基于WPI的盤龍河水質(zhì)變化特征研究

付 奔，李代華，夏永竹，王 龍，余 航*

(1.云南省水文水資源局文山分局，云南 文山，663099；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，昆明，650201)

1 引言

水是一種自然資源，近年來由于受到自然和人類活動的影響，使得全球各地的水資源危機和水環(huán)境污染成為急需解決的難題[1]。對此，應(yīng)該全面分析和評價河流水質(zhì)，為水污染防治提供依據(jù)。這是因為河流水質(zhì)是流域生態(tài)系統(tǒng)評價的一個重要指標(biāo)，也是分析流域污染特征的重要依據(jù)之一[2-3]。隨著CO2等溫室氣體排放增加，使得氣候變暖，進而影響水循環(huán)的各個要素(如降水、氣溫、徑流等)和循環(huán)方式。這將對水量產(chǎn)生嚴重影響，進而直接影響水環(huán)境中污染物的來源和遷移轉(zhuǎn)化行為[4]，最終影響水環(huán)境質(zhì)量[5]。也就是說，水文氣象要素的改變將會引起河流水質(zhì)的變化。因此，分析河流水質(zhì)變化特征以及與水文氣象要素的關(guān)系具有重要意義。

盤龍河位于云南省西南部，屬于國際河流，其河流水質(zhì)對下游地區(qū)有較大影響。一些學(xué)者對盤龍河流域納污能力[6]、環(huán)境剩余容量[7]、水資源管理[8]和污染物變化[9]等問題進行了深入探討，而關(guān)于水質(zhì)變化特征以及與水文氣象要素的關(guān)系的研究較少。因此，本文選取盤龍河的水質(zhì)、徑流和降水?dāng)?shù)據(jù)，利用水污染指數(shù)(WPI)、創(chuàng)新趨勢方法(ITA)和Spearman相關(guān)性分析盤龍河水質(zhì)的變化特征以及與水文氣象要素的關(guān)系。這將為合理開發(fā)利用水資源和保護盤龍河生態(tài)環(huán)境提供參考。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 研究區(qū)概況

盤龍河位于云南省文山州，為紅河流域上游，在文山州麻栗坡縣天保鎮(zhèn)出境，進入越南境內(nèi)并匯入紅河(如圖1所示)。盤龍河流經(jīng)云南蒙自、硯山、馬關(guān)、西疇和麻栗坡共計5個縣市；其在國內(nèi)徑流面積為6497km2，國內(nèi)河長245.1km，平均比降7.24‰。盤龍河流域內(nèi)夏秋東南和西南暖濕氣流活躍，暖濕多雨，冬春受變性冷高壓和干暖偏西氣流控制，多晴少雨；流域內(nèi)降水時空分布不均，多年平均降水量1200mm，多年平均徑流量27.6億m3[6，8]。

圖1 盤龍河和站點位置

2.2 研究數(shù)據(jù)

本文選取盤龍河5個水質(zhì)站的pH、溶解氧(DOX)、氨氮(NH3N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氟化物(F)、總磷(TP)計算各站點的WPI，并研究其時空變化特征；然后選取降水(PRE)、氣溫(AIRT)、水溫(WT)和徑流(RO)數(shù)據(jù)分析水文氣象要素與水質(zhì)的關(guān)系。雨量站、水質(zhì)站和徑流站位置如圖1所示。本文使用的數(shù)據(jù)起止時間為：回龍水庫，2014-2019年；天生橋，2016-2019年；灰土寨，2002-2019年；花橋，2002-2019年；天保，2010-2019年。

2.3 研究方法

2.3.1 WPI

本文采用WPI描述各站點的水質(zhì)狀況，該方法是根據(jù)水質(zhì)要素的觀測濃度(Ci)和標(biāo)準容許濃度(Si)為依據(jù)進行計算，其計算簡單、靈活，并且可以根據(jù)需求或數(shù)據(jù)限制調(diào)整相應(yīng)的水質(zhì)要素總數(shù)(n)，其計算步驟如下[10]。

(1)計算各水質(zhì)要素的污染負荷。公式如下：

(1)

(2)

式中，Ci為第i個水質(zhì)要素的觀測濃度；Si為第i個水質(zhì)要素的標(biāo)準值，其取值根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》(GB 3838—2002)[11]選取。參考文獻[10]計算WPI僅依賴于式(1)(pH除外)，這是由于其所選取的水質(zhì)要素均為越小越好，然而本文選取了DOX，其越大表明水質(zhì)越好，故需新增式(2)。也就是說，式(1)計算水質(zhì)要素越小表明水質(zhì)越好的情況；式(2)計算水質(zhì)要素越大表明水質(zhì)越好的情況。此外，對于pH而言，7表明水為中性，其過大或過小均是有害的，根據(jù)這一觀點，采用下式計算不同pH值的范圍。

(3)

(4)

如果pH<7，采用式(3)計算；pH>7，則采用式(4)計算。Sia和Sib分別表示最小和最大的可接受的pH值，本文根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》(GB 3838—2002)確定pH的范圍為6～9。

(2)計算WPI，根據(jù)計算得到的各水質(zhì)要素的污染負荷。計算其平均值即為WPI，公式如下：

(5)

式中：n表示水質(zhì)要素總數(shù)，本文n=7；i表示個水質(zhì)要素。

(3)水質(zhì)類別劃分。WPI將水質(zhì)分為四類：WPI<0.5，表示水質(zhì)優(yōu)良；0.51，表示重度污染。

2.3.2 趨勢分析

當(dāng)前廣泛采用的趨勢檢測方法為Mann-Kendall[12-13]，其在使用時需假設(shè)數(shù)據(jù)序列是獨立的，然而某些數(shù)據(jù)序列并不滿足該假設(shè)。因此，本文采用ITA[14]進行趨勢分析，該方法不需要假設(shè)數(shù)據(jù)序列正態(tài)和獨立。具體方法如下[14-17]：

(1)作圖判斷趨勢

(2)顯著性判斷

如果計算的斜率值的絕對值|s|小于臨界值|CL|，則接受原假設(shè)H0，表示不存在顯著趨勢；否則拒絕原假設(shè)H0，表示有顯著趨勢。根據(jù)下式計算斜率值S：

(6)

臨界值CL根據(jù)下式計算：

CL(1-a)-0±ScriσS

(7)

式中：α為臨界水平，取0.05；Scri為標(biāo)準正態(tài)分布的臨界概率；σS為根據(jù)式(8)計算的斜率的標(biāo)準差：

(8)

2.3.3 相關(guān)分析

本文根據(jù)SPSS軟件的Spearman相關(guān)性分析，研究水文氣象要素與水質(zhì)的相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)果和討論

3.1 空間變化特征

本文根據(jù)上述方法計算了每個站點的全年和各季節(jié)的WPI，如圖2所示。圖2表明，花橋的全年和各季節(jié)的平均WPI均大于其余4個站點，此外，除花橋春季平均WPI比0.75稍大，呈中度污染以外，其余各時間尺度的5個站點的平均WPI均小于0.75，水質(zhì)良好。具體來說，花橋的全年、夏季和冬季的平均WPI大于0.5小于0.75，水質(zhì)良好；其余站點的平均WPI均小于0.5，水質(zhì)優(yōu)良。春季除花橋以外，其余站點的平均WPI同樣小于0.5，水質(zhì)優(yōu)良；而花橋的平均WPI大于0.75，水質(zhì)呈中度污染。秋季5個站點的平均WPI均小于0.5，水質(zhì)優(yōu)良。

圖2 盤龍河全年和季節(jié)的平均WPI

以上結(jié)果說明，盤龍河全年和各季節(jié)(花橋的春季除外)的水質(zhì)良好，但這僅僅反映的是多年平均的情況，而對于較小的時間尺度來說，其表現(xiàn)可能有所不同(如圖3所示)。圖3表明，回龍水庫和天保的月WPI均小于0.75，水質(zhì)良好；天生橋在2016年1月和2019年8月的WPI大于1，呈重度污染，其余各月的WPI均小于0.75，水質(zhì)良好；灰土寨在2013年8月的WPI大于0.75小于1，呈中度污染，其余WPI均小于0.75，水質(zhì)良好；天生橋有19個月的WPI大于0.75，呈中度污染，其中4個月的WPI更是超過了1，呈重度污染。以上分析表明，盤龍河上游和下游水質(zhì)好于中游，特別是出境進入越南時，水質(zhì)良好。造成中游花橋水質(zhì)較差的原因主要是由于花橋位于文山州城區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，在新世紀以來，花橋的污染物濃度比其他4個站點要大[18]。另外，2015年盤龍河干流入河排污量總計1048萬t，NH3N入河量為14.8t[6]，有研究表明，在盤龍河中上游的NH3N污染最為嚴重，而下游相對較小[7]。這些研究說明盤龍河中游水質(zhì)較差，而在上游和下游水質(zhì)較好，這與本文研究結(jié)果一致。

圖3 盤龍河5個站點的月WPI

3.2 時間變化特征

圖4為全年和各季節(jié)的WPI的變化趨勢。圖4表明，除個別點以外，回龍水庫其余WPI在45°斜線下方，表示全年和各季節(jié)的WPI呈下降趨勢，且具有顯著性。天生橋全年、秋季和冬季的WPI在45°斜線下方，表示呈下降趨勢；春季和夏季的WPI分別靠近45°斜線下方和上方，分別呈下降和上升趨勢。除秋季以外，灰土寨其余WPI主要在45°斜線上方，呈上升趨勢，其中全年、夏季和冬季有顯著的上升趨勢；秋季W(wǎng)PI最大值在45°斜線下方，呈下降趨勢，中間值在45°斜線上方，呈上升趨勢，最小值則靠近45°斜線，趨勢不明顯，由于受到最大值的影響，使得秋季W(wǎng)PI呈不顯著的下降趨勢?；蛉?、夏季、秋季的WPI在45°斜線上方，呈上升趨勢，且具有顯著性；春季的WPI在45°斜線下方，呈下降趨勢，且具有顯著性；冬季W(wǎng)PI靠近45°線，呈不顯著的上升趨勢。天保全年、春季和夏季的WPI主要在45°斜線下方，呈下降趨勢，且全年和春季有顯著的下降趨勢；秋季W(wǎng)PI最大值、中間值和最小值分別在45°斜線上方、下方和靠近該線，分別呈上升、下降和沒有趨勢，總體上秋季W(wǎng)PI呈不顯著的上升趨勢；冬季W(wǎng)PI均在45°斜線下方，呈顯著的下降趨勢。

2012-2019年《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》(2016、2017未統(tǒng)計)公布的結(jié)果表明，盤龍河水質(zhì)變化不大，為Ⅱ～Ⅲ類。另外，2015-2017年的盤龍河水質(zhì)基本維持在Ⅱ～Ⅲ類，水質(zhì)較穩(wěn)定[6]。總體來看，盤龍河水質(zhì)較好且穩(wěn)定，但各水質(zhì)要素的變化趨勢可能不同，21世紀盤龍河從上游至下游各站點的BOD5總體呈增加趨勢；TP呈現(xiàn)上升后下降的趨勢；NH3N總體呈減少趨勢[9]。以上研究表明，盤龍河各水質(zhì)要素的變化趨勢不同，從而使得盤龍河各站點的WPI變化趨勢各不相同。

注：由于天生橋數(shù)據(jù)范圍為2016-2019年，因此僅有兩個點，故無法進行顯著性檢驗。

3.3 與水文氣象因素的關(guān)系

影響水質(zhì)的水文氣象因素較多，然而本文由于受到資料條件限制，故采取PRE、AIRT、WT和RO來分析與WPI的關(guān)系。并且經(jīng)檢驗，這些要素并不完全屬于正態(tài)分布，因此，本文利用SPSS軟件的Spearman相關(guān)性進行研究如圖5所示。

注：圖中加粗方框表示在0.01水平(雙尾)有顯著的相關(guān)關(guān)系。由于各站點的WPI只與其上游的PRE和RO有關(guān)，故分析時僅考慮上游的PRE和RO。由于回龍水庫無流量站，因此，沒有分析RO與WPI的關(guān)系；天生橋的水質(zhì)檢測從2016年開始，PRE數(shù)據(jù)截止為2016年，且附近沒有流量站，因此，沒有分析PRE和RO與WPI的關(guān)系。

圖5表明，除花橋的WPI與RO呈顯著的負相關(guān)關(guān)系以外，其余絕大多數(shù)各站點的WPI與RO、PRE呈不顯著的負相關(guān)關(guān)系。另外，除回龍水庫以外，其余站點的WPI與AIRT、WT也表現(xiàn)出不顯著的負相關(guān)關(guān)系。此外，回龍水庫的PRE與AIRT、WT呈顯著的負相關(guān)關(guān)系；花橋的AIRT與WT呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，其余各要素之間的相關(guān)關(guān)系較差。總體來說，盤龍河的WPI與水文氣象要素沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，在長湖也有類似的結(jié)論，即在某些站點的PRE與綜合污染指數(shù)呈不顯著的負相關(guān)關(guān)系[19]。然而，在物理成因上水文氣象要素對河流水質(zhì)有影響，具體來說，降水形成徑流后，降水和徑流沖刷積聚在地表的污染物，并隨著徑流進入江河湖庫，污染了流域內(nèi)的地表水和(或)地下水[20-21]。此外，隨著AIRT的上升，江河湖庫的WT也會升高，通常情況下，溫度上升將會影響水體的物化特性，以及溫層分布[22]和加速水體中化學(xué)反應(yīng)和生物降解速率等[23-24]。以上分析說明，PRE和RO、AIRT和WT對水質(zhì)有影響[5]，然而本文分析的結(jié)果是WPI與水文氣象要素關(guān)系較差，這可能是由于WPI反映的是多個水質(zhì)要素的綜合影響引起的，故接下來分析水文氣象要素與水質(zhì)要素的關(guān)系如圖6所示。

圖6表明，灰土寨RO與CODMn呈顯著的正相關(guān)關(guān)系；花橋RO與NH3N、BOD5呈顯著的負相關(guān)關(guān)系?；佚埶畮霵RE與CODMn、F、TP呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，與pH、DOX呈顯著的正相關(guān)關(guān)系；灰土寨PRE與pH呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，與DOX呈顯著的正相關(guān)關(guān)系；花橋PRE與DOX呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。天生橋AIRT與CODMn呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，與BOD5呈顯著的負相關(guān)關(guān)系?？傮w來說，降水與各水質(zhì)要素的關(guān)系好于其他水文氣象要素。這是由于降雨是水質(zhì)的主要影響因素之一，特別是在初始降水階段，大量污染物隨地表徑流匯入河流，對水質(zhì)造成較大的影響[25-26]。氣溫與水溫之間通過輻射等方式傳遞熱量，使得水溫與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，而水溫升高將提高污染物離子活躍程度，使得離子濃度增加、從而使得水體中化學(xué)反應(yīng)速率加快，另外還會增強微生物活性，釋放底泥中內(nèi)源性氮和磷[27-30]。已有研究表明，水文氣象要素與水質(zhì)要素，以及各水質(zhì)要素都具有不同類型和不同顯著性的相關(guān)關(guān)系[25，31-36]。以上分析說明，水文氣象要素對各水質(zhì)要素有不同程度的影響，這也就使得水文氣象要素與WPI的關(guān)系較差。

注：圖中加粗方框表示在0.01水平(雙尾)有顯著的相關(guān)關(guān)系；加粗橢圓框表示在0.05水平(雙尾)有顯著的相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論

(1)總體來說，除花橋春季W(wǎng)PI稍大于0.75水質(zhì)較差以外，其余WPI均小于0.75，甚至多數(shù)WPI小于0.5，這表明盤龍河全年和各季節(jié)的水質(zhì)較好。另外，回龍水庫和天保的月WPI均小于0.75，水質(zhì)較好，其余3個站點的月WPI盡管有大于0.75，甚至大于1的情況，但還是以小于0.75為主，故這些站點的水質(zhì)在多數(shù)月份較好。

(2)盤龍河上游的回龍水庫和天生橋的多數(shù)散點在45°斜線下方，即主要以下降趨勢為主，而在中游和下游的灰土寨、花橋和天保的多數(shù)散點在45°斜線上方，即以上升趨勢為主，且大多數(shù)趨勢在置信水平α=0.05時有顯著的上升或下降趨勢。

(3)從WPI來看，除花橋RO與WPI有顯著的負相關(guān)關(guān)系以外，其余水文氣象要素與WPI均沒有顯著的相關(guān)關(guān)系；回龍水庫的水文氣象要素與WPI主要呈正相關(guān)關(guān)系，而其余4個站點主要呈負相關(guān)關(guān)系。從水質(zhì)要素來看，多數(shù)情況下水文氣象要素與水質(zhì)要素沒有顯著的相關(guān)關(guān)系；水文氣象要素與pH、F主要呈負相關(guān)關(guān)系，與DOX、TP主要呈正相關(guān)關(guān)系，其余水質(zhì)要素在不同的站點有不同的相關(guān)關(guān)系。