李蘭茹，王 進(jìn)

(廣東省水文局廣州水文分局，廣州 510150)

1 概述

珠江是廣州市的母親河，廣州因珠江而生、因珠江而興，但珠江水質(zhì)在20世紀(jì)末到21世紀(jì)初曾極度惡化[1-2]。近10 a來(lái)，特別是2017年底全面推行河長(zhǎng)制以來(lái)，廣州市花大力氣治水，取得顯著的成效，使得珠江廣州河段水質(zhì)有了明顯的好轉(zhuǎn)[3-5]。本文基于珠江廣州河段的4個(gè)斷面11 a的水質(zhì)資料，采用時(shí)間過程線、Mann-Kendall趨勢(shì)分析法、Pearson積矩相關(guān)系數(shù)、Spearman和Kendall秩相關(guān)系數(shù)等方法，來(lái)研究斷面之間的水質(zhì)變化趨勢(shì)和相關(guān)性。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)域

珠江廣州河段是珠江三角洲的重要組成部分，上自白云區(qū)老鴉崗，下至黃埔區(qū)東江口附近，流經(jīng)整個(gè)廣州中心城區(qū)，自上而下有西航道、前航道、后航道、黃埔航道等4個(gè)河段。其中，西航道從老鴉崗起至白鵝潭止，全長(zhǎng)16.24 km；白鵝潭以下分為前航道、后航道兩支，兩支在黃埔大蠔沙附近又匯合成黃埔航道，白鵝潭以東至黃埔為前航道，長(zhǎng)23.24 km；白鵝潭以南至黃埔為后航道，長(zhǎng)27.90 km；黃埔航道從大蠔沙起至東江口止，長(zhǎng)7.00 km。黃埔航道以下經(jīng)虎門水道(獅子洋)、伶仃洋通達(dá)南海(見圖1)。珠江廣州河段的徑流與潮流的相互作用和相互影響十分復(fù)雜，黃埔最大漲潮差達(dá)3.38 m，潮差自口門向上游遞減[6]，潮區(qū)界最遠(yuǎn)時(shí)可到達(dá)流溪河白云區(qū)人和壩下。受潮汐影響，珠江廣州河段的水流漲落、流向變化多端，回蕩往復(fù)，使得水體污染物的遷移、擴(kuò)散和降解規(guī)律非常復(fù)雜。

圖1 珠江廣州河段示意

2.2 資料來(lái)源與評(píng)價(jià)項(xiàng)目

水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料來(lái)源于廣東省水文局。

2.2.1監(jiān)測(cè)斷面

本文選用了珠江西航道老鴉崗(S1)、前航道海珠橋(S2)、后航道白鶴洞(S3)和黃埔航道黃埔(S4)4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，基本情況見表1。4個(gè)斷面屬于省控?cái)嗝?，資料系列長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)頻次高，能夠較好地代表珠江廣州河段的水質(zhì)狀況。監(jiān)測(cè)采用的技術(shù)規(guī)范有《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》(SL219—2013)、《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T91—2002)；本文的4個(gè)斷面每月監(jiān)測(cè)1次，采樣時(shí)間一般在每月上旬，各斷面同日監(jiān)測(cè)，采樣斷面位置在水面下0.5 m。

表1 珠江廣州河段選用監(jiān)測(cè)斷面基本情況

2.2.2資料年份

資料年份選取了2011—2021年共11 a，主要原因是近10 a是研究區(qū)域水環(huán)境治理政策力度最大、投入最大、成效最顯著的時(shí)段；同時(shí)10 a水質(zhì)資料系列也具備了統(tǒng)計(jì)意義上的趨勢(shì)性和相關(guān)性研究基礎(chǔ)。

2.2.3評(píng)價(jià)項(xiàng)目

目前按GB3838開展的地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)的基本項(xiàng)目有24項(xiàng)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析珠江廣州河段的超標(biāo)(劣于Ⅲ類)的項(xiàng)目主要有氨氮(NH3-N)、總磷(TP)兩項(xiàng)，其他項(xiàng)目基本能夠達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類。本文綜合選取了NH3-N 和TP兩個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

NH3-N的測(cè)定方法采用水質(zhì)—氨氮的測(cè)定—流動(dòng)注射—水楊酸分光光度法(HJ 666—2013)，主要儀器為連續(xù)流動(dòng)分析儀；TP的測(cè)定方法主要采用水質(zhì)—磷酸鹽和總磷的測(cè)定—連續(xù)流動(dòng)—鉬酸銨分光光度法(HJ 670—2013)，主要儀器為連續(xù)流動(dòng)分析儀。

2.3 研究方法

2.3.1水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[7]，本文選擇的2個(gè)項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)限值摘錄見表2。水質(zhì)評(píng)價(jià)方法參照水利部《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》(SL 395-2007)[8]和環(huán)境保護(hù)部《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法(試行)》[9]的單因子評(píng)價(jià)法。本文中年度評(píng)價(jià)數(shù)值采用每年12次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。單項(xiàng)水質(zhì)項(xiàng)目的水質(zhì)類別根據(jù)該項(xiàng)目濃度與GB3838限值的比對(duì)結(jié)果確定。

表2 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)部分項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值摘錄 mg/L

2.3.2Man-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)方法

Man-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，該方法無(wú)需事先設(shè)定數(shù)據(jù)分布特征，且不受少數(shù)缺失數(shù)值和異常值干擾，適于氣象、水文時(shí)間序列趨勢(shì)和突變分析[10-13]。

對(duì)于時(shí)間序列X={X1，X2，…，Xn}，n為時(shí)間序列長(zhǎng)度，Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量如下：

(1)

(2)

公式(1)和(2)中，Xi和Xj分別是時(shí)間序列的第i、j個(gè)值，且j>i。S近似符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，其方差的計(jì)算可定義為：

(3)

式中：

m——n年時(shí)間序列中具有相同值的變量數(shù)目；

tp——第p組的相同值個(gè)數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建Man-Kendall檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量Z如下：

(4)

當(dāng)n>10時(shí)，統(tǒng)計(jì)量Z近似服從正態(tài)分布。根據(jù)正態(tài)分布雙側(cè)檢驗(yàn)臨界值，顯著性水平α為0.05時(shí)對(duì)應(yīng)的分位數(shù)為1.96，顯著性水平α為0.01時(shí)對(duì)應(yīng)的分位數(shù)為2.58。即，當(dāng)|Z|>1.96時(shí)表示在α=0.05水平上上升或下降趨勢(shì)顯著，當(dāng)|Z|>2.58時(shí)表示在α=0.01水平上上升或下降趨勢(shì)極其顯著。

2.3.3相關(guān)性分析方法

1)圖表相關(guān)分析法

圖表相關(guān)分析法把數(shù)據(jù)繪制成圖表，從而清晰地發(fā)現(xiàn)變量的變化規(guī)律和變量間的相關(guān)聯(lián)系。常用的圖表有折線圖和散點(diǎn)圖，其中折線圖以時(shí)間為橫軸，適合表達(dá)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，當(dāng)分析的變量數(shù)量較多時(shí)，折線圖中可以繪制多條折線，進(jìn)行綜合分析，提高分析效率。

2)相關(guān)系數(shù)法

相關(guān)系數(shù)是用以反映變量之間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。常用的相關(guān)系數(shù)有Pearson積矩相關(guān)系數(shù)、Spearman秩相關(guān)系數(shù)和Kendall秩相關(guān)系數(shù)等。在相關(guān)分析中，計(jì)算各種相關(guān)系數(shù)是有前提的。對(duì)于二元相關(guān)分析，如果2個(gè)隨機(jī)變量服從二元正態(tài)分布，或2個(gè)隨機(jī)變量經(jīng)數(shù)據(jù)變換后服從二元正態(tài)分布，則可以用Pearson積矩相關(guān)系數(shù)，此時(shí)描述的是線性相關(guān)關(guān)系，而不宜選用Spearman或Kendall秩相關(guān)系數(shù)。如果樣本數(shù)據(jù)或其變換值不服從正態(tài)分布，則計(jì)算Pearson積矩相關(guān)系數(shù)就毫無(wú)意義，此時(shí)只能計(jì)算Spearman或Kendall秩相關(guān)系數(shù)[14]。

3 水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 Mann-Kendall秩次趨勢(shì)分析

使用Mann-Kendall秩次趨勢(shì)分析法對(duì)研究區(qū)域各斷面的2種水質(zhì)參數(shù)的年度數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，結(jié)果見表3。結(jié)果顯示，NH3-N在S1、S2、S4等3個(gè)斷面下降趨勢(shì)顯著，TP在在S1、S2和S3等3個(gè)斷面下降趨勢(shì)顯著；NH3-N在S3下降趨勢(shì)不明顯，TP在S4下降趨勢(shì)不明顯。

表3 Kendall秩次趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

3.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)相關(guān)性分析

3.2.1圖表相關(guān)分析法

采用折線圖法分析分析氨氮、總磷濃度的時(shí)空變化規(guī)律。

氨氮(NH3-N)項(xiàng)目年度平均濃度過程線見圖2a。從圖中可以看出，位于主城區(qū)的3個(gè)斷面S1、S2、S3的濃度值范圍與變化趨勢(shì)非常相似，在2011—2018年三者的濃度范圍分別為2.47～3.66 mg/L、3.23～4.29 mg/L和2.12～3.45 mg/L，均對(duì)應(yīng)于GB3838—2002的劣Ⅴ類，2019—2021年急劇好轉(zhuǎn)，2020年后均可以達(dá)到Ⅲ類，2021年均可以達(dá)到Ⅱ類；位于主城區(qū)下游的S4在2011—2016年的濃度范圍為1.23～1.57 mg/L，介于Ⅳ～V類，2017—2019年好轉(zhuǎn)為Ⅲ類，2020—2021年好轉(zhuǎn)為Ⅰ類。

a 氨氮變化過程線

總磷(TP)項(xiàng)目年度平均濃度過程線見圖2b。從圖中可以看出，斷面S1在2011—2016年的濃度范圍為0.24～0.34 mg/L，水質(zhì)類別為Ⅳ～V類，2017—2021年的濃度范圍為0.10～0.20 mg/L，水質(zhì)類別為Ⅱ～Ⅲ類；斷面S2在2011—2019年的濃度范圍為0.21～0.37 mg/L，水質(zhì)類別為Ⅳ～V類，2020—2021年的濃度范圍為0.11～0.14 mg/L，水質(zhì)類別為Ⅲ類；斷面S3在2011—2014年及2016年的濃度范圍為0.23～0.27 mg/L，水質(zhì)類別為Ⅳ類，2015年和2017—2021年的濃度范圍為0.13～0.20 mg/L，水質(zhì)類別為Ⅲ類；斷面S4在2011—2019年的濃度范圍為0.11～0.15 mg/L，水質(zhì)類別為Ⅲ類，2020—2021年的濃度范圍為0.08～0.09 mg/L，水質(zhì)類別為Ⅱ類。

從總體上講，主城區(qū)的3個(gè)斷面S1、S2和S3在評(píng)價(jià)期前段受到TP污染較重，但在后段有了明顯好轉(zhuǎn)，三者的污染程度、變化趨勢(shì)等相似，其中S2的TP總體上污染程度最重；而S4受到的污染相對(duì)較輕，隨年份的變化趨勢(shì)不明顯。

3.2.2相關(guān)系數(shù)法檢驗(yàn)

1)NH3-N項(xiàng)目相關(guān)系數(shù)法檢驗(yàn)

由于4個(gè)斷面的NH3-N資料均未通過正態(tài)性檢驗(yàn)，相關(guān)性分析不宜采用Pearson積矩相關(guān)系數(shù)，為此，本文采用了Spearman、Kendall兩類秩相關(guān)系數(shù)。分別計(jì)算4個(gè)斷面NH3-N項(xiàng)目?jī)蓛芍g的Spearman、Kendall秩相關(guān)系數(shù)，得到相關(guān)系數(shù)矩陣見表4。此矩陣為對(duì)稱矩陣，4個(gè)斷面的兩兩相關(guān)關(guān)系共6對(duì)，其中大于臨界值表示兩者的相關(guān)關(guān)系顯著，在數(shù)字末尾加了“*”。本文中數(shù)據(jù)系列長(zhǎng)度n=11，在顯著性水平a=0.05下的Spearman和Kendall秩相關(guān)系數(shù)臨界值分別為0.618和0.418。從結(jié)果表中可以看出，Spearman秩相關(guān)系數(shù)通常大于Kendall秩相關(guān)系數(shù)，但是兩者之間的判斷結(jié)論是完全一致的，通過顯著性檢驗(yàn)的有4對(duì)，即S1-S2、S1-S3、S2-S3、S2-S4相關(guān)關(guān)系顯著，而S1-S4、S3-S4的相關(guān)關(guān)系不顯著；這與圖2a氨氮變化過程線圖的判斷是基本一致的。

表4 NH3-N項(xiàng)目斷面兩兩相關(guān)系數(shù)矩陣

2) TP項(xiàng)目相關(guān)系數(shù)法檢驗(yàn)

4個(gè)斷面的TP資料全部通過正態(tài)性檢驗(yàn)，為此，本文選用了Pearson積矩相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。分別計(jì)算4個(gè)斷面TP項(xiàng)目?jī)蓛芍g的Pearson積矩相關(guān)系數(shù)，得到相關(guān)系數(shù)矩陣見表5。此矩陣為對(duì)稱矩陣，4個(gè)斷面的兩兩相關(guān)關(guān)系共6對(duì)，其中通過了顯著性檢驗(yàn)的數(shù)字末尾加了“*”。從表中可以后看出，6對(duì)相關(guān)系數(shù)均通過了顯著性檢驗(yàn)，即兩兩之間的相關(guān)性顯著。這與圖2b總磷氨氮變化過程線圖的判斷是也是基本一致的。

表5 TP項(xiàng)目斷面兩兩相關(guān)系數(shù)矩陣

3.3 相關(guān)性檢驗(yàn)方法的討論

本文中研究的2類污染項(xiàng)目，根據(jù)正態(tài)性檢驗(yàn)的結(jié)果選用了不同的相關(guān)系數(shù)。NH3-N項(xiàng)目采用了Kendal秩相關(guān)系數(shù)和Spearman秩相關(guān)系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，6對(duì)相關(guān)關(guān)系中有5對(duì)的相關(guān)性顯著；TP項(xiàng)目直接采用Pearson積矩相關(guān)系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，全部6對(duì)相關(guān)關(guān)系的相關(guān)性顯著。可以看出，斷面之間的相關(guān)性不僅與相對(duì)位置距離有關(guān)，而且更與污染物的種類有關(guān)。本文中珠江廣州城區(qū)河段的NH3-N和TP的變化趨勢(shì)明顯，斷面之間的相關(guān)性較好。這一現(xiàn)象是由于污染物的來(lái)源、傳輸和降解規(guī)律不同引起的。

4 結(jié)論及建議

通過對(duì)珠江廣州城區(qū)河段10多年來(lái)的主要污染物變化特征與相關(guān)分析，得到以下結(jié)論：

1)NH3-N和TP是珠江廣州城區(qū)河段兩項(xiàng)重要的污染物。按GB3838開展的地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)的基本項(xiàng)目有24項(xiàng)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析珠江廣州河段的超標(biāo)(劣于Ⅲ類)的項(xiàng)目主要有氨氮(NH3-N)、總磷(TP)兩項(xiàng)，其他項(xiàng)目基本能夠達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類。

2)時(shí)間分布上，廣州主城區(qū)S1、S2、S3在評(píng)價(jià)期的前半段的NH3-N、TP污染非常嚴(yán)重，NH3-N項(xiàng)目長(zhǎng)期為劣Ⅴ類，TP項(xiàng)目長(zhǎng)期為Ⅳ～Ⅴ類；從2018年起NH3-N、TP的污染大大減輕，可以達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類，與廣東全面推行河長(zhǎng)制時(shí)間吻合。

3)空間分布上，廣州主城區(qū)S1、S2、S3的NH3-N、TP污染程度比主城區(qū)下游的S4明顯嚴(yán)重。分析原因可能為主城區(qū)污染來(lái)源較多且上游來(lái)水較少、下游有其他感潮清水上溯且區(qū)間污染物降解等。

4)上下游斷面相關(guān)性上，S1、S2、S3的NH3-N、TP變化趨向基本一致，相關(guān)關(guān)系顯著，這與河流感潮特征強(qiáng)、斷面距離較近、污染源相似等有關(guān)。

為此在水環(huán)境治理應(yīng)統(tǒng)籌推進(jìn)干支流、上下游、左右岸系統(tǒng)治理，構(gòu)建全要素治理，全周期治理，全面加強(qiáng)污染源頭治理，持續(xù)攻堅(jiān)斷面水質(zhì)，積極打造美麗幸福河湖，努力實(shí)現(xiàn)河暢、水清、岸綠、景美、人和。同時(shí)，可利用潮水漲落自然凈化河涌污水，研究改建現(xiàn)有河涌的擋潮閘，充分運(yùn)用自動(dòng)化控制技術(shù)，根據(jù)潮水漲落特點(diǎn)，靈活調(diào)度，納潮沖污。