長江徐六涇近6年水質變化趨勢及其響應機制分析

(長江水利委員會水文局 長江口水文水資源勘測局，上海 200120)

長江經濟帶是我國經濟重點發展區域之一，長三角地區城市化程度高，人口密度大，工農業發達，水環境質量直接影響該區域生態平衡、經濟發展和民眾身體健康，密切關注長江入海口區域水環境質量刻不容緩[1]。

徐六涇斷面作為長江流域最后一個國家重點水文斷面以及長江河口區的起點，經過河口長期演變和人類活動，其特殊的地理環境控制著長江口南北支的分流比和物質通量[2-3]；另外，徐六涇區域附近有常熟市第二水廠取水口，下游有太倉市和海門市供水水源地取水口，以及上海市三大水庫的取水口(陳行水庫、東風西沙水庫和青草沙水庫)，承擔了上海市約2 400萬人口近70%的自來水原水供應需求，及時掌握徐六涇斷面水質變化非常重要。

傳統的地表水常規監測方式采用人工監測，由于監測頻次低、監測人工成本高，無法滿足現階段環境管理對水質高頻監測預警安全保障的要求，而水質自動監測可將監測頻次提高至每4小時1次，部分項目可提升至每小時1次，可滿足公共用水安全要求[4-6]。

徐六涇水質自動站對處理長江入海口突發性緊急污染事件、評估和預警具有重要指導意義。目前針對長江入海口水環境質量影響因子時空演變和評價的研究已大量發表[7-8]。傳統的水質評價主要依靠單因子水質評價法[9-10]，此方法對于反映水體質量過于保守和片面。因此，針對長江口區域單節點、長時段、高頻次的自動監測分析研究，并且選用一種可及時響應該區域水環境質量綜合變化的方法顯得尤為重要。

本文根據徐六涇水質自動站自2013年1月至2018年10月共303周連續監測的水環境質量數據，分析評價徐六涇斷面近6 a水質指標變化趨勢以及自動監測系統運行過程與人工監測的差異性，并提出了自動監測系統及時反饋水環境質量綜合變化的響應機制，為進一步優化自動監測結果，提高自動監測數據的應用，保障長江入海口水環境質量提供科學指導和數據支撐。

1 研究區域與自動監測系統概述

1.1 研究區域

徐六涇江段河道寬窄相間，主流彎曲，河床結構復雜，江心陰沙較多[11]。因長江入海口為海陸雙向河口，上游來水與潮水相互作用，徑流與潮流力量相當，受潮汐影響強烈，徐六涇河段屬感潮河段，潮型屬于不規則半日潮[12]。

1.2 徐六徑自動監測系統概述

徐六涇自動監測系統(水質自動站)位于江蘇省常熟市碧溪新區興華碼頭內(見圖1)。該站于2011年通過項目驗收正式運行，實現了該區域水質24 h自動連續監測及監測數據自動聯網發送。監測項目包括水溫、pH值、電導率、溶解氧、濁度、鹽度、總有機碳、總磷、總氮、氨氮和高錳酸鹽指數。

圖1 徐六徑水質自動站位置Fig.1 Location of Xuliujing water quality automatic station

2 數據來源及響應機制

2.1 數據來源

徐六涇自動站水質數據來自長江口局水質周報(周報數據指水質自動站各監測項目每4小時監測一次，將每周各指標所得數據取平均值)，選取2013年1月至2018年10月共計303周連續監測數據。本次主要探討的水質指標包括水溫、pH值、電導率、濁度、溶解氧、總有機碳、氨氮、高錳酸鹽指數。分析方法如表1所示。

2.2 趨勢分析

根據徐六涇自動監測系統自2013年1月至2018年10月共303周連續監測所得數據，作年際均值變化趨勢線和周際均值連續過程線，分析徐六涇斷面近6 a水環境質量變化趨勢。

表1 水質指標與分析方法Tab.1 Research indicators and analytical methods

2.3 人工比對

為進一步確保自動站監測數據的準確性與可靠性，長江口局工作人員自2016年1月至2017年10月每月從徐六涇水質自動監測站采集水樣，并與自動檢測結果進行比對分析。溶解氧、高錳酸鹽指數和氨氮作為比對項目,詳細監測方法對比見表2。

表2 人工監測與自動監測分析方法對比Tab.2 Comparison of analysis methods between manualmonitoring and automatic monitoring

2.4 綜合水質響應機制

高錳酸鹽指數和氨氮作為長江流域水環境質量主要影響因子由來已久[13]。因此，選用高錳酸鹽指數和氨氮作為綜合水質響應機制的研究指標。

綜合水質響應機制是由綜合水質標識指數法發展而來的。而綜合水質標識指數法是根據現行國家《地表水環境質量標準》相關標準，在單因子水質標識指數法基礎上建立起來的一種全新的水質評價方法[14-16]，綜合水質標識指數由整數位和2位小數位組成，其結構為

Ii=X1i.X2iX3i

式中，X1i表示第i項水質指標的水質類別；X2i表示監測數據在第X1i類水質變化區間中所處位置；X3i代表水質類別與功能區劃設定類別的比較結果，若X3i=0，說明所有參與評價的水質指標均達到水環境功能區目標; 若X3i=1，則表明參與綜合水質評價的指標中有一個指標不能達到功能區目標，依次類推。

首先對污染物數據進行歸一化處理，因為高錳酸鹽指數和氨氮兩項指標均為數值越小越優型，其計算公式為

式中，Ci為第i項指標的實測濃度;CiK,min為第i項指標在k類水質標準區間的下限值;CiK,max為第i項指標在k類水質標準區間的上限值。

令Pi=X1i.X2i，P值作為綜合水質標識指數法的核心部分，首先通過判斷綜合水質類別再計算其在同類別中的權重。

Zi=(P1+P2+…+Pi)/m

式中，m為參與綜合水質評價的水質單項指標數目;Z表示綜合水質評價標準值。

式中，Q表示綜合評價法水環境質量變化幅度。根據Q值可將水質變化分為5類，顯著下降(Q< -15%)；稍有下降(-15%≤Q< -5%)；維持穩定(-5%≤Q≤5%)；稍有上升(5%≤Q< 15%)；顯著上升(Q> 15%)。Q值為自動監測系統響應綜合水質變化的主要依據。

3 結果與分析

3.1 趨勢分析

3.1.1 5項水質基本指標變化趨勢分析

根據水質自動站自2013年1月至2018年10月(共303周時間周期內)監測所得的5項水質基本指標數據分析(見圖2～6)，可得到以下結論。

(1) 水溫有303周獲得有效數據，檢測成功率100%，過程線呈現明顯季節性變化，波動范圍在8.0℃～32.6℃之間，各年度均值基本保持穩定(21.3±0.8)℃，最小年均值出現在2013年，2018年缺11月和12月水溫，因此不將2018年的水溫均值納入考慮范圍。水溫年內極差在2013年至2016年逐年遞減，從22.0℃下降至19.7℃，而2017年和2018年分別為23.1℃和24.2℃，出現回升趨勢，而水溫變化對長江口區域的浮游動植物及魚類資源的生長周期具有一定影響。

(2) pH值有300周獲得有效數據，檢測成功率99.0%；過程線波動范圍在7.03～8.23之間，徐六涇水域水體主要呈弱堿性，各年度均值基本保持穩定(7.63±0.04)，最大年均值出現在2015年(7.69)，最小年均值出現在2017年(7.57)。

(3) 電導率有303周獲得有效數據，檢測成功率100%；波動范圍在252.2～465.6 μS/cm之間，過程線無明顯季節性變化，各年度均值基本保持穩定(337.0±13.1 μS/cm)，最大年均值出現在2017年(360.4 μS/cm)，最小年均值出現在2013年(324.1 μS/cm)。

(4) 濁度有303周獲得有效數據，檢測成功率100%；過程線無明顯季節性變化，但波動范圍較大(13.7～100.0 NTU)；2013年至2016年濁度年均值逐年上升，此后兩年逐年下降，最大年均值出現在2016年(57.3 NTU)，最小年均值出現在2013年(34.2 NTU)。

(5) 溶解氧是評價水質的重要指標之一。溶解氧有302周獲得有效數據，檢測測成功率99.7%；濃度波動范圍在4.18～11.36 mg/L之間，過程線呈現明顯季節性變化，與同時期水溫過程線呈現較明顯的trade-off效應[17]，因為溶解氧的濃度變化與水溫變化呈負相關性。各年度均值基本保持穩定(7.86±0.27 mg/L)，最大年均值出現在2013年，年均值最小出現在2016年(7.44 mg/L)。2013年至2016年溶解氧年均值逐年下降，此后兩年逐年上升，與濁度近6 a的變化作對比，發現溶解氧的年際變化趨勢與濁度年際變化趨勢呈一定負相關性。認為可能當水體濁度增大、透明度降低，會影響水生植物的光合作用，從而降低水體溶解氧的含量。

圖2 徐六涇斷面近6 a水溫變化趨勢Fig.2 The water temperature variation trend of Xuliujingin the recent 6 years

圖3 徐六涇斷面近6 a pH值變化趨勢Fig.3 The pH variation trend of Xuliujing inthe recent 6 years

圖4 徐六涇斷面近6 a電導率變化趨勢Fig.4 The conductivity variation trend of Xuliujing inthe recent 6 years

圖5 徐六涇斷面近6 a濁度變化趨勢Fig.5 The turbidity variation trend of Xuliujingin the recent 6 years

圖6 徐六涇斷面近6 a溶解氧變化趨勢Fig.6 The dissolved oxygen variation trend of Xuliujingin the recent 6 years

3.1.2 3項水質重點指標變化趨勢分析

根據水質自動站自2013年1月至2018年10月(共303周時間周期內)監測所得的3項水質重點指標數據分析(見圖7～9)，可得以下結論。

圖7 徐六涇斷面近6 a總有機碳變化趨勢Fig.7 The total organic carbon variation trend of Xuliujingin the recent 6 years

圖8 徐六涇斷面近6 a氨氮變化趨勢Fig.8 The ammonia nitrogen variation trend of Xuliujingin the recent 6 years

圖9 徐六涇斷面近6 a高錳酸鹽指數變化趨勢Fig.9 The permanganate index variation trend of Xuliujingin the recent 6 years

(1)總有機碳在303周時間周期內，有273周獲得有效數據，檢測成功率90.1%。濃度波動范圍在0.74～10.57 mg/L之間，無明顯季節性變化，但各年度均值基本保持穩定(2.37±0.78mg/L)，最大年均值出現在2014年，最小年均值出現在2015年。2013～2014年數據波動較大(0～9.83 mg/L)，2015～2018年數據波動相對穩定(0～3.48 mg/L)，經核查，2014年徐六涇自動站更換了該項目的儀器元件，自動監測數據波動幅度變化主要由于儀器元件替換所產生的，徐六涇流域總有機碳濃度未見明顯異常。

(2)氨氮是指水中以游離氨(NH3)和銨離子(NH4+)形式存在的氮，作為水體中的主要耗氧污染物，可導致水體富營養化現象產生。在303周檢測周期內，氨氮有299周能夠獲得有效數據，檢測成功率98.7%，濃度波動范圍在0.04～0.70 mg/L之間，無明顯季節性變化，但各年度均值基本保持穩定(0.28±0.05 mg/L)，最大年均值出現在2015年，最小年均值出現在2014年，2013～2015年數據波動較大(0～0.66 mg/L)，2016～2018年數據波動較小(0～0.27 mg/L)。

(3)高錳酸鹽指數(CODMn)常被作為地表水體受有機污染物和還原性無機物污染程度的綜合指標。在303周時間周期內，高錳酸鹽指數有299周能夠獲得有效數據，檢測成功率98.7%，濃度波動范圍在0.27～3.92 mg/L之間，無明顯季節性變化，但各年度均值基本保持穩定(1.99±0.25 mg/L)，最大年均值出現在2015年，最小年均值出現在2017年。

3.2 人工比對

3.2.1 偏差分析

為進一步確保自動站檢測結果的可靠性，選取溶解氧、高錳酸鹽指數和氨氮3項水質指標，與人工檢測數據進行對比，選擇時段為2016年1月至2017年10月。

3項水質指標具體偏差范圍區間如表3所示。在22個月的時間周期內，溶解氧可對比數據21個，相對偏差范圍為0.98%～18.78%，相對偏差小于等于20%的數據占比100%；高錳酸鹽指數可對比數據19個，相對偏差范圍為0.89%～25.71%，相對偏差小于等于20%的占比84.2%；氨氮可對比數據19個，相對偏差范圍為1.91%～75.3%，相對偏差小于等于20%的僅占比42.1%。

表3 溶解氧、高錳酸鹽指數和氨氮相對偏差范圍區間Tab.3 Relative deviation range of dissolved oxygen,permanganate index and ammonia nitrogen %

溶解氧和高錳酸鹽指數兩項指標的監測方法和監測環境大致相同，因此數據差異性較小。氨氮作為室內監測項目，兩者監測方式的分析方法有所不同，人工監測采用氣相分子吸收光譜法，取樣體積為100 mL，檢出限為0.020 mg/L;自動監測采用水楊酸比色法，取樣體積為8.0 mL，使用10 mm比色皿時，其檢出限為0.01 mg/L，測定下限為0.04 mg/L，測定上限為1.00 mg/L(均以N計)。

將2種方式監測所得的氨氮數據作散點圖進行對比(見圖10)，自動監測氨氮濃度值范圍分布較窄(0.19～0.37 mg/L)，人工監測氨氮濃度值分布較寬(0.031～0.360 mg/L)，且大部分情況下自動監測結果值大于人工監測結果值，考慮兩種方式均存在一定不確定度[18]，通過擬合線性趨勢線，得知自動監測結果略高于人工監測結果，因此兩種監測方式存在一定系統偏差。

圖10 人工監測與自動監測氨氮濃度分布及擬合趨勢線Fig.10 Concentration and fitting trend line of ammonianitrogen by manual monitoring and automatic monitoring

3.2.2 水質類別對比評價

為綜合考慮自動站監測數據的科學性與公正性，根據GB3838-2002《地表水環境質量標準》將2種方式的檢測結果按照單因子水質評價法進行對比，結果如圖11所示。在22組對比數據中，有13組兩種評價方式結果相同，其中有2個均為Ⅰ類水，有11個均為Ⅱ類水；有8組自動監測評價結果劣于人工監測的評價結果，有1組人工監測評價結果劣于自動監測的評價結果，因為兩種方式氨氮的監測方法存在系統偏差，自動監測的結果普遍大于人工監測的結果，導致自動監測的評價結果更保守，但兩種監測方法對徐六涇斷面水質類別評判具有較高的一致程度。

圖11 人工監測與自動監測單因子水質評價結果對比Fig.11 Evaluated results of two monitoring methods usingthe Single Factor Water Quality Assessment Method

3.3 綜合水質響應機制

P值作為綜合水質標識指數法的核心部分，對于比較同類別中水質優劣具有重要意義。氨氮共有299個點，P值主要分布在2～3之間，Ⅱ類水較多，僅2013年和2015年各有3個點大于3，從2015年開始氨氮P值波動幅度逐漸減小，氨氮濃度趨于穩定。高錳酸鹽指數有299個點，P值主要主要分布在1～3之間，大多數在2左右，Ⅰ類水較多，見圖12。總體而言，高錳酸鹽指數對水質的影響要小于氨氮對水質的影響，但2018年開始高錳酸鹽指數濃度稍有回升趨勢，應當持續密切關注。

圖12 徐六涇斷面近6 a氨氮及高錳酸鹽指數P值分布Fig.12 ThePvalues of ammonia nitrogen and permanganateindex of Xuliujing in the recent 6 years

圖13 徐六涇斷面近6 a綜合水質變化幅度Fig.13 Comprehensive water quality changes range ofXuliujing in the recent 6 years

根據氨氮和高錳酸鹽指數的P值可得出Q值，Q值表示由綜合水質標識指數評價法得出水環境質量變化幅度值。由圖13可知，其中顯著下降(Q< -15%)有11個，占比3.7%；稍有下降(-15%≤Q< -5%)有31個，占比10.6%；維持穩定(-5%≤Q≤5%)有215個，占比73.1%；稍有上升(5%≤Q< 15%)有31個，占比10.6%；顯著上升(Q> 15%)有6個，占比2.0%。根據綜合水質變化幅度值Q可直觀表示徐六涇斷面高錳酸鹽指數和氨氮的變化情況，對自動站監測水質變化具有重要警示意義，當Q值發生顯著下降時，即Q值<-15%，監測人員應當予以重視，及時檢查水質變化情況。

4 結 論

綜上所述，通過徐六涇水質自動站監測5項基本指標(水溫、pH值、電導率、濁度、溶解氧)和3項重點指標(總有機碳、高錳酸鹽指數、氨氮)的數據作2013年1月至2018年10月的年際變化趨勢線和周際變化過程線，分析趨勢可知徐六涇區域近6 a整體水環境質量趨好，各項波動幅度趨穩。個別指標存在以下趨勢。

(1) 水溫自2017年起年內極差有明顯增大趨勢，可能對長江口區域浮游動植物和魚類資源的生長周期產生一定影響。

(2) 濁度先增后降，溶解氧先降后增，且拐點均在2013年，可能存在一定的相關性，有待后續進一步研究。

(3) 高錳酸鹽指數2018年起有回升趨勢，應當持續密切關注。

對比2016年1月至2017年10月自動監測與人工監測的檢測數據發現，兩種方式對溶解氧和高錳酸鹽指數的檢測結果偏差程度較小，而對氨氮的檢測結果偏差程度較大，這主要是由于分析方法不同、檢出限不同，從而引起系統偏差；但兩種監測方式的分析結果通過單因子水質評價法反映到水質類別判定時，得到水質評價結果具有較高的一致性。

根據綜合水質標識指數法衍生的綜合水質響應機制計算便捷，可實現水質指標在同一類別內判斷其對水質的影響，當水質發生異常或大幅度下降時能及時響應并預警，對水質自動監測系統工作具有普適性和實際應用意義。

水質自動監測是水環境質量保護的重要途經與發展趨勢。徐六涇水質自動監測站作為長江入海口流域的補償監測方式，可在無人值守狀態下高頻次監測實際水體、反映水質連續變化的情況，為保護長江口流域水環境及城市供水安全提供重要保障。