嘉興市區(qū)河道水質(zhì)變化趨勢及影響因素分析

婁孝飛，王 穎，張海軍，張海平,*

(1. 同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；2. 丹華水利環(huán)境技術(shù)〈上海〉有限公司，上海 200235；3. 嘉興市水利水電勘察設(shè)計研究院，浙江嘉興 314001)

城市河流作為城市經(jīng)濟發(fā)展的命脈，與人類的發(fā)展密切相關(guān)，不僅具有供應(yīng)水源、美化環(huán)境等基本功能，還具有保護自然生態(tài)及防洪排澇等重要作用[1-2]。近些年來不斷加速的城市化導(dǎo)致了城市水環(huán)境的嚴重惡化，降雨徑流沖刷大量的污染物，使其進入受納水體而造成污染[3-4]，我國的水質(zhì)惡化問題日益嚴重，并逐漸成為制約地區(qū)發(fā)展的主要因素之一[5]。隨著人們對水環(huán)境質(zhì)量要求的提升及對水環(huán)境現(xiàn)狀的關(guān)注，許多學(xué)者對河湖、水庫等水質(zhì)變化情況及其影響因素進行了研究。王紫琦[6]應(yīng)用試驗和模型兩種手段研究了北京城市河岸帶結(jié)構(gòu)對河流水質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)河流溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N)、硝氮和總磷(TP)濃度均有明顯的季節(jié)變化，且改變護岸類型、水生植物的多度及河岸的彎曲程度等河岸帶的結(jié)構(gòu)指標可使河流水質(zhì)發(fā)生變化。段仲昭等[7]、車蕊等[8]采用統(tǒng)計分析或建模等方法分析了極端降水對流域水質(zhì)的影響，確定其污染物特征及時空變化趨勢。王巍巍[5]利用模糊綜合評價、聚類分析以及Mann-Kendall測試等技術(shù)研究了大氣降水對錦州市河流水質(zhì)的影響規(guī)律，得到錦州市水質(zhì)模糊綜合評價指數(shù)與無量綱化降水量的回歸方程。張德林等[9]分析了淀山湖湖體CODMn、NH3-N和TN等水質(zhì)資料變化規(guī)律及溫度、降水等對水質(zhì)的影響，認為氣溫、光照等氣象因子通過影響水體中污染物來源、遷移轉(zhuǎn)化方式等過程而直接或間接地影響水質(zhì)。楊潔等[10]分析了蘇州市河流水質(zhì)與景觀格局之間的關(guān)系及其變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)蘇州市河流水質(zhì)狀況總體較差，但呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢，河流水質(zhì)受到城鎮(zhèn)用地、旱地及水田的綜合影響并表現(xiàn)出尺度效應(yīng)。宗棟良等[11]通過對西麗水庫降雨前、中、后水質(zhì)以及雨水和地表徑流的監(jiān)測分析，發(fā)現(xiàn)雨水和地表徑流中均含有嚴重超標污染物，降雨時, 水庫各項污染指標全面上升，雨后0.5 h水庫水體出現(xiàn)一定程度的自凈作用。李婉等[12]探討了河岸帶生態(tài)修復(fù)措施對北京轉(zhuǎn)河水質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)河NH3-N、硝氮、TP、DO的濃度均有非常明顯的季節(jié)變化，河流周邊的土地利用方式，水生植物的有無、類型、多度和生物量，護岸材料，河岸的曲直均對轉(zhuǎn)河水質(zhì)有重要影響。劉梅等[13]研究認為，氣溫上升促進了底泥中內(nèi)源氮、磷的釋放，降水減少降低了水體的稀釋能力，同時，減少陸地污染物進入水體。眾多研究表明，水體水質(zhì)不僅受到土地利用、污染物排放等人為因素干擾，降水、光照、河岸環(huán)境等自然條件也會對其產(chǎn)生重要影響，故對河湖、水庫等水體水質(zhì)變化的研究不僅要關(guān)注人為因素的影響，更要考慮自然條件的作用，尤其是對于城市內(nèi)水體的研究。

圖1 嘉興地理位置和控制斷面分布Fig.1 Situation and Distribution of Rivers Control Sections in Jiaxing

嘉興市區(qū)地處杭嘉湖河網(wǎng)水系最發(fā)達地區(qū)，河流水質(zhì)易受各種因素影響，因此，有必要對其水質(zhì)變化趨勢及影響因素進行研究。本文根據(jù)嘉興市區(qū)河道的水質(zhì)與降水歷史資料，研究水質(zhì)指標變化趨勢及其影響因素，分析水質(zhì)變化趨勢及降水對嘉興市區(qū)河流水質(zhì)的影響規(guī)律，研究成果可為市區(qū)水環(huán)境治理提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

嘉興市(30°21′～31°2′N，120°18′～121°16′E)(圖1)東臨大海，南倚錢塘江，北靠太湖，西接天目之水，市域地勢低平，平均地面高程在2.16 m左右，水網(wǎng)密布，河道分布密度為每平方公里3.5 km。嘉興市屬東亞季風區(qū)，四季分明，雨量充沛。多年平均年降雨量為1 193.5 mm，80%的年份降水量多于1 000 mm。由于每年冬夏季風強弱、進退的時間等不同，各年降水狀況有差異，年際雨量變化較大。自2000年開始，嘉興市建設(shè)城市防洪工程，構(gòu)建了嘉興市城市防洪大包圍圈；2011年起，利用城市防洪設(shè)施實施定期河道換水，通過排澇機組調(diào)節(jié)內(nèi)河水位使得嘉興市區(qū)河水形成一個固定流向，從而引入活水、排出滯留水與污水并加快河水流速，以此達到引流入內(nèi)帶走污水死水、改善水質(zhì)的目的。

1.2 方法

收集2015年1月—2019年12月嘉興市區(qū)9個省市控斷面(編號及斷面名稱為：9塘匯、19北運橋、8石臼漾水廠、26長征橋、7龍鳳大橋、18南湖、31南門水廠、28倪家匯、27人中浜)及境外上游4個斷面(96新生新運橋、21新塍出口、1王江涇、30螞蟥塘橋)的地表水水質(zhì)監(jiān)測資料及同期日降水量觀測資料，水質(zhì)監(jiān)測頻次為每月一次。采用單因子評價法(即取某一評價因子的多次監(jiān)測的極值或平均值，與該因子的標準值相比較。)對嘉興市大包圍圈內(nèi)9個省市控斷面的水質(zhì)進行評價，標準采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)，監(jiān)測項目包括水溫、pH、電導(dǎo)率、DO、CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TN、TP、揮發(fā)酚、氰化物、汞、鉛、鎘、砷、銅、鋅、六價鉻、石油類、氟化物、糞大腸菌群、陰離子表面活性劑和硫化物共24項。其中，BOD5反映水體中有機物的污染狀況；COD反映水中受還原性物質(zhì)污染的程度，是有機物相對含量的綜合指標之一；NH3-N是水體中的營養(yǎng)素，也是水體中的主要耗氧污染物；TN、TP是水體富含有機質(zhì)的指標，可反映水體富營養(yǎng)化狀態(tài)。此6項指標可代表河流水質(zhì)的基本情況，故主要對這6項指標進行分析。

應(yīng)用Mann-Kendall檢驗法(M-K檢驗法)對河道水質(zhì)CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TN和TP濃度的變化趨勢進行分析，以檢驗變化趨勢的強弱及顯著性。M-K檢驗法是被世界氣象組織推薦的一種非參數(shù)檢驗方法，適用于長時間序列的氣象及水文數(shù)據(jù)的變化趨勢的顯著性及突變特征的檢驗。非參數(shù)檢驗方法不要求數(shù)據(jù)總體服從特定的分布，且允許數(shù)據(jù)缺失，是理想的氣象及水文數(shù)據(jù)檢驗方法[7,14-15]。

在M-K檢驗中，原假設(shè)H0為時間序列數(shù)據(jù)(X1，X2，…，Xn)，是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本，備擇假設(shè)H1是雙邊檢驗，對于所有的i，j≤n，且i≠j，Xi和Xj的分布是不相同的，檢驗統(tǒng)計變量S如式(1)。

(1)

其中：當Xi-Xj大于、等于或小于零時，sign(Xi-Xj)分別為1、0、-1。S服從均值為0的正態(tài)分布，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。當n>10時，標準正態(tài)統(tǒng)計變量如式(2)。

(2)

在趨勢檢驗中，對于給定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2，則原假設(shè)是不可接受的，即在置信水平α上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。Z為正值表示增加趨勢，負值表示減少趨勢，|Z|在大于等于1.64、2.32時表示通過了信度95%、99%顯著性檢驗。

2 結(jié)果和討論

2.1 市區(qū)河流水質(zhì)特征

2015年1月—2019年12月，嘉興市大包圍圈內(nèi)9個省市控制斷面的CODMn、CODCr濃度變化幅度較大，分別在2.50～8.93 mg/L(Ⅱ～Ⅳ類水)與5.00～35.60 mg/L(Ⅰ～Ⅴ類水)，平均值為4.91 mg/L與16.91 mg/L，均達到Ⅲ類水標準。對于CODMn，9個監(jiān)控斷面中石臼漾水廠的水質(zhì)最好，但波動較大；北運橋的水質(zhì)最差，污染相對較嚴重。對于CODCr，9個監(jiān)控斷面中石臼漾水廠的水質(zhì)最好，龍鳳大橋的水質(zhì)最差。此外，CODMn、CODCr濃度均存在季節(jié)變化，3月—8月濃度較高，而9月—翌年2月濃度較低。

BOD5濃度變化幅度很大，在0.50～10.60 mg/L(Ⅰ～劣Ⅴ類水)，平均值為3.93 mg/L，達到Ⅲ類水標準。9個監(jiān)控斷面中石臼漾水廠的水質(zhì)最好，且水質(zhì)穩(wěn)定，人中浜的水質(zhì)最差。BOD5濃度存在季節(jié)變化，3月—8月濃度較高，而9月—翌年2月濃度較低，與COD變化趨勢相同。

NH3-N濃度變化幅度很大，在0.02～3.81 mg/L(Ⅰ～劣Ⅴ類水)，平均值為0.85 mg/L，達到Ⅲ類水。9個監(jiān)控斷面中石臼漾水廠的水質(zhì)最好，大多數(shù)時間達到Ⅱ類水標準，塘匯、人中浜的水質(zhì)較差，且人中浜的水質(zhì)波動很大。NH3-N濃度>2 mg/L的劣Ⅴ類水，主要集中在2016年8月以前；而≤0.15 mg/L的Ⅰ類水主要集中在2019年7月以后的時段。NH3-N濃度的季節(jié)變化比較明顯，1月—4月濃度較高，而5月—9月濃度較低。

TN濃度在0.61～8.78 mg/L，平均值為3.42 mg/L，整體波動較大。9個監(jiān)控斷面中石臼漾水廠的水質(zhì)最好，南門水廠最差。石臼漾水廠及龍鳳大橋的TN濃度在2019年7月之后有較明顯的改善，明顯低于其他7個控制斷面。TN 濃度的季節(jié)變化比較明顯，一年中高峰值出現(xiàn)在1月—4月，而低谷值出現(xiàn)在5月—9月，與NH3-N變化趨勢相同。

TP濃度在0.05～0.48 mg/L(Ⅱ～劣Ⅴ類水)，平均值為 0.18 mg/L，為Ⅲ類水標準。9個監(jiān)控斷面中石臼漾水廠的水質(zhì)最好，龍鳳大橋處的水質(zhì)最差，大多數(shù)時間水質(zhì)為Ⅳ類，且水質(zhì)波動較大。TP濃度存在季節(jié)變化，高峰值出現(xiàn)在2月—4月，低谷值出現(xiàn)在8月—10月。

總體來說，CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N和TP指標大部分時間能達到Ⅲ類。9個監(jiān)控斷面中石臼漾水廠的6項水質(zhì)指標都比較低，水質(zhì)較好，而位于市區(qū)下游的人中浜的水質(zhì)相對較差。6項指標濃度變化趨勢如圖2所示。

圖2 2015年—2019年嘉興市區(qū)9個省市控斷面CODMn(a)、CODCr(b)、BOD5(c)、NH3-N(d)、TN(e)和TP(f)濃度變化Fig.2 Variations of CODMn(a), CODCr(b), BOD5(c), NH3-N(d), TN(e) and TP(f) Concentrations at 9 Control Sections in Jiaxing during 2015—2019

2.2 水質(zhì)變化趨勢分析

對CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TN和TP 6項水質(zhì)指標進行M-K檢驗分析，如表1所示。由表1可知，2015年—2019年嘉興市區(qū)河道水質(zhì)濃度呈極顯著降低的趨勢，各指標整體Z值為-5.14～-2.73，p值均小于0.01。此外，6項水質(zhì)指標中，CODMn的Z值最小(-5.14)，NH3-N次之(-4.34)，表明2015年—2019年，嘉興市區(qū)河道的CODMn和NH3-N濃度改善最為明顯。9個控制斷面中，石臼漾水廠和龍鳳大橋各項指標的Z值較小。龍鳳大橋位于杭州塘上，靠近市區(qū)西側(cè)，其水質(zhì)可反映上游入境水質(zhì)，表明近年來上游來水水質(zhì)持續(xù)改善。石臼漾水廠水質(zhì)的改善，則反映了上游來水水質(zhì)改善及石臼漾濕地凈化的雙重效應(yīng)。人中浜和北運橋位于市區(qū)下游，各項指標的Z值相對較大，表明市區(qū)仍存在一定的污染源。總體而言，9個控制斷面的水質(zhì)改善趨勢極為明顯，表明嘉興市及整個杭嘉湖區(qū)域的河道水環(huán)境治理取得了良好的成效。

表1 嘉興市區(qū)河道水質(zhì)指標的M-K檢驗結(jié)果Tab.1 M-K Test Results of River Water Quality in Jiaxing

注：*表示變化趨勢顯著，p<0.05；**表示變化趨勢顯著，p<0.01

2.3 影響因素分析

2.3.1 市區(qū)河道水質(zhì)與上游來水相關(guān)性分析

統(tǒng)計分析嘉興市區(qū)河道的CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TN和TP濃度變化與上游來水水質(zhì)的相關(guān)性，給定顯著性水平α=0.05，樣本數(shù)n=60，進行檢驗(表2)。市區(qū)水質(zhì)指標與來水水質(zhì)的相應(yīng)指標呈極顯著正相關(guān)，CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TN和TP所對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)為0.830、0.500、0.607、0.835、0.603、0.502。CODMn、NH3-N指標的相關(guān)系數(shù)較大，相關(guān)性在6個指標中相對較強；CODCr和TP的相關(guān)性較弱，表明市區(qū)河道水質(zhì)受上游來水的影響很大。

表2 市區(qū)河道水質(zhì)與上游來水的相關(guān)性分析Tab.2 Correlation of Water Quality between Urban Rivers and the Upstream Rivers

注：*表示相關(guān)性顯著，p<0.05；**表示相關(guān)性顯著，p<0.01

2.3.2 市區(qū)河道水質(zhì)與降雨量相關(guān)性分析

對市區(qū)河道CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TN和TP濃度與當天、前1 d、前2 d、前7 d、當月、前1個月和前2個月的降水量進行相關(guān)性分析，如表3所示。市區(qū)河道水質(zhì)濃度與前7 d、當月降水量均無顯著相關(guān)性，CODMn濃度與當天降水量，CODCr濃度與當天降水量、前1 d降水量、前2 d降水量呈顯著負相關(guān)，表明河道CODMn和CODCr濃度受短期降水量影響明顯，降水量越大，CODMn和CODCr濃度越低。TN、NH3-N濃度與前2個月降水量呈顯著或極顯著負相關(guān)；TP濃度與前1個月和前2個月降水量呈極顯著正相關(guān)，表明市區(qū)河道NH3-N、TN和TP濃度對降水的響應(yīng)呈現(xiàn)時間滯后性，在1～2個月。同時，較大的降水量可降低水體NH3-N和TN濃度，卻導(dǎo)致TP濃度升高。NH3-N和TN濃度降低主要為雨水的稀釋作用，降水對水體中 NH3-N、TN 的稀釋作用遠大于降水所形成的徑流而進入河流的NH3-N、TN。環(huán)境中的磷大量被吸附于土壤顆粒中，降雨形成的地表徑流使表土層被侵蝕而進入河流，導(dǎo)致水體含磷量增加[13, 16]，本研究也表現(xiàn)為這種現(xiàn)象。不同水質(zhì)指標對降水呈現(xiàn)出復(fù)雜的響應(yīng)特征，主要是因為不同水質(zhì)指標的主要影響因素及污染來源有所不同，比如區(qū)域輸入性污染、城市防洪工程的調(diào)度運行、當?shù)睾狭髦乒芫W(wǎng)的溢流等，而本文的影響因素是依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計方法得到的，因此，需要收集更大空間范圍和更多方面的信息，以進一步深化研究。

表3 圈內(nèi)水質(zhì)指標與降水量的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation between River Water Quality and Precipitation

注：*表示相關(guān)性顯著，p<0.05；**表示相關(guān)性顯著，p<0.01

3 結(jié)論

(1)2015年—2019年，嘉興市區(qū)河道的CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N和TP濃度大部分時間能達到地表水Ⅲ類標準。總體而言，9個省市控斷面中，石臼漾水廠的水質(zhì)較好，而位于市區(qū)下游的北運橋和人中浜的水質(zhì)相對較差。時間上，CODMn、CODCr、BOD5濃度3月—8月較高，9月—翌年2月較低；NH3-N、TN濃度1月—4月較高，5月—9月較低；TP濃度高峰值出現(xiàn)在2月—4月，低谷值出現(xiàn)在8月—10月。

(2)M-K檢驗結(jié)果表明，2015年—2019年嘉興市區(qū)河道水質(zhì)呈極顯著的改善趨勢，其中,CODMn和NH3-N濃度改善最為明顯。9個控制斷面中，石臼漾水廠和龍鳳大橋各項指標的Z值較小，而人中浜和北運橋的Z值相對較大，表明嘉興市及整個杭嘉湖區(qū)域的河道水環(huán)境治理取得了良好的成效，但市區(qū)仍存在一定的污染源。

(3)嘉興市區(qū)河道水質(zhì)濃度與上游來水水質(zhì)濃度呈極顯著正相關(guān)，表明嘉興市區(qū)河道水質(zhì)受上游來水的影響很大。

(4)嘉興市區(qū)河道水質(zhì)濃度對降水呈現(xiàn)出復(fù)雜的響應(yīng)特征，前1～2 d較大的降水能明顯降低河道CODMn和CODCr濃度，而降水對河道NH3-N、TN和TP濃度的影響呈現(xiàn)1～2個月的滯后性，表明不同水質(zhì)指標的主要影響因素及污染來源有所不同。