河南省2009—2017 年水體污染物時空分布特征解析

張 彥 ，梁志杰 ，李 平 ，竇 明，黃仲冬 ，齊學斌 *

（1.中國農業科學院 農田灌溉研究所，河南 新鄉 453002；2.農業農村部 農產品質量安全水環境因子風險評估實驗室，河南 新鄉 453002；3.中國農業科學院 農業水資源高效安全利用重點 開放實驗室，河南 新鄉 453002；4.鄭州大學 水利科學與工程學院，鄭州 450001）

0 引 言

區域河流水質狀況是水環境管理部門關心的核心問題，也是區域河流生態環境可持續發展重要的制約因素。受區域社會經濟發展和人類活動的影響，區域河流水質具有時空差異性，分析河流水質時空分布特征可為區域水環境管理提供動態信息[1-2]。目前，用于分析水體污染物時空相似性和差異性的方法為多元統計分析方法，如描述性統計法、方差分析法、主成分分析法、因子分析法、Mann-Kendall 檢驗法以及聚類分析法等[3-6]。這些方法對沁河流域[7]、黃河流域[8]、淮河流域[9-10]、渦河[11]等水質的時空分布特征及污染源解析方面起到了重要的作用；黃金良等[12]運用GIS 和多元統計分析相結合的方法識別了九龍江流域水質的時空特征及其影響因素；余明勇等[13]利用時間序列法和相關性分析法分析了長湖水體污染物季節性變化及水體污染的主要影響因子；顧勝等[14]通過t 檢驗分析了漢江堵河流域水質季節性的變化及水體污染物空間尺度的分類情況。另外，相關的統計分析方法在國外河流流域水質時空分布特征分析方面也有運用，如韓國Nakdong 河[15]，尼泊爾Bagmati河[16]等。綜上所述，目前針對流域水質時空分布分析的成果較多，但對河南省境內河流而言，僅對個別河流流域分析，缺少較為全面的分析。因此，本文以河南省2009—2017 年地表水責任目標斷面的監測數據為依據，通過多元統計方法分析河南省境內河流水體污染物時空分布特征及其變化趨勢，同時利用聚類分析分析水體污染物在時間和空間的相似性和差異性，研究成果對區域內水環境治理和防污調度具有一定的指導意義，也為相關管理部門提供了一定的依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

河南省位于我國的中東部，其自北向南橫跨海河流域、黃河流域、淮河流域和長江流域四大水系，境內有1 500 多條河流縱橫交織。黃河橫貫中部，境內干流711 km，流域面積為3.62 萬km2，約占全省面積的20%；河南中南部的淮河，支流眾多，水量豐沛，干流長340 km，流域面積為8.83 萬km2，約占全省面積的50%；北部衛河和漳河流入海河，東部渦河、沙河、潁河流入淮河，西南部丹江、湍河和唐白河流入漢江。2017 年河南省轄海河流域、黃河流域、淮河流域和長江流域年降雨量分別為503.5、611.4、945.2 和92.7 mm[17]。

1.2 數據來源

本研究數據主要來源于河南省環境監測中心編制的《河南省地表水環境責任目標斷面水質周報》，選取了36 個監測斷面，COD 和NH3-N 2 個水質監測指標，水質監測數據為2009—2017 年的原始水質監測數據，監測頻率為每周1 次，通過數據整理將水質監測數據整理為月平均值，共計108 個水質監測系列，水質監測數據分析執行《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）。監測斷面名稱及監測斷面位置具體如圖1 所示。

1.3 研究方法

Mann-Kendall 檢驗法（M-K 檢驗）是一種基于秩的非參數檢驗的方法，其優越性在于能夠檢驗線性或非線性的趨勢[18]，擴展的精確性在水質趨勢分析中得到了廣泛應用[19]。標準化檢驗統計值ZMK為時間序列數據變化趨勢，若ZMK>0，表示時間序列數據隨著時間的推移呈現增加趨勢；反之表示時間序列數據隨著時間的推移呈減小趨勢。當│ZMK│>Z（1-α/2）時，則拒絕0 假設，認為時間序列數據存在顯著趨勢性；Z（1-α/2）值可由標準正態分布表中查得，當取顯著性水平α=5%時，其對應的Z（1-α/2）值為1.96[20]。

系統聚類分析是根據研究對象的特性，對它們進行定量分析的一種多元統計方法。系統聚類分析的基本思想是在樣品之間定義距離，在變量之間定義相似系數，距離或相似系數代表樣品或變量之間的相似程度，按照相似程度的大小，將樣品或變量都聚集完畢，形成一個表示親屬關系的譜系圖。流域水質評價中常按照監測時間和監測斷面的地理位置進行聚類，分析流域水質的時空變化特征[1-2,21]。

本文數據統計分析工具采用Excel 2007、SPSS 21和Matlab 2014。

2 結果與分析

2.1 水體污染物的分布特征分析

根據2009—2017 年各監測站點的水質監測數據，計算出各監測站點水質監測數據近9 年的平均值，水體污染物具體分布情況如圖2 所示。據統計，舞陽栗園橋的COD 平均質量濃度最大為47.51 mg/L，超過了III 類水質標準的2.5 倍；葉舞公路橋的COD 平均質量濃度最小為5.86 mg/L，達到了I 水質標準。COD平均質量濃度達到I 類水質標準的監測站點有4 個，占比11.11%；III 類水質標準的監測站點有8 個，占比22.22%；IV 類水質標準的監測站點有7 個，占比19.44%；V 類水質標準的監測站點有10 個，占比27.78%；劣V 類水質標準的監測站點有7 個，占比19.44%。睢縣板橋的NH3-N 平均質量濃度最大為6.44 mg/L，超過了III 類水質標準的6.44 倍；葉舞公路橋的NH3-N 平均質量濃度最小為0.23 mg/L，達到了II水質標準。NH3-N 平均質量濃度達到II 類水質標準的監測站點有7 個，占比19.44%；III 類水質標準的監測站點有5 個，占比13.89%；IV 類水質標準的監測站點有6 個，占比16.67%；V 類水質標準的監測站點有1 個，占比2.78%；劣V 類水質標準的監測站點有17 個，占比47.22%。總體來說，白沙水庫、葉舞公路橋、西華址坊、西華程灣、新野梅灣、新野新甸鋪、永城張橋、淮濱水文站和鹿邑付橋9 個監測站點的水體污染物的平均質量濃度較低，達到了水質III類及以上標準，但仍有超過一半以上監測站點的水體污染物質量濃度超過了III 水質標準，因此在今后的還要進一步加強水環境的治理工作。

2.2 水體污染物多年變化趨勢分析

根據Mann-Kendall 檢驗法對COD 和氨氮監測數據的時間序列進行分析，其變化趨勢分布情況如圖3所示。分析可知，郾城漯鄧橋、中牟陳橋、睢縣板橋、扶溝擺渡口、通許邸閣等25 個監測站點COD 質量濃度呈顯著性減小趨勢，鹿邑東孫營、白沙水庫、新鄭黃甫寨、伊洛匯合處、舞陽馬灣、葉舞公路橋、西華址坊和柘城磚橋8 個監測站點COD 質量濃度的變化趨勢不顯著，澠池吳莊、新野梅灣和淮濱水文站3 個監測站點COD 質量濃度呈顯著增加趨勢；郾城漯鄧橋、鹿邑東孫營、淮濱水文站、中牟陳橋、白沙水庫等26 個監測站點NH3-N 質量濃度呈顯著減小趨勢，澠池吳莊、通許邸閣、鹿邑付橋、臺前賈垓橋、獲嘉東碑村、衛輝皇甫和新鄭黃甫寨7 個監測站點NH3-N質量濃度的變化趨勢不顯著，葉舞公路橋、新野梅灣和永城張橋3 個監測站點NH3-N 質量濃度呈顯著性增加趨勢。總體來說，河南省水體污染物整體趨勢呈現減小趨勢，說明水環境狀況逐漸變好，近幾年對河流污染的治理成果較為顯著。

圖3 各監測站點水體污染物質量濃度變化趨勢 Fig.3 The variation trends of water pollutant mass concentrations for each monitoring station

為了分析水體污染物質量濃度的突變性，運用M-K 檢驗對郾城漯鄧橋、澠池吳莊、鹿邑東孫營和白沙水庫2009—2017年COD 質量濃度逐月序列的突變性進行分析，具體結果如圖4 和圖5 所示。

根據圖4 可知，郾城漯鄧橋的COD 質量濃度逐月序列在2013 年4 月之后發生明顯突變；澠池吳莊的COD 質量濃度逐月序列在2010 年3 月之后發生明顯突變；鹿邑東孫營的COD 質量濃度逐月序列的UF和UB 統計量趨勢基本一致，略有交叉，說明鹿邑東孫營的COD 質量濃度沒有顯著突變；白沙水庫的COD 質量濃度逐月序列沒有顯著突變。根據圖5 可知，郾城漯鄧橋的NH3-N 質量濃度逐月序列在2014年4 月之后發生明顯突變，澠池吳莊的NH3-N 質量濃度逐月序列沒有顯著突變，鹿邑東孫營的NH3-N質量濃度逐月序列在2012 年6 月之后發生明顯突變，白沙水庫的NH3-N 質量濃度逐月序列在2013 年3 月前后發生明顯突變。

圖4 2009—2017 年COD 質量濃度M-K 檢驗 Fig.4 The M-K test of COD mass concentrations from 2009 to 2017

圖5 2009—2017 年NH3-N 質量濃度逐月序列M-K 檢驗Fig.5 The M-K test of NH3-N mass concentrations from 2009 to 2017

2.3 水體污染物聚類分析

2.3.1 時間聚類分析

根據各監測站點水體污染物月平均數據進行年內月份聚類分析，采用歐式距離平方計算樣本間距離，運用ward 算法通過SPSS 21 軟件生成時間聚類樹（圖6）。根據圖6 結果可知，水體污染物COD 的監測時段可以劃分為4 個時段，時段1 為8—11 月、時段2為12 月、時段3 為5—7 月、時段4 為1—4 月；水體污染物NH3-N 的監測時段可以劃分為3 個時段，時段1 為5—11 月、時段2 為4 月和12 月、時段3為1—3 月。總體來說，水體污染物COD 和NH3-N在時間上的分布大體上一致。

圖6 水體污染物時間尺度聚類分析結果 Fig.6 Results of timescale cluster analysis for water pollutant concentrations

為了分析各個監測站點水體污染物月平均質量濃度實際情況，水體污染物月平均質量濃度各水質類別斷面占比情況如圖7 所示，COD 質量濃度達到IV 類水質標準的監測站點占比最大為9 月，占比為38.89%；達到V 類水質標準的監測站點占比最大為5—7 月和11 月，占比為33.33%；達到劣V 類水質標準的監測站點占比最大為1 月、3 月和4 月，占比為25.00%；超過III 類水質標準的監測站點占比最大為2 月和5月，達到了77.78%；III 類及以下水質標準的監測站點占比最大為11 月和12 月，達到了36.11%。NH3-N質量濃度達到IV 類水質標準的監測站點占比最大為6月和10 月，占比為13.89%；達到V 類水質標準的監測站點占比最大為2 月，占比為16.67%；達到劣V 類水質標準的監測站點占比最大為3 月，占比為66.67%；超過III 類水質標準的監測站點占比最大為3 月，達到了85.56%；III 類及以下水質標準的監測站點占比較大為7—9 月，分別達到了50.00%、55.56%和52.78%。綜上所述，在2 月、3 月和5 月水體污染物污染程度較大的監測站點相對較多，在7—9 月、11 月和12 月水體污染物污染程度較小的監測站點相對較多。

圖7 水體污染物月平均質量濃度各水質類別斷面占比 Fig.7 Proportion of monitoring stations in the monthly average mass concentration of water pollutants

2.3.2 空間聚類分析

根據各監測站點水體污染物月平均數據進行空間聚類分析，采用歐式距離平方計算樣本間距離，運用ward算法通過SPSS 21軟件生成空間聚類樹（圖8）。根據圖8 結果可知，水體污染物COD 在空間上可分為3 組，第1 組為西華址坊、沈丘紙店、鹿邑付橋、白沙水庫、鹿邑東孫營等18 個監測站點，第2 組為中牟陳橋、新鄭黃甫寨、衛輝下馬營、扶溝擺渡口、大名龍王廟等17 個監測站點，第3 組為睢縣板橋1個監測站點；水體污染物NH3-N 在空間上可分為3組，第1 組為西華址坊、沈丘紙店、鹿邑付橋、白沙水庫、鄢陵陶城閘等20 個監測站點，第2 組為中牟陳橋、新鄭黃甫寨、衛輝下馬營、扶溝擺渡口、大名龍王廟等15 個監測站點，第3 組為睢縣板橋1 個監測站點。水體污染物COD 和NH3-N 的空間聚類情況基本一致，說明水體污染物在空間分布具有一致性。

圖8 水體污染物空間尺度聚類分析結果 Fig.8 Results of spatialscale cluster analysis for water pollutant concentrations

3 討 論

河南省是人口和農業大省，其境內水體污染物來源主要為工業廢水、生活污水和農業面源污染等。目前河南省水體污染仍較為嚴重，但整體上呈減小趨勢，說明在國家制定重點流域水污染防治戰略規劃以來，河南省內各流域水質得到了顯著的改善。另外，根據《河南省環境統計年報》，2009 年河南省COD 和NH3-N 排放量分別為62.62 萬t 和7.52 萬t，2017 年COD 和NH3-N 排放量分別為43.07 萬t 和6.21 萬t，從水體污染物來源方面說明了河南省水體污染物排放量近年來呈減小趨勢。

對于賈魯河的中牟陳橋，惠濟河的睢縣板橋以及衛河水系的衛輝下馬營、湯陰五陵和南樂元村集監測站點，水體污染物COD和NH3-N污染嚴重，這與相關的研究成果一致[22-23]；大名龍王廟的水體污染物呈現減小趨勢，徐華山等[1]研究也表明大名龍王廟水質明顯好轉；隨著對沙潁河的大力治理，目前取得了一些成效，沙潁河河南段水質呈逐年變好的趨勢[24]，舞陽馬灣、西華址坊、西華程灣和沈丘紙店的NH3-N質量濃度明顯好轉。從時間角度來說對于水體污染物全年整體上水質呈現先變好后變壞的波動趨勢，如NH3-N水質在7月—9月III類水質標準及以下的斷面占比相對較大，由于在7月—9月降雨多，河流徑流量較大，使河流水質處于較好的狀態。

河南省水體污染物在時間和空間分布上基本上一致，但個別水質監測站點之間的水質狀況具有較大的差異性，說明在不同流域不同河流水體污染物治理程度不同，因此為加快河南省水體污染物的治理工作，使河南省境內河流達到預定的水質目標和水環境得到有效的保護。

4 結 論

1）河南省水體污染物平均質量濃度整體較大，水體污染物COD 和NH3-N 平均質量濃度超過III 類水質標準的監測站點分別達到了66.67%和61.67%，水體污染物濃度達到III類水質及以下標準的監測站點僅有9 個。

2）河南省水體污染物整體上趨勢呈現顯著減小趨勢，僅有個別監測站點存在顯著增加趨勢；COD濃度在郾城漯鄧橋和澠池吳莊發生明顯突變，鹿邑東孫營和白沙水庫沒有顯著突變；NH3-N 質量濃度在郾城漯鄧橋、鹿邑東孫營和白沙水庫發生明顯突變，澠池吳莊沒有顯著突變。

3）水體污染物COD 和NH3-N 在時間和空間上的分布基本上具有一致性，在2 月、3 月和5 月水體污染物污染程度較大的監測站點相對較多，在7 月—9 月、11 月和12 月水體污染物污染程度較小的監測站點相對較多。