闽江下游水质变化趋势分析

张 鹏，逄 勇,2，石成春，罗 丹

(1．河海大学环境学院，江苏 南京 210098； 2．河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098； 3．福州市环境科学研究院，福建 福州 350011)

闽江是福建省最大的河流，干流全长541 km，流域面积60 992 km2，上游沙溪、富屯溪和建溪三大支流在南平附近汇合后称闽江干流，南平以上为闽江上游，南平至水口水库为闽江中游，水口水库以下为闽江下游。闽江在福州市境内流域面积约8 000 km2，长约117 km，主要支流有安仁溪、梅溪、大目溪、溪源溪、陶江、大樟溪、源里溪、井下溪、小目溪、下洞江等。闽江水口水库位于闽清县，于1993年4月蓄水运行[1-2]。闽江下游流经闽清、白沙、竹岐、侯官，至南台岛上游淮安处被分为南、北港两支流，南港、北港分流在洪汛期南港多，枯水期北港多，但由于南港近年严重挖沙，枯水期北港分流已经越来越少[3]。南、北港至马尾处重新汇合。随着闽江流域社会经济快速发展，闽江流域污染物排放量逐年增大[4]，受河口潮汐环境的影响，水口水库下泄流量较小时，河道内污染物来回回荡[5]，水体交换时间延长[6]，严重威胁闽江下游水源地水质安全。

为全面掌握闽江下游水环境状况，分析河道水质变化趋势，增强管理工作的科学性、预见性，本研究采用季节性肯达尔检验法，对水口水库运行以来1993—2011年闽江下游干流和主要支流的水质变化趋势进行分析，并应用偏相关分析法对邻近人口聚集地的竹岐、魁岐断面夏秋季DO降低的原因进行分析，以期为闽江下游水环境管理和环境综合决策提供科学的依据。

图1 闽江下游省控断面位置分布

1 研究资料和分析方法

1.1 研究资料

根据《水污染防治行动计划》设置的福州市国考、省考断面，选择闽江下游7个干流断面(格洋口(国控断面)、下西园(省控，跨县界断面)、竹岐(国控、跨县界断面)、魁岐(省控断面)、湾边(省控断面)、闽安(国控断面)、琯头(国控、跨县界断面))和2个支流断面(梅溪口(省控断面)、大樟溪(国控断面))的水质数据(图1)，其中竹岐、魁岐、梅溪口靠近人口聚集区，水质受人为影响较大。根据闽江下游水污染特征和省控监测常规指标，确定DO、CODMn、COD、BOD、NH3-N、TP、TN 7项指标为分析项目，选取水口水库运行以来1993—2011年各月的水质监测资料对闽江下游干流和支流的水质变化趋势和原因进行分析。

1.2 季节性肯达尔检验法

季节性肯达尔检验法是Mann-Kendall检验法的一种推广，其原理是将历年同月(同一时期)的水质数据进行比较，如果后面的监测值(时间上)大于前面的监测值，则记为“+1”，小于则记为“-1”，相等则记为“0”[7-10]。如果求和大于0，则判为上升趋势；如果求和小于0，则判为下降趋势；如果求和等于0，则判为无明显变化趋势。该方法适用于河湖等水质随季节性规律变化的多年变化趋势分析[9,11-12]。

季节性肯达尔检验法的零假设H0为随机变量，在时间上独立，假设1年12个月的水质数据具有相同的概率分布。设有n年p月的实测水质资料矩阵X为

(1)

式中：xnp为第n年p月水质指标监测值。

a． 对于p月中第i月(1≤i≤p，p≤12)的情况，根据季节性肯达尔检验法，第i月历年水质序列相比较的“+1”和“-1”之和Si为

(2)

其中

设第i月内水质序列中共有ni个非漏测值，则第i月内可作比较的差值数据组个数mi为

(3)

在零假设H0下，随机系列Si(i=1，2，…，p)近似地服从正态分布，则Si的均值和方差为

E(Si)=0

(4)

(5)

若ni个非漏测值中有y个数值相同，则

(6)

b． 对于p月(p≤12)总体情况，令

在零假设H0下，p月Si的均值和方差为

E(Si)=0

(7)

(8)

其中

式中：Si和Sk(i≠k)均为独立随机变量的函数，即Si=f(Xi)，Sk=f(Xk)，其中Xi，Xk分别为第i月、k月历年的水质序列，且Xi∩Xk=φ。

因为Xi和Xk分别来自i月和k月的水质实测资料，且全体时间序列X中的所有元素都是独立的，故协方差Cov(Si,Sk)=0。将其代入式(5)，得

(9)

当n年水质系列有y个数相同时，同样也有

(10)

若n≥10，S也服从正态分布，且标准方差Z为

(11)

c． 趋势检验。肯达尔检验统计量t=S/m，在双尾趋势检验中，如果|z|≤zα/2，则接受零假设H0。这里FN(zα/2)=α/2，FN为标准正态分布函数，则

(12)

趋势检验的显著水平α值为

(13)

取显著性水平α为0.1和0.01，即当α≤0.01时，说明肯达尔检验具有高度显著性水平；当0.01<α≤0.1时，说明肯达尔检验是显著性的。在α值满足上述两条件情况下，当t>0时，则具有显著性(或高度显著性)上升趋势；当t<0时，则具有显著性(或高度显著性)下降趋势；当t=0时，则为无趋势。

1.3 偏相关分析方法

a． 两个变量间的相关分析。正态分布的等间距测度的变量x与y相关系数采用Pearson积矩相关公式[12]计算：

(14)

b． 偏相关分析。控制变量z，变量x、y之间的偏相关系数计算公式[13]为

(15)

式中：rxy,z为控制了z的条件下，x、y之间的偏相关系数；rxz、ryz分别为变量x、z间的和变量y、z间的相关系数。

2 结果与分析

2.1 基于肯达尔检验法的水质变化趋势分析

表1 闽江下游水质变化趋势分析结果

注：↑表示显著上升趋势；↑↑表示高度显著上升趋势；↓表示显著下降趋势；↓↓表示高度显著下降趋势；☆表示无明显变化趋势。

经过计算，闽江下游水质变化趋势分析结果见表1。由表1可见，9个断面中有6个DO监测值呈现高度显著性下降趋势，占66.67%，其他3个断面未有明显变化趋势，可以得出闽江下游DO质量呈明显的恶化趋势。有5个断面的CODMn呈现显著性或高度显著性下降趋势，占总数的55.56%，呈现显著性或高度显著性上升的有2个断面，占22.22%，可以得出闽江下游CODMn质量呈好转趋势。有5个断面的COD呈现显著性或高度显著性下降趋势，占总数的55.56%，呈现显著性或高度显著性上升的有1个断面，占11.11%，另外3个断面COD监测数据未有明显变化趋势，因此闽江下游COD质量呈好转趋势。有2个断面的BOD呈现显著性或高度显著性下降趋势，占总数的22.22%，呈现显著性或高度显著性上升的有2个断面，占22.22%，另外5个断面BOD监测数据未有明显变化趋势，总的来说，闽江下游BOD质量保持较好，未有明显变化趋势。4个断面的NH3-N呈现显著性或高度显著性下降趋势，占总数的44.44%，呈现显著性或高度显著性上升的有3个断面，占33.33%，另外2个断面NH3-N监测数据未有明显变化趋势，可见闽江下游NH3-N质量保持较好，稍微有好转趋势。9个断面的TP均呈现显著性或高度显著性上升趋势，总的来说，闽江下游TP质量有明显恶化趋势。5个断面的TN均呈现显著性或高度显著性上升趋势，另外4个断面TN监测数据未有明显变化，总的来说，闽江下游TN质量有明显恶化趋势。

总体来说，近十几年来闽江下游水体水质总体较好[15]，各指标均满足GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水要求，但局部水质有恶化趋势，尤其以DO为最。6个DO监测值呈现高度显著性下降趋势的断面中，格样口断面靠近水口水库，DO较低是由于水口水库底部泄水，低DO的水体复氧不及时所致；其他5个断面主要是靠近人口聚集地，DO有明显的降低趋势，其中邻近福州市区的北港魁岐断面水质明显比其他干流断面的水质差，其主要受福州2条城市内河(白马河和光明港)的污染。琯头断面DO未有明显变化，由于靠近外海，受涨落潮影响，高DO的海水稀释，总体水质较好。支流的梅溪口断面受闽清镇的影响，水质相对较差，但近十几年除了TP上升外，其他水质指标有明显好转趋势，说明闽清治污措施卓有成效。

为更直观地分析闽江下游DO变化趋势，选取靠近闽侯县的竹岐断面和靠近福州市区的魁岐断面进行进一步研究，两个断面DO均有高度显著性下降趋势。为了排除温度、丰平枯下泄流量的影响，选择两个断面1993—2011年的夏秋季(6—11月)DO监测数据每4年一个均值进行分析，其变化趋势见图2。由图2可见，竹岐、魁岐断面夏秋季DO均值总体呈现下降趋势。1997—2000年DO比1993—1996年稍有降低，主要受竹岐断面流量增大的影响；2009—2011年与2005—2008年竹岐断面流量变化不大的情况下，魁岐断面相比竹岐断面DO明显下降，一方面是由于污染物的增加，另一方面最主要原因是北港分流比的减小，流入北港的流量相比之前明显减少，统计可知2009—2011年北港平均流量为387 m3/s(北港分流比为40%)，比2005—2008年的675 m3/s(北港分流比为23%)降低了43%，然而竹岐断面流量仅仅降低了6%。

图2 1993—2011年竹岐、魁岐断面夏秋季DO及竹岐断面流量变化趋势

2.2 基于偏相关分析法的竹岐、魁岐断面DO降低原因分析

2.2.1 竹岐、魁岐断面DO与径流量的偏相关性分析

低DO主要发生在高温季节，分析1993—2011年夏秋季(6—11月)竹岐、魁岐断面DO质量浓度均值与年均径流量的相关性，DO质量浓度与径流量的散点分布及趋势线见图3，可见两者有一定的线性关系。

(a) 竹岐断面

(b) 魁岐断面

地区污染物排放量与生产总值一般呈线性关系，在污染物排放量不确定的情况下，由于闽江流域环境污染指数还未达到库兹涅茨曲线的拐点，尚处于环境污染随经济的增长而加重的阶段[16]，因此可以利用地区GDP的变化反映污染物排放量的变化。以福州市区GDP为控制变量，分析竹岐、魁岐多年夏秋季DO质量浓度与竹岐断面年均径流量的偏相关关系(因极端流量下DO与流量相关性不好，除去1998、2010年两个极端洪水年份)。1993—2011年(1998、2010除外)，竹岐断面的夏秋季DO质量浓度与竹岐断面径流量有极显著性强相关，偏相关系数为0.749，魁岐断面的夏秋季DO质量浓度与径流量有极显著性极强相关，偏相关系数为0.866。可以看出，控制福州市GDP的情况下，随着闽江干流下游竹岐断面年均径流量的增大，竹岐、魁岐断面DO质量浓度呈现显著性增加趋势；反之，随着流量的降低，两个断面DO质量浓度也降低[17]。

2.2.2 竹岐、魁岐断面DO与福州市GDP的偏相关性分析

1993—2011年夏秋季(6—11月)竹岐、魁岐断面DO质量浓度均值与福州市GDP散点分布和趋势线见图4，两者呈现出很好的线性关系。

(a) 竹岐断面

(b) 魁岐断面

以径流量为控制变量，分析1993—2011年竹岐、魁岐断面的夏秋季节DO与福州市GDP的偏相关性，可知竹岐断面的夏秋季DO与福州市GDP有极显著性强相关，偏相关系数为-0.739，魁岐断面的夏秋季DO与福州市GDP有极显著性极强相关，偏相关系数为-0.875。可以看出，在控制径流量的情况下，随着福州市GDP的增加，竹岐、魁岐断面DO质量浓度呈现显著性降低趋势，进而说明随着污染物排放量的增加，水体DO会越来越低。

3 结 论

a. 近十几年来，闽江下游水质总体较好，上段的水口水库和下段的入海口河道水质变化不大，但邻近人口聚集地的河道水质状况呈下降趋势，尤其是竹岐、魁岐断面夏秋季DO降低最为明显，北港魁岐断面的DO不仅受上游城市内河排污的影响，而且受北港分流比的影响。

b. 控制福州市GDP的情况下，1993—2011年(1998、2010除外)竹岐、魁岐断面的夏秋季DO质量浓度与竹岐径流量均成极显著性正相关，偏相关系数分别为0.749和0.866；控制径流量的情况下，1993—2011年竹岐、魁岐断面的夏秋季DO与福州市GDP均成极显著性负相关，偏相关系数分别为-0.739 和-0.875。

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