染状况均呈现好转趋势，其中氨氮和总磷污染的减轻较为显著，而生化需氧量、化学需氧量污染减轻程度较弱。

综上所述，2012～2020年期间，安阳市地表水环境质量主要污染因子有氨氮、总磷、生化需氧量、化学需氧量，其中氨氮污染程度最严重、超标频次最高，是首要污染因子。安阳市主要污染因子的年均浓度值随时间呈显著下降趋势，不同污染物的污染减轻情况存在差异，其中氨氮和总磷污染程度的减轻较为明显，生化需氧量、化学需氧量污染减轻程度相对较弱。因此，安阳市地表水环境今后的改善工作应重视主要污染因子的影响，将氨氮污染作为治污重点，同时要注意兼顾生化需氧量、化学需氧量治理的进一步加强。

4 地表水环境质量影响因素

对2012～2019年安阳市地表水平均污染指数及其影响因素数据，分别进行简单线性回归分析，回归模型估计结果详见表5。由表可知，各影响因素对安阳市地表水环境质量影响的显著性、方向和程度有所差异。从模型显著性来看，除资源消耗以外，经济发展、产业结构、能源消耗和环保举措等影响因素回归模型的弃真概率均小于0.1，即模型为真的置信度在90%以上。其中：

(1)经济发展的回归系数为-0.906，在10%水平上显著。安阳市人均GDP与地表水平均污染指数呈显著负相关，人均GDP每增长1%，地表水平均污染指数随之下降0.906个单位。环境库兹涅茨理论认为，经济发展与污染物排放关系曲线呈倒“U”型，可见安阳市经济发展与污染排放的关系已成功迈过拐点。这是因为随着社会经济的发展，城市产业聚集程度、投资能力、生产管理和技术水平也越高，使得供水治污设施、水资源利用效率和水环境保护等方面得到优化，进而形成水环境生态的良性循环，促使水环境不断改善。

(2)产业结构的回归系数为1.845，在1%水平上显著。安阳市第二产业占比与地表水平均污染指数的正相关十分显著，第二产业占比每上升1%，地表水平均污染指数随之上升1.845个单位。产业结构是影响水资源利用的重要因素，产业结构中第二产业比重增加，意味着更多的水资源被分配到高污染排放行业，从而导致污染物排放量增多，一旦污水处理和循环利用设施不完善，对水环境造成的压力越大[17]。由此可知，积极促进产业结构升级，发展和推广清洁生产技术，能够有效地提升地表水环境质量。

(3)能源消耗的回归系数为0.795，且在10%水平上显著。安阳市原煤消耗量与地表水平均污染指数的正相关关系显著，即原煤消耗量每上升1%，地表水平均污染指数随之上升0.795个单位。原煤消耗量在一定程度上反映了能源使用效率和科技水平，结合安阳市统计年鉴数据，2012～2019年间安阳市单位GDP能耗变化率和单位工业增加值能耗变化率均为负，即水环境质量的改善有赖于能源消耗量的降低和科技水平的进步，因此引导能源利用效率提升、能源结构优化是水体质量改善的重要方面。

(4)资源消耗的回归系数为-0.020，回归方程和系数没能通过显著性检验。安阳市年底供水总量与地表水平均污染指数相关性较弱，但是表现出负相关的趋势，即年底供水总量增加，地表水平均污染指数会有所下降。这与传统认知不符，可能的解释是安阳市社会经济发展方式和用水结构已经不再以高资源消耗为牺牲，安阳市人均GDP由2012年的3.06万元增长至2019年的4.30万元，而生产用水占比由2012年的10.75%降低为2019年的4.63%可以佐证这一点。

(5)环保举措的回归系数为-0.594，在1%水平上显著。安阳市废水治理设施运行费用与地表水平均污染指数负相关关系非常显著，即废水治理设施运行费用增加1%，地表水平均污染指数随之下降0.594个单位。2012～2019年间，安阳市废水治理设施运行费用与排入污水处理厂工业废水量、化学需氧量排放量相关性系数分别为0.716、-0.700，也就是说废水治理设施运行费用的增加，意味着污水处理量和处理能力的提升。故环保举措实施对水环境质量的改善有着显著积极影响，减少污染物排放的同时能够促进水的循环再利用，符合水资源绿色、循环、高效利用的宗旨，是改善地表水环境质量的重要举措，这与范新凤等[10]的研究结论基本一致。

表5 安阳市地表水平均污染指数与影响因数回归分析结果

从回归模型和系数的显著性来看，安阳市地表水环境质量的影响因素依次为：废水治理设施运行费用、第二产业占比、人均GDP和规模以上工业企业原煤消耗量，其中废水治理设施运行费用和人均GDP具有正向影响，第二产业占比和规模以上工业企业原煤消耗量则表现为负向效应。由此可见，进一步加强环境保护措施制定和实施、加大污染治理设施的投入和建设，是有效改善地表水污染状况的重要措施；引导产业结构改革，第二产业向第三产业转型，尤其是高污染排放产业向低污染排放产业的调整，拓展节能环保型新产业，是水环境质量提高的重要前提；另外，促进社会经济的快速发展，有利于引导企业技术革新和技术进步，培养企业环保意识，从而为创造高效率、低能耗、低污染的水资源利用环境提供重要的经济基础。

5 结论

(1)2012～2020年，安阳市地表水断面监测年均值的平均污染指数为0.671，整体水体质量状况属于轻度污染；主要污染因子有：氨氮、总磷、生化需氧量、化学需氧量等，其中氨氮超标程度最严重，超标频次最高，是首要污染因子。

(2)2012～2020年，安阳市地表水平均污染指数的Spearman秩相关系数为-0.90，安阳市地表水环境质量随时间呈现显著好转趋势；主要污染因子年均浓度值均随时间呈显著下降趋势，但其污染下降程度和贡献率变化趋势存在差异，即不同污染物污染减轻程度有所不同，其中氨氮和总磷污染程度的减轻较为明显，而生化需氧量、化学需氧量污染减轻程度相对较弱。

(3)安阳市地表水环境质量与经济发展、产业结构、能源消耗、环保举措等显著相关，与资源消耗关系较弱。其中废水治理设施运行费用、人均GDP与地表水平均污染指数呈负相关，第二产业产值占比、规模以上工业企业原煤消费量与地表水平均污染指数呈正相关。也就是说，加大污水治理的投入、刺激经济快速发展、促进产业结构升级和能源结构优化有利于地表水环境质量的改善。