潭江水質時空變化特征及其驅動因子

蘇程佳，陳曉宏，譚永強，歐陽衛華

(1.全國博士后創新(江門)示范中心，廣東 江門 529000; 2.廣東省江門市生態環境局，廣東 江門 529000；3.中山大學水資源與環境研究中心，廣東 廣州 510275)

水質作為評價河流生態環境系統健康的重要指標，是自然因素以及人類活動對水生態環境影響的綜合體現[1-2]。河流作為城市供水主要來源之一，其水質的優劣不僅關系到當地的供水安全，也影響著當地經濟社會的可持續發展。然而，隨著工業化、城市化進程的加快，世界各地的河流都出現了嚴重的水污染現象，水污染愈發成為水環境治理的突出問題[3-6]，如印度的恒河[7]、印度尼西亞的芝塔龍河[8]、英國的泰晤士河[9]以及國內的海河、遼河、汾河、練江、茅洲河等[7-12]，近年來因污染嚴重成了重點治理的對象。

潭江是珠江流域三角洲河網的重要組成部分，近年來隨著水環境治理力度的加大，水環境質量有了一定的提升，但還存在不少問題。李艷靜等[13]對潭江表層沉積物中多環芳烴分布特征及其生態風險評價的研究結果表明，潭江沉積物多環芳烴污染整體處于中等污染水平，而且部分采樣點某些多環芳烴含量超過了效應區間低值，可能對生物存在潛在危害。陳偉濤[14]基于2001—2010年的水質數據分析發現，潭江上游河段水質較好,而且顯著優于中下游水質，入海口河段則為輕度污染；而唐廉等[15]的研究卻發現，潭江上游水質最好，中游及入海口附近水質次之，下游水質最差。兩者的研究結果并不一致，說明潭江的水質變化特征較為復雜，仍需進一步研究。

科學認識水質的變化特征及其驅動力是解決水生態環境問題的關鍵[16-17]，但目前關于潭江水質的研究主要集中在其變化特征方面[13，15]，對水質變化的驅動力分析尚不多見。此外，隨著經濟社會發展水平的不斷提高，人民群眾對水環境的要求越來越高，2019年出臺的《粵港澳大灣區發展規劃綱要》對大灣區的水環境治理提出了更高的要求。基于此，本文采用Mann-Kendall(M-K)趨勢檢驗以及水質綜合指數等方法分析了潭江2001—2019年的水質變化特征，利用主成分分析方法識別了主導潭江水質變化的水質參數，并通過相關性模型分析了影響水質變化的主要驅動因子，以期為區域水環境治理提供參考。

1 研究區域與數據

1.1 研究區域概況

潭江(圖1)是珠江流域三角洲諸河之一，干流全長248 km，集水面積5 068 km2。潭江發源于廣東省陽江市牛圍嶺山，自西向東流至江門市新會區雙水附近折向南流，匯入珠江三角洲河網區，最終在江門市新會區崖門口入南海[15]。

圖1 潭江流域水質站點分布

1.2 研究數據及其來源

選取潭江流域具有代表性的溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(CODMn)、化學需氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)和總氮(TN)等7項水質參數對潭江水質變化特征進行分析。采用的逐月水質數據來源于江門市生態環境局，數據年限為2001—2019年，其中CODMn、TP、TN這3項水質參數數據的年限為2003—2019年，對涉及COD、TP、TN參與的計算過程均采用與這3項水質參數相同的年限數據，逐年水質數據利用逐月水質數據進行算術平均得到。恩城水廠、牛灣和蒼山渡口分別是潭江上、中、下游的水質代表站(圖1)。人口、GDP、降水量、森林覆蓋率等水質變化的影響因子同期數據來源于江門市的統計年鑒。

2 研究方法

采用M-K趨勢檢驗[18]以及水質綜合污染指數[19]等方法分析潭江2001—2019年的水質變化特征，利用主成分分析方法[20]識別主導潭江水質變化的水質參數，最后通過相關性模型[21]分析影響水質變化的主要驅動因子。

2.1 M-K趨勢檢驗

M-K趨勢檢驗是一種非參數檢驗方法，該方法不要求數據服從某一概率分布且具有與參數檢測方法相同的檢測能力，人為影響因素少、定量化程度高。其定義[18]如下：

設序列為x1、x2、…、xn，令S為

(1)

式中：xi、xj分別為序列第i年和第j年的變量值，且j>i；sign為符號函數。隨著n增大，S近似服從正態分布。M-K統計量Z計算公式為

(2)

式中：σS為S的標準差，其中Z>0表明序列有上升趨勢，Z<0表明序列有下降趨勢，Z=0表明序列既無上升又無下降的趨勢。當|Z|≥1.65、1.96、2.58時分別表示通過了置信水平為90%、95%和99%的顯著性檢驗。

2.2 主成分分析法

主成分分析法是一種將多個具有一定相關性的變量重新組合成一組新的互不相關的幾個綜合變量，同時可根據實際需要從中選取少數幾個綜合變量來盡可能多地反映原來變量信息的統計方法，其中重新組合得到的綜合變量稱做主成分。通常情況下，可選取特征值接近于1且累計貢獻率超過85%的前m(m小于原變量個數)個主成分，然后根據主成分的貢獻率以及各主成分中不同影響因子的載荷確定研究問題的主要影響因子，方法原理及計算步驟可參考文獻[19]。

3 結果與分析

3.1 水質年際變化特征

圖2為潭江干流上、中、下游7項水質參數質量濃度的變化過程，表1為圖2水質參數質量濃度的統計特征值。從圖2可以看出，潭江水質參數質量濃度的年際變化十分顯著。如潭江上游的BOD5質量濃度在2001—2011年基本保持不變，多年平均值為1.00 mg/L左右，2011年后則開始快速上升，在2015年達到最大值1.90 mg/L，此后開始迅速下降至2019年的0.87 mg/L；潭江中游的NH3-N質量濃度雖然整體呈明顯的下降趨勢，但是2001—2019年間卻經歷了4次“先升后降”的波動過程，其中2014—2019年是快速下降階段。從整體上看，潭江上游的DO質量濃度最高，下游其次，中游最低，其余水質參數的質量濃度均表現為上游最低、下游其次、中游最高，水質參數的質量濃度統計特征值(表1)結果也與上述結果一致。可見潭江上游的水質最好，下游其次，中游最差。

圖2 潭江水質參數質量濃度變化趨勢

表1 潭江水質參數質量濃度統計特征值

為了進一步確定潭江水質參數質量濃度的變化趨勢，利用M-K趨勢檢驗對其進行趨勢分析，結果如表2所示。從表2可以看出，潭江上游7項水質參數中CODMn和BOD5質量濃度呈下降趨勢，但是下降趨勢并不明顯；其余5項質量濃度呈上升趨勢，其中NH3-N、TP和TN質量濃度為顯著上升，TP和TN更是通過了0.01的顯著性水平檢驗，表明潭江上游的水質有一定的惡化趨勢。潭江中游7項水質參數中DO和NH3-N質量濃度呈下降趨勢，且NH3-N質量濃度為顯著下降；另外5項質量濃度呈上升趨勢，其中CODMn、BOD5和TN質量濃度表現為顯著上升趨勢，說明潭江中游的水質惡化趨勢較為顯著。潭江下游7項水質參數中CODMn、COD和NH3-N質量濃度呈下降趨勢，并且都是顯著下降；另外4項質量濃度呈上升趨勢，而且DO質量濃度表現出顯著上升趨勢，說明潭江下游的水質無明顯惡化趨勢。

表2 潭江水質參數變化趨勢M-K趨勢檢驗Z值

根據潭江水質治理目標，以GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅱ類標準計算潭江上、中、下游的水質綜合污染指數，結果如圖3所示。從圖3可以看出，潭江上游的水質綜合污染指數在閾值線以下，但整體呈上升趨勢，表明潭江上游的水污染較輕但有一定的惡化趨勢。潭江中、下游的水質綜合污染指數變化過程基本一致，都表現為“先升后降”的變化過程，而且除2001年和2002年外，其余年份的水質綜合污染指數均大于1，但是中游的水質綜合污染指數大于下游，表明潭江中、下游水污染較上游嚴重。

圖3 潭江干流水質綜合污染指數變化

3.2 影響水質變化的參數識別

為識別影響水質變化的主要參數，對潭江上、中、下游7項水質參數進行了主成分分析，結果如表3所示。從表3可知，潭江上游水質參數的前3個主成分的特征值大于1，第4、5個主成分的特征值接近1，且此時前5個主成分的累計貢獻率為86%，大于閾值85%，表明前5個主成分已具備表征原水質參數主體信息的能力；而潭江中游水質參數的前4個主成分的累計貢獻率為89%，下游水質參數的前5個主成分的累計貢獻率也已大于閾值85%，表明它們均已能反映原水質參數的主體信息。

表3 潭江水質參數主成分的特征值與貢獻率

分別選取潭江上、中、下游水質參數對應的前5、前4、前5個主成分計算其主成分荷載，結果如表4所示。綜合表3和表4可知，潭江上游水質參數的第1主成分的貢獻率為29%，COD和BOD5是其荷載較大的兩個水質參數，且荷載大小基本一致，表明兩者在第1主成分中的重要性相當，而第2至第5主成分的貢獻率均為15%左右，相應荷載最大的水質參數分別是DO、TP、NH3-N和TN，說明主導潭江上游水質變化的水質參數是COD、BOD5、DO、TP、NH3-N和TN。類似地，可知主導潭江中游水質變化的水質參數是TN、NH3-N、CODMn、DO和BOD5，而潭江下游水質變化受所有7項水質參數的共同主導。

表4 潭江水質參數主成分荷載

3.3 水質變化的驅動因子

水質變化的驅動因子有很多，可根據因子的屬性將其分為自然因子和人為因子兩大類[16,22-23]，其中影響水質變化的自然因子主要包括降水量、氣溫、水溫、pH值、土地利用類型以及風速等；人為因子主要包括人口、社會經濟發展水平以及污染物排放量等。考慮數據的代表性及可靠性，本文選取人口和GDP作為人為因子的典型代表，選取降水量、森林覆蓋率、水溫和pH值作為自然因子的典型代表。利用選取的驅動因子與潭江的水質參數進行相關性分析，結果如表5～7所示。

表5 潭江上游水質參數與驅動因子的相關性檢驗

表6 潭江中游水質參數與驅動因子的相關性檢驗

從表5可以發現，就驅動因子的角度來看，人口與除DO及CODMn外的其余5項水質參數均呈顯著相關關系，GDP只與TP和TN顯著正相關，表明人為因子中，人口對潭江上游水質的影響大于GDP，即人口是影響水質變化的主要人為因子。對于自然因子而言，降水量與所有水質參數的相關性均沒通過顯著性檢驗，森林覆蓋率與除DO、CODMn和 NH3-N 外的其余水質參數均呈顯著正相關關系，水溫與BOD5和TP顯著正相關，pH值除與DO顯著正相關外，與其他水質參數無顯著相關關系，表明在自然因子中，森林覆蓋率是影響水質變化的主要驅動因子。可見人口與森林覆蓋率是影響潭江上游水質變化的主要驅動因子。

同樣地，由表6、表7可知，在人為因子中，人口、GDP是影響潭江中、下游水質變化的主要驅動因子；而在自然因子中，森林覆蓋率與水溫是影響潭江中、下游水質變化的主要驅動因子。

對比表5～7的結果可知，潭江上、中、下游有著影響水質變化的共同驅動因子，即人口和森林覆蓋率，表明生活污水排放和土地利用類型等對流域水質有較大的影響，這與已有的研究結果[16,24-25]一致。值得注意的是，雖然潭江上、中、下游有著影響水質變化的共同驅動因子，但也存在差異，具體表現為影響潭江中、下游水質變化的驅動因子除人口和森林覆蓋率外，還包括GDP和水溫，說明相比于上游，潭江中、下游水質變化的影響因素更復雜。

表7 潭江下游水質參數與驅動因子的相關性檢驗

本文研究發現，潭江上游的NH3-N與人口顯著正相關，與GDP正相關，但并不顯著；而中、下游NH3-N與人口和GDP均呈顯著負相關關系，表明相比于上游，潭江中、下游的NH3-N與人口之間的關系受到了其他因素的影響，因為相比于上游，潭江中、下游地區的城鎮更密集，人口更多、密度更大，經濟社會發展水平更高，人類及其社會經濟活動對水質的影響更大[26]。

此外，已有研究表明，水質參數之間同樣存在一定的相關關系[27-30]。本文也有同樣的發現，如潭江中游的DO與TP顯著負相關，潭江下游的DO與TN顯著正相關，表明水質參數間的相互作用也會影響水質變化，這從側面反映出了水質變化驅動機理和影響要素的復雜性。

4 結 論

a.潭江干流不同水質參數的年際變化差異較大。從整體上看，潭江上游的水質最好，但有一定的惡化趨勢；下游的水質次之，且無明顯的惡化趨勢；中游的水質最差，而且惡化趨勢較為顯著。

b.潭江上、中、下游主導水質變化的水質參數并不完全一致，上游水質變化的主導水質參數是COD和BOD5，中游為TN和NH3-N，下游則是TN、NH3-N和TP。潭江中、下游存在主導水質變化的共同參數，即TN和NH3-N。

c.人口和森林覆蓋率是影響潭江上游水質變化的主要驅動因子，而影響潭江中、下游水質變化的驅動因子除人口和森林覆蓋率外，還包括GDP和水溫；受人類因素的影響，潭江中、下游水質變化與自然驅動因子之間的關系有所改變。