閩江下游水質變化趨勢分析

張 鵬，逄 勇,2，石成春，羅 丹

(1．河海大學環境學院，江蘇 南京 210098； 2．河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098； 3．福州市環境科學研究院，福建 福州 350011)

閩江是福建省最大的河流，干流全長541 km，流域面積60 992 km2，上游沙溪、富屯溪和建溪三大支流在南平附近匯合后稱閩江干流，南平以上為閩江上游，南平至水口水庫為閩江中游，水口水庫以下為閩江下游。閩江在福州市境內流域面積約8 000 km2，長約117 km，主要支流有安仁溪、梅溪、大目溪、溪源溪、陶江、大樟溪、源里溪、井下溪、小目溪、下洞江等。閩江水口水庫位于閩清縣，于1993年4月蓄水運行[1-2]。閩江下游流經閩清、白沙、竹岐、侯官，至南臺島上游淮安處被分為南、北港兩支流，南港、北港分流在洪汛期南港多，枯水期北港多，但由于南港近年嚴重挖沙，枯水期北港分流已經越來越少[3]。南、北港至馬尾處重新匯合。隨著閩江流域社會經濟快速發展，閩江流域污染物排放量逐年增大[4]，受河口潮汐環境的影響，水口水庫下泄流量較小時，河道內污染物來回回蕩[5]，水體交換時間延長[6]，嚴重威脅閩江下游水源地水質安全。

為全面掌握閩江下游水環境狀況，分析河道水質變化趨勢，增強管理工作的科學性、預見性，本研究采用季節性肯達爾檢驗法，對水口水庫運行以來1993—2011年閩江下游干流和主要支流的水質變化趨勢進行分析，并應用偏相關分析法對鄰近人口聚集地的竹岐、魁岐斷面夏秋季DO降低的原因進行分析，以期為閩江下游水環境管理和環境綜合決策提供科學的依據。

圖1 閩江下游省控斷面位置分布

1 研究資料和分析方法

1.1 研究資料

根據《水污染防治行動計劃》設置的福州市國考、省考斷面，選擇閩江下游7個干流斷面(格洋口(國控斷面)、下西園(省控，跨縣界斷面)、竹岐(國控、跨縣界斷面)、魁岐(省控斷面)、灣邊(省控斷面)、閩安(國控斷面)、琯頭(國控、跨縣界斷面))和2個支流斷面(梅溪口(省控斷面)、大樟溪(國控斷面))的水質數據(圖1)，其中竹岐、魁岐、梅溪口靠近人口聚集區，水質受人為影響較大。根據閩江下游水污染特征和省控監測常規指標，確定DO、CODMn、COD、BOD、NH3-N、TP、TN 7項指標為分析項目，選取水口水庫運行以來1993—2011年各月的水質監測資料對閩江下游干流和支流的水質變化趨勢和原因進行分析。

1.2 季節性肯達爾檢驗法

季節性肯達爾檢驗法是Mann-Kendall檢驗法的一種推廣，其原理是將歷年同月(同一時期)的水質數據進行比較，如果后面的監測值(時間上)大于前面的監測值，則記為“+1”，小于則記為“-1”，相等則記為“0”[7-10]。如果求和大于0，則判為上升趨勢；如果求和小于0，則判為下降趨勢；如果求和等于0，則判為無明顯變化趨勢。該方法適用于河湖等水質隨季節性規律變化的多年變化趨勢分析[9,11-12]。

季節性肯達爾檢驗法的零假設H0為隨機變量，在時間上獨立，假設1年12個月的水質數據具有相同的概率分布。設有n年p月的實測水質資料矩陣X為

(1)

式中：xnp為第n年p月水質指標監測值。

a． 對于p月中第i月(1≤i≤p，p≤12)的情況，根據季節性肯達爾檢驗法，第i月歷年水質序列相比較的“+1”和“-1”之和Si為

(2)

其中

設第i月內水質序列中共有ni個非漏測值，則第i月內可作比較的差值數據組個數mi為

(3)

在零假設H0下，隨機系列Si(i=1，2，…，p)近似地服從正態分布，則Si的均值和方差為

E(Si)=0

(4)

(5)

若ni個非漏測值中有y個數值相同，則

(6)

b． 對于p月(p≤12)總體情況，令

在零假設H0下，p月Si的均值和方差為

E(Si)=0

(7)

(8)

其中

式中：Si和Sk(i≠k)均為獨立隨機變量的函數，即Si=f(Xi)，Sk=f(Xk)，其中Xi，Xk分別為第i月、k月歷年的水質序列，且Xi∩Xk=φ。

因為Xi和Xk分別來自i月和k月的水質實測資料，且全體時間序列X中的所有元素都是獨立的，故協方差Cov(Si,Sk)=0。將其代入式(5)，得

(9)

當n年水質系列有y個數相同時，同樣也有

(10)

若n≥10，S也服從正態分布，且標準方差Z為

(11)

c． 趨勢檢驗。肯達爾檢驗統計量t=S/m，在雙尾趨勢檢驗中，如果|z|≤zα/2，則接受零假設H0。這里FN(zα/2)=α/2，FN為標準正態分布函數，則

(12)

趨勢檢驗的顯著水平α值為

(13)

取顯著性水平α為0.1和0.01，即當α≤0.01時，說明肯達爾檢驗具有高度顯著性水平；當0.01<α≤0.1時，說明肯達爾檢驗是顯著性的。在α值滿足上述兩條件情況下，當t>0時，則具有顯著性(或高度顯著性)上升趨勢；當t<0時，則具有顯著性(或高度顯著性)下降趨勢；當t=0時，則為無趨勢。

1.3 偏相關分析方法

a． 兩個變量間的相關分析。正態分布的等間距測度的變量x與y相關系數采用Pearson積矩相關公式[12]計算：

(14)

b． 偏相關分析。控制變量z，變量x、y之間的偏相關系數計算公式[13]為

(15)

式中：rxy,z為控制了z的條件下，x、y之間的偏相關系數；rxz、ryz分別為變量x、z間的和變量y、z間的相關系數。

2 結果與分析

2.1 基于肯達爾檢驗法的水質變化趨勢分析

表1 閩江下游水質變化趨勢分析結果

注：↑表示顯著上升趨勢；↑↑表示高度顯著上升趨勢；↓表示顯著下降趨勢；↓↓表示高度顯著下降趨勢；☆表示無明顯變化趨勢。

經過計算，閩江下游水質變化趨勢分析結果見表1。由表1可見，9個斷面中有6個DO監測值呈現高度顯著性下降趨勢，占66.67%，其他3個斷面未有明顯變化趨勢，可以得出閩江下游DO質量呈明顯的惡化趨勢。有5個斷面的CODMn呈現顯著性或高度顯著性下降趨勢，占總數的55.56%，呈現顯著性或高度顯著性上升的有2個斷面，占22.22%，可以得出閩江下游CODMn質量呈好轉趨勢。有5個斷面的COD呈現顯著性或高度顯著性下降趨勢，占總數的55.56%，呈現顯著性或高度顯著性上升的有1個斷面，占11.11%，另外3個斷面COD監測數據未有明顯變化趨勢，因此閩江下游COD質量呈好轉趨勢。有2個斷面的BOD呈現顯著性或高度顯著性下降趨勢，占總數的22.22%，呈現顯著性或高度顯著性上升的有2個斷面，占22.22%，另外5個斷面BOD監測數據未有明顯變化趨勢，總的來說，閩江下游BOD質量保持較好，未有明顯變化趨勢。4個斷面的NH3-N呈現顯著性或高度顯著性下降趨勢，占總數的44.44%，呈現顯著性或高度顯著性上升的有3個斷面，占33.33%，另外2個斷面NH3-N監測數據未有明顯變化趨勢，可見閩江下游NH3-N質量保持較好，稍微有好轉趨勢。9個斷面的TP均呈現顯著性或高度顯著性上升趨勢，總的來說，閩江下游TP質量有明顯惡化趨勢。5個斷面的TN均呈現顯著性或高度顯著性上升趨勢，另外4個斷面TN監測數據未有明顯變化，總的來說，閩江下游TN質量有明顯惡化趨勢。

總體來說，近十幾年來閩江下游水體水質總體較好[15]，各指標均滿足GB3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類水要求，但局部水質有惡化趨勢，尤其以DO為最。6個DO監測值呈現高度顯著性下降趨勢的斷面中，格樣口斷面靠近水口水庫，DO較低是由于水口水庫底部泄水，低DO的水體復氧不及時所致；其他5個斷面主要是靠近人口聚集地，DO有明顯的降低趨勢，其中鄰近福州市區的北港魁岐斷面水質明顯比其他干流斷面的水質差，其主要受福州2條城市內河(白馬河和光明港)的污染。琯頭斷面DO未有明顯變化，由于靠近外海，受漲落潮影響，高DO的海水稀釋，總體水質較好。支流的梅溪口斷面受閩清鎮的影響，水質相對較差，但近十幾年除了TP上升外，其他水質指標有明顯好轉趨勢，說明閩清治污措施卓有成效。

為更直觀地分析閩江下游DO變化趨勢，選取靠近閩侯縣的竹岐斷面和靠近福州市區的魁岐斷面進行進一步研究，兩個斷面DO均有高度顯著性下降趨勢。為了排除溫度、豐平枯下泄流量的影響，選擇兩個斷面1993—2011年的夏秋季(6—11月)DO監測數據每4年一個均值進行分析，其變化趨勢見圖2。由圖2可見，竹岐、魁岐斷面夏秋季DO均值總體呈現下降趨勢。1997—2000年DO比1993—1996年稍有降低，主要受竹岐斷面流量增大的影響；2009—2011年與2005—2008年竹岐斷面流量變化不大的情況下，魁岐斷面相比竹岐斷面DO明顯下降，一方面是由于污染物的增加，另一方面最主要原因是北港分流比的減小，流入北港的流量相比之前明顯減少，統計可知2009—2011年北港平均流量為387 m3/s(北港分流比為40%)，比2005—2008年的675 m3/s(北港分流比為23%)降低了43%，然而竹岐斷面流量僅僅降低了6%。

圖2 1993—2011年竹岐、魁岐斷面夏秋季DO及竹岐斷面流量變化趨勢

2.2 基于偏相關分析法的竹岐、魁岐斷面DO降低原因分析

2.2.1 竹岐、魁岐斷面DO與徑流量的偏相關性分析

低DO主要發生在高溫季節，分析1993—2011年夏秋季(6—11月)竹岐、魁岐斷面DO質量濃度均值與年均徑流量的相關性，DO質量濃度與徑流量的散點分布及趨勢線見圖3，可見兩者有一定的線性關系。

(a) 竹岐斷面

(b) 魁岐斷面

地區污染物排放量與生產總值一般呈線性關系，在污染物排放量不確定的情況下，由于閩江流域環境污染指數還未達到庫茲涅茨曲線的拐點，尚處于環境污染隨經濟的增長而加重的階段[16]，因此可以利用地區GDP的變化反映污染物排放量的變化。以福州市區GDP為控制變量，分析竹岐、魁岐多年夏秋季DO質量濃度與竹岐斷面年均徑流量的偏相關關系(因極端流量下DO與流量相關性不好，除去1998、2010年兩個極端洪水年份)。1993—2011年(1998、2010除外)，竹岐斷面的夏秋季DO質量濃度與竹岐斷面徑流量有極顯著性強相關，偏相關系數為0.749，魁岐斷面的夏秋季DO質量濃度與徑流量有極顯著性極強相關，偏相關系數為0.866。可以看出，控制福州市GDP的情況下，隨著閩江干流下游竹岐斷面年均徑流量的增大，竹岐、魁岐斷面DO質量濃度呈現顯著性增加趨勢；反之，隨著流量的降低，兩個斷面DO質量濃度也降低[17]。

2.2.2 竹岐、魁岐斷面DO與福州市GDP的偏相關性分析

1993—2011年夏秋季(6—11月)竹岐、魁岐斷面DO質量濃度均值與福州市GDP散點分布和趨勢線見圖4，兩者呈現出很好的線性關系。

(a) 竹岐斷面

(b) 魁岐斷面

以徑流量為控制變量，分析1993—2011年竹岐、魁岐斷面的夏秋季節DO與福州市GDP的偏相關性，可知竹岐斷面的夏秋季DO與福州市GDP有極顯著性強相關，偏相關系數為-0.739，魁岐斷面的夏秋季DO與福州市GDP有極顯著性極強相關，偏相關系數為-0.875。可以看出，在控制徑流量的情況下，隨著福州市GDP的增加，竹岐、魁岐斷面DO質量濃度呈現顯著性降低趨勢，進而說明隨著污染物排放量的增加，水體DO會越來越低。

3 結 論

a. 近十幾年來，閩江下游水質總體較好，上段的水口水庫和下段的入海口河道水質變化不大，但鄰近人口聚集地的河道水質狀況呈下降趨勢，尤其是竹岐、魁岐斷面夏秋季DO降低最為明顯，北港魁岐斷面的DO不僅受上游城市內河排污的影響，而且受北港分流比的影響。

b. 控制福州市GDP的情況下，1993—2011年(1998、2010除外)竹岐、魁岐斷面的夏秋季DO質量濃度與竹岐徑流量均成極顯著性正相關，偏相關系數分別為0.749和0.866；控制徑流量的情況下，1993—2011年竹岐、魁岐斷面的夏秋季DO與福州市GDP均成極顯著性負相關，偏相關系數分別為-0.739 和-0.875。

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