罗时江水质的时空变化特征分析

李 萍

(大理州环境监测站， 云南 大理 671000)

0 引言

洱海是云南省第二大高原淡水湖泊，是大理市的主要饮用水源地，又是苍山洱海国家级自然保护区和国家级风景名胜区的核心，具有调节气候、保护生物多样性、为流域内经济发展提供水源保障等多种功能[1]。近年来，随着洱海流域社会经济的快速发展，洱海水质富营养化问题日渐突出，洱海治理保护面临巨大的压力[2]。

罗时江是洱海重要的补给水源之一，年平均径流量约为1.1亿m3，占洱海多年平均径流量的13%。罗时江属弥苴河水系，位于弥苴河西侧，流域位于东经100°03′～100°10′，北纬25°56′～26°04′，发源于洱源县右所中和村和兆邑村交界处，上游属洱源县，下游属大理市，流向从北向南，全长18.29km，流经右所、邓川、上关三镇，是洱源县及大理市上关镇农田灌溉、排洪除涝的多功能河道[3]。

近年来由于罗时江周边社会经济的发展，导致污染严重，水质已远远达不到水环境功能区划Ⅱ类水体要求，给洱海带入了大量氮、磷等污染物，加剧了洱海富营养化进程。

对罗时江水质的时空变化特征进行分析研究，对于治理罗时江，保护洱海，恢复洱海水质功能具有十分重要的意义。

1 监测数据与分析方法

1.1 水质监测断面及参数选取

根据罗时江流向，由上游至下游选择莲河村、溪长村、沙坪桥3个具有代表性的水质监测断面，监测时段为2011—2019年，每月监测1次，监测项目为《GB 3838-2002地表水环境质量标准》表1中的24项。根据《云南省地表水水环境功能区划(2010—2020年)》和《云南省大理白族自治州洱海保护管理条例(修订)》，罗时江执行《GB 3838-2002地表水环境质量标准》Ⅱ类。水质监测断面基本情况见表 1。

表1 罗时江水质监测断面基本情况

1.2 分析方法

环境污染变化趋势的定量分析，最常用的是Daniel趋势检验，采用spearman 秩相关系数，确定分析断面多时段的水质变化趋势及变化程度[4-5]。

di=Xi-Yi

式中：di：变量Xi与Yi的差值；Xi：周期I到周期N按浓度值从小到大排列的序号；Yi：按时间排列的序号。

将rs的绝对值同 spearman 秩相关系数统计表中的临界值Wp 进行比较。

当rs>Wp,表明变化趋势有显著意义：

rs为负值，表明在评价时段内有关统计量指标变化呈下降或好转趋势；

rs为正值，表明在评价时段内有关统计量指标变化呈上升或加重趋势。

当rs≤Wp，表明变化趋势没有显著意义，说明在评价时段内水质变化稳定或平稳[4-5]。

综合污染指数是评价水质状况的一个重要指数。罗时江水质综合污染指数计算选取的污染物种类为《GB 3838-2002地表水环境质量标准》表1中除水温、pH、DO、TN和粪大肠菌群以外的 19 项指标[6]。

污染指数计算公式：Ai=Ci/Cio

式中：Ai：I项指标的污染指数；Ci：I项指标的监测值；Cio：I项指标的Ⅲ类标准限值；n：参与污染分指数计算的指标项目数[6]。

2 水质时空变化特征分析

2.1 水质时间变化趋势分析

2.1.1 水质综合状况的年际变化分析

按《GB 3838-2002地表水环境质量标准》和《地表水环境质量评价办法(试行)》对2011—2019年罗时江3个断面每月监测结果进行综合评价，如表2。

表2 罗时江2011—2019年每月监测数据的综合评价结果表

由表2可以看出，罗时江的水质类别主要以IV类和劣V类水质为主，这两类水质所占比例(平均值)分别达34.67%、25.65%，说明罗时江整体水质较差。从水质类型分布的年际变化情况来看，罗时江水质总体呈逐渐好转趋势，具体表现为III类水质所占比例总体呈上升趋势，由2011年的13.89%上升至2019年的42.42%，劣Ⅴ类水质所占比例总体呈下降趋势，由2011年的36.11%下降至2019年的9.09%。

2.1.2 主要指标的年均浓度变化分析

采用秩相关系数法对2011—2019年罗时江3个监测断面的DO、CODCr、NH3-N、TP等主要指标年均浓度进行分析评价，主要指标年均浓度秩相关系数见表3。

表3 罗时江3个断面主要指标年均浓度秩相关系数

罗时江3个断面DO年均浓度秩相关系数rs>0，且rs绝对值大于临界值，表明3个断面DO年均浓度呈上升趋势，上升趋势从统计学上来说是显著的。3个断面CODCr年均浓度rs<0，且rs绝对值小于临界值，表明3个断面CODCr年均浓度呈下降趋势，下降趋势从统计学上来说是不显著的。

莲河村TP、溪长村NH3-N年均浓度秩相关系数rs<0，表明莲河村TP、溪长村NH3-N年均浓度呈下降趋势；莲河村NH3-N、溪长村TP、沙坪桥NH3-N、TP年均浓度rs>0，表明3个断面上述指标年均浓度呈上升趋势。3个断面TP、NH3-N年均浓度rs绝对值均小于临界值，表明上述变化趋势从统计学上来说是不显著的。

2.1.3 各断面综合污染指数的年度变化趋势

对3个监测断面9a的数据进行分析，计算出综合污染指数，并求出秩相关系数rs。由此了解各断面的水质随时间变化的特征。

表4 罗时江主要断面2011—2019年综合污染指数

由表4可知，罗时江莲河村、溪长村、沙坪桥3个断面的综合污染指数的秩相关系数均为负值，说明罗时江3个主要断面的水质污染均呈下降趋势。罗时江整体水质呈好转趋势。秩相关系数rs的绝对值均小于临界值0.600，表明罗时江3个主要断面的水质污染下降趋势从统计学上来说是不显著的。

2.1.4 主要指标的年内变化

根据2018年3月—2019年2月水质监测数据，对罗时江3个断面DO、CODCr、NH3-N和TP等主要指标浓度逐月监测数据进行整理分析，变化趋势如图1—图4。

罗时江3个断面的DO浓度空间差异不大，具有季节变化特点。DO浓度是冬春季较高，随着水温的升高，溶解氧浓度降低，在夏季降到最低，8月份3个断面都出现较低的溶解氧现象，8月份后DO浓度呈上升趋势。

罗时江3个断面的CODCr、NH3-N、TP浓度空间差异不大，月变化趋势基本一致，具有明显的季节性变化特征：春夏季较高，在春季达到峰值，冬季最低。

2.2 空间变化特征

本文采用箱形图对罗时江2011—2019年每月监测数据进行描述统计分析，能够客观地反映数据的离散分布情况，尽可能地排除异常值的影响[7]。箱形图的箱子是图形的主体，箱子中间的线，是数据的中位数，代表了样本数据的平均水平；箱子的上下限，是数据的上下四分位数，箱子包含了50%的数据，箱子的宽度在一定程度上反映了数据的波动程度；箱子的上方和下方连着的横线，代表着去掉异常值后的最大、最小值。在同一张箱形图里可以将不同断面的水质指标分别进行比较。本文使用箱形图可直观地表现出罗时江水质的分布结构，并对多组数据的空间分布进行分析，再以此为依据进行统计差异的显著性分析[7]。

观察图5，根据箱子中位线，可知沙坪桥断面DO指标是最高的，其次为溪长村断面，莲河村断面偏低。从箱子上下四分位数来看，波动程度从大到小依次为：沙坪桥断面、溪长村断面、莲河村断面。

图6、图8显示出沙坪桥断面的CODCr、TP指标最小，其次为溪长村断面，莲河村断面严重。从箱子上下四分位数来看，CODCr污染波动程度最大的是沙坪桥断面，TP污染波动程度最大的是溪长村断面。

图7显示沙坪桥断面的NH3-N指标最小，其次为莲河村断面，溪长村断面严重。从箱子上下四分位数来看，污染波动程度从大到小依次为：莲河村断面、溪长村断面、沙坪桥断面。

分析2011—2019年罗时江三个主要断面月综合评价结果，水质优的是沙坪桥断面，其次为溪长村断面，较差的是莲河村断面。对比箱型图的结论，两者并无矛盾，说明箱型图的差异性分析较为可靠。

综上可知，沙坪桥断面的水质最优，溪长村断面的水质次之，莲河村断面的水质较差。

对罗时江3个主要断面每月监测数据进行水质综合评价，结果如表5所示。

表5 罗时江2011—2019年月综合评价结果表

3 结论

(1)分析年际变化选取的是2011—2019年： DO浓度呈上升趋势， CODCr、NH3-N、TP浓度、综合污染指数呈下降趋势。整体来看，罗时江的水质正在逐年改善。说明洱源县、大理市治理罗时江是有成效的。

(2)分析年内水质变化选取的是2018年3月—2019年2月的数据，结合季节变化进行分析，发现秋冬的水质高于春夏。春夏季主要受到降雨及农业面源污染影响，水质变差，所以春夏季节应注重罗时江水质的污染防治，进一步加强面源污染的防治。

(3)分析空间变化采用箱形图对罗时江的3个监测断面4个水质指标的数据进行描述统计分析，直观地表现出沙坪桥断面的水质最优，溪长村断面的水质次之，莲河村断面的水质最差。水质上游到下游逐渐变好，说明随着洱海流域各项污染治理措施的实施，对罗时江水质变化起到了积极的作用，使罗时江水质逐渐好转，建议在今后的工作中继续做好各项污染防治工作。