鄱陽湖出流長序列代表性水質指標變化及其驅動力

蔣愛萍 張麗萍 張迪 彭期冬 靳甜甜

摘要：探究湖泊出流水體水質變化及其驅動力對湖泊水環(huán)境管理與保護具有重要意義。基于鄱陽湖出口蛤蟆石段長時間序列28 a（1991～2018年）的水質資料，利用水質指數法（Water Quality Index，WQI）來評估鄱陽湖出流水體水質狀況，并采用Mann-Kendall 檢驗法分析水質指標多年變化趨勢。同時，通過灰色關聯度分析法識別了影響鄱陽湖出流水體水質變化的關鍵驅動因子。結果表明：① 總體上，鄱陽湖出流水體水質良好，WQI總變化范圍為7.00～27.65。② 水體中溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）呈下降趨勢，趨勢不明顯，高錳酸鹽指數（Permanganate Index，CODMn）和氨氮（Ammonia Nitrogen，NH3-N）呈顯著增加趨勢，其統(tǒng)計值Z分別為2.53和3.93;WQI總呈顯著上升趨勢，統(tǒng)計值Z為4.27。③ 鄱陽湖出流水體水質變化的主要驅動因子為人口、地區(qū)生產總值、第三產業(yè)產值、糧食總產量等。研究成果可為鄱陽湖水環(huán)境管理與保護提供一定借鑒。

關 鍵 詞：水質變化; 驅動力; 長序列; 水質指數法; 蛤蟆石站; 鄱陽湖

中圖法分類號： X142

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.011

0 引 言

湖泊出流水體水質的好壞能夠綜合反映湖泊水質的整體狀況，同時直接影響了下游社會經濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境平衡。對流域出流水質進行管控限制成為許多政府機構考慮的問題。如美國EPA在制定河流水質標準時，設定了下游湖泊保護值[1]。由于水質惡化會導致水生生物多樣性改變，進而威脅整個水生生態(tài)系統(tǒng)乃至人類健康，因此研究湖泊出流水質的時間變異特征及其影響因素十分必要。

鄱陽湖是中國最大的淡水湖和具有國際地位的重要濕地，其以占長江15.5%的徑流量影響著長江中下游的水生態(tài)環(huán)境。受氣候變化和人類活動的雙重影響，鄱陽湖出現水文情勢大幅波動，水環(huán)境惡化和水生態(tài)功能退化等問題，給鄱陽湖以及長江中下游水安全造成威脅。已有學者對不同時間與空間尺度鄱陽湖湖區(qū)水質變化特征及驅動因素進行了研究[2-4]，結果表明鄱陽湖水質總體呈下降趨勢，枯水期污染大于豐、平水期，認為人類活動如市政廢污水排放、采砂作業(yè)、湖上養(yǎng)殖等是造成鄱陽湖流域水質污染的主要原因[5]。這些研究大多集中在較短的時間尺度上，且都集中于湖區(qū)站點，而長時間尺度上鄱陽湖出流水質變化以及驅動因素定量研究較少。李冰等[6]對鄱陽湖2004～2014年以周為單位的出流水質指標，包括溶解氧（Dissolved Oxygen，DO），氨氮（Ammonia Nitrogen，NH3-N）和高錳酸鹽指數（Permanganate Index，CODMn）的變化特征及其與水位響應關系進行了分析，并對合理的監(jiān)測頻率進行了探討。李媛媛[7]采用主成分分析法對鄱陽湖出流星子斷面和蛤蟆石斷面1991～2006年水質進行了綜合評價，結果顯示不論是星子斷面還是蛤蟆石斷面，2000年后的水質情況均比2000年以前的要差。

本文收集鄱陽湖出口蛤蟆石斷面長時間序列28 a（1991～2018年）水質資料，選取DO、NH3-N和CODMn作為水質評價指標。這3個指標是國家環(huán)保部發(fā)布的全國主要流域重點斷面水質自動監(jiān)測指標，其中DO能夠反映水質的整體狀況，低的DO不利于水生生物的生長;NH3-N是重要的營養(yǎng)鹽指標，過高的NH3-N代表水體受氮源污染;CODMn是典型的耗氧型有機物，通常代表著有機物污染。因此，從科學性、代表性、普適性3個原則來看，這3個指標能夠綜合反映水質狀況。本研究利用這3個典型水質指標采用水質指數法（Water Quality Index，WQI ）綜合評價鄱陽湖出流水質，并采用 Mann-Kendall檢驗法對湖泊出流水體水質變化趨勢進行判別。同時，收集研究期內鄱陽湖流域社會經濟發(fā)展統(tǒng)計數據以及自然環(huán)境數據，通過灰色關聯度分析，從經濟社會發(fā)展和自然環(huán)境演變兩個角度識別導致鄱陽湖水環(huán)境變化的關鍵驅動因子，以期為保護鄱陽湖“一湖清水”工作提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

鄱陽湖（28°24′～29°46′N，115°49′～116°46′E）位于長江中下游交接處，江西省北部，是長江最大的通江湖泊，也是中國最大的淡水湖，南北長170 km，東西平均寬度為16.9 km，最大寬度約74 km[6]。鄱陽湖為典型亞熱帶季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季低溫少雨，年平均降水量為1 387～1 795 mm，多年平均氣溫為17.6 ℃[8]。作為典型的過水性湖泊，水位年際、年內變化較大，高水位通常在7～8月，湖泊面積最高可達4 600 km2，而每年12月至次年1月，湖泊水位大幅降低，湖泊面積最小可達1 000 km2[9-10]，具有明顯的“高水是湖，低水似河”的年內變化特征。鄱陽湖承納贛江、撫河、信江、饒河、修河等五大江河流域來水，水系流域面積為16.22萬km2，相當于江西省國土面積的97%，約占長江流域面積的9%。

蛤蟆石站位于鄱陽湖北部，是湖泊重要的出流斷面，湖泊水流自南向北流經此斷面唯一出湖口注入長江（見圖1）。

2 材料與方法

2.1 數據來源

2.1.1 水環(huán)境指標

本研究的時間尺度為1991～2018年，其中1991～2006年水環(huán)境參數數據來源于文獻[7]，其原始數據來源于國家環(huán)保總局和長江流域水文水質年鑒，2007～2018年水環(huán)境參數數據來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站地表水水質監(jiān)測周報（http：∥www.cnemc.cn）。考慮到水質數據的可得性與代表性，選取鄱陽湖出口蛤蟆石站DO、CODMn、NH3-N三項常規(guī)水質指標，用各指標年均值分析鄱陽湖出口水環(huán)境的變化特征。

2.1.2 驅動因子

導致湖泊水質惡化的驅動因子可以分為自然因素和社會經濟因素[11-12]。一般來說，影響湖泊水質指標變化的自然環(huán)境因素主要有氣溫、水溫、降雨量、水位等，考慮到數據的可得性與代表性，本次研究選擇氣溫、降雨量和水位3個自然驅動因子;人口數量、社會經濟發(fā)展水平是湖泊水環(huán)境重要的社會經濟驅動因素，本次研究遴選人口、地區(qū)生產總值、三大產業(yè)產值、農牧漁業(yè)產值等10項指標作為社會經濟驅動因素，具體見表1。自然驅動因子數據來自文獻[9]，其原始數據源自中國氣象數據共享服務系統(tǒng)（http：∥data.cma.cn）。社會經濟驅動因子數據來自《江西省統(tǒng)計年鑒》（http：∥tjj.jiangxi.gov.cn）。

2.2 分析方法

2.2.1 WQI水質指數法

WQI水質指數法是將許多物理和化學參數轉換為反映水質水平的單一值，從而消除了評估中單獨使用的參數之間的差異。對于CODMn、NH3-N參數的 WQI值計算如下[13-14]：

WQIi=Ci-Ci，kCi，k+n-Ci，k×20n+WQIi，k Ci，k≤Ci≤Ci，k+1

WQIi=0 Ci≤Ci，1

WQIi=100Ci，5≤Ci

（1）

式中：Ci為第i項評價項目的實測結果;Ci，k為第i項評價項目的k級標準濃度;Ci，k+1為第i項評價項目的k+1級標準濃度;WQIi，k為第i項評價項目的k級指數值;n為相同標準個數（當無相同時，n=1）。

對于DO：

WQIi=Ci-Ci，kCi，k+n-Ci，k×20n+WQIi，kCi，k+1≤Ci≤Ci，k

WQIi=0Ci，1≤Ci

WQIi=100 Ci≤Ci，5

（2）

本研究選取NH3-N、DO、CODMn作為水質評價的關鍵指標。WQI總是3個水質指標WQIi的平均值。根據WQI值將水質分為5個等級。研究中環(huán)境參數的標準濃度即為GB 3838-2002《地表水環(huán)境質量標準》基本項目標準限值。表2給出了WQI水質評價分級及對應的水質類別。

2.2.2 Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall檢驗是一種非參數統(tǒng)計檢驗方法[15-16]，該方法無需樣本遵循特定的分布，也不受少數異常值的干擾，在氣候、氣象和水文水質時間序列的趨勢變化研究中廣泛應用，并取得較好的效果[17-20]。對于具有n個樣本的時間序列x，統(tǒng)計量Z的計算公式如下：

Z=S-1Var（S）S>00 S=0S+1Var（S）S<0（3）

其中：

S=n-1i=1nj=i+1rij（4）

rij=1xj>xi0xj=xi-1xj<xij=i+1，i+2，…，n（5）

VarS=nn-12n+5-

mp=1tp（tp-1）（2tp+5）

18（6）

式中：m為n年時間序列中具有相同值的變量數目;tp為第p組的相同值個數。

利用Z值來評估數據序列是否在統(tǒng)計上呈顯著增減趨勢。Z>0表示增加趨勢，Z<0表示減小趨勢。統(tǒng)計量Z呈正態(tài)分布。如果|Z|≥Z1-α/2，則拒絕原假設，認為數據序列有顯著的增減趨勢，顯著性水平α可取0.001，0.01，0.05和0.1。

2.2.3 Sen’s趨勢估計

Sen’s非參數檢驗為趨勢變化的大小度量提供了很好的解決思路從而得到廣泛應用[9，21-22]。Sen’s斜率估計法假設趨勢變化是線性的，可用以下公式表示：

ft=Qt+B（7）

Qi=xj-xkj-k（j>k）（8）

Q=Q（n+1）/2 n為奇數

Q=12Qn/2+Q（n+2）/2 n為偶數（9）

式中：Q為斜率，B為常數。

2.2.4 灰色關聯分析法

灰色關聯度分析是根據因素之間發(fā)展趨勢的相似或相依程度衡量兩者的關聯程度，適用于動態(tài)歷程分析。而且該方法對樣本量和變量數量的要求不高，在驅動因素量化研究中具有較好的應用效果[19，23-24]。其計算步驟如下，詳細計算過程見文獻[23]。

（1） 確定參考序列x0k和比較序列xik，因變量為參考序列，自變量為比較序列;

（2） 對數據序列采用無量綱化處理，以消除量綱影響;

（3） 計算灰色關聯系數rx0，xi;

（4） 求解灰色關聯度r0i，并按其大小排序。

3 結果與分析

3.1 水質狀況分析

計算鄱陽湖蛤蟆石站1991～2018年水環(huán)境指標DO、CODMn、NH3-N的WQI，取三者的平均值來綜合評價蛤蟆石長序列水質狀況。各指標WQI值以及WQI總多年變化結果如圖2所示。由圖2可以看出：鄱陽湖出流水體水質整體良好，28 a來未發(fā)生較大的污染。DO的WQI在2018年為29.29，其余27 a均為0，滿足Ⅰ類水質標準。1991～2004年，CODMn的WQI持續(xù)增加，在2004年WQI增加到47.0，評價等級由良好逐漸轉變?yōu)橹械?2005～2007年CODMn的WQI波動較大，呈先減小后增加的趨勢;在2007年以來，CODMn水質WQI基本呈逐漸減小趨勢，但整體還是高于20世紀90年代。NH3-N的WQI在1991～2001年為0，其濃度均滿足Ⅰ類水質標準，在2002年WQI值為25.7，在此以后NH3-N的WQI均大于20.0。1991～2001年，WQI總均小于20.0，水質狀態(tài)為優(yōu)秀，2001年以后，個別年份WQI總大于20.0，水質呈良好狀態(tài)。由此看來，鄱陽湖氮源污染在近年來有所增加，需引起重視。

DO是反映水質狀況的綜合指標，受溫度、氣壓、水體污染的綜合影響。從圖2中可以看出，DO的WQI在2018年以前均為0，在2018年突然增加到29.29。結合圖3可知，在2018年以前DO均超過Ⅰ類地表水標準濃度（7.5 mg/L），而在2018年DO突然降低，為6.8 mg/L。結合圖4和圖5可以看出，2018年鄱陽湖降雨量和水位均下降，而三大產業(yè)總產值上升，降雨和水位的下降導致水體自凈能力下降，對污染物稀釋作用減小。三大產業(yè)總產值上升代表著社會經濟的提高，而社會經濟發(fā)展產生的大量工業(yè)、農業(yè)、生活垃圾和廢水都會對湖泊水體造成污染。水體氮磷含量過多，造成富營養(yǎng)化，導致大量藻類植物聚集在水面，擋住陽光，會影響空氣中的氧溶入深層，此外，由于富營養(yǎng)化造成藻類和浮游生物死亡，也會消耗水中大量的DO。另外，DO絕對濃度隨季節(jié)變化較大，由于收集到的數據為每年一個數值，無測定具體時間，此變化也可能來自測定時間變化帶來的差異。

CODMn是反映水體有機物污染的重要指標。從圖2中可以看出，在1991～2018年內，CODMn的WQI在2004年和2007年比其他年份均要高。結合圖6可知，2004年CODMn高達4.7 mg/L，2007年為4.5 mg/L，這兩年均超過地表水Ⅱ類標準濃度4.0 mg/L。結合圖4和圖5可知，在2004年和2007年，降雨量和水位均明顯減少，有機物自然降解能力下降，此外三大產業(yè)總值以及農作物播種面積在這一時間內持續(xù)增加，因此氣候變化（主要為降雨較少）和經濟發(fā)展帶來的污染負荷是這一時期CODMn含量突增的重要原因。

NH3-N是重要的營養(yǎng)鹽指示物，其含量的高低代表著氮源營養(yǎng)物質的多少。由圖2可以看出，2004，2007年以及2015年WQI（NH3-N）均明顯高于其他年份，尤其是2007年。結合圖7可知，在這一時間段內，2007年NH3-N含量最高，但小于0.50 mg/L，在1991～2018年NH3-N均滿足地表水Ⅱ類標準濃度。結合圖4～5和之前的分析，2007年NH3-N含量明顯高的原因可能是2007年降雨減少、水位下降導致。

3.2 水質指標趨勢分析

利用Mann-Kendall檢驗法計算1991～2018年鄱陽湖出流水體各水質指標以及WQI總的趨勢，綜合評估鄱陽湖出流水體水質變化特征。結果如表3所列。

結果表明：① 1991～2018年鄱陽湖出流水體中DO呈減少趨勢，減少趨勢不明顯，其中統(tǒng)計值Z為-0.410，Sen’s斜率估計Q為-0.007。② 1991～2018年鄱陽湖出流水體中CODMn呈增加趨勢，在0.05水平上顯著，其中統(tǒng)計值Z為2.530，Sen’s斜率估計Q為0.025。③ 1991～2018年鄱陽湖出流水體中NH3-N呈增加趨勢，且增加趨勢在0.001水平上顯著，統(tǒng)計值Z為3.930，Sen’s斜率估計Q為0.010。④ 1991～2018年鄱陽湖出流水體WQI總呈顯著增加趨勢，綜合反映出鄱陽湖出流水質狀況呈下降趨勢。統(tǒng)計值Z為4.270，在0.001水平上顯著，其中Sen’s斜率估計Q為0.573。

整體上，鄱陽湖出流水質有微弱波動下降的趨勢。其原因是一方面鄱陽湖1991～2018年降水量、水位下降，雨水稀釋作用下降，湖水自凈能力下降。同時隨著氣候變化，氣溫、水溫有所上升，水生生物生長活力增強，有機質分解加速，耗氧量增加，溶解氧減少，隨營養(yǎng)物質的增加，水體易出現富營養(yǎng)化[19]。另一方面，鄱陽湖流域所在省份江西省在1991～2018年社會經濟得到較大的發(fā)展，地區(qū)生產總值由1991年的479.37億元增長到2018年的2 1984.78億元，總人口從1991年的3 864萬人增長到2018年4 622萬人，人類活動對鄱陽湖流域水環(huán)境的影響逐漸增大，隨著鄱陽湖生態(tài)經濟區(qū)建設，國家及江西省對鄱陽湖區(qū)域投資增加，其人均生產總值、工業(yè)、旅游業(yè)發(fā)展迅速，導致大量未處理的生活廢水、工業(yè)廢水、綠化用水、游客等產生的污水，攜帶大量富含氮、磷等污染物入湖，進而對水體造成污染。

3.3 水質變化的驅動因子分析

根據鄱陽湖出流水體蛤蟆石段WQI總與13項驅動因子的灰色關聯度結果（見表4），可以看出：水位與WQI總為中等相關，其余驅動因子與WQI總均呈強相關（0.2～0.4為弱相關，0.4～0.6為中等相關，0.6～0.8為強相關[12]）。鄱陽湖出流水體水環(huán)境變化與流域內社會經濟發(fā)展以及自然環(huán)境的演變存在較為密切的聯系。

在13項驅動因子中，與鄱陽湖水環(huán)境變化關聯度由大到小為X1>X7>X2>X9>X10>X5>X3>X8>X6>X4>X11>X12>X13。其中，人口、地區(qū)生產總值、第三產業(yè)產值、糧食總產量、牧業(yè)產值、漁業(yè)產值6項驅動因子與WQI總指數灰色關聯度達到0.7以上，呈現較強的相關性，這些均屬于社會經濟因子。相比較而言，降雨量、平均氣溫和水位等自然因素因子與鄱陽湖蛤蟆石段WQI總關聯性稍弱，這說明自然環(huán)境的變化可能不是水環(huán)境惡化的主要驅動力，社會經濟對鄱陽湖水環(huán)境變化起著主導作用。人口增長、地區(qū)生產總值提高、農牧漁及第三產業(yè)產值的提高等社會經濟變化都可能使人類活動對鄱陽湖流域水環(huán)境的影響加深。具體而言，1991～2018年鄱陽湖流域社會經濟發(fā)展迅速，地區(qū)生產總值增幅達97.82%;城鎮(zhèn)化速率升高，與1990年相比，2018年鄱陽湖流域建設用地增幅達107.97%，多年增長速率高達3.90%;工業(yè)、農業(yè)、旅游業(yè)發(fā)展迅速，尤其是工農業(yè)發(fā)展產生大量的廢棄物，形成大量點源與非點源污染，其中居民生活廢水及農業(yè)化肥等非點源污染的貢獻最大。此外，在鄱陽湖生態(tài)經濟區(qū)環(huán)境管理方面，農業(yè)、水利、環(huán)保等部門職能交叉重疊，缺乏統(tǒng)一的管理機制。隨著流域內社會經濟的發(fā)展，若不及時采取有效的環(huán)保措施，鄱陽湖水環(huán)境可能會進一步惡化。

4 結 論

本文從長時間序列尺度上（1991～2018年）分析了鄱陽湖出流水體水質狀況及其各水質指標年際變化特征，從自然環(huán)境和社會經濟發(fā)展兩個方面識別了影響鄱陽湖出流水質變化的關鍵驅動因子，并結合流域實際情況進行了分析探討。研究結果如下：

（1） 1991～2018年鄱陽湖出流水質狀況總體良好，但整體來看，水質有所下降，趨勢較為明顯，尤其是CODMn、NH3-N含量均顯著增加。

（2） 從識別的關鍵因子來看，1991～2018年鄱陽湖出流水質主要受流域內社會經濟活動如人口、地區(qū)生產總值、第三產業(yè)產值、糧食總產量等因素的影響。

社會經濟活動對鄱陽湖水質變化有著重要的影響，協(xié)調好社會經濟發(fā)展和水環(huán)境的關系是政府考慮的重點，各部門、各行業(yè)應協(xié)調統(tǒng)一，建立合理的獎勵懲罰制度，形成有效的監(jiān)督管理體系，著重識別非點源重點控制區(qū)域，采取針對性管控措施。

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（編輯：謝玲嫻）

Changes of representative water quality indicators and their driving forces in long sequence of outflow in Poyang Lake

JIANG Aiping1，ZHANG Liping1，ZHANG Di2，PENG Qidong2，JIN Tiantian2

（1.College of Earth Science and Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China; 2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Abstract：

Exploring the water quality changes of lakes outflow and their driving forces are of great significance to the management and protection of lake water environment.Based on the water quality data of the Hamashi Section in Poyang Lakes outflow in the past 28 years （1991～2018），we used the Water Quality Index （WQI） method to assess the water quality of Poyang Lake outflow，and used the Mann-Kendall test method to analyze the change trend of the water quality indicators.At the same time，the key driving factors affecting the changes in the water quality of Poyang Lakes outflow were identified by the grey relational analysis method.The result showed that：in general，the water quality of Poyang Lakes outflow was good，and the total WQI index varied from 7.00 to 27.65.Dissolved Oxygen （DO） in the water body showed a decreasing trend，but the trend was not obvious.Concentration of Permanganate Index （CODMn） and Ammonia Nitrogen （NH3-N） showed a significant increasing trend，and their statistical values Z were 2.53 and 3.93 respectively.The total WQI showed a significant increasing trend，and its statistical value Z was 4.27.In the 1991～2018，the main driving factors for the changes in the water quality of Poyang Lakes outflow were population，regional GDP，tertiary industry and total grain output.The study results can provide a reference for the water environment and protection of Poyang Lake.

Key words：

water quality change;driving force;long sequence;Water Quality Index method;Hamashi Section;Poyang Lake