2009—2018年江苏省太湖西岸主要入湖河道水质变化趋势

陆 隽， 孔繁璠， 张 鸽， 李 骏

(1.江苏省水文水资源勘测局， 江苏 南京 210029； 2.江苏省水文水资源勘测局常州分局， 江苏 常州 213022)

太湖流域地跨江、浙、沪、皖，拥有大小城市38座，太湖地处太湖流域中心，是流域水资源的调蓄水库，不仅是无锡、苏州和湖州等沿湖大中型城市主要饮用水水源地，而且也是上海、嘉兴等下游城市的重要水源。20世纪80年代以来，随着太湖流域人口的增加、经济的高速发展，太湖水质污染问题日益突出，太湖全湖平均水质由原来的Ⅱ类为主下降至目前的Ⅳ～Ⅴ类。2011年，国务院颁布了《太湖流域管理条例》，对太湖流域的水环境保护和治理起到了重要作用。入太湖河流是影响太湖水环境的重要因素，其进入太湖的水量大小、水质好坏直接影响到太湖的水量、水质变化，根治太湖污染，关键是控制污染源头，江苏省政府确定了“治湖先治水，治水先治河”的工作思路，近10年来，各级政府部门大力整治入湖河道，因此，分析研究主要入湖河道水质变化趋势对太湖整治成效评判和长效管理具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究对象

由于太湖西部沿岸河流地势较高，出入湖水量均以入湖为主，因此，西部沿岸河流的水质直接影响太湖湖体水质状况，西部沿岸的河流中，武进港、直湖港、雅浦港近年来均常年关闸，其余河道中，入湖水量较大的为陈东港、殷村港、太滆运河、大浦港，结合《太湖流域管理条例》中提出的主要入太湖控制河道，本文选取陈东港、殷村港、太滆运河、大浦港、漕桥河5条河道为研究对象。

1.2 水质参数

近10年来陈东港、殷村港、太滆运河、大浦港、漕桥河水质主要为Ⅳ～Ⅴ类，各河道的氨氮(NH3-N)、总磷(TP)超标情况严重(以Ⅲ类为标准)，高锰酸盐指数(CODMn)也时有超标现象。同时，目前太湖水质以Ⅳ类为主，部分湖区为Ⅴ类，甚至劣Ⅴ类；太湖水体富营养化水平以中度富营养为主，TP、TN仍然是太湖湖体水质改善的限制性因子。因此，选取2009—2018年上述5条入湖河道CODMn、NH3-N、TP及TN的水质监测成果进行水质变化趋势分析。水质指标的评价依据《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)。

1.3 季节性检验法

入湖河道的水质变化趋势分析方法选用水利部《地表水资源评价技术规程》(SL395—2007)所规定的季节性Kendall检验方法中的浓度变化趋势分析。

季节性Kendall检验的原理是将历年相同月或季的水质资料进行比较，如果后面的值(在时间上)高于前面的值记为“+”号，否则记作“-”号。如正号的个数比负号的多，则可能为上升趋势；反之，则可能为下降趋势。如果水质资料不存在上升或下降趋势，则正、负号的个数分别为50%[5-7]。季节性Kendall检验将水质资料在历年相同月份间进行比较，避免了季节性的影响。同时，数据比较只考虑相对排列而不考虑其大小，能避免水质资料中常见的漏测值问题。

对于季节性Kendall检验来说，零假设H0为随机变量与时间独立，且全年12个月的水质资料具有相同的概率分布。设有n年P月的水质观测资料序列X为：

(1)

式中：X11，…，XnP为水质观测浓度月平均值。对于P 月中第i (i< P) 月的情况，令第i月历年水质序列值相比较(后面的数与前面的数之差)的正负号之和Si为

(2)

由此，第i月内可作比较的差值数据组个数mi为

(3)

式中：ni为第i月内水质序列中非漏测值个数。在零假设下，随机序列Si(i = 1 ,2 , …,P) 近似地服从正态分布，则Si的均值和方差分别如下:

均值：E(Si)=0

(4)

(5)

当ni个非漏测值中有t 个数相同，则方差σ2的计算式变为

(6)

对于P月的总体情况，

(7)

方差：

(8)

式中：Si和Sh(i ≠h) 都是独立随机变量的函数，即Si= f (Xi) ，Sh= f (Xh) ，其中Xi为i月历年的水质序列，Xh为h月历年的水质序列，并且Xi∩Xh= Φ；因为Xi和Xh为分别来自i月和h月的水质资料，并且总体观测资料序列X的所有元素是独立的，故协方差Cov(Si,Sh) = 0。将其代入式(8)中，则：

(9)

当n年水质序列中有t个数相同时，同样有：

(10)

Kendall发现，当n>10时，S也服从正态分布，并且标准方差Z为

(11)

Kendall检验统计量τ定义为：τ=S/ m。由此，在双尾趋势检验中，对于给定的趋势检验显著性水平α，如果|Z| ≤Zα/2，则接受零假设。这里Φ(Zα/2)=α/2，Φ为标准正态分布函数。

通常取显著性水平α为0.1和0.01，当α≤0.01时，说明检验具有高度显著性水平；当0.01<α≤0.1时，说明检验是显著的。在α计算结果满足上述二条件情况下，如果τ为正，则表明水质序列具有显著或高度显著上升趋势；若τ为负时，说明水质序列趋势是下降的；当τ为零时，表明无趋势。

趋势分析结果分为上升、下降和无趋势3类及高度显著上升、显著上升、无趋势、显著下降和高度显著下降5级。

根据显著性水平α来确定水质变化趋势的显著性：α≤0.01，水质变化趋势高度显著；0.01<α≤0.1，水质变化趋势显著；α>0.1，水质变化无趋势。

2 评价结果与分析

经统计计算，陈东港、殷村港、太滆运河、大浦港、漕桥河5条入湖河道的CODMn、NH3-N、TP及TN的质量浓度变化趋势结果见表1。由于资料年限的系列长度完全符合季节性Kendall检验方法的要求，所选择的检验参数反映了入湖河道水质污染特点，并代表了入湖河道的主要污染物，因此认为分析检验结果是可信的。

2.1 CODMn

2009—2018年湖西主要入湖河流CODMn质量浓度年际变化表明，各河流之间CODMn质量浓度差距较小，且均呈下降趋势。2009—2011年间，陈东港、殷村港、太滆运河、大浦港、漕桥河的CODMn质量浓度基本处于Ⅳ类，2012—2014年，各河道CODMn月均质量浓度在Ⅲ类左右波动，2015—2018年，各河道CODMn质量浓度持续下降，达到Ⅲ类以上，其中，大浦港、陈东港及殷村港个别月份可达到Ⅱ类标准(4mg/L)(图1)。

图1 CODMn质量浓度变化趋势

根据季节性Kendall检验结果，陈东港、殷村港、太滆运河、大浦港、漕桥河CODMn质量浓度的变化趋势均为负，显著性水平α值均为0%，该指标呈高度显著下降趋势。

2.2 NH3-N

2009—2018年湖西主要入湖河流NH3-N质量浓度年际变化表明，漕桥河、太滆运河、殷村港的NH3-N质量浓度较陈东港及大浦港偏高。各河流NH3-N质量浓度变化呈下降趋势，漕桥河、太滆运河、殷村港NH3-N质量浓度年均值在2009年时处于劣Ⅴ类，至2018年下降至Ⅲ类标准以下；陈东港、大浦港NH3-N质量浓度年均值2009年时处于Ⅴ类，至2018年下降至Ⅲ类标准以下，接近Ⅱ类标准(0.5mg/L)，夏、秋季月份质量浓度可低于Ⅱ类标准(图2)。

图2 NH3-N质量浓度变化趋势

根据季节性Kendall检验结果，陈东港、殷村港、太滆运河、大浦港、漕桥河NH3-N质量浓度的变化趋势均为负，显著性水平α值均为0%，该指标呈高度显著下降趋势。

2.3 TP

2009—2018年湖西主要入湖河流TP质量浓度年际变化表明，除2015年陈东港、大浦港TP年均质量浓度低于Ⅲ类标准以外，其余河流各年份TP年均质量浓度均未达到Ⅲ类标准。2009—2010年漕桥河、太滆运河TP年均质量浓度为Ⅴ类，后逐步下降至Ⅳ类标准以下，虽在2013—2014年略有上升，但2016年之后持续下降。陈东港、大浦港及殷村港的TP年均质量浓度在2011年达到峰值，后逐年下降，但从2015年开始略呈回升趋势，2018年年均质量浓度较2009年仍然偏高(图3)。

表1 水质浓度变化趋势

图3 TP质量浓度变化趋势

根据季节性Kendall检验结果，太滆运河、漕桥河、陈东港的TP质量浓度变化趋势为负，显著性水平α值为0%，呈高度显著下降趋势，其中陈东港的变化趋势绝对值相对较小，说明下降趋势不及太滆运河及漕桥河；殷村港及大浦港的TP质量浓度变化显著性水平α值分别为21.4%、69.1%，无明显升降趋势。

2.4 TN

2009—2018年湖西主要入湖河流TN质量浓度年际变化表明，各入湖河流的TN质量浓度均远高于目前太湖平均水平(1.5mg/L)，其中漕桥河、太滆运河TN质量浓度高于其余3条河流。陈东港、大浦港TN质量浓度总体呈逐年下降趋势，2018年年均质量浓度较2009年分别下降了1.62mg/L、1.57mg/L；太滆运河、殷村港的TN质量浓度呈波动下降趋势，在2010—2011年及2014年分别出现2次小峰值，2014—2018年逐步下降，但下降趋势趋缓；漕桥河的TN质量浓度则一直在5.0～6.0mg/L间波动(图4)。

图4 TN质量浓度变化趋势

根据季节性Kendall检验结果，陈东港、殷村港、大浦港的TN质量浓度变化趋势为负，且显著性水平α值为0%，呈高度显著下降趋势；太滆运河的TN质量浓度变化趋势为负，但显著性水平α值为5.9%，呈下降趋势；漕桥河TN质量浓度无明显升降趋势。

3 结 语

近年来，无锡、常州市政府相继编制了主要入湖河流水环境综合整治实施方案，推进生态湿地建设，并建立了目标管理、责任落实、督查考核等一系列工作机制，加快产业转型升级、淘汰落后产能，COD、NH3-N等主要污染物排放量大幅削减。通过2009—2018年5条太湖湖西主要入湖河流污染物浓度年际变化分析及季节性Kendall检验表明，该5条河流的水质均大幅好转，污染物浓度呈逐步降低趋势，说明近年来各级政府部门水环境整治效果十分显著。

但同时不能忽视的是殷村港、陈东港及大浦港近3年TP质量浓度有回升迹象，各河流的TN质量浓度仍然居高，且进入下降瓶颈期，进一步治理难度大，应更深入研判污染物来源，查找症结所在，制定更为精准的综合治理方案，保障太湖西岸入湖河道的水环境持续改善，逐步削减太湖氮、磷输入，以减小对太湖富营养化的影响。