衛河流域河南段水體污染物時空差異性特征分析

張彥，鄒磊，李平，竇明，黃仲冬，梁志杰，齊學斌*

（1.中國農業科學院農田灌溉研究所，河南新鄉 453002；2.鄭州大學水利科學與工程學院，鄭州 450001；3.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；4.中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環及地表過程院重點實驗室，北京 100101；5.鄭州大學生態與環境學院，鄭州 450001）

隨著經濟社會和城市化進程的快速發展，人類活動對流域水體污染物時空差異性的影響越發顯著，有效開展流域水體污染物時空差異性特征研究有助于流域水環境管理部門的決策，并可為流域水生態環境保護和農業生產提供一定的依據。目前，相關學者利用統計分析方法開展了河流或湖泊水質時空變化規律的研究，如白會濱等、王昱等、楊巧等、楊蕾等、李發榮等、王翠榆等、蘇程佳等和董雯等分別利用不同的統計分析方法分析了海河流域、黑河流域、昆明市盤龍江流域、寧夏閱海濕地、牛欄江流域、晉城市沁河流域、潭江流域和渭河西咸段水質時空變化特征并對其污染源進行解析；劉雙爽等、錢文瀚等和任巖等揭示了漢豐湖和高陽湖流域、滆湖流域、新疆艾比湖流域水環境的分異規律；李穎等利用M-K檢驗和廣義可加模型（GAM）分析了洪澤湖水質變化特征及驅動因素；張勝等結合綜合污染指數法和綜合營養狀態指數評價法對漢江中下游豐枯水期水質時空變化特征進行了分析；王一旭等結合自組織映射人工神經網絡模型（SOM）和隨機森林模型（RF）對苕溪流域的水質進行了空間差異性評估；白曉燕等利用Pettitt變異點分析法和M-K檢驗法定量判斷了珠江三角洲城市群水源地水質的時空變化趨勢。

衛河流域作為海河水系南運河的重要支流，在城市和工農業經濟發展中起到了關鍵的作用，然而經濟社會發展和人類活動都給其水生態環境帶來了危害，2018年海河流域工業廢水和城鎮生活污水排放總量達到了59.46億t。相關學者初步開展了衛河流域水質變化規律及污染因子識別相關研究，但對于流域河南段整體水體污染狀況及時空差異性特征還需進一步研究，本文利用Mann-Kendall非參數檢驗法、Pettitt突變檢驗法、聚類分析和判別分析等方法，對衛河流域河南段不同時期水體污染物分布特征進行統計，并分析了水體污染物的變化趨勢和突變特征，最后揭示了水體污染物在不同時期的時空差異性特征，研究成果可為衛河流域河南段的水環境治理提供一定的依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況及數據來源

衛河流域為海河流域南運河的重要支流，發源于山西省陵川縣奪火鎮，至河北省館陶縣與漳河匯合，流經焦作、新鄉、鶴壁、安陽、濮陽5個省轄市，流域面積約為1.53萬km，流域內主要河流包括衛河干流、大沙河、共產主義渠、淇河、安陽河、馬頰河、湯河等[1，21]。

研究數據主要來源于《河南省地表水環境責任目標斷面水質周報》、各地市的《地表水環境責任目標斷面水質月報》和《環境質量月報》等，本文選取了衛河流域河南段各地市9個地表水環境責任目標斷面的3項水體污染物指標。衛河干流監測斷面主要有衛輝皇甫、湯陰五陵、浚縣王灣和大名龍王廟，其中大名龍王廟為河南省界的監測斷面，共產主義渠監測斷面有衛輝下馬營，淇河監測斷面有浚縣前枋城，湯河監測斷面有鶴壁耿寺和石辛莊，安陽河監測斷面有丁家溝，監測斷面具體位置見圖1。水體污染物指標主要為化學需氧量（COD）、氨氮（NH-N）和總磷（TP），其中COD和NH-N的監測時段為2014年1月至2020年12月，TP的監測時段為2016年1月至2020年12月，本文所涉及的不同時期中汛期為6—9月，其余月份為非汛期；水質監測數據分析參照《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）執行。

圖1 衛河流域河南段水體污染物監測斷面分布Figure 1 Distribution of water pollutant monitoring sections in the Wei River basin

1.2 研究方法

1.2.1 Mann-Kendall非參數檢驗法

Mann-Kendall（M-K）是一種基于秩序的非參數檢驗方法，被廣泛應用于徑流、降水、氣溫和水質等水文水環境要素序列的趨勢或突變檢驗。Z為M-K非參數檢驗法的標準化檢驗統計值，主要表示時間序列數據的變化趨勢，具體詳細說明見參考文獻[2]。另外，定義統計變量UF為：

通過分析UF和UB的變化可以分析序列x的趨勢變化和突變點，當UF和UB的曲線超過置信區間[-1.96，1.96]時，說明水質序列上升或下降的趨勢比較顯著；當UF和UB的曲線在置信區間的內部相交時，表示該點所對應的時刻是序列突變開始的時刻。

1.2.2 Pettitt突變檢驗法

Pettitt突變檢驗法是一種非參數突變點檢測的方法，計算簡單且受異常值影響較小，廣泛用于水文氣象以及水質時間系列的突變分析，可用于衛河流域河南段水體污染物突變點檢驗，具體計算過程如下[18，24-25]：

給定水體污染物個樣本的時間序列x，=1，2，3，...，，定義統計變量U：

Pettitt定義統計量K獲取最顯著的可能突變點：

利用統計量判定突變點是否滿足給定顯著性水平：

當<0.05時表示存在統計上的顯著突變點。

1.2.3 聚類分析

聚類分析是一種探索性的模式識別技術，其中層次聚類分析（HCA）方法目前應用較為常見，主要根據不同監測斷面間的相似程度逐次聚合，直到聚成一類，本研究將衛河流域河南段水質特征按照監測時間和監測斷面的地理位置進行聚類，進而分析衛河流域河南段水體污染物的時空變化特征。

1.2.4 判別分析

判別分析主要是根據聚類分析結果進而識別具有顯著性的水體污染物指標，其是按照一定的判別原則建立判別函數，進而通過水體污染物數據系列確定判別系數，并計算判別指標。判別函數表達式為：

式中：（G）為第類的判別函數；G為第類的固有常數；為參與判別分析的指標個數；w為相應的判別系數；p為第類第個指標值。

2 結果與分析

2.1 水體污染物統計結果分析

衛河流域河南段干流及其支流不同時期水體污染物均值統計分析結果如表1所示。由表可知，在汛期和非汛期，衛河干流、共產主義渠和湯河的COD質量濃度均值在Ⅳ類水質標準以上，NH-N質量濃度達到了劣Ⅴ類水質標準，淇河和安陽河的COD和NH-N質量濃度均值處于Ⅲ類水質標準以下，其中共產主義渠COD質量濃度均值在汛期達到最大，為33.96 mg·L，湯河NH-N質量濃度均值在非汛期達到最大，為3.48 mg·L；衛河干流、共產主義渠、湯河和安陽河TP質量濃度均值在Ⅳ類水質標準以上，淇河TP質量濃度均值處于Ⅱ類水質標準以下，其中共產主義渠TP質量濃度均值在汛期達到最大，為0.33 mg·L；另外，湯河COD和NH-N質量濃度在汛期和非汛期的最大值和最小值間差值最大，說明其波動性較大。整體上在非汛期時NH-N的質量濃度值相對較大，在汛期時TP的質量濃度值相對較大，COD質量濃度變化不明顯。衛河流域河南段水體中，淇河和安陽河的水質狀況較好，衛河干流、共產主義渠和湯河的水質狀況相對較差。衛河流域河南段中NH-N污染程度最高。

表1 衛河流域河南段不同時期水體污染物均值統計（mg·L-1）Table 1 Mean value statistics of water pollutants in different periods in Henan section of Wei River basin（mg·L-1）

2.2 不同時期水體污染物變化趨勢分析

根據M-K檢驗法和Pettitt突變檢驗法對衛河流域河南段9個監測斷面水體污染物的數據系列進行分析，得到各監測斷面水體污染物在不同時期的變化趨勢及突變點情況（表2）。本文僅列出河南省界的監測斷面大名龍王廟水體污染物不同時期M-K檢驗和Pettitt突變檢驗圖（圖2）。大部分監測斷面的水體污染物在汛期和非汛期均呈現出顯著減小的趨勢，監測斷面石辛莊的COD在汛期呈現出顯著的增加趨勢，監測斷面衛輝皇甫和大名龍王廟的COD以及衛輝下馬營的TP在汛期的變化趨勢均不顯著，監測斷面石辛莊的COD在非汛期呈顯著下降趨勢，監測斷面丁家溝的COD在汛期和非汛期的變化趨勢均不顯著；淇河監測斷面浚縣前枋城的COD和TP在汛期和非汛期，及NH-N在汛期的變化趨勢均不顯著，這可能是由于該監測斷面水質一直較好。根據M-K檢驗法和Pettitt突變檢驗法得到的各監測斷面水體污染物的突變時間基本上具有一致性，水體污染物COD和NH-N的突變時間多集中在2016年和2017年，而水體污染物TP的突變時間多集中在2017年和2018年；在汛期，水體污染物COD的突變時間多集中在7月，NH-N和TP的突變時間在不同監測斷面呈現較大的差異，而在非汛期水體污染物的突變時間在不同監測斷面具有較大的差異性。

圖2 大名龍王廟水體污染物不同時期突變檢驗圖Figure 2 The inspection chart of the water pollutants in Daminglongwangmiao section in different periods

表2 水體污染物不同時期變化趨勢及突變點結果Table 2 Variation trend and mutation point of water pollutants in different periods

2.3 不同時期水體污染物時空分布特征

各監測斷面水體污染物在不同時期的水質類別占比如圖3所示。在汛期監測斷面湯陰五陵、浚縣王灣、衛輝下馬營、鶴壁耿寺COD處于Ⅳ類及以上水質標準的占比分別為64.29%、78.57%、78.57%、67.86%，而在非汛期時均有所增加，分別為66.07%、89.29%、80.36%、80.36%；監測斷面浚縣前枋城COD處于Ⅳ類及以上水質標準的占比均較小，汛期和非汛期分別為7.14%和5.36%；而在非汛期時監測斷面鶴壁耿寺COD達到劣Ⅴ類水質標準的占比為35.71%。

圖3 各監測斷面不同時期水質類別占比Figure 3 Proportion of water quality types in different monitoring sections in different periods

在汛期時監測斷面衛輝皇甫和鶴壁耿寺NH-N處于Ⅳ類及以上水質標準的占比分別為64.29%和67.86%，而在非汛期時均有所增加，分別為69.64%和75.00%；監測斷面浚縣前枋城NH-N均處于Ⅲ類及以下水質標準；在汛期和非汛期時監測斷面衛輝皇甫NH-N達到劣Ⅴ類水質標準的占比分別為64.29%和62.50%。

在汛期監測斷面衛輝皇甫和浚縣王灣TP處于Ⅳ類及以上水質標準的占比均為65.00%，在非汛期時分別為60.00%和65.00%，監測斷面浚縣前枋城TP均處于Ⅲ類及以下水質標準；在汛期時監測斷面湯陰五陵和衛輝下馬營TP達到劣Ⅴ類水質標準的占比分別為30.00%和25.00%。

整體上，對于水體污染物COD和NH-N，處于Ⅲ類及以下水質標準的占比各監測斷面呈現出汛期>非汛期，處于Ⅳ類及以上水質標準的占比各監測斷面呈現出非汛期>汛期；對于水體污染物TP，大部分監測斷面處于Ⅲ類及以下水質標準的占比呈現出非汛期>汛期，處于Ⅳ類及以上水質標準的占比呈現出汛期>非汛期。

2.4 不同時期水體污染物時空差異性分析

為了分析衛河流域河南段不同時期水體污染物時空差異性特征，首先根據聚類分析將不同時期水體污染物進行空間尺度下聚類，結果如圖4所示。由圖可知，水體污染物COD和TP在汛期和非汛期時的空間聚類結果具有一致性，在空間尺度上將監測斷面均分為兩組，對于COD，A組的監測斷面主要包括衛輝皇甫、衛輝下馬營、浚縣前枋城、浚縣王灣、湯陰五陵、石辛莊、丁家溝和大名龍王廟，B組的監測斷面包括鶴壁耿寺；對于TP，A組的監測斷面主要包括衛輝皇甫、衛輝下馬營、浚縣王灣、湯陰五陵、鶴壁耿寺、石辛莊、丁家溝和大名龍王廟，B組的監測斷面包括浚縣前枋城。NH-N在汛期和非汛期時的空間聚類結果不一致，汛期A組的監測斷面包括衛輝下馬營、浚縣前枋城、浚縣王灣、湯陰五陵、石辛莊、丁家溝和大名龍王廟，B組的監測斷面包括衛輝皇甫和鶴壁耿寺；非汛期A組的監測斷面包括衛輝皇甫、衛輝下馬營、浚縣王灣、湯陰五陵、鶴壁耿寺和石辛莊，B組的監測斷面包括浚縣前枋城、丁家溝和大名龍王廟。

圖4 不同時期水體污染物空間尺度聚類結果Figure 4 Spatial scale cluster analysis of water pollutants in different periods

對不同時期水體污染物指標空間尺度上聚類結果進行判別分析，結果如表3和表4所示。由表3可知，判別分析的判別函數基本可以解釋所有水體污染物在不同時期的信息，COD在汛期和非汛期時Wilks的Lambda值分別為0.003和0.012，卡方系數分別為20.002和15.389；NH-N在汛期和非汛期時Wilks的Lambda值分別為0.026和0.068，卡方系數分別為12.734和9.420；TP在汛期和非汛期時Wilks的Lamb?da值分別為0.030和0.017，卡方系數分別為12.247和14.240；在不同時期水體污染物判別函數的顯著性檢驗值均小于0.05，說明在不同時期下水體污染物的空間聚類結果有效。

表3 不同時期水體污染物指標空間尺度上判別分析統計檢驗Table 3 The statistical test of discriminant analysison spatial scale of water pollutant indexes in different periods

由表4可知，在汛期時COD空間聚類分析結果B組的判別分析交叉驗證正確率較大，為62.50%，在非汛期時A組的判別分析交叉驗證正確率較大，為87.50%；在汛期和非汛期時NH-N空間聚類分析結果均為A組的判別分析交叉驗證正確率較大，分別為57.10%和66.70%，在汛期和非汛期時TP空間聚類分析結果均為A組的判別分析交叉驗證正確率較大，分別為62.50%和87.50%。總體來說，衛河流域河南段水體污染物在不同時期的空間聚類結果相對較好。

表4 不同時期水體污染物指標空間尺度上判別分析交叉驗證正確率（%）Table 4 The cross validation accuracy of discriminant analysis on spatial scale of water pollutants in different periods（%）

從衛河流域河南段不同時期水體污染物不同分組的差異性（圖5）可知，A組的COD在汛期和非汛期時差異性較大，而B組的差異性相對較小；A組和B組的NH-N在汛期和非汛期時差異性均不明顯；A組的TP在汛期和非汛期時差異性較大，而B組的差異性相對較小。結果表明，監測斷面鶴壁耿寺COD質量濃度和浚縣前枋城TP質量濃度在不同時期的波動性均較小，其余監測斷面COD和TP質量濃度的波動性相對較大；各監測斷面NH-N質量濃度在不同時期的波動性具有一定的相似性。

圖5 不同時期水體污染物指標不同分組的差異性Figure 5 Differences of water pollutant indexes of different groups in different periods

3 討論

衛河流域河南段受到城市擴張以及工農業發展的影響，其水體污染物主要來自于工業廢水、生活污水以及農田化肥和農藥的施用，水體污染物導致衛河流域河南段的水體受到不同程度的污染，衛河流域河南段各地區水體污染物排放量、農用化肥和農藥使用情況如圖6和圖7所示。衛河流域河南段所轄地市2018年廢污水排放總量為9.53億t，COD排放總量為6.67萬t，NH-N排放總量為0.96萬t；2019年農用化肥使用折純量為171.87萬t，農藥使用量為2.39萬t。研究表明淇河的監測斷面浚縣前枋城的水體狀況最好，這與鶴壁市整體水體污染物排放量和化肥農藥使用量相對較小有關；衛河流域河南段COD和NH-N在不同時期基本呈現出顯著減小的趨勢，這與各地市COD和NH-N的排放量呈現減小趨勢一致（圖6），同時COD和NH-N的突變時間多集中在2016年和2017年，這與衛河流域河南段各地市2016年以來防治城鎮生活和工業污染、整治城市黑臭水體以及減少農業面源污染等方面的工作有關；但是從近幾年各地市農用化肥和農藥使用趨勢看（圖7），減小趨勢不顯著，這也是影響衛河流域河南段水質的主要因素，因此，今后要加強衛河流域河南段農用化肥和農藥的控制，防控流域內農業面源污染。

圖6 衛河流域河南段各地區水體污染物排放量統計Figure 6 Discharge statistics of water pollutants in Henan section of Wei River basin

圖7 衛河流域河南段各地區農用化肥和農藥使用量Figure 7 Discharge statistics of agricultural fertilizers and pesticides in Henan section of Wei River basin

各監測斷面水體污染物COD和NH-N在非汛期的污染程度較大，而TP在汛期的污染程度較大，這主要是由于COD和NH-N污染主要來自于工業和生活污水，在非汛期時流域河道內徑流量較小，使得污染程度較大；而TP污染主要來自農業面源污染，在汛期時通過地面徑流作用進入河道，使污染程度較大。整體上，衛河流域河南段各監測斷面水體污染物具有一定的時空差異性和相似性，要改善流域內河流水體環境，各地市需要進一步加強水污染防治工作。

結合相關研究可知，1980年以前衛河流域水體受到的污染較輕，1990年到2003年由于受到經濟社會快速發展的影響，污染程度加重，2004年到2010年污染狀況有所好轉，但仍然嚴峻，2011年之后政府治理水體污染力度的逐步加強，特別是2016年以來衛河流域水環境得到了進一步的改善。雖然衛河流域河南段水體污染狀況存在波動反復的現象，但整體上隨著各方面治理措施的完善，衛河流域河南段的水環境質量狀況將得到改善。

4 結論

（1）衛河干流、共產主義渠和湯河的水質狀況相對較差，淇河和安陽河的水質狀況較好，NH-N為衛河流域河南段主要的水體污染物；各監測斷面的水體污染物在不同時期基本上呈現出顯著減小的趨勢，僅監測斷面石辛莊的COD在汛期呈現出顯著的增加趨勢；COD和NH-N的突變時間多集中在2016年和2017年，而TP的突變時間多集中在2017年和2018年。

（2）水體污染物COD和NH-N處于Ⅲ類及以下水質標準的占比各監測斷面呈現出汛期＞非汛期，處于Ⅳ類及以上水質標準的占比各監測斷面呈現出非汛期＞汛期；TP處于Ⅲ類及以下水質標準的占比大部分監測斷面呈現出非汛期＞汛期，處于Ⅳ類及以上水質標準的占比呈現出汛期＞非汛期。

（3）不同時期下水體污染物的空間聚類結果有效且相對較好，監測斷面鶴壁耿寺COD質量濃度和浚縣前枋城TP質量濃度在不同時期的波動性均較小，其余監測斷面COD和TP質量濃度的波動性相對較大；各監測斷面NH-N質量濃度在不同時期的波動性具有一定的相似性。