武 力，劉慧瑩，向 超，陳 喆，王敦球

（1.桂林理工大學環(huán)境科學與工程學院，廣西環(huán)境污染控制理論與技術重點實驗室，廣西 桂林 541004；2.湖南省永州水文水資源勘測局，湖南 永州 425000；3.永州經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)環(huán)境保護局，湖南 永州 425000）

2018 年《中國環(huán)境質量公報》[1]顯示：中國七大流域（長江、黃河、珠江、淮河、海河、遼河和松花江）的監(jiān)測斷面水質處于IV 類及以下的仍有25.8%，其中長江流域Ⅳ類及以下水質斷面占總數(shù)量的12.6%，總體情況依然不容樂觀。

湘江是長江流域洞庭湖水系中水資源總量與開發(fā)利用率最大的流域，近年來，因水污染負荷加大，湘江干、支流總體水環(huán)境質量下行壓力增加，2016 年湘江流域42 個干、支流監(jiān)測斷面中月均有2.6 個斷面達到IV 類或劣V 類標準[2]。湘江水環(huán)境保護成為學者們研究的熱點，尤其是對湘江中、下游如株洲、湘潭等地水質的研究報道較為頻繁[3]，而對湘江上游（永州段）水質的研究報道較少。

水質評價可以準確反映水環(huán)境質量狀況，不同時間段的水質變化以及不同區(qū)域的水質變化可以反映流域水環(huán)境的發(fā)展變化，并為預測流域水質未來發(fā)展趨勢提供依據(jù)。目前，用于水環(huán)境質量評價的方法主要有單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、灰色聚類法、模糊綜合評價法等。例如：許?，q[4]運用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡開展了眉湖水質評價；安宇翔[5]論述了灰色聚類法在水質評價中的應用；周林虎[6]利用灰色聚類法評價了太子河的水環(huán)境質量；潘俊等[7]利用模糊評價法評價了溪泉湖3 條河流的水質；付敏明[8]利用模糊評價法分析了淮北市3 條主要河流的水質情況。

目前，用于水質變化趨勢的研究方法主要有季節(jié)性肯達爾檢驗法、spearma 秩相關分析法、時間序列分析法、滑動T 檢驗法等，這些方法側重各不相同。spearman 秩相關分析法適于監(jiān)測數(shù)據(jù)較少、影響因素單一的相關檢驗。劉秀花等[9]利用spearman 秩相關分析法，研究了漢江丹江口水庫水質變化趨勢；楊盼等[10]采用spearman 秩相關系數(shù)法探究了長江干流氮、磷濃度的年際變化趨勢和年內(nèi)變化規(guī)律。季節(jié)性肯達爾檢驗法主要適用于監(jiān)測數(shù)據(jù)呈非正態(tài)分布特征的趨勢分析。房鑫[11]基于季節(jié)性肯達爾檢驗原理，利用PWQTrend 水質分析軟件，對渾河干流撫順段3 個主要監(jiān)測斷面的主要污染因子進行了水質變化趨勢研究；彭珂等[12]以湘江長沙段三汊磯斷面2001—2011年水質監(jiān)測結果為樣本，運用季節(jié)性肯達爾檢驗分析湘江長沙段水質變化趨勢及影響因素；祝賓紅[13]采用肯達爾檢驗法對雅魯藏布江干流主要污染因子的演變趨勢進行了分析研究。姜巖等[14]利用時間序列分析法研究了洞庭湖水質變化趨勢；王臻[15]通過時間序列分析法研究了三沙灣水質的變化趨勢?；瑒覶 檢驗法是通過考察2 組樣本均值的差異是否顯著來檢驗突變，可以發(fā)現(xiàn)趨勢改變的突變點，常常被應用于長時間序列的水文序列突變研究[16]。

筆者利用spearman 秩相關分析法研究了湘江上游永州段水質的變化趨勢，再通過滑動T 檢驗法進行突變分析，識別了區(qū)域的污染因子、污染源、突變時間及前后變化量，以期全面掌握湘江永州流域的水資源保護狀況及發(fā)展趨勢，為推動湘江保護與治理提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

湘江發(fā)源于湖南省藍山縣紫良瑤族鄉(xiāng)，向北流經(jīng)江華、道縣、雙牌等地，至永州市萍島納湘江西源（原來的湘江干流），至常寧市茭河口納舂陵水，至衡陽市納蒸水和耒水，至衡山縣納洣水，至株洲縣淥口鎮(zhèn)納淥水，至湘潭納漣水，至長沙市區(qū)納瀏陽河、撈刀河、溈水，至湘陰縣城西鎮(zhèn)浩河口村分東、西兩支匯入洞庭湖，流域面積94 816 km2（其中湖南省內(nèi)面積85 383 km2、湖南省外面積9 433 km2），全長948 km，平均坡降0.189‰，是洞庭湖水系中流域面積最大的河流。流域內(nèi)降水量豐沛，但時空分布不均，主要集中在春夏2 季，湘江年最高水位大多出現(xiàn)于4 至7 月，年最低水位一般出現(xiàn)在12 月至次年1 月。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

選取由湖南省河湖水質監(jiān)測中心永州分中心提供的湘江永州流域較有代表性的道縣、祁陽、冷水灘、老埠頭、淥埠頭、南津渡和雙牌7 個斷面（圖1）2007—2019 年逐月的高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、氨氮（NH3-N）和總磷（TP）3 項水質參數(shù)濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)作為研究對象，以“GB 3838—2002，地表水環(huán)境質量標準”作為評價標準。

圖1 湘江永州段水質斷面示意圖

1.3 研究方法

利用spearman 秩相關分析法研究水環(huán)境質量現(xiàn)狀以及水質變化趨勢，再通過滑動T 檢驗法進行突變分析，得到了水質突變時間和跳躍量。

1.3.1 spearman 秩相關分析法 秩相關分析法又稱等級相關系數(shù)法，是衡量時間序列變化趨勢在統(tǒng)計上有無顯著性的常用方法，在污染物濃度變化趨勢研究中得到大量應用[17-20]。用于檢驗水質指標數(shù)據(jù)序列與其響應時間序列間的相關性，從而判斷水質序列在時間序列上是否存在趨勢變化，計算公式見公式（1）、（2）。將秩相關系數(shù)rs的絕對值同spearman 秩相關系數(shù)統(tǒng)計表中的臨界值Wp進行比較，如果|rs|＞|Wp|，則表明變化趨勢有顯著意義。

式中，di為變量Xi與Yi的差值；Xi為周期i到周期N按濃度值從小到大排列的序號；Yi為按時間排列的序號；N為年份。

1.3.2 滑動T 檢驗法 滑動T 檢驗法通過考察2 組樣本均值的差異是否顯著來檢驗突變?；舅枷胧前岩贿B續(xù)的時間序列分成2 個子序列，將2 個子序列均值有無顯著差異看作來自2 個總體的均值有無顯著差異的問題來檢驗，若2 個子序列的均值差異超過一定的顯著水平，則認為均值發(fā)生了顯著變化，有突變發(fā)生。

對于樣本量為n的時間序列x，人為設置某一時刻為基準點，將連續(xù)的隨機變量分為2 個子序列x1和x2，其樣本量分別為n1和n2（實際操作中，一般取n1=n2），均 值 分 別 為和，方 差 分 別為s和s22。如公式（3）構造統(tǒng)計量C。公式（3）遵從自由度為n1+n2-2 的 t 分布?；瑒拥倪B續(xù)計算可得到統(tǒng)計序列ti，i= 1，2，…，n-（n1+n2）+1。給定顯著水平α（一般取 0.05 或 0.01），查t分布表得到其臨界值tα，若|ti|＜tα，則認為2 子序列的均值無顯著差異；反之，認為該時間序列在基準點時刻出現(xiàn)突變。

2 結果與分析

2.1 湘江流域永州段CODMn、NH3-N 和TP濃度變化趨勢及水質評價

2.1.1 CODMn濃度變化趨勢及水質評價 由圖2 可知，道縣站、南津渡站、老埠頭站、冷水灘站、淥埠頭站的CODMn濃度介于0.4～3.7 mg/L 之間，穩(wěn)定達到“GB 3838—2002，地表水環(huán)境質量標準”（國標）中的II 類標準限值（4 mg/L），雙牌、祁陽站CODMn濃度介于0.5～4.3 mg/L，穩(wěn)定達到國標中的III 類標準限值（6 mg/L），CODMn濃度的最高峰一般出現(xiàn)在9—11 月，最高值達到4.3 mg/L，9—11 月CODMn濃度偏高的主要原因是枯水期水量驟減導致CODMn濃度升高，道縣站、雙牌站、南津渡站、老埠頭站、冷水灘站、淥埠頭站的CODMn平均濃度介于1.3～1.4 mg/L 之間，祁陽站的CODMn平均濃度為1.7 mg/L，上游站點的CODMn平均濃度小于下游站點，表明上游水質較好。

圖2 湘江流域永州段各斷面CODMn 濃度變化趨勢

2.1.2 NH3-N 濃度變化趨勢及水質評價 由圖3 可知，7 個站點的NH3-N 濃度介于0.025～0.799 mg/L 之間，穩(wěn)定達到國標中的III 類標準限值（1.0 mg/L）；NH3-N濃度的最高峰一般出現(xiàn)在2—4 月和12 月，最高值達到0.799 mg/L，2—4 月NH3-N 濃度偏高的主要原因是2—4 月是該地水稻種植的播種期，大量氮元素因淋洗而流進河道。12 月主要是枯水期水量驟減導致NH3-N濃度升高。道縣站、雙牌站、南津渡站的NH3-N 平均濃度介于0.151～0.160 mg/L，老埠頭站、冷水灘站、淥埠頭站的NH3-N 平均濃度介于0.184～0.190 mg/L，祁陽站的的NH3-N 平均濃度0.237 mg/L，上游站點的NH3-N 平均濃度低于下游站點，即上游水質較好。

圖3 湘江流域永州段各斷面NH3-N 濃度變化趨勢

2.1.3 TP 濃度變化趨勢及水質評價 由圖4 可知，南津渡站、冷水灘站、雙牌站、淥埠頭站的TP 濃度介于0.005～0.280 mg/L，穩(wěn)定達到國標中的IV 類標準限值（0.3 mg/L），道縣站、老埠頭、祁陽站TP 濃度介于0.005～0.160 mg/L，穩(wěn)定達到國標中的III 類標準限值（0.2 mg/L）；TP 濃度最高峰一般出現(xiàn)在7—8 月和11 月，最高值達到0.280 mg/L，7—8 月TP 濃度偏高的主要原因是汛期降雨量大，將大量污染物帶入河道導致污染物濃度升高，11 月主要是枯水期水量驟減導致污染物濃度升高；南津渡站、道縣站、雙牌站、老埠頭站、淥埠頭站的TP 平均濃度分別為0.03 mg/L，冷水灘站、祁陽站的TP 平均濃度分別為0.04 mg/L；上游的站點TP 平均濃度低于下游站點，主要原因是冷水灘區(qū)和祁陽縣是永州市經(jīng)濟社會發(fā)展相對較快的區(qū)域，自然環(huán)境受到人為干擾顯著。

圖4 湘江流域永州段各斷面TP 濃度變化趨勢

2.2 湘江流域永州段高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷濃度變化趨勢檢驗及突變分析

2.2.1 高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷濃度變化趨勢 由表1 可知，祁陽站CODMn濃度和NH3-N 濃度呈下降趨勢，TP 濃度呈上升趨勢，其中NH3-N 濃度變化趨勢不顯著，而CODMn濃度和TP 濃度變化趨勢顯著，磷是關鍵污染物；祁陽站斷面位于縣級城區(qū)斷面，其TP 濃度顯著上升的同時，NH3-N 濃度呈下降趨勢，可推斷其主要污染源是生活污水（主要是含磷量較高的洗滌廢水）；其他6 個站點的NH3-N 濃度和TP 濃度水質呈顯著上升趨勢，CODMn濃度呈顯著下降趨勢，以氮、磷為關鍵污染物。環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，農(nóng)業(yè)源和生活源是永州市氮、磷污染的主要來源。老埠頭站和淥埠頭站均不在城區(qū)范圍內(nèi)，周邊區(qū)域無城鎮(zhèn)污染源分布，表明老埠頭站、淥埠頭站非點源氮、磷污染控制不到位，主要污染源來自農(nóng)業(yè)面源污染；南津渡站、雙牌站、冷水灘站、道縣站和祁陽站分布在城區(qū)，氮、磷污染控制不到位，主要污染源為生活源。7 個站點的CODMn濃度均呈顯著下降趨勢，表明CODMn的污染控制比較到位，流域各站點水質的CODMn濃度均得到有效控制。

表1 湘江流域永州段各斷面CODMn、NH3-N 和TP 濃度月變化趨勢顯著性檢驗

2.2.2 永州段各斷面CODMn、NH3-N 和TP 濃度突變分析 由表2 可知，所有站點污染物濃度的突變跳躍年份均集中在2009—2012 年，正值“十一五”到“十二五”的過渡時期，我國經(jīng)濟社會高度發(fā)展，農(nóng)業(yè)、工業(yè)規(guī)模不斷增大，對環(huán)境產(chǎn)生一定影響；突變跳躍月份集中在11 月至次年4 月，即污染物濃度的突變均出現(xiàn)在枯水期，主要是因為枯水期水流量較小導致氨氮和總磷濃度偏高，加上冬季河底生物的腐爛分解，將有機氮、磷還原成無機氮、磷釋放回水中[21]，因此每年3—4 月污染物濃度達到高峰。

表2 湘江流域永州段各斷面CODMn、NH3-N 和TP 濃度突變分析 （mg/L）

各站點的CODMn濃度跳躍年份均出現(xiàn)在2011 年1—2 月，CODMn濃度的最大跳躍量為0.72 mg/L，發(fā)生在冷水灘站；NH3-N 濃度的最大跳躍量出現(xiàn)在祁陽站，時間為2009 年3 月，跳躍前均值為0.33 mg/L，跳躍后均值為0.23 mg/L，跳躍量為0.10 mg/L，2009年以來，祁陽中心城區(qū)污水收集與處理率逐步提升，NH3-N 得到有效治理，經(jīng)過處理后轉化為NO3--N；TP濃度的最大跳躍量出現(xiàn)在道縣站，時間為2011 年2月，跳躍前均值為0.01 mg/L，跳躍后均值為0.04 mg/L，跳躍量為0.03 mg/L；從3 種污染物的跳躍量來看，各站點TP 濃度跳躍量＜NH3-N 濃度跳躍量＜CODMn濃度跳躍量。

3 結 論

數(shù)據(jù)顯示，2007—2019 年，雙牌站、祁陽站的CODMn濃度達到“GB 3838—2002，地表水環(huán)境質量標準”（國標）中的III 類及以上標準限值，道縣站、南津渡站、老埠頭站、冷水灘站、淥埠頭站的CODMn濃度穩(wěn)定達到國標II 類標準限值；7 個站點的NH3-N濃度穩(wěn)定達到國標III 類標準限值；南津渡站、冷水灘站、雙牌站、淥埠頭站的TP 濃度達到國標IV 類及以上標準限值，道縣站、老埠頭站、祁陽站的TP 濃度穩(wěn)定達到國標III 類及以上標準限值；上游的站點CODMn、NH3-N、TP 平均濃度均低于下游站點。

研究的7 個站點CODMn濃度均呈下降趨勢，且趨勢顯著。除祁陽外，其他6 個站點的NH3-N、TP濃度均呈顯著上升趨勢，氨氮、總磷是該地區(qū)的關鍵污染物，首要污染源為農(nóng)業(yè)非點源污染，其次是生活源污染。

各站點污染物濃度的突變跳躍年份均集中在2009—2012 年，TP 和NH3-N 濃度呈顯著上升趨勢，突變跳躍月份集中在11 月至次年4 月，即污染物濃度的突變均出現(xiàn)在枯水期；CODMn濃度的最大跳躍出現(xiàn)在2011 年1 月的冷水灘站，其跳躍量為0.72 mg/L；NH3-N 濃度最大跳躍出現(xiàn)在2009 年3 月的祁陽站，其跳躍量為0.10 mg/L；TP 濃度最大跳躍出現(xiàn)在2011 年2 月的道縣站，其跳躍量為0.03 mg/L；各站點TP 濃度跳躍量＜NH3-N 濃度跳躍量＜CODMn濃度跳躍量。