新丰江新丰段水环境质量时空分布特征及 变化趋势分析

冯秋园，吴 剑

（1. 韶关市生态环境局 新丰分局，广东 韶关 511100；2. 韶关市生态环境监测站 新丰分站， 广东 韶关 511100；3.广东省韶关生态环境监测中心站，广东 韶关 512026）

新丰江属于东江水系，是东江发源地之一，起源于新丰县云髻山，是新丰县内唯一干流，集雨面积为 1 096 km2，流量占新丰江水库平均进流量的1/4，是香港和广东省部分地区的供水源，惠及人口达4 000多万，县域内新丰江水质好坏将直接影响到新丰江水库及东江下游供水安全［1-3］. 已有新丰江及其流域的相关研究只有生态安全和生态环境质量［4-5］、土地利用变化［6］及面源污染［2］、水网结构［7］、氨氮磷污染状况［1，3］等，对水环境质量及污染源分析的研究较少. 为此，笔者对新丰江水环境质量的时空分布特征进行研究并分析其原因，对制定科学的保护措施，保障下游供水安全具有重要意义.

1 材料和方法

1.1 分析区域及数据

在新丰江新丰段设置了4个监测断面，分别为梅坑河（MKH）、水文站（SWZ）、谭石桥（TSQ）和马头福水（MT）断面，其中马头福水断面是韶关市与河源市东江流域跨市交界水域水质监测断面，也是国家考核断面. 笔者对上述4个监测断面从2016年至2021年的氨氮（NH4）、总氮（TN）、总磷（TP）、高锰酸钾指数（CODMn）月度监测数据进行分析.

1.2 统计分析

由于不确定样本数据的分布，采用非参数K-W（Kruskal-Wallis）检验对不同监测断面干、湿季的有关水质指标进行方差分析，判断其是否存在显著差异［8］. 采用贝叶斯方差分析模型（Bayesian ANOVA）分析空间位置差异、年内变化、年际变化对水质变化的影响大小［9］. 通过时间序列分解算法（STL）对MT断面主要水质指标长时间序列数据进行分析，剖析其变化趋势和周期性变化规律［10］.

2 结果与讨论

2.1 水环境空间分布特征

对不同监测断面的主要水质指标进行K-W检验分析，结果如图1~图4所示. 可见，对于NH4，其多年平均质量浓度在0.13~0.49 mg·L-1之间；上游（MKH断面）和中游（SWZ、TSQ断面）之间、中游和下游（MT断面）之间均存在显著性差异，中游（0.35 mg·L-1左右）显著高于上游（0.25 mg·L-1）和下游（0.25 mg·L-1）. 对于TN，其多年平均质量浓度在0.48~0.73 mg·L-1之间；上游（0.48 mg·L-1）与中游 （0.70 mg·L-1左右）、下游（0.68 mg·L-1）之间均存在显著性差异，中游与下游之间不存在显著性差异，上游的质量浓度最低，其次是下游，中游质量浓度最高. 对于TP，其多年平均质量浓度在0.05~0.08 mg·L-1之间；上、中、下游之间均存在显著性差异，其中上游最低（0.05 mg·L-1），其次是下游 （0.06 mg·L-1），中游两个断面的质量浓度最高，约为0.075 mg·L-1. 对于CODMn，其多年平均质量浓度在1.32~2.23 mg·L-1之间；与TP的空间分布类似，上、中、下游之间均存在显著性差异，且上游最低（1.32 mg·L-1），其次是下游（1.77 mg·L-1），中游两个断面的质量浓度最高，约为2.15 mg·L-1.

图1 氨氮（NH4）的空间分布特征

图4 高锰酸钾指数（CODMn）的空间分布特征

综上，新丰江水质指标总体上呈现出上游优于下游，下游优于中游的趋势，但是TN质量浓度从上游到下游呈略升高趋势. 分析其原因，新丰江从上游到中游之间穿过新丰县城，县城常住人口占全县总常住人口一半以上，人口聚集［11］，虽然新丰县新建了县城第二污水处理厂，并持续按照雨污分流模式对县城污水管网进行了全面改造，生活污水收集有改善，但由于历史欠账较多，收集率仍然不高，因此导致经过县城后水体污染物浓度有所升高；中游到下游阶段，由于新丰县严格落实广东省及韶关市“三线一单”生态环境分区管控方案，严格控制水污染项目建设，新建、改建、扩建涉水建设项目实行主要污染物和特征污染物排放减量替代［12-13］，同时由于推进土地流转和发展智慧农业，推广绿色防控害虫技术等，大幅度降低了面源污染的强度，因此在污染源得到控制的情况下，河流发挥自净作用，加之层坑河、姜坑河等水质较好的支流汇入所产生的稀释作用，使得下游污染物浓度有所下降.

图2 总氮（TN）的空间分布特征

图3 总磷（TP）的空间分布特征

2.2 水环境时间分布特征

根据有关研究，将新丰江流域每年的4—9月定义为湿季、1—3月和10—12月定义为干季［3］.为了分析不同季节，尤其是干、湿季不同降雨、温度条件对新丰江水质的影响，对各个监测断面干、湿季的主要水质指标进行了K-W检验，结果如图5~图8所示. 可见，除了TSQ断面的NH4和TN指标之外，其它各个断面干、湿季节的各项水质指标均无显著性差异，说明降雨、温度等外部气候因素对新丰江水质的影响不显著. 新丰江水质保障和提升的关键点仍旧在于源头污染源的控制和削减.

图5 氨氮（NH4）的季节分布特征

图6 总氮（TN）的季节分布特征

图7 总磷（TP）的季节分布特征

图8 CODMn的季节分布特征

2.3 各水质指标影响因素分析

通过贝叶斯方差分析得到空间位置、年际变化、年内变化对新丰江新丰段水质指标影响的结果如图9.可见，对于NH4，受空间位置的影响最大，其次是年内各月变化，而年际变化的影响最小，即在2016—2021年各年之间，NH4相对稳定. 对于TN，受年际变化影响最大，其次是空间位置，而年内各月变化影响很小，说明2016—2021年各年之间，TN排放变化显著，但年内各月影响很小. 对于TP和CODMn，都是受空间位置影响最大，年际和年内各月变化都不显著，推测TP和CODMn主要受空间上不同污染源排放的影响.

图9 各水质指标的影响因素的方差分析图

2.4 水质变化趋势及规律

为分析水环境质量在长时间内的变化趋势和规律，采用STL分析MT断面的各类水质指标，得到的结果如图10~图13所示. 从长期变化趋势来看，对于NH4，在2019年之前保持稳定，2019—2020年呈增长趋势，2021年后又不断下降. 对于TN，存在一个明显的逐年增加趋势. 推测这与为了保生猪供应，生猪养殖规模回暖，散养户增加有关. 对于TP，在2018年有一个峰值，之后呈显著下降趋势. 对于CODMn，呈稳中略升趋势. 通过季节性变化分析可以明显看出NH4、TN、TP、CODMn均存在显著的周期约12个月的循环变化，其中NH4、TN、TP浓度在湿季较低，干季偏高，而CODMn则在湿季较高，干季相对较低.

图10 马头福水断面NH4的变化趋势及规律

图11 马头福水断面TN的变化趋势及规律

图12 马头福水断面TP的变化趋势及规律

图13 马头福水断面CODMn的变化趋势及规律

3 结论与展望

由以上分析可以看出新丰江的水环境质量总体是处于稳定优良状态，TP甚至有明显的下降趋势，但是同时NH4在近几年略有波动，TN呈上升趋势. 上游的水质总体上要好于中、下游，各类污染物浓度在经过县城区域后都显著升高，鉴于县城区域无直接污水外排企业，推断县城生活污水是导致主要污染物浓度升高的主要原因，这与2021年环境统计的新丰江水质污染物主要源自于生活源的结果相符，在中游至下游段，一方面由于污染源相对较少，另一方面由于层坑河、姜坑河等水质更好的支流汇入，在水体自净和稀释的综合作用下，各项污染物浓度有所下降. 不同季节的温度、降雨等客观因素虽不会对新丰江水质产生显著影响，但是在一定程度上仍会导致各类水质指标有周期性变化. 对于TN，排放源的年际变化对浓度变化影响最大，对于其他水质指标，不同空间位置的排放源是影响其浓度的最主要因素.

对新丰江水环境质量的时空分布特征及变化趋势进行分析对于了解新丰江水环境安全及进行有效的水生态环境监管和治理具有十分重要的意义. 通过与之前的研究对比可以发现，新丰江水环境质量与10多年前相比有了极大的改善，新丰江干流段的水质都可以稳定达到II类水平，且TP呈下降趋势. 但是氮，尤其是TN仍旧较高，而且存在不断上升的风险，水质仍受居民聚集区生活污水排放的影响较大，且受到降雨等因素的影响. 但由于缺乏充足的数据支撑，目前还无法对工业污染源、生活污染源、农业面源污染、畜禽养殖污染的贡献比作出精准定量的分析. 已有研究表明，虽然历来新丰江水库大部分水质指标都保持在I类，处于贫营养状态，但近年来TN已接近甚至超过II类水标准，且NH4和TN呈波动上升趋势，新丰江水库从20世纪末的“低氮高磷”变为当前的“高氮低磷”状态，这一变化趋势与新丰江的主要水质指标的变化趋势一致［14］，即氮污染风险有所增加. 新丰江水库为深水水库，水力停留时间长（2年左右），污染物一旦进入水体后不易排出，且地处亚热带，水温较高，氮磷等营养盐一旦升高，存在极高的富营养化风险，且部分支流污染形势严峻［14］. 因此，在下一步的研究中，全面摸清新丰江流域，甚至包括整个新丰江库区的各类污染源贡献量，完善全流域从陆地-河流-湖库的监测网络，深入开展不同气候、降雨、土地利用等外界条件下的污染源-河流-湖库水质、水生态变化研究，构建科学的响应-预警-管理体系，对于有的放矢地对新丰江流域及新丰江水库进行精细化、网格化、科学化管控，制定有效的污染治理、生态修复、风险预警措施具有重要意义.