嘉兴市区河道水质变化趋势及影响因素分析

娄孝飞，王 颖，张海军，张海平,*

(1. 同济大学环境科学与工程学院，上海 200092；2. 丹华水利环境技术〈上海〉有限公司，上海 200235；3. 嘉兴市水利水电勘察设计研究院，浙江嘉兴 314001)

城市河流作为城市经济发展的命脉，与人类的发展密切相关，不仅具有供应水源、美化环境等基本功能，还具有保护自然生态及防洪排涝等重要作用[1-2]。近些年来不断加速的城市化导致了城市水环境的严重恶化，降雨径流冲刷大量的污染物，使其进入受纳水体而造成污染[3-4]，我国的水质恶化问题日益严重，并逐渐成为制约地区发展的主要因素之一[5]。随着人们对水环境质量要求的提升及对水环境现状的关注，许多学者对河湖、水库等水质变化情况及其影响因素进行了研究。王紫琦[6]应用试验和模型两种手段研究了北京城市河岸带结构对河流水质的影响，发现河流溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N)、硝氮和总磷(TP)浓度均有明显的季节变化，且改变护岸类型、水生植物的多度及河岸的弯曲程度等河岸带的结构指标可使河流水质发生变化。段仲昭等[7]、车蕊等[8]采用统计分析或建模等方法分析了极端降水对流域水质的影响，确定其污染物特征及时空变化趋势。王巍巍[5]利用模糊综合评价、聚类分析以及Mann-Kendall测试等技术研究了大气降水对锦州市河流水质的影响规律，得到锦州市水质模糊综合评价指数与无量纲化降水量的回归方程。张德林等[9]分析了淀山湖湖体CODMn、NH3-N和TN等水质资料变化规律及温度、降水等对水质的影响，认为气温、光照等气象因子通过影响水体中污染物来源、迁移转化方式等过程而直接或间接地影响水质。杨洁等[10]分析了苏州市河流水质与景观格局之间的关系及其变化规律，发现苏州市河流水质状况总体较差，但呈现好转趋势，河流水质受到城镇用地、旱地及水田的综合影响并表现出尺度效应。宗栋良等[11]通过对西丽水库降雨前、中、后水质以及雨水和地表径流的监测分析，发现雨水和地表径流中均含有严重超标污染物，降雨时, 水库各项污染指标全面上升，雨后0.5 h水库水体出现一定程度的自净作用。李婉等[12]探讨了河岸带生态修复措施对北京转河水质的影响，发现转河NH3-N、硝氮、TP、DO的浓度均有非常明显的季节变化，河流周边的土地利用方式，水生植物的有无、类型、多度和生物量，护岸材料，河岸的曲直均对转河水质有重要影响。刘梅等[13]研究认为，气温上升促进了底泥中内源氮、磷的释放，降水减少降低了水体的稀释能力，同时，减少陆地污染物进入水体。众多研究表明，水体水质不仅受到土地利用、污染物排放等人为因素干扰，降水、光照、河岸环境等自然条件也会对其产生重要影响，故对河湖、水库等水体水质变化的研究不仅要关注人为因素的影响，更要考虑自然条件的作用，尤其是对于城市内水体的研究。

图1 嘉兴地理位置和控制断面分布Fig.1 Situation and Distribution of Rivers Control Sections in Jiaxing

嘉兴市区地处杭嘉湖河网水系最发达地区，河流水质易受各种因素影响，因此，有必要对其水质变化趋势及影响因素进行研究。本文根据嘉兴市区河道的水质与降水历史资料，研究水质指标变化趋势及其影响因素，分析水质变化趋势及降水对嘉兴市区河流水质的影响规律，研究成果可为市区水环境治理提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

嘉兴市(30°21′～31°2′N，120°18′～121°16′E)(图1)东临大海，南倚钱塘江，北靠太湖，西接天目之水，市域地势低平，平均地面高程在2.16 m左右，水网密布，河道分布密度为每平方公里3.5 km。嘉兴市属东亚季风区，四季分明，雨量充沛。多年平均年降雨量为1 193.5 mm，80%的年份降水量多于1 000 mm。由于每年冬夏季风强弱、进退的时间等不同，各年降水状况有差异，年际雨量变化较大。自2000年开始，嘉兴市建设城市防洪工程，构建了嘉兴市城市防洪大包围圈；2011年起，利用城市防洪设施实施定期河道换水，通过排涝机组调节内河水位使得嘉兴市区河水形成一个固定流向，从而引入活水、排出滞留水与污水并加快河水流速，以此达到引流入内带走污水死水、改善水质的目的。

1.2 方法

收集2015年1月—2019年12月嘉兴市区9个省市控断面(编号及断面名称为：9塘汇、19北运桥、8石臼漾水厂、26长征桥、7龙凤大桥、18南湖、31南门水厂、28倪家汇、27人中浜)及境外上游4个断面(96新生新运桥、21新塍出口、1王江泾、30蚂蟥塘桥)的地表水水质监测资料及同期日降水量观测资料，水质监测频次为每月一次。采用单因子评价法(即取某一评价因子的多次监测的极值或平均值，与该因子的标准值相比较。)对嘉兴市大包围圈内9个省市控断面的水质进行评价，标准采用《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，监测项目包括水温、pH、电导率、DO、CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TN、TP、挥发酚、氰化物、汞、铅、镉、砷、铜、锌、六价铬、石油类、氟化物、粪大肠菌群、阴离子表面活性剂和硫化物共24项。其中，BOD5反映水体中有机物的污染状况；COD反映水中受还原性物质污染的程度，是有机物相对含量的综合指标之一；NH3-N是水体中的营养素，也是水体中的主要耗氧污染物；TN、TP是水体富含有机质的指标，可反映水体富营养化状态。此6项指标可代表河流水质的基本情况，故主要对这6项指标进行分析。

应用Mann-Kendall检验法(M-K检验法)对河道水质CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TN和TP浓度的变化趋势进行分析，以检验变化趋势的强弱及显著性。M-K检验法是被世界气象组织推荐的一种非参数检验方法，适用于长时间序列的气象及水文数据的变化趋势的显著性及突变特征的检验。非参数检验方法不要求数据总体服从特定的分布，且允许数据缺失，是理想的气象及水文数据检验方法[7,14-15]。

在M-K检验中，原假设H0为时间序列数据(X1，X2，…，Xn)，是n个独立的、随机变量同分布的样本，备择假设H1是双边检验，对于所有的i，j≤n，且i≠j，Xi和Xj的分布是不相同的，检验统计变量S如式(1)。

(1)

其中：当Xi-Xj大于、等于或小于零时，sign(Xi-Xj)分别为1、0、-1。S服从均值为0的正态分布，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。当n>10时，标准正态统计变量如式(2)。

(2)

在趋势检验中，对于给定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2，则原假设是不可接受的，即在置信水平α上，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。Z为正值表示增加趋势，负值表示减少趋势，|Z|在大于等于1.64、2.32时表示通过了信度95%、99%显著性检验。

2 结果和讨论

2.1 市区河流水质特征

2015年1月—2019年12月，嘉兴市大包围圈内9个省市控制断面的CODMn、CODCr浓度变化幅度较大，分别在2.50～8.93 mg/L(Ⅱ～Ⅳ类水)与5.00～35.60 mg/L(Ⅰ～Ⅴ类水)，平均值为4.91 mg/L与16.91 mg/L，均达到Ⅲ类水标准。对于CODMn，9个监控断面中石臼漾水厂的水质最好，但波动较大；北运桥的水质最差，污染相对较严重。对于CODCr，9个监控断面中石臼漾水厂的水质最好，龙凤大桥的水质最差。此外，CODMn、CODCr浓度均存在季节变化，3月—8月浓度较高，而9月—翌年2月浓度较低。

BOD5浓度变化幅度很大，在0.50～10.60 mg/L(Ⅰ～劣Ⅴ类水)，平均值为3.93 mg/L，达到Ⅲ类水标准。9个监控断面中石臼漾水厂的水质最好，且水质稳定，人中浜的水质最差。BOD5浓度存在季节变化，3月—8月浓度较高，而9月—翌年2月浓度较低，与COD变化趋势相同。

NH3-N浓度变化幅度很大，在0.02～3.81 mg/L(Ⅰ～劣Ⅴ类水)，平均值为0.85 mg/L，达到Ⅲ类水。9个监控断面中石臼漾水厂的水质最好，大多数时间达到Ⅱ类水标准，塘汇、人中浜的水质较差，且人中浜的水质波动很大。NH3-N浓度>2 mg/L的劣Ⅴ类水，主要集中在2016年8月以前；而≤0.15 mg/L的Ⅰ类水主要集中在2019年7月以后的时段。NH3-N浓度的季节变化比较明显，1月—4月浓度较高，而5月—9月浓度较低。

TN浓度在0.61～8.78 mg/L，平均值为3.42 mg/L，整体波动较大。9个监控断面中石臼漾水厂的水质最好，南门水厂最差。石臼漾水厂及龙凤大桥的TN浓度在2019年7月之后有较明显的改善，明显低于其他7个控制断面。TN 浓度的季节变化比较明显，一年中高峰值出现在1月—4月，而低谷值出现在5月—9月，与NH3-N变化趋势相同。

TP浓度在0.05～0.48 mg/L(Ⅱ～劣Ⅴ类水)，平均值为 0.18 mg/L，为Ⅲ类水标准。9个监控断面中石臼漾水厂的水质最好，龙凤大桥处的水质最差，大多数时间水质为Ⅳ类，且水质波动较大。TP浓度存在季节变化，高峰值出现在2月—4月，低谷值出现在8月—10月。

总体来说，CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N和TP指标大部分时间能达到Ⅲ类。9个监控断面中石臼漾水厂的6项水质指标都比较低，水质较好，而位于市区下游的人中浜的水质相对较差。6项指标浓度变化趋势如图2所示。

图2 2015年—2019年嘉兴市区9个省市控断面CODMn(a)、CODCr(b)、BOD5(c)、NH3-N(d)、TN(e)和TP(f)浓度变化Fig.2 Variations of CODMn(a), CODCr(b), BOD5(c), NH3-N(d), TN(e) and TP(f) Concentrations at 9 Control Sections in Jiaxing during 2015—2019

2.2 水质变化趋势分析

对CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TN和TP 6项水质指标进行M-K检验分析，如表1所示。由表1可知，2015年—2019年嘉兴市区河道水质浓度呈极显著降低的趋势，各指标整体Z值为-5.14～-2.73，p值均小于0.01。此外，6项水质指标中，CODMn的Z值最小(-5.14)，NH3-N次之(-4.34)，表明2015年—2019年，嘉兴市区河道的CODMn和NH3-N浓度改善最为明显。9个控制断面中，石臼漾水厂和龙凤大桥各项指标的Z值较小。龙凤大桥位于杭州塘上，靠近市区西侧，其水质可反映上游入境水质，表明近年来上游来水水质持续改善。石臼漾水厂水质的改善，则反映了上游来水水质改善及石臼漾湿地净化的双重效应。人中浜和北运桥位于市区下游，各项指标的Z值相对较大，表明市区仍存在一定的污染源。总体而言，9个控制断面的水质改善趋势极为明显，表明嘉兴市及整个杭嘉湖区域的河道水环境治理取得了良好的成效。

表1 嘉兴市区河道水质指标的M-K检验结果Tab.1 M-K Test Results of River Water Quality in Jiaxing

注：*表示变化趋势显著，p<0.05；**表示变化趋势显著，p<0.01

2.3 影响因素分析

2.3.1 市区河道水质与上游来水相关性分析

统计分析嘉兴市区河道的CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TN和TP浓度变化与上游来水水质的相关性，给定显著性水平α=0.05，样本数n=60，进行检验(表2)。市区水质指标与来水水质的相应指标呈极显著正相关，CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TN和TP所对应的相关系数为0.830、0.500、0.607、0.835、0.603、0.502。CODMn、NH3-N指标的相关系数较大，相关性在6个指标中相对较强；CODCr和TP的相关性较弱，表明市区河道水质受上游来水的影响很大。

表2 市区河道水质与上游来水的相关性分析Tab.2 Correlation of Water Quality between Urban Rivers and the Upstream Rivers

注：*表示相关性显著，p<0.05；**表示相关性显著，p<0.01

2.3.2 市区河道水质与降雨量相关性分析

对市区河道CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TN和TP浓度与当天、前1 d、前2 d、前7 d、当月、前1个月和前2个月的降水量进行相关性分析，如表3所示。市区河道水质浓度与前7 d、当月降水量均无显著相关性，CODMn浓度与当天降水量，CODCr浓度与当天降水量、前1 d降水量、前2 d降水量呈显著负相关，表明河道CODMn和CODCr浓度受短期降水量影响明显，降水量越大，CODMn和CODCr浓度越低。TN、NH3-N浓度与前2个月降水量呈显著或极显著负相关；TP浓度与前1个月和前2个月降水量呈极显著正相关，表明市区河道NH3-N、TN和TP浓度对降水的响应呈现时间滞后性，在1～2个月。同时，较大的降水量可降低水体NH3-N和TN浓度，却导致TP浓度升高。NH3-N和TN浓度降低主要为雨水的稀释作用，降水对水体中 NH3-N、TN 的稀释作用远大于降水所形成的径流而进入河流的NH3-N、TN。环境中的磷大量被吸附于土壤颗粒中，降雨形成的地表径流使表土层被侵蚀而进入河流，导致水体含磷量增加[13, 16]，本研究也表现为这种现象。不同水质指标对降水呈现出复杂的响应特征，主要是因为不同水质指标的主要影响因素及污染来源有所不同，比如区域输入性污染、城市防洪工程的调度运行、当地合流制管网的溢流等，而本文的影响因素是依据数理统计方法得到的，因此，需要收集更大空间范围和更多方面的信息，以进一步深化研究。

表3 圈内水质指标与降水量的相关系数Tab.3 Correlation between River Water Quality and Precipitation

注：*表示相关性显著，p<0.05；**表示相关性显著，p<0.01

3 结论

(1)2015年—2019年，嘉兴市区河道的CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N和TP浓度大部分时间能达到地表水Ⅲ类标准。总体而言，9个省市控断面中，石臼漾水厂的水质较好，而位于市区下游的北运桥和人中浜的水质相对较差。时间上，CODMn、CODCr、BOD5浓度3月—8月较高，9月—翌年2月较低；NH3-N、TN浓度1月—4月较高，5月—9月较低；TP浓度高峰值出现在2月—4月，低谷值出现在8月—10月。

(2)M-K检验结果表明，2015年—2019年嘉兴市区河道水质呈极显著的改善趋势，其中,CODMn和NH3-N浓度改善最为明显。9个控制断面中，石臼漾水厂和龙凤大桥各项指标的Z值较小，而人中浜和北运桥的Z值相对较大，表明嘉兴市及整个杭嘉湖区域的河道水环境治理取得了良好的成效，但市区仍存在一定的污染源。

(3)嘉兴市区河道水质浓度与上游来水水质浓度呈极显著正相关，表明嘉兴市区河道水质受上游来水的影响很大。

(4)嘉兴市区河道水质浓度对降水呈现出复杂的响应特征，前1～2 d较大的降水能明显降低河道CODMn和CODCr浓度，而降水对河道NH3-N、TN和TP浓度的影响呈现1～2个月的滞后性，表明不同水质指标的主要影响因素及污染来源有所不同。