羅時江水質的時空變化特征分析

李 萍

(大理州環境監測站， 云南 大理 671000)

0 引言

洱海是云南省第二大高原淡水湖泊，是大理市的主要飲用水源地，又是蒼山洱海國家級自然保護區和國家級風景名勝區的核心，具有調節氣候、保護生物多樣性、為流域內經濟發展提供水源保障等多種功能[1]。近年來，隨著洱海流域社會經濟的快速發展，洱海水質富營養化問題日漸突出，洱海治理保護面臨巨大的壓力[2]。

羅時江是洱海重要的補給水源之一，年平均徑流量約為1.1億m3，占洱海多年平均徑流量的13%。羅時江屬彌苴河水系，位于彌苴河西側，流域位于東經100°03′～100°10′，北緯25°56′～26°04′，發源于洱源縣右所中和村和兆邑村交界處，上游屬洱源縣，下游屬大理市，流向從北向南，全長18.29km，流經右所、鄧川、上關三鎮，是洱源縣及大理市上關鎮農田灌溉、排洪除澇的多功能河道[3]。

近年來由于羅時江周邊社會經濟的發展，導致污染嚴重，水質已遠遠達不到水環境功能區劃Ⅱ類水體要求，給洱海帶入了大量氮、磷等污染物，加劇了洱海富營養化進程。

對羅時江水質的時空變化特征進行分析研究，對于治理羅時江，保護洱海，恢復洱海水質功能具有十分重要的意義。

1 監測數據與分析方法

1.1 水質監測斷面及參數選取

根據羅時江流向，由上游至下游選擇蓮河村、溪長村、沙坪橋3個具有代表性的水質監測斷面，監測時段為2011—2019年，每月監測1次，監測項目為《GB 3838-2002地表水環境質量標準》表1中的24項。根據《云南省地表水水環境功能區劃(2010—2020年)》和《云南省大理白族自治州洱海保護管理條例(修訂)》，羅時江執行《GB 3838-2002地表水環境質量標準》Ⅱ類。水質監測斷面基本情況見表 1。

表1 羅時江水質監測斷面基本情況

1.2 分析方法

環境污染變化趨勢的定量分析，最常用的是Daniel趨勢檢驗，采用spearman 秩相關系數，確定分析斷面多時段的水質變化趨勢及變化程度[4-5]。

di=Xi-Yi

式中：di：變量Xi與Yi的差值；Xi：周期I到周期N按濃度值從小到大排列的序號；Yi：按時間排列的序號。

將rs的絕對值同 spearman 秩相關系數統計表中的臨界值Wp 進行比較。

當rs>Wp,表明變化趨勢有顯著意義：

rs為負值，表明在評價時段內有關統計量指標變化呈下降或好轉趨勢；

rs為正值，表明在評價時段內有關統計量指標變化呈上升或加重趨勢。

當rs≤Wp，表明變化趨勢沒有顯著意義，說明在評價時段內水質變化穩定或平穩[4-5]。

綜合污染指數是評價水質狀況的一個重要指數。羅時江水質綜合污染指數計算選取的污染物種類為《GB 3838-2002地表水環境質量標準》表1中除水溫、pH、DO、TN和糞大腸菌群以外的 19 項指標[6]。

污染指數計算公式：Ai=Ci/Cio

式中：Ai：I項指標的污染指數；Ci：I項指標的監測值；Cio：I項指標的Ⅲ類標準限值；n：參與污染分指數計算的指標項目數[6]。

2 水質時空變化特征分析

2.1 水質時間變化趨勢分析

2.1.1 水質綜合狀況的年際變化分析

按《GB 3838-2002地表水環境質量標準》和《地表水環境質量評價辦法(試行)》對2011—2019年羅時江3個斷面每月監測結果進行綜合評價，如表2。

表2 羅時江2011—2019年每月監測數據的綜合評價結果表

由表2可以看出，羅時江的水質類別主要以IV類和劣V類水質為主，這兩類水質所占比例(平均值)分別達34.67%、25.65%，說明羅時江整體水質較差。從水質類型分布的年際變化情況來看，羅時江水質總體呈逐漸好轉趨勢，具體表現為III類水質所占比例總體呈上升趨勢，由2011年的13.89%上升至2019年的42.42%，劣Ⅴ類水質所占比例總體呈下降趨勢，由2011年的36.11%下降至2019年的9.09%。

2.1.2 主要指標的年均濃度變化分析

采用秩相關系數法對2011—2019年羅時江3個監測斷面的DO、CODCr、NH3-N、TP等主要指標年均濃度進行分析評價，主要指標年均濃度秩相關系數見表3。

表3 羅時江3個斷面主要指標年均濃度秩相關系數

羅時江3個斷面DO年均濃度秩相關系數rs>0，且rs絕對值大于臨界值，表明3個斷面DO年均濃度呈上升趨勢，上升趨勢從統計學上來說是顯著的。3個斷面CODCr年均濃度rs<0，且rs絕對值小于臨界值，表明3個斷面CODCr年均濃度呈下降趨勢，下降趨勢從統計學上來說是不顯著的。

蓮河村TP、溪長村NH3-N年均濃度秩相關系數rs<0，表明蓮河村TP、溪長村NH3-N年均濃度呈下降趨勢；蓮河村NH3-N、溪長村TP、沙坪橋NH3-N、TP年均濃度rs>0，表明3個斷面上述指標年均濃度呈上升趨勢。3個斷面TP、NH3-N年均濃度rs絕對值均小于臨界值，表明上述變化趨勢從統計學上來說是不顯著的。

2.1.3 各斷面綜合污染指數的年度變化趨勢

對3個監測斷面9a的數據進行分析，計算出綜合污染指數，并求出秩相關系數rs。由此了解各斷面的水質隨時間變化的特征。

表4 羅時江主要斷面2011—2019年綜合污染指數

由表4可知，羅時江蓮河村、溪長村、沙坪橋3個斷面的綜合污染指數的秩相關系數均為負值，說明羅時江3個主要斷面的水質污染均呈下降趨勢。羅時江整體水質呈好轉趨勢。秩相關系數rs的絕對值均小于臨界值0.600，表明羅時江3個主要斷面的水質污染下降趨勢從統計學上來說是不顯著的。

2.1.4 主要指標的年內變化

根據2018年3月—2019年2月水質監測數據，對羅時江3個斷面DO、CODCr、NH3-N和TP等主要指標濃度逐月監測數據進行整理分析，變化趨勢如圖1—圖4。

羅時江3個斷面的DO濃度空間差異不大，具有季節變化特點。DO濃度是冬春季較高，隨著水溫的升高，溶解氧濃度降低，在夏季降到最低，8月份3個斷面都出現較低的溶解氧現象，8月份后DO濃度呈上升趨勢。

羅時江3個斷面的CODCr、NH3-N、TP濃度空間差異不大，月變化趨勢基本一致，具有明顯的季節性變化特征：春夏季較高，在春季達到峰值，冬季最低。

2.2 空間變化特征

本文采用箱形圖對羅時江2011—2019年每月監測數據進行描述統計分析，能夠客觀地反映數據的離散分布情況，盡可能地排除異常值的影響[7]。箱形圖的箱子是圖形的主體，箱子中間的線，是數據的中位數，代表了樣本數據的平均水平；箱子的上下限，是數據的上下四分位數，箱子包含了50%的數據，箱子的寬度在一定程度上反映了數據的波動程度；箱子的上方和下方連著的橫線，代表著去掉異常值后的最大、最小值。在同一張箱形圖里可以將不同斷面的水質指標分別進行比較。本文使用箱形圖可直觀地表現出羅時江水質的分布結構，并對多組數據的空間分布進行分析，再以此為依據進行統計差異的顯著性分析[7]。

觀察圖5，根據箱子中位線，可知沙坪橋斷面DO指標是最高的，其次為溪長村斷面，蓮河村斷面偏低。從箱子上下四分位數來看，波動程度從大到小依次為：沙坪橋斷面、溪長村斷面、蓮河村斷面。

圖6、圖8顯示出沙坪橋斷面的CODCr、TP指標最小，其次為溪長村斷面，蓮河村斷面嚴重。從箱子上下四分位數來看，CODCr污染波動程度最大的是沙坪橋斷面，TP污染波動程度最大的是溪長村斷面。

圖7顯示沙坪橋斷面的NH3-N指標最小，其次為蓮河村斷面，溪長村斷面嚴重。從箱子上下四分位數來看，污染波動程度從大到小依次為：蓮河村斷面、溪長村斷面、沙坪橋斷面。

分析2011—2019年羅時江三個主要斷面月綜合評價結果，水質優的是沙坪橋斷面，其次為溪長村斷面，較差的是蓮河村斷面。對比箱型圖的結論，兩者并無矛盾，說明箱型圖的差異性分析較為可靠。

綜上可知，沙坪橋斷面的水質最優，溪長村斷面的水質次之，蓮河村斷面的水質較差。

對羅時江3個主要斷面每月監測數據進行水質綜合評價，結果如表5所示。

表5 羅時江2011—2019年月綜合評價結果表

3 結論

(1)分析年際變化選取的是2011—2019年： DO濃度呈上升趨勢， CODCr、NH3-N、TP濃度、綜合污染指數呈下降趨勢。整體來看，羅時江的水質正在逐年改善。說明洱源縣、大理市治理羅時江是有成效的。

(2)分析年內水質變化選取的是2018年3月—2019年2月的數據，結合季節變化進行分析，發現秋冬的水質高于春夏。春夏季主要受到降雨及農業面源污染影響，水質變差，所以春夏季節應注重羅時江水質的污染防治，進一步加強面源污染的防治。

(3)分析空間變化采用箱形圖對羅時江的3個監測斷面4個水質指標的數據進行描述統計分析，直觀地表現出沙坪橋斷面的水質最優，溪長村斷面的水質次之，蓮河村斷面的水質最差。水質上游到下游逐漸變好，說明隨著洱海流域各項污染治理措施的實施，對羅時江水質變化起到了積極的作用，使羅時江水質逐漸好轉，建議在今后的工作中繼續做好各項污染防治工作。