珠江廣州城區河段主要污染物變化特征及原因分析

李蘭茹，王 進

(廣東省水文局廣州水文分局，廣州 510150)

1 概述

珠江是廣州市的母親河，廣州因珠江而生、因珠江而興，但珠江水質在20世紀末到21世紀初曾極度惡化[1-2]。近10 a來，特別是2017年底全面推行河長制以來，廣州市花大力氣治水，取得顯著的成效，使得珠江廣州河段水質有了明顯的好轉[3-5]。本文基于珠江廣州河段的4個斷面11 a的水質資料，采用時間過程線、Mann-Kendall趨勢分析法、Pearson積矩相關系數、Spearman和Kendall秩相關系數等方法，來研究斷面之間的水質變化趨勢和相關性。

2 數據與方法

2.1 研究區域

珠江廣州河段是珠江三角洲的重要組成部分，上自白云區老鴉崗，下至黃埔區東江口附近，流經整個廣州中心城區，自上而下有西航道、前航道、后航道、黃埔航道等4個河段。其中，西航道從老鴉崗起至白鵝潭止，全長16.24 km；白鵝潭以下分為前航道、后航道兩支，兩支在黃埔大蠔沙附近又匯合成黃埔航道，白鵝潭以東至黃埔為前航道，長23.24 km；白鵝潭以南至黃埔為后航道，長27.90 km；黃埔航道從大蠔沙起至東江口止，長7.00 km。黃埔航道以下經虎門水道(獅子洋)、伶仃洋通達南海(見圖1)。珠江廣州河段的徑流與潮流的相互作用和相互影響十分復雜，黃埔最大漲潮差達3.38 m，潮差自口門向上游遞減[6]，潮區界最遠時可到達流溪河白云區人和壩下。受潮汐影響，珠江廣州河段的水流漲落、流向變化多端，回蕩往復，使得水體污染物的遷移、擴散和降解規律非常復雜。

圖1 珠江廣州河段示意

2.2 資料來源與評價項目

水質監測資料來源于廣東省水文局。

2.2.1監測斷面

本文選用了珠江西航道老鴉崗(S1)、前航道海珠橋(S2)、后航道白鶴洞(S3)和黃埔航道黃埔(S4)4個監測斷面，基本情況見表1。4個斷面屬于省控斷面，資料系列長，監測頻次高，能夠較好地代表珠江廣州河段的水質狀況。監測采用的技術規范有《水環境監測規范》(SL219—2013)、《地表水和污水監測技術規范》(HJ/T91—2002)；本文的4個斷面每月監測1次，采樣時間一般在每月上旬，各斷面同日監測，采樣斷面位置在水面下0.5 m。

表1 珠江廣州河段選用監測斷面基本情況

2.2.2資料年份

資料年份選取了2011—2021年共11 a，主要原因是近10 a是研究區域水環境治理政策力度最大、投入最大、成效最顯著的時段；同時10 a水質資料系列也具備了統計意義上的趨勢性和相關性研究基礎。

2.2.3評價項目

目前按GB3838開展的地表水環境監測的基本項目有24項，經統計分析珠江廣州河段的超標(劣于Ⅲ類)的項目主要有氨氮(NH3-N)、總磷(TP)兩項，其他項目基本能夠達到或優于Ⅲ類。本文綜合選取了NH3-N 和TP兩個項目進行分析評價。

NH3-N的測定方法采用水質—氨氮的測定—流動注射—水楊酸分光光度法(HJ 666—2013)，主要儀器為連續流動分析儀；TP的測定方法主要采用水質—磷酸鹽和總磷的測定—連續流動—鉬酸銨分光光度法(HJ 670—2013)，主要儀器為連續流動分析儀。

2.3 研究方法

2.3.1水質評價方法

水質評價標準參照《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)[7]，本文選擇的2個項目的標準限值摘錄見表2。水質評價方法參照水利部《地表水資源質量評價技術規程》(SL 395-2007)[8]和環境保護部《地表水環境質量評價辦法(試行)》[9]的單因子評價法。本文中年度評價數值采用每年12次監測數據的算術平均值。單項水質項目的水質類別根據該項目濃度與GB3838限值的比對結果確定。

表2 地表水環境質量標準部分項目標準限值摘錄 mg/L

2.3.2Man-Kendall趨勢檢驗方法

Man-Kendall趨勢檢驗方法是一種非參數統計檢驗法，該方法無需事先設定數據分布特征，且不受少數缺失數值和異常值干擾，適于氣象、水文時間序列趨勢和突變分析[10-13]。

對于時間序列X={X1，X2，…，Xn}，n為時間序列長度，Mann-Kendall趨勢檢驗的統計量如下：

(1)

(2)

公式(1)和(2)中，Xi和Xj分別是時間序列的第i、j個值，且j>i。S近似符合標準正態分布，其方差的計算可定義為：

(3)

式中：

m——n年時間序列中具有相同值的變量數目；

tp——第p組的相同值個數。

在此基礎上，構建Man-Kendall檢驗標準化統計量Z如下：

(4)

當n>10時，統計量Z近似服從正態分布。根據正態分布雙側檢驗臨界值，顯著性水平α為0.05時對應的分位數為1.96，顯著性水平α為0.01時對應的分位數為2.58。即，當|Z|>1.96時表示在α=0.05水平上上升或下降趨勢顯著，當|Z|>2.58時表示在α=0.01水平上上升或下降趨勢極其顯著。

2.3.3相關性分析方法

1)圖表相關分析法

圖表相關分析法把數據繪制成圖表，從而清晰地發現變量的變化規律和變量間的相關聯系。常用的圖表有折線圖和散點圖，其中折線圖以時間為橫軸，適合表達時間序列數據，當分析的變量數量較多時，折線圖中可以繪制多條折線，進行綜合分析，提高分析效率。

2)相關系數法

相關系數是用以反映變量之間相關關系密切程度的統計指標。常用的相關系數有Pearson積矩相關系數、Spearman秩相關系數和Kendall秩相關系數等。在相關分析中，計算各種相關系數是有前提的。對于二元相關分析，如果2個隨機變量服從二元正態分布，或2個隨機變量經數據變換后服從二元正態分布，則可以用Pearson積矩相關系數，此時描述的是線性相關關系，而不宜選用Spearman或Kendall秩相關系數。如果樣本數據或其變換值不服從正態分布，則計算Pearson積矩相關系數就毫無意義，此時只能計算Spearman或Kendall秩相關系數[14]。

3 水質檢測數據分析

3.1 Mann-Kendall秩次趨勢分析

使用Mann-Kendall秩次趨勢分析法對研究區域各斷面的2種水質參數的年度數據進行趨勢檢驗，結果見表3。結果顯示，NH3-N在S1、S2、S4等3個斷面下降趨勢顯著，TP在在S1、S2和S3等3個斷面下降趨勢顯著；NH3-N在S3下降趨勢不明顯，TP在S4下降趨勢不明顯。

表3 Kendall秩次趨勢檢驗結果

3.2 水質評價相關性分析

3.2.1圖表相關分析法

采用折線圖法分析分析氨氮、總磷濃度的時空變化規律。

氨氮(NH3-N)項目年度平均濃度過程線見圖2a。從圖中可以看出，位于主城區的3個斷面S1、S2、S3的濃度值范圍與變化趨勢非常相似，在2011—2018年三者的濃度范圍分別為2.47～3.66 mg/L、3.23～4.29 mg/L和2.12～3.45 mg/L，均對應于GB3838—2002的劣Ⅴ類，2019—2021年急劇好轉，2020年后均可以達到Ⅲ類，2021年均可以達到Ⅱ類；位于主城區下游的S4在2011—2016年的濃度范圍為1.23～1.57 mg/L，介于Ⅳ～V類，2017—2019年好轉為Ⅲ類，2020—2021年好轉為Ⅰ類。

a 氨氮變化過程線

總磷(TP)項目年度平均濃度過程線見圖2b。從圖中可以看出，斷面S1在2011—2016年的濃度范圍為0.24～0.34 mg/L，水質類別為Ⅳ～V類，2017—2021年的濃度范圍為0.10～0.20 mg/L，水質類別為Ⅱ～Ⅲ類；斷面S2在2011—2019年的濃度范圍為0.21～0.37 mg/L，水質類別為Ⅳ～V類，2020—2021年的濃度范圍為0.11～0.14 mg/L，水質類別為Ⅲ類；斷面S3在2011—2014年及2016年的濃度范圍為0.23～0.27 mg/L，水質類別為Ⅳ類，2015年和2017—2021年的濃度范圍為0.13～0.20 mg/L，水質類別為Ⅲ類；斷面S4在2011—2019年的濃度范圍為0.11～0.15 mg/L，水質類別為Ⅲ類，2020—2021年的濃度范圍為0.08～0.09 mg/L，水質類別為Ⅱ類。

從總體上講，主城區的3個斷面S1、S2和S3在評價期前段受到TP污染較重，但在后段有了明顯好轉，三者的污染程度、變化趨勢等相似，其中S2的TP總體上污染程度最重；而S4受到的污染相對較輕，隨年份的變化趨勢不明顯。

3.2.2相關系數法檢驗

1)NH3-N項目相關系數法檢驗

由于4個斷面的NH3-N資料均未通過正態性檢驗，相關性分析不宜采用Pearson積矩相關系數，為此，本文采用了Spearman、Kendall兩類秩相關系數。分別計算4個斷面NH3-N項目兩兩之間的Spearman、Kendall秩相關系數，得到相關系數矩陣見表4。此矩陣為對稱矩陣，4個斷面的兩兩相關關系共6對，其中大于臨界值表示兩者的相關關系顯著，在數字末尾加了“*”。本文中數據系列長度n=11，在顯著性水平a=0.05下的Spearman和Kendall秩相關系數臨界值分別為0.618和0.418。從結果表中可以看出，Spearman秩相關系數通常大于Kendall秩相關系數，但是兩者之間的判斷結論是完全一致的，通過顯著性檢驗的有4對，即S1-S2、S1-S3、S2-S3、S2-S4相關關系顯著，而S1-S4、S3-S4的相關關系不顯著；這與圖2a氨氮變化過程線圖的判斷是基本一致的。

表4 NH3-N項目斷面兩兩相關系數矩陣

2) TP項目相關系數法檢驗

4個斷面的TP資料全部通過正態性檢驗，為此，本文選用了Pearson積矩相關系數進行相關性分析。分別計算4個斷面TP項目兩兩之間的Pearson積矩相關系數，得到相關系數矩陣見表5。此矩陣為對稱矩陣，4個斷面的兩兩相關關系共6對，其中通過了顯著性檢驗的數字末尾加了“*”。從表中可以后看出，6對相關系數均通過了顯著性檢驗，即兩兩之間的相關性顯著。這與圖2b總磷氨氮變化過程線圖的判斷是也是基本一致的。

表5 TP項目斷面兩兩相關系數矩陣

3.3 相關性檢驗方法的討論

本文中研究的2類污染項目，根據正態性檢驗的結果選用了不同的相關系數。NH3-N項目采用了Kendal秩相關系數和Spearman秩相關系數進行檢驗，6對相關關系中有5對的相關性顯著；TP項目直接采用Pearson積矩相關系數進行檢驗，全部6對相關關系的相關性顯著。可以看出，斷面之間的相關性不僅與相對位置距離有關，而且更與污染物的種類有關。本文中珠江廣州城區河段的NH3-N和TP的變化趨勢明顯，斷面之間的相關性較好。這一現象是由于污染物的來源、傳輸和降解規律不同引起的。

4 結論及建議

通過對珠江廣州城區河段10多年來的主要污染物變化特征與相關分析，得到以下結論：

1)NH3-N和TP是珠江廣州城區河段兩項重要的污染物。按GB3838開展的地表水環境監測的基本項目有24項，經統計分析珠江廣州河段的超標(劣于Ⅲ類)的項目主要有氨氮(NH3-N)、總磷(TP)兩項，其他項目基本能夠達到或優于Ⅲ類。

2)時間分布上，廣州主城區S1、S2、S3在評價期的前半段的NH3-N、TP污染非常嚴重，NH3-N項目長期為劣Ⅴ類，TP項目長期為Ⅳ～Ⅴ類；從2018年起NH3-N、TP的污染大大減輕，可以達到或優于Ⅲ類，與廣東全面推行河長制時間吻合。

3)空間分布上，廣州主城區S1、S2、S3的NH3-N、TP污染程度比主城區下游的S4明顯嚴重。分析原因可能為主城區污染來源較多且上游來水較少、下游有其他感潮清水上溯且區間污染物降解等。

4)上下游斷面相關性上，S1、S2、S3的NH3-N、TP變化趨向基本一致，相關關系顯著，這與河流感潮特征強、斷面距離較近、污染源相似等有關。

為此在水環境治理應統籌推進干支流、上下游、左右岸系統治理，構建全要素治理，全周期治理，全面加強污染源頭治理，持續攻堅斷面水質，積極打造美麗幸福河湖，努力實現河暢、水清、岸綠、景美、人和。同時，可利用潮水漲落自然凈化河涌污水，研究改建現有河涌的擋潮閘，充分運用自動化控制技術，根據潮水漲落特點，靈活調度，納潮沖污。