河南省2009—2017 年水體污染物時(shí)空分布特征解析

張 彥 ，梁志杰 ，李 平 ，竇 明，黃仲冬 ，齊學(xué)斌 *

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全水環(huán)境因子風(fēng)險(xiǎn)評估實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)水資源高效安全利用重點(diǎn) 開放實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002；4.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001）

0 引 言

區(qū)域河流水質(zhì)狀況是水環(huán)境管理部門關(guān)心的核心問題，也是區(qū)域河流生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展重要的制約因素。受區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類活動(dòng)的影響，區(qū)域河流水質(zhì)具有時(shí)空差異性，分析河流水質(zhì)時(shí)空分布特征可為區(qū)域水環(huán)境管理提供動(dòng)態(tài)信息[1-2]。目前，用于分析水體污染物時(shí)空相似性和差異性的方法為多元統(tǒng)計(jì)分析方法，如描述性統(tǒng)計(jì)法、方差分析法、主成分分析法、因子分析法、Mann-Kendall 檢驗(yàn)法以及聚類分析法等[3-6]。這些方法對沁河流域[7]、黃河流域[8]、淮河流域[9-10]、渦河[11]等水質(zhì)的時(shí)空分布特征及污染源解析方面起到了重要的作用；黃金良等[12]運(yùn)用GIS 和多元統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法識別了九龍江流域水質(zhì)的時(shí)空特征及其影響因素；余明勇等[13]利用時(shí)間序列法和相關(guān)性分析法分析了長湖水體污染物季節(jié)性變化及水體污染的主要影響因子；顧勝等[14]通過t 檢驗(yàn)分析了漢江堵河流域水質(zhì)季節(jié)性的變化及水體污染物空間尺度的分類情況。另外，相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析方法在國外河流流域水質(zhì)時(shí)空分布特征分析方面也有運(yùn)用，如韓國Nakdong 河[15]，尼泊爾Bagmati河[16]等。綜上所述，目前針對流域水質(zhì)時(shí)空分布分析的成果較多，但對河南省境內(nèi)河流而言，僅對個(gè)別河流流域分析，缺少較為全面的分析。因此，本文以河南省2009—2017 年地表水責(zé)任目標(biāo)斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過多元統(tǒng)計(jì)方法分析河南省境內(nèi)河流水體污染物時(shí)空分布特征及其變化趨勢，同時(shí)利用聚類分析分析水體污染物在時(shí)間和空間的相似性和差異性，研究成果對區(qū)域內(nèi)水環(huán)境治理和防污調(diào)度具有一定的指導(dǎo)意義，也為相關(guān)管理部門提供了一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

河南省位于我國的中東部，其自北向南橫跨海河流域、黃河流域、淮河流域和長江流域四大水系，境內(nèi)有1 500 多條河流縱橫交織。黃河橫貫中部，境內(nèi)干流711 km，流域面積為3.62 萬km2，約占全省面積的20%；河南中南部的淮河，支流眾多，水量豐沛，干流長340 km，流域面積為8.83 萬km2，約占全省面積的50%；北部衛(wèi)河和漳河流入海河，東部渦河、沙河、潁河流入淮河，西南部丹江、湍河和唐白河流入漢江。2017 年河南省轄海河流域、黃河流域、淮河流域和長江流域年降雨量分別為503.5、611.4、945.2 和92.7 mm[17]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)主要來源于河南省環(huán)境監(jiān)測中心編制的《河南省地表水環(huán)境責(zé)任目標(biāo)斷面水質(zhì)周報(bào)》，選取了36 個(gè)監(jiān)測斷面，COD 和NH3-N 2 個(gè)水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)，水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為2009—2017 年的原始水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測頻率為每周1 次，通過數(shù)據(jù)整理將水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)整理為月平均值，共計(jì)108 個(gè)水質(zhì)監(jiān)測系列，水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）。監(jiān)測斷面名稱及監(jiān)測斷面位置具體如圖1 所示。

1.3 研究方法

Mann-Kendall 檢驗(yàn)法（M-K 檢驗(yàn)）是一種基于秩的非參數(shù)檢驗(yàn)的方法，其優(yōu)越性在于能夠檢驗(yàn)線性或非線性的趨勢[18]，擴(kuò)展的精確性在水質(zhì)趨勢分析中得到了廣泛應(yīng)用[19]。標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值ZMK為時(shí)間序列數(shù)據(jù)變化趨勢，若ZMK>0，表示時(shí)間序列數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)增加趨勢；反之表示時(shí)間序列數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的推移呈減小趨勢。當(dāng)│ZMK│>Z（1-α/2）時(shí)，則拒絕0 假設(shè)，認(rèn)為時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在顯著趨勢性；Z（1-α/2）值可由標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表中查得，當(dāng)取顯著性水平α=5%時(shí)，其對應(yīng)的Z（1-α/2）值為1.96[20]。

系統(tǒng)聚類分析是根據(jù)研究對象的特性，對它們進(jìn)行定量分析的一種多元統(tǒng)計(jì)方法。系統(tǒng)聚類分析的基本思想是在樣品之間定義距離，在變量之間定義相似系數(shù)，距離或相似系數(shù)代表樣品或變量之間的相似程度，按照相似程度的大小，將樣品或變量都聚集完畢，形成一個(gè)表示親屬關(guān)系的譜系圖。流域水質(zhì)評價(jià)中常按照監(jiān)測時(shí)間和監(jiān)測斷面的地理位置進(jìn)行聚類，分析流域水質(zhì)的時(shí)空變化特征[1-2,21]。

本文數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析工具采用Excel 2007、SPSS 21和Matlab 2014。

2 結(jié)果與分析

2.1 水體污染物的分布特征分析

根據(jù)2009—2017 年各監(jiān)測站點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，計(jì)算出各監(jiān)測站點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)近9 年的平均值，水體污染物具體分布情況如圖2 所示。據(jù)統(tǒng)計(jì)，舞陽栗園橋的COD 平均質(zhì)量濃度最大為47.51 mg/L，超過了III 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的2.5 倍；葉舞公路橋的COD 平均質(zhì)量濃度最小為5.86 mg/L，達(dá)到了I 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。COD平均質(zhì)量濃度達(dá)到I 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)有4 個(gè)，占比11.11%；III 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)有8 個(gè)，占比22.22%；IV 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)有7 個(gè)，占比19.44%；V 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)有10 個(gè)，占比27.78%；劣V 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)有7 個(gè)，占比19.44%。睢縣板橋的NH3-N 平均質(zhì)量濃度最大為6.44 mg/L，超過了III 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的6.44 倍；葉舞公路橋的NH3-N 平均質(zhì)量濃度最小為0.23 mg/L，達(dá)到了II水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。NH3-N 平均質(zhì)量濃度達(dá)到II 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)有7 個(gè)，占比19.44%；III 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)有5 個(gè)，占比13.89%；IV 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)有6 個(gè)，占比16.67%；V 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)有1 個(gè)，占比2.78%；劣V 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)有17 個(gè)，占比47.22%。總體來說，白沙水庫、葉舞公路橋、西華址坊、西華程灣、新野梅灣、新野新甸鋪、永城張橋、淮濱水文站和鹿邑付橋9 個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)的水體污染物的平均質(zhì)量濃度較低，達(dá)到了水質(zhì)III類及以上標(biāo)準(zhǔn)，但仍有超過一半以上監(jiān)測站點(diǎn)的水體污染物質(zhì)量濃度超過了III 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此在今后的還要進(jìn)一步加強(qiáng)水環(huán)境的治理工作。

2.2 水體污染物多年變化趨勢分析

根據(jù)Mann-Kendall 檢驗(yàn)法對COD 和氨氮監(jiān)測數(shù)據(jù)的時(shí)間序列進(jìn)行分析，其變化趨勢分布情況如圖3所示。分析可知，郾城漯鄧橋、中牟陳橋、睢縣板橋、扶溝擺渡口、通許邸閣等25 個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)COD 質(zhì)量濃度呈顯著性減小趨勢，鹿邑東孫營、白沙水庫、新鄭黃甫寨、伊洛匯合處、舞陽馬灣、葉舞公路橋、西華址坊和柘城磚橋8 個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)COD 質(zhì)量濃度的變化趨勢不顯著，澠池吳莊、新野梅灣和淮濱水文站3 個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)COD 質(zhì)量濃度呈顯著增加趨勢；郾城漯鄧橋、鹿邑東孫營、淮濱水文站、中牟陳橋、白沙水庫等26 個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)NH3-N 質(zhì)量濃度呈顯著減小趨勢，澠池吳莊、通許邸閣、鹿邑付橋、臺前賈垓橋、獲嘉東碑村、衛(wèi)輝皇甫和新鄭黃甫寨7 個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)NH3-N質(zhì)量濃度的變化趨勢不顯著，葉舞公路橋、新野梅灣和永城張橋3 個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)NH3-N 質(zhì)量濃度呈顯著性增加趨勢?？傮w來說，河南省水體污染物整體趨勢呈現(xiàn)減小趨勢，說明水環(huán)境狀況逐漸變好，近幾年對河流污染的治理成果較為顯著。

圖3 各監(jiān)測站點(diǎn)水體污染物質(zhì)量濃度變化趨勢 Fig.3 The variation trends of water pollutant mass concentrations for each monitoring station

為了分析水體污染物質(zhì)量濃度的突變性，運(yùn)用M-K 檢驗(yàn)對郾城漯鄧橋、澠池吳莊、鹿邑東孫營和白沙水庫2009—2017年COD 質(zhì)量濃度逐月序列的突變性進(jìn)行分析，具體結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

根據(jù)圖4 可知，郾城漯鄧橋的COD 質(zhì)量濃度逐月序列在2013 年4 月之后發(fā)生明顯突變；澠池吳莊的COD 質(zhì)量濃度逐月序列在2010 年3 月之后發(fā)生明顯突變；鹿邑東孫營的COD 質(zhì)量濃度逐月序列的UF和UB 統(tǒng)計(jì)量趨勢基本一致，略有交叉，說明鹿邑東孫營的COD 質(zhì)量濃度沒有顯著突變；白沙水庫的COD 質(zhì)量濃度逐月序列沒有顯著突變。根據(jù)圖5 可知，郾城漯鄧橋的NH3-N 質(zhì)量濃度逐月序列在2014年4 月之后發(fā)生明顯突變，澠池吳莊的NH3-N 質(zhì)量濃度逐月序列沒有顯著突變，鹿邑東孫營的NH3-N質(zhì)量濃度逐月序列在2012 年6 月之后發(fā)生明顯突變，白沙水庫的NH3-N 質(zhì)量濃度逐月序列在2013 年3 月前后發(fā)生明顯突變。

圖4 2009—2017 年COD 質(zhì)量濃度M-K 檢驗(yàn) Fig.4 The M-K test of COD mass concentrations from 2009 to 2017

圖5 2009—2017 年NH3-N 質(zhì)量濃度逐月序列M-K 檢驗(yàn)Fig.5 The M-K test of NH3-N mass concentrations from 2009 to 2017

2.3 水體污染物聚類分析

2.3.1 時(shí)間聚類分析

根據(jù)各監(jiān)測站點(diǎn)水體污染物月平均數(shù)據(jù)進(jìn)行年內(nèi)月份聚類分析，采用歐式距離平方計(jì)算樣本間距離，運(yùn)用ward 算法通過SPSS 21 軟件生成時(shí)間聚類樹（圖6）。根據(jù)圖6 結(jié)果可知，水體污染物COD 的監(jiān)測時(shí)段可以劃分為4 個(gè)時(shí)段，時(shí)段1 為8—11 月、時(shí)段2為12 月、時(shí)段3 為5—7 月、時(shí)段4 為1—4 月；水體污染物NH3-N 的監(jiān)測時(shí)段可以劃分為3 個(gè)時(shí)段，時(shí)段1 為5—11 月、時(shí)段2 為4 月和12 月、時(shí)段3為1—3 月?？傮w來說，水體污染物COD 和NH3-N在時(shí)間上的分布大體上一致。

圖6 水體污染物時(shí)間尺度聚類分析結(jié)果 Fig.6 Results of timescale cluster analysis for water pollutant concentrations

為了分析各個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)水體污染物月平均質(zhì)量濃度實(shí)際情況，水體污染物月平均質(zhì)量濃度各水質(zhì)類別斷面占比情況如圖7 所示，COD 質(zhì)量濃度達(dá)到IV 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)占比最大為9 月，占比為38.89%；達(dá)到V 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)占比最大為5—7 月和11 月，占比為33.33%；達(dá)到劣V 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)占比最大為1 月、3 月和4 月，占比為25.00%；超過III 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)占比最大為2 月和5月，達(dá)到了77.78%；III 類及以下水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)占比最大為11 月和12 月，達(dá)到了36.11%。NH3-N質(zhì)量濃度達(dá)到IV 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)占比最大為6月和10 月，占比為13.89%；達(dá)到V 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)占比最大為2 月，占比為16.67%；達(dá)到劣V 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)占比最大為3 月，占比為66.67%；超過III 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)占比最大為3 月，達(dá)到了85.56%；III 類及以下水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)占比較大為7—9 月，分別達(dá)到了50.00%、55.56%和52.78%。綜上所述，在2 月、3 月和5 月水體污染物污染程度較大的監(jiān)測站點(diǎn)相對較多，在7—9 月、11 月和12 月水體污染物污染程度較小的監(jiān)測站點(diǎn)相對較多。

圖7 水體污染物月平均質(zhì)量濃度各水質(zhì)類別斷面占比 Fig.7 Proportion of monitoring stations in the monthly average mass concentration of water pollutants

2.3.2 空間聚類分析

根據(jù)各監(jiān)測站點(diǎn)水體污染物月平均數(shù)據(jù)進(jìn)行空間聚類分析，采用歐式距離平方計(jì)算樣本間距離，運(yùn)用ward算法通過SPSS 21軟件生成空間聚類樹（圖8）。根據(jù)圖8 結(jié)果可知，水體污染物COD 在空間上可分為3 組，第1 組為西華址坊、沈丘紙店、鹿邑付橋、白沙水庫、鹿邑東孫營等18 個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)，第2 組為中牟陳橋、新鄭黃甫寨、衛(wèi)輝下馬營、扶溝擺渡口、大名龍王廟等17 個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)，第3 組為睢縣板橋1個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)；水體污染物NH3-N 在空間上可分為3組，第1 組為西華址坊、沈丘紙店、鹿邑付橋、白沙水庫、鄢陵陶城閘等20 個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)，第2 組為中牟陳橋、新鄭黃甫寨、衛(wèi)輝下馬營、扶溝擺渡口、大名龍王廟等15 個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)，第3 組為睢縣板橋1 個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)。水體污染物COD 和NH3-N 的空間聚類情況基本一致，說明水體污染物在空間分布具有一致性。

圖8 水體污染物空間尺度聚類分析結(jié)果 Fig.8 Results of spatialscale cluster analysis for water pollutant concentrations

3 討 論

河南省是人口和農(nóng)業(yè)大省，其境內(nèi)水體污染物來源主要為工業(yè)廢水、生活污水和農(nóng)業(yè)面源污染等。目前河南省水體污染仍較為嚴(yán)重，但整體上呈減小趨勢，說明在國家制定重點(diǎn)流域水污染防治戰(zhàn)略規(guī)劃以來，河南省內(nèi)各流域水質(zhì)得到了顯著的改善。另外，根據(jù)《河南省環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)》，2009 年河南省COD 和NH3-N 排放量分別為62.62 萬t 和7.52 萬t，2017 年COD 和NH3-N 排放量分別為43.07 萬t 和6.21 萬t，從水體污染物來源方面說明了河南省水體污染物排放量近年來呈減小趨勢。

對于賈魯河的中牟陳橋，惠濟(jì)河的睢縣板橋以及衛(wèi)河水系的衛(wèi)輝下馬營、湯陰五陵和南樂元村集監(jiān)測站點(diǎn)，水體污染物COD和NH3-N污染嚴(yán)重，這與相關(guān)的研究成果一致[22-23]；大名龍王廟的水體污染物呈現(xiàn)減小趨勢，徐華山等[1]研究也表明大名龍王廟水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)；隨著對沙潁河的大力治理，目前取得了一些成效，沙潁河河南段水質(zhì)呈逐年變好的趨勢[24]，舞陽馬灣、西華址坊、西華程灣和沈丘紙店的NH3-N質(zhì)量濃度明顯好轉(zhuǎn)。從時(shí)間角度來說對于水體污染物全年整體上水質(zhì)呈現(xiàn)先變好后變壞的波動(dòng)趨勢，如NH3-N水質(zhì)在7月—9月III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及以下的斷面占比相對較大，由于在7月—9月降雨多，河流徑流量較大，使河流水質(zhì)處于較好的狀態(tài)。

河南省水體污染物在時(shí)間和空間分布上基本上一致，但個(gè)別水質(zhì)監(jiān)測站點(diǎn)之間的水質(zhì)狀況具有較大的差異性，說明在不同流域不同河流水體污染物治理程度不同，因此為加快河南省水體污染物的治理工作，使河南省境內(nèi)河流達(dá)到預(yù)定的水質(zhì)目標(biāo)和水環(huán)境得到有效的保護(hù)。

4 結(jié) 論

1）河南省水體污染物平均質(zhì)量濃度整體較大，水體污染物COD 和NH3-N 平均質(zhì)量濃度超過III 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)分別達(dá)到了66.67%和61.67%，水體污染物濃度達(dá)到III類水質(zhì)及以下標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站點(diǎn)僅有9 個(gè)。

2）河南省水體污染物整體上趨勢呈現(xiàn)顯著減小趨勢，僅有個(gè)別監(jiān)測站點(diǎn)存在顯著增加趨勢；COD濃度在郾城漯鄧橋和澠池吳莊發(fā)生明顯突變，鹿邑東孫營和白沙水庫沒有顯著突變；NH3-N 質(zhì)量濃度在郾城漯鄧橋、鹿邑東孫營和白沙水庫發(fā)生明顯突變，澠池吳莊沒有顯著突變。

3）水體污染物COD 和NH3-N 在時(shí)間和空間上的分布基本上具有一致性，在2 月、3 月和5 月水體污染物污染程度較大的監(jiān)測站點(diǎn)相對較多，在7 月—9 月、11 月和12 月水體污染物污染程度較小的監(jiān)測站點(diǎn)相對較多。