張彥，梁志杰，鄒磊，李平，竇明，黃仲冬，齊學(xué)斌*，高青

黃河干流及主要支流水質(zhì)時(shí)空差異性及其變化特征研究

張彥1,3,4，梁志杰1,4，鄒磊2，李平1,4，竇明3,5，黃仲冬1，齊學(xué)斌1,4*，高青1,4

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001；4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全水環(huán)境因子風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002；5.鄭州大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001）

【】了解黃河流域水環(huán)境狀況可為黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供依據(jù)。選取黃河干流及主要支流湟水、渭河和汾河12個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面和4項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)pH值、溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）和氨氮（NH3-N），并利用多元統(tǒng)計(jì)方法分析了水質(zhì)時(shí)空差異性及其變化特征，同時(shí)引入水污染指數(shù)法（）對(duì)整體的水環(huán)境狀況進(jìn)行評(píng)估分析。黃河干流水質(zhì)狀況最好，湟水和渭河水質(zhì)狀況次之，汾河水質(zhì)狀況最差，且水質(zhì)指標(biāo)在空間和時(shí)間上均呈顯著的差異性；監(jiān)測(cè)斷面海東民和橋、渭南潼關(guān)吊橋和運(yùn)城河津大橋的值達(dá)到IV類及以上水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的頻率較高，分別為66.30%、98.91%和78.26%；各監(jiān)測(cè)斷面在春季和冬季的水質(zhì)狀況較差，而夏季和秋季水質(zhì)狀況相對(duì)較好。各監(jiān)測(cè)斷面的值均呈下降趨勢(shì)，其中海東民和橋、中衛(wèi)新墩和天水牛背等3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的下降趨勢(shì)比較顯著；基于指數(shù)的時(shí)空聚類分析結(jié)果與水體污染物濃度的時(shí)空分布情況具有一致性，空間上海東民和橋、渭南潼關(guān)吊橋和運(yùn)城河津大橋值的波動(dòng)性相對(duì)較大，時(shí)間上1—3月的值波動(dòng)性相對(duì)較大。黃河干流及主要支流水質(zhì)狀況具有明顯的時(shí)空差異性，但整體上水環(huán)境條件正在逐漸改善。

黃河；時(shí)空差異性；水污染指數(shù)；聚類分析

0 引言

【研究意義】黃河流域具有豐富的水資源條件，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)安全方面具有重要的地位，2019年，習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、推進(jìn)水資源節(jié)約集約利用和推動(dòng)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展。而隨著沿黃地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和人類活動(dòng)的影響，黃河流域水資源和水環(huán)境條件的變化嚴(yán)重制約了流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展。因此，開展黃河干流及主要支流水質(zhì)時(shí)空差異性和變化特征研究，可為黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供一定的理論基礎(chǔ)?！狙芯窟M(jìn)展】流域水生態(tài)環(huán)境受到多種因素的影響，分析河流水體污染物時(shí)空差異性對(duì)識(shí)別河流水質(zhì)狀況具有重要意義[1-2]。目前多元統(tǒng)計(jì)方法多用于此類分析，如Mann-Kendall檢驗(yàn)法[3]、方差分析法[4]、主成分分析法和聚類分析法等[5]，并在赤水河上游[6]、鄱陽(yáng)湖流域[7]、淮河流域[8]、黃河流域[9]、科威特灣[10]、日本八郎湖[11]和土耳其底格里斯河流域[12]等河湖中廣泛應(yīng)用。針對(duì)黃河流域，徐發(fā)凱等[13]、寧忠瑞等[14]、張婧雯等[15]分別利用相關(guān)統(tǒng)計(jì)方法分析了黃河干流蘭州和白銀段、黃河寧夏段和山西境內(nèi)黃河流域水體污染物的時(shí)空變化特征；白璐等[16]分析了黃河流域水污染排放特征以及污染物空間集聚的格局；陸丹等[17]運(yùn)用區(qū)間型貝葉斯模型對(duì)湟水干流的水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。以上研究主要針對(duì)水質(zhì)單指標(biāo)進(jìn)行分析，而水污染指數(shù)法（Water Pollution Index，）作為一種多種水質(zhì)污染指標(biāo)濃度簡(jiǎn)化為單一性指數(shù)值的方法，具有計(jì)算便捷、準(zhǔn)確性高、可比性好等優(yōu)點(diǎn)，且可分級(jí)表征水體綜合污染程度[18]；劉琰等[19]利用水污染指數(shù)法對(duì)湘江干流的18個(gè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析；孫藝珂等[20]以水污染指數(shù)和改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)建立了改進(jìn)的綜合水質(zhì)指數(shù)法并評(píng)價(jià)了黃河干流水質(zhì)狀況；景朝霞等[21]利用水污染指數(shù)法和聚類分析識(shí)別了漢江中下游干流的水環(huán)境時(shí)空變化特征。【切入點(diǎn)】水污染指數(shù)法以水體污染最嚴(yán)重的指標(biāo)作為判斷水質(zhì)類別，能夠?qū)ⅫS河流域水質(zhì)狀況進(jìn)行量化，更大程度上呈現(xiàn)黃河流域主要河流水質(zhì)空間差異性和變化特征?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究基于黃河干流及主要支流監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)指標(biāo)，利用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法、水污染指數(shù)法、聚類分析等方法，對(duì)黃河干流及主要支流水質(zhì)時(shí)空的差異性及其變化特征進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)黃河干流及主要支流主要污染物的來源進(jìn)行闡述，以準(zhǔn)確呈現(xiàn)水體污染物來源的特征并識(shí)別污染物來源的情況。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)來源

黃河流域（89°E—126°E、26°N—54°N）是我國(guó)第二大流域，流域面積約為75萬km2。渭河和汾河分別為黃河流域的最大支流和第二大支流，湟水為黃河上游的主要支流，其流域面積分別為13.48萬、3.97萬km2和3.29萬km2。黃河發(fā)源于青海省青藏高原，全長(zhǎng)5 464 km，自西向東分別流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南和山東9個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)），最終匯入渤海。黃河流域是重要的經(jīng)濟(jì)文化帶，包含重要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地和重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)，為黃河流域的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了豐富的資源[22]。

研究數(shù)據(jù)主要來源于中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站編制的《全國(guó)主要流域重點(diǎn)斷面水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)周報(bào)》，本文選取了黃河干流及主要支流12個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的4項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)。12個(gè)監(jiān)測(cè)斷面均為黃河流域省界、水庫(kù)、入海口和支流入黃前的關(guān)鍵監(jiān)測(cè)斷面，其中黃河干流監(jiān)測(cè)斷面主要有蘭州新城橋、中衛(wèi)新墩（甘-寧省界）、石嘴山麻黃溝（寧-蒙省界）、烏海海勃灣（寧-蒙省界）、包頭畫匠營(yíng)子、忻州萬家寨水庫(kù)、濟(jì)源小浪底和濟(jì)南濼口（入?？冢?，湟水監(jiān)測(cè)斷面為海東民和橋（青-甘省界），汾河監(jiān)測(cè)斷面為運(yùn)城河津大橋（晉-晉、陜省界<入黃前>），渭河監(jiān)測(cè)斷面主要有天水牛背（甘-陜省界）和渭南潼關(guān)吊橋（陜-晉、豫省界<入黃前>），具體位置詳見圖1。水質(zhì)指標(biāo)主要為《全國(guó)主要流域重點(diǎn)斷面水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)周報(bào)》中監(jiān)測(cè)指標(biāo)，包括pH值、溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）和氨氮（NH3-N），其中石嘴山麻黃溝、海東民和橋和天水牛背為2011年新增加的監(jiān)測(cè)斷面，選取的監(jiān)測(cè)時(shí)段為2011年5月—2018年12月，其余監(jiān)測(cè)斷面為2008年1月—2018年12月；水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)頻次基本為每周1次，通過數(shù)據(jù)處理將水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理為月平均值，水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）[23]。

圖1 黃河干流及主要支流水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面分布

1.2 研究方法

1.2.1 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

Mann-Kendall（M-K）檢驗(yàn)法是基于秩序的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，其零假設(shè)（0）為時(shí)間序列x（=1，2，…，）為獨(dú)立隨機(jī)變量同分布樣本，備擇假設(shè)（1）為雙邊檢驗(yàn)，假設(shè)x'和x（≤且'≠）的分布不同[24]。M-K檢驗(yàn)的優(yōu)越性在于能夠檢驗(yàn)線性或非線性的趨勢(shì)，其擴(kuò)展的精確性在水質(zhì)趨勢(shì)分析中得到了廣泛應(yīng)用[25]。標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值MK為時(shí)間序列數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，若MK>0，表示時(shí)間序列數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；反之表示時(shí)間序列數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的推移呈減小趨勢(shì)。當(dāng)｜MK｜>(1-α/2)時(shí)，則拒絕零假設(shè)，認(rèn)為時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在顯著趨勢(shì)性；(1-α/2)值可由標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表中查得，當(dāng)取顯著性水平=5%時(shí)，其對(duì)應(yīng)的(1-α/2)值為1.96[26-27]。

1.2.2 時(shí)空差異性分析

考慮到黃河干流及主要支流水質(zhì)在時(shí)間和空間上的差異性以及相似性，本文利用方差分析（ANOVA）對(duì)黃河干流及主要支流水質(zhì)指標(biāo)各監(jiān)測(cè)斷面和時(shí)間序列進(jìn)行顯著差異性檢驗(yàn)，進(jìn)而判斷水質(zhì)指標(biāo)在不同監(jiān)測(cè)斷面和時(shí)間序列是否存在顯著性差異[28]。

1.2.3 水污染指數(shù)法

水污染指數(shù)法以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中推薦的單因子評(píng)價(jià)法為基礎(chǔ)。本研究基于4項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)分別計(jì)算了水污染指數(shù)（），在各監(jiān)測(cè)斷面分別取各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的最大值作為該斷面的值，并依據(jù)地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與值判斷各斷面的水質(zhì)類別[19,21,29-30]，值處于I、II、III、IV、V和劣V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的值分別為20、20<≤40、40<≤60、60<≤80、80<≤100以及>100，其計(jì)算式為：

式中：()、C()、C()、5()分別為第個(gè)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)質(zhì)量濃度值、水質(zhì)指標(biāo)所在類別標(biāo)準(zhǔn)下限質(zhì)量濃度值及上限質(zhì)量濃度值和第個(gè)水質(zhì)指標(biāo)地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中V類標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度限值；()、()、()分別為各水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度值對(duì)應(yīng)的水污染指數(shù)值；若地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中2個(gè)水質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值相同，則按低分?jǐn)?shù)值區(qū)間插值計(jì)算。pH值的值一般取20，此外，若pH值＜6，(pH)=100+6.67×(6-[pH])；若pH值＞9，(pH)=100+8×([pH]-9)；若DO＜2 mg/L，(DO)=100+40×(2-[DO])/2。

其中，若單因子評(píng)價(jià)水質(zhì)指標(biāo)未超過V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算式見式（1）；若(DO)≥7.5 mg/L，（DO）取20；若2≤(DO)＜7.5 mg/L，計(jì)算式見式（2）；若單因子評(píng)價(jià)水質(zhì)指標(biāo)超過V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算式見式（3）。

1.2.4 聚類分析法

聚類分析法是根據(jù)研究對(duì)象的特性，進(jìn)行定量分析的一種多元統(tǒng)計(jì)方法。最常用的聚類分析方法是層次聚類分析，其實(shí)質(zhì)是將參與聚類的每個(gè)個(gè)體視為一類，根據(jù)兩類之間的距離或者相似性逐步聚合，直到聚成一類[1]。本研究利用SPSS21.0軟件進(jìn)行黃河干流及主要支流水質(zhì)指標(biāo)時(shí)間和空間尺度的層次聚類分析，聚類距離測(cè)量方式為平方歐氏距離，流域水質(zhì)評(píng)價(jià)中常按照監(jiān)測(cè)時(shí)間和監(jiān)測(cè)斷面的地理位置進(jìn)行聚類，分析流域水質(zhì)的時(shí)空變化特征[31-32]。

1.2.5 箱線圖法

箱線圖法是描述統(tǒng)計(jì)的一個(gè)簡(jiǎn)便工具，以簡(jiǎn)單的組合圖形將數(shù)據(jù)批量的以形狀直觀地表現(xiàn)出來，用于反映一組或多組連續(xù)型定量數(shù)據(jù)分布的中心位置和散布范圍[33]。在流域水質(zhì)評(píng)價(jià)的過程中使用箱線圖法來進(jìn)行分析研究，使得復(fù)雜龐大的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得以清楚地反映出變化規(guī)律[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)時(shí)空分布特征及差異性分析

2.1.1 水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

對(duì)黃河干流及其支流湟水、汾河和渭河的水質(zhì)指標(biāo)年、季均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表1所示。黃河干流及主要支流水質(zhì)總體上呈弱堿性。黃河干流、湟水、汾河和渭河DO質(zhì)量濃度年均值分別為8.73、7.47、4.89和7.27 mg/L，其中汾河DO質(zhì)量濃度年均值最低，處于IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；黃河干流、湟水、汾河和渭河CODMn質(zhì)量濃度年均值分別為2.83、3.94、37.09和5.14 mg/L，其中汾河CODMn質(zhì)量濃度年均值為其他年均值的7～13倍，達(dá)到了劣V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；黃河干流、湟水、汾河和渭河NH3-N質(zhì)量濃度年均值分別為0.35、1.81、11.39和1.52 mg/L，其中汾河NH3-N質(zhì)量濃度年均值為其他年均值的6～32倍，達(dá)到了劣V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，湟水和渭河NH3-N質(zhì)量濃度年均值也達(dá)到了IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。總之，針對(duì)單水質(zhì)指標(biāo)因素，汾河的水質(zhì)狀況最差，黃河干流的水質(zhì)狀況較好。

表1 黃河干流及主要支流水質(zhì)指標(biāo)年、季的統(tǒng)計(jì)值

2.1.2 水體污染物質(zhì)量濃度時(shí)空分布特征

黃河干流及主要支流水體污染物質(zhì)量濃度時(shí)空分布情況如圖2所示。各監(jiān)測(cè)斷面DO質(zhì)量濃度變化明顯，基本呈冬季＞春季＞秋季＞夏季，其中濟(jì)南濼口冬季DO質(zhì)量濃度最高為12.50 mg/L，運(yùn)城河津大橋夏季DO質(zhì)量濃度最低為3.57 mg/L。黃河干流、湟水、汾河和渭河夏季DO質(zhì)量濃度全年最低，均值分別為7.40、6.45、3.57和6.18 mg/L；冬季DO質(zhì)量濃度全年最高，均值分別為10.11、9.12、7.21和8.76 mg/L。

各監(jiān)測(cè)斷面CODMn質(zhì)量濃度總體變化規(guī)律不明顯，黃河干流、湟水、汾河和渭河CODMn質(zhì)量濃度均值在夏季、秋季、春季和冬季最高分別為3.07、4.37、48.86 mg/L和5.58 mg/L；黃河干流和湟水CODMn質(zhì)量濃度均值在冬季均值最低分別為2.58 mg/L和3.02 mg/L，汾河CODMn質(zhì)量濃度秋季均值最低為29.21 mg/L，渭河CODMn質(zhì)量濃度均值夏季最低為4.79 mg/L。

各監(jiān)測(cè)斷面NH3-N質(zhì)量濃度變化明顯，總體呈冬季＞春季＞秋季＞夏季，其中濟(jì)源小浪底秋季NH3-N質(zhì)量濃度最低為0.16 mg/L，運(yùn)城河津大橋冬季NH3-N質(zhì)量濃度最低為16.07 mg/L。黃河干流、湟水、汾河和渭河NH3-N質(zhì)量濃度夏季均值最低，分別為0.24、0.98、7.91 mg/L和0.80 mg/L；冬季均值最高，分別為0.49、2.98、16.07 mg/L和2.47 mg/L。

圖2 黃河干流及主要支流水體污染物質(zhì)量濃度的時(shí)空分布

綜上所述，黃河干流、湟水、汾河和渭河的DO、CODMn和NH3-N質(zhì)量濃度基本在冬季和春季較大，秋季和夏季相對(duì)較小，這是由于秋季和夏季降水較多，河流徑流量較大，水體自凈能力較強(qiáng)，此時(shí)水體污染物質(zhì)量濃度相對(duì)較好；冬季和春季降水較少，河流徑流量較小，水體自凈能力減弱，從而使水體污染物質(zhì)量濃度相對(duì)較差[34-35]。

2.1.3 水體污染物質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)

對(duì)各監(jiān)測(cè)斷面DO、CODMn和NH3-N質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)的時(shí)間序列進(jìn)行M-K檢驗(yàn)分析，其變化趨勢(shì)分布情況如圖3所示。中衛(wèi)新墩和忻州萬家寨水庫(kù)監(jiān)測(cè)斷面DO質(zhì)量濃度呈顯著減小趨勢(shì)，天水牛背、石嘴山麻黃溝和濟(jì)南濼口監(jiān)測(cè)斷面DO質(zhì)量濃度呈顯著增加趨勢(shì)；蘭州新城橋、石嘴山麻黃溝和天水牛背監(jiān)測(cè)斷面CODMn質(zhì)量濃度呈顯著減小趨勢(shì)，包頭畫匠營(yíng)子監(jiān)測(cè)斷面CODMn質(zhì)量濃度呈顯著增加趨勢(shì)；海東民和橋和天水牛背監(jiān)測(cè)斷面NH3-N呈顯著性減小趨勢(shì)；而針對(duì)其余監(jiān)測(cè)斷面DO、CODMn和NH3-N的質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)不顯著。

圖3 各監(jiān)測(cè)斷面水體污染物變化趨勢(shì)

2.1.4 水質(zhì)時(shí)空差異性分析

利用方差分析對(duì)黃河干流及主要支流監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行差異性分析，同時(shí)采用Duncan方法檢驗(yàn)差異的顯著性程度，其差異性檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示?？芍S河干流及主要支流監(jiān)測(cè)斷面pH值、DO、CODMn和NH3-N在空間和時(shí)間上均呈現(xiàn)顯著的差異性（＜0.05），說明不管從空間尺度還是時(shí)間尺度上，其水質(zhì)指標(biāo)都存在明顯的變化，為了更加準(zhǔn)確的描述水質(zhì)總體變化狀況，需要對(duì)水質(zhì)狀況進(jìn)一步綜合分析。

表2 水質(zhì)時(shí)空差異性檢驗(yàn)結(jié)果

注 采用Duncan方法檢驗(yàn)，顯著性水平﹤0.05。

2.2 基于WPI指數(shù)的水質(zhì)分析

2.2.1 基于指數(shù)的水質(zhì)時(shí)空分布

根據(jù)各監(jiān)測(cè)斷面的值，在保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間一致的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)空間上各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)不同類別的頻率（各監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)頻次為92），具體情況如圖4所示。蘭州新城橋、中衛(wèi)新墩、石嘴山麻黃溝、烏海海勃灣、包頭畫匠營(yíng)子、忻州萬家寨水庫(kù)、濟(jì)源小浪底、濟(jì)南濼口和天水牛背的值大部分處于III類及以下水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，頻率分別為98.91%、100%、98.91%、96.74%、98.91%、100%、84.78%、100%和91.30%；海東民和橋、運(yùn)城河津大橋和渭南潼關(guān)吊橋的值大部分處于IV類及以上水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，頻率分別為66.30%、98.91%和78.26%，其中達(dá)到劣V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的頻率分別為43.48%、89.13%和27.17%?？傮w來說，黃河干流水質(zhì)狀況比主要支流水質(zhì)狀況好，而支流匯入黃河干流前的監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)狀況最差。

從季節(jié)來看，基于指數(shù)的黃河干流及主要支流水質(zhì)類別斷面占比如圖5所示。各季節(jié)值處于II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的斷面占比最大，春季、夏季、秋季和冬季的斷面占比分別為52.34%、50.14%、57.72%和50.55%；其次為值處于III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的斷面占比，春季、夏季、秋季和冬季的斷面占比分別為20.11%、23.58%、21.41%和19.95%；值達(dá)到IV類及以上水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的斷面占比冬季最大為28.69%，其次為春季和夏季分別為25.90%和25.20%，秋季最小為18.70%，其中春季和冬季值達(dá)到劣V類水質(zhì)的斷面占比分別達(dá)到了18.73%和18.31%，說明整體黃河干流及主要支流在春季和冬季水質(zhì)出現(xiàn)較差的監(jiān)測(cè)斷面居多。

圖4 基于WPI指數(shù)的水質(zhì)類別頻率統(tǒng)計(jì)

圖5 基于WPI指數(shù)的水質(zhì)類別斷面占比

2.2.2 基于的水質(zhì)趨勢(shì)變化

根據(jù)指數(shù)的各斷面水質(zhì)變化趨勢(shì)（圖6）可知，黃河干流及主要支流各監(jiān)測(cè)斷面的值均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中海東民和橋、中衛(wèi)新墩和天水牛背下降趨勢(shì)比較顯著；與上面各水體污染物濃度變化趨勢(shì)相比，值的變化趨勢(shì)與NH3-N的變化趨勢(shì)最為接近，說明黃河干流及主要支流各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)濃度變化的控制指標(biāo)為NH3-N。另外對(duì)各監(jiān)測(cè)斷面的值進(jìn)行MK趨勢(shì)突變分析可知，濟(jì)南濼口在2010年9月出現(xiàn)明顯突變，忻州萬家寨水庫(kù)在2011年4月出現(xiàn)明顯突變，包頭畫匠營(yíng)子和運(yùn)城河津大橋分別在2012年5月和6月出現(xiàn)明顯突變，濟(jì)源小浪底、石嘴山麻黃溝、渭南潼關(guān)吊橋和烏海海勃灣分別在2013年11、4、8月和4月出現(xiàn)明顯突變，蘭州新城橋和天水牛背分別在2016年1月和6月出現(xiàn)明顯突變；各監(jiān)測(cè)斷面值在不同的時(shí)間段發(fā)生明顯突變，說明在此時(shí)間段之后監(jiān)測(cè)斷面水體污染狀況呈現(xiàn)出明顯的變好趨勢(shì)。

圖6 基于WPI指數(shù)的各斷面水質(zhì)變化趨勢(shì)

2.2.3 基于指數(shù)的聚類和箱線圖分析

根據(jù)空間聚類分析結(jié)果（圖7（a））可知，可將黃河干流及主要支流監(jiān)測(cè)斷面值在空間上分為3類：S1類主要位于黃河干流及渭河甘-陜省界，包括中衛(wèi)新墩、濟(jì)南濼口、忻州萬家寨水庫(kù)、蘭州新城橋、石嘴山麻黃溝、烏海海勃灣、包頭畫匠營(yíng)子、濟(jì)源小浪底和天水牛背，這類監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)狀況最好；S2類主要位于湟水和渭河匯入黃河干流入口處，包括海東民和橋和渭南潼關(guān)吊橋，這類監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)狀況較差；S3類為運(yùn)城河津大橋，位于汾河匯入黃河干流入口處，此處的水質(zhì)狀況最差。根據(jù)時(shí)間聚類分析結(jié)果（圖7（b））可知，可將黃河干流及主要支流值在時(shí)間上分為3個(gè)時(shí)段：時(shí)段T1為6—10月，時(shí)段T2為4、5、11月和12月，時(shí)段T3為1—3月；這與黃河干流及主要支流季節(jié)的月份基本上對(duì)應(yīng)，說明各季節(jié)值的差異性較顯著，但組內(nèi)各月值的差異不大，T1時(shí)段內(nèi)的水質(zhì)狀況比T2時(shí)段和T3時(shí)段的水質(zhì)狀況好，這與季節(jié)性的分析結(jié)果一致。

圖7 基于WPI指數(shù)的空間尺度和時(shí)間尺度聚類分析

根據(jù)空間箱型圖結(jié)果（圖8（a））可知，運(yùn)城河津大橋的值變異性最大，說明其水質(zhì)狀況的波動(dòng)性較大；海東民和橋和渭南潼關(guān)吊橋的值變異性次之，其水質(zhì)狀況的波動(dòng)性弱于運(yùn)城河津大橋；其余監(jiān)測(cè)斷面的值變異性相對(duì)較小，水質(zhì)狀況整體較為穩(wěn)定。根據(jù)時(shí)間箱型圖結(jié)果（圖8（b））可知，1—3月的值變異性相對(duì)較大，4、5、11月和12月的值變異性次之，6—10月的值變異性相對(duì)較小；說明水質(zhì)整體狀況在年內(nèi)的波動(dòng)性較大。

圖8 基于WPI指數(shù)的空間尺度和時(shí)間尺度箱線圖分析

3 討論

黃河干流及主要支流水體污染物主要來自工業(yè)廢水、生活污水、畜禽養(yǎng)殖廢水以及化肥農(nóng)藥施用引起的農(nóng)業(yè)面源污染。相關(guān)研究表明渭河沿岸工業(yè)、農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)生活用水量增加，污水的排放量也不斷增加，導(dǎo)致渭河流域的環(huán)境污染負(fù)荷上升；汾河排放了大量未經(jīng)處理的工業(yè)廢水和生活污水，使得汾河水體遭到了嚴(yán)重污染[36-38]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年青海省湟水流域城鎮(zhèn)居民生活污水排放量為6 101萬t，工業(yè)廢水排放量為7 495萬t[39]；2018年山西省汾河流域廢污水排放量達(dá)到了3.52億t，占山西省總廢污水排放量的44.4%[40]；2018年陜西省黃河流域城鎮(zhèn)居民生活污水排放量為4.699億t，工業(yè)廢水排放量為4.912萬t[41]。

從時(shí)間尺度來說，黃河干流及主要支流各監(jiān)測(cè)斷面的水體污染物具有顯著的差異性且呈變好趨勢(shì)，這與相關(guān)研究[9,42]具有一致性。由于水體污染物質(zhì)量濃度受到降雨、徑流和人類活動(dòng)等多種因素的影響，黃河干流及主要支流水體污染物呈春季和冬季較差、夏季和秋季水體污染物相對(duì)較好的現(xiàn)象，這是因?yàn)榇杭竞投竞恿鲝搅鬏^小，水體自凈能力較差，夏季河秋季河流徑流較大，水體自凈能力較強(qiáng)；然而徑流量相對(duì)于水體污染物質(zhì)量濃度變化存在一個(gè)極值，當(dāng)徑流量大于這個(gè)極值時(shí)，河流能夠保持足夠的自潔能力，反之河流會(huì)被進(jìn)一步污染[43]。

從空間尺度來說，黃河干流及主要支流各監(jiān)測(cè)斷面的水體污染物具有顯著的空間差異性，黃河干流水質(zhì)狀況最好，湟水和渭河水質(zhì)狀況次之，汾河水質(zhì)狀況最差，這主要與各流域當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r和廢污水排放量大小密切相關(guān)。目前來看，仍有些監(jiān)測(cè)斷面污染情況較為嚴(yán)重，如海東民和橋、渭南潼關(guān)吊橋和運(yùn)城河津大橋，水污染指數(shù)年均值分別達(dá)到了86.60、107.19和297.29，同時(shí)研究表明黃河流域各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)質(zhì)量濃度變化的控制指標(biāo)為NH3-N，這與相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)渭河主要污染因子以NH3-N為主一致[44]。

總體來說，黃河流域各監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)呈現(xiàn)顯著的時(shí)空差異性，為減少河流水體污染物質(zhì)量濃度改善河流水體環(huán)境，要減少化肥農(nóng)藥的使用，從源頭控制污染物的來源；要加大工業(yè)廢水、生活污水和養(yǎng)殖廢水的處理力度，減少污染物的排放；要加強(qiáng)黃河流域污染較重的支流的監(jiān)測(cè)和治理，針對(duì)排污量較大的項(xiàng)目，應(yīng)及時(shí)采取治理措施。

4 結(jié)論

1）黃河干流及主要支流水質(zhì)總體上呈現(xiàn)弱堿性，黃河干流水質(zhì)狀況最好，湟水和渭河水質(zhì)狀況次之，汾河水質(zhì)狀況最差，且水質(zhì)指標(biāo)在空間和時(shí)間上均呈現(xiàn)顯著的差異性；海東民和橋、渭南潼關(guān)吊橋和運(yùn)城河津大橋的水體污染物質(zhì)量濃度超過III水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)占比基本上處于50%以上，且其值達(dá)到IV類及以上水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的頻次較高，分別為66.30%、98.91%和78.26%。

2）各監(jiān)測(cè)斷面呈春季和冬季水質(zhì)狀況較差，而夏季和秋季水質(zhì)狀況相對(duì)較好，值達(dá)到IV類及以上水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的斷面占比冬季最大為28.69%，其次為春季和夏季分別為25.90%和25.20%，秋季最小為18.70%。各監(jiān)測(cè)斷面的值均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中海東民和橋、中衛(wèi)新墩和天水牛背下降趨勢(shì)比較顯著；監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)在不同年份出現(xiàn)明顯突變，且質(zhì)量濃度變化的控制指標(biāo)為NH3-N。

3）基于指數(shù)的時(shí)空聚類分析結(jié)果與水體污染物質(zhì)量濃度的時(shí)空分布情況具有一致性，空間上海東民和橋、渭南潼關(guān)吊橋和運(yùn)城河津大橋值的波動(dòng)性相對(duì)較大，其余監(jiān)測(cè)斷面的值變異性相對(duì)較??；時(shí)間上1—3月的值波動(dòng)性相對(duì)較大，其余月份值波動(dòng)性相對(duì)較小。

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Spatiotemporal Variation in Water Quality in the Yellow River Basin

ZHANG Yan1,3,4, LIANG Zhijie1,4, ZOU Lei2, LI Ping1,4, DOU Ming3,5, HUANG Zhongdong1, QI Xuebin1,4*, GAO Qing1,4

(1.Institute of Farmland Irrigation, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453002, China; 2. Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 3. School of Water Conservancy Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 4.Laboratory of Quality and Safety Risk Assessment for Agro-Products on Water Environmental Factors, Ministry of Agriculture, Xinxiang 453002, China; 5. School of Ecology and Environment, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

【】The Yellow River is the second largest river in China, flowing through six provinces across the county from the west to the east. The rapid economic development and the increased anthropogenic activity over the past four decades, however, have resulted in changes in its runoffs and water quality both temporally and spatially. Understanding these changes can help improve water management and maintain ecological sustainability of the river. The purpose of this paper is to present the results of a survey on the water quality of Yellow River and its tributaries.【】We selected 12 sections in the river and its tributaries, and measured pH, dissolved oxygen (DO), permanganate index (CODMn) and ammonia nitrogen (NH3) in each section at different seasons. Spatiotemporal variations in these chemical properties were analyzed using the multivariate statistical method, and the quality of the water at each section was quantified using a water pollution index ().【】Water quality of the river was the best in the mainstream, followed by its tributaries Huangshui River and Weihe River, with the water quality in Fen river being the worst. All four chemical properties varied spatiotemporally. Themeasured at different seasons in the sections at Minhe Bridge in Haidong, Tongguan Suspension Bridge in Weinan, and Yuncheng Hejin Bridge in Yuncheng, reached Class IV water quality standard or above at frequencies of 66.30%, 98.91% and 78.62%, respectively. In general, the water quality of all sections was poor in spring and winter but improved in summer and autumn. During the measuring period, thein all sections had been in decrease, especially the sections at Minhe Bridge in Haidong, Zhongwei Xintun, and Tianshui Niubei. Cluster analysis based on theindex was consistent with the spatiotemporal distribution of the pollutant concentrations, and the seasonal fluctuation inat Minhe Bridge in Haidong, Tongguan Suspension Bridge in Weinan, and Hejin Bridge in Yuncheng, was higher, especially from January to March, than that in other sections. 【】The water quality of Yellow River and its tributaries varied spatiotemporally, but overall it has been improving.

Yellow river; spatiotemporal variation; water pollution index; cluster analysis

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X824

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021621

1672 – 3317（2021）09 - 0125 - 09

2020-11-04

河南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（212300410310）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子課題（2017YFD0800403）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（FIRI20210105，F(xiàn)IRI2017-11）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51879239，42101043）；常熟市耕地質(zhì)量提升技術(shù)支撐服務(wù)項(xiàng)目（JSJY-Z2021D002）

張彥（1989-），男。助理研究員，主要從事水資源與水環(huán)境研究。E-mail: zhangyan09@caas.cn

齊學(xué)斌（1963-），男。研究員，主要從事農(nóng)業(yè)水資源研究。E-mail: qxb6301@sina.cn

責(zé)任編輯：趙宇龍