颍河干流阜阳段水质时空变化特征及影响分析

应 玉

(安徽省阜阳水文水资源局，安徽 阜阳 236000)

颍河位于淮河左岸，是淮河最大的支流，源于河南省嵩山，流经豫、皖两省，在安徽省颍上县沫河口入淮，干流全长620km，流域面积36651km2[1]，其中安徽省境内208km，流域面积4010km2。安徽省境内主要支流有万福沟、柳河、茨淮新河、济河、泉河等，涉及界首、太和、阜阳城区、颍上、临泉等地。颍河安徽段人口稠密，工农业发达，资源丰富，是安徽省重要的粮、棉、油生产基地，颍河水环境质量状况直接影响两岸居民生活生产以及下游淮河水环境质量。为此，本文选取颍河安徽河南省界至颍河入淮河段为典型性分析河段，探讨分析2012—2021年颍河干流阜阳段水质时空变化特征，进一步了解污染物的变化特征及来源，为区域水环境管理和保护提供科学依据。颍河阜阳段示意图见图1。

图1 颍河阜阳段示意图

1 研究方法和数据来源

1.1 研究方法

1.1.1 综合污染指数法

综合污染指数法[2]是评价水环境质量的重要方法之一。该方法将各项污染因子与选定的水质等级标准浓度比值加和平均。依据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类水质标准，采用下式计算综合污染指数：

(1)

(2)

式中：Ri为水质因子i的污染指数；R为综合污染指数；ρi为水质因子i的实测质量浓度，mg/L；ρsi为水质因子i的Ⅲ类水标准质量浓度，mg/L；n为水质因子个数。

1.1.2 季节性Kendall检验方法

季节性Kendall检验方法[3-5]是一种非参数趋势检验法，将历年相同月或相同季的数据进行比较，可避免季节性影响，且此检验方法只考虑相对排列不考虑大小，可避免漏测、指标数值未检出等因素的影响。数据系列一般选取5～12年为宜，数据系列过长会隐藏当前趋势，过短则不能准确确定趋势。

1.1.3 皮尔逊相关系数法

皮尔逊相关系数法[6-7]用于度量两个变量(X和Y)之间的线性相关程度，其值介于-1～1之间。当二者分布在一条直线上时，皮尔逊相关系数等于1或-1；当相关系数小于0时，称为负相关，大于0时称为正相关；两个变量之间没有线性关系时，皮尔逊相关系数为0。相关系数计算公式为

(3)

一般情况下，根据经验可将相关程度分为：0.8<|ρ(X，Y)|≤1.0为极强相关；0.6<|ρ(X，Y)|≤0.8为强相关；0.4<|ρ(X，Y)|≤0.6为中等程度相关；0.2<|ρ(X，Y)|≤0.4为弱相关；0<|ρ(X，Y)|≤0.2为极弱相关或无相关。

1.2 数据来源

水质数据主要来源于安徽省水环境监测中心阜阳分中心，采用水质代表性断面界首界临郸大桥、阜阳闸、颍上闸2012—2021年氨氮(NH3-N)、高锰酸盐指数(CODMn)、化学需氧量(CODCr)、总磷(TP)重要参数检测数据；降水量、过境水量来源于2012—2020年《阜阳市水资源公报》；社会经济数据来源于2012—2020年《阜阳市国民经济和社会发展统计公报》。

2 结果与分析

2.1 空间变化特征

采用箱形图方法分析颍河干流阜阳段各断面主要污染指标NH3-N、CODMn、CODCr、TP的变化特征，结果见图2。由图2可知，各断面NH3-N中位值差异明显，变化幅度大，其中界首界临郸大桥断面中位值和变化幅度均较大，数值变化高于其他两个断面；CODMn中位值差异较大，中位值排序依次为：界首界临郸大桥>阜阳闸>颍上闸，变化幅度较接近；CODCr中位值差异较小，阜阳闸断面变化幅度最大；TP中位值接近，界首界临郸大桥断面变化幅度最大。

图2 颍河干流阜阳段水质指标浓度变化情况

颍河干流阜阳段各断面综合污染指数变化情况见图3。由图3可知，界首界临郸大桥断面中位值和变化幅度最大，阜阳闸断面次之，颍上闸断面最小。从空间上分析，上游界首界临郸大桥因其位于豫皖省界，上游河南来水由此进入安徽境内，综合污染指数相对较高，年际变化幅度最大，仍是水污染的重点防治断面。

图3 颍河干流阜阳段各断面综合污染指数变化情况

2.2 年内变化特征

将颍河干流阜阳段2012—2021年逐月水质数据按汛期(5—9月)、非汛期(1—4月、10—12月)进行划分，采用箱形图对颍河干流阜阳段汛期与非汛期主要水质指标进行年内变化特征分析，见图4。由图4可知，NH3-N、CODMn、CODCr非汛期变化幅度均大于汛期，NH3-N非汛期中位值明显高于汛期，以NH3-N 指标评价水质，汛期优于非汛期；CODMn和CODCr汛期和非汛期中位值接近；TP汛期的中位值略高于非汛期，汛期与非汛期波动幅度相近，以TP指标评价水质，非汛期优于汛期。

图4 颍河干流阜阳段年内水质指标浓度变化情况

对各断面汛期、非汛期、全年期综合污染指数进行进一步分析，结果见表1。由表1可知，不同水期综合污染指数总体呈下降趋势，表明水质情况总体向好。除2012年3个断面、2014年阜阳闸以及2015年阜阳闸、颍上闸断面综合污染指数相近外，2013—2016年断面汛期、非汛期综合污染指数差异均较大，非汛期综合污染指数大于汛期综合污染指数，表明汛期水质情况优于非汛期。2017—2021年汛期、非汛期、全年期综合污染指数差异均较小，界首界临郸大桥断面非汛期综合污染指数均大于汛期，颍上闸和阜阳闸有个别年份汛期综合污染指数大于非汛期，主要原因是受TP影响，河流的主要污染物从NH3-N、CODMn、CODCr逐渐转变为TP，这与孔令键等[8]研究结果一致。

表1 监测断面不同水期综合污染指数

2.3 年际变化特征

采用PWQTrend2010水质分析软件对颍河干流阜阳段进行季节性Kendall检验(无流量调节)，对区域水质变化趋势进行分析，结果见表2。由表2可知，界首界临郸大桥、阜阳闸、颍上闸断面NH3-N、CODMn、CODCr、TP均呈高度显著下降趋势，浓度中值均为Ⅲ类水限值以下，表明水质综合情况有显著改善，其中NH3-N的下降幅度最大，TP次之，CODMn最小。

表2 颍河干流阜阳段水质变化趋势分析结果

2.4 水质变化影响因素分析

选取时间系列2012—2020年进行影响因素分析，选择降水量、过境水量2项自然因素，生产总值、粮食种植面积、常住人口、化肥施用量4项社会因素，采用皮尔逊相关系数对颍河干流阜阳段水质指标综合污染指数与影响因素的相关性进行分析。

2.4.1 自然因素影响

根据变化特征将颍河干流阜阳段划分为2012—2016年和2017—2020年2个时间段进行分析，结果见表3。由表3可知，2012—2016年，NH3-N、CODCr与降水量呈中等程度以上负相关，说明降水量对水质NH3-N、CODCr有改善作用，TP与降水量呈正强相关，说明降水量会增加TP的污染；NH3-N、CODCr与过境水量呈中等程度以上正相关，说明过境水量会加重NH3-N、CODCr污染，TP与过境水量呈中等程度负相关，说明过境水量对TP起到改善作用。2017—2020年，降水量与CODMn、CODCr呈中等程度正相关，其他水质指标与降水量呈弱的正相关；过境水量与水质指标呈弱相关、极弱质相关或无相关。

表3 颍河干流阜阳段水质指标与降水量、过境水量的皮尔逊相关系数

综上分析，2012—2016年颍河干流阜阳段水体污染受点源和面源的综合作用，2017—2020年受点源污染作用较小，面源污染相对较大。

2.4.2 经济社会发展因素影响

对NH3-N、CODMn、CODCr、TP年浓度与4项社会因素进行相关性分析，结果见表4。由表4可知，水质指标与生产总值、常住人口均呈负相关关系，说明经济发展、城镇化发展并未以牺牲水环境为代价，这与张彩丽等[9]研究结果一致；粮食种植面积、化肥施用量与水质指标成呈相关关系，考虑农田化肥流失导致水质污染。

表4 颍河干流阜阳段水质指标与社会经济发展指标的相关系数

3 结 语

通过对2012—2021年颍河干流界首界临郸大桥、阜阳闸、颍上闸3个断面水质变化特征和影响因素进行分析可发现，NH3-N、CODMn、CODCr、TP浓度均呈高度显著下降趋势，表明颍河干流阜阳段水质显著向好。从空间变化特征分析来看，上游界首界临郸大桥断面与下游断面相比，综合污染指数相对较高，持续加强省界断面的污染防控工作仍是今后污染防治的重点。由于水环境综合治理、居民环保意识的提高，经济和城镇化的发展对水质产生了促进作用，河流污染由点源和面源污染逐步转化为面源污染，农业面源污染控制成为改善颍河干流水环境质量的重要任务。建议进一步加大对区域内农业种植面源污染的管理力度，不断推进绿色农业推广力度，降低面源污染对河流水质的影响，为颍河干流阜阳段的水质提供安全保障。