史淑娟，王戰(zhàn)勇，郭悅嵩，侯勝玲

(1. 河南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，鄭州 450004；2. 河南省環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450004；3. 新鄭市環(huán)境監(jiān)察大隊(duì)，鄭州 451100；4. 鄭州水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001)

0 引 言

近年來(lái)，流域水環(huán)境污染、水生態(tài)退化已成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。兩類水問(wèn)題并不是單獨(dú)存在的，相互之間也存在影響關(guān)系。生態(tài)流量是維系河流生態(tài)系統(tǒng)完整性與功能性的重要因素，隨著季節(jié)性流量變化趨勢(shì)，加之水污染問(wèn)題，生態(tài)流量的量與質(zhì)均需要得到保障。生態(tài)流量水文學(xué)法是基于水文資料，將各年份逐月進(jìn)行豐、平、枯水年分組，選取不同歷時(shí)點(diǎn)作為生態(tài)流量等級(jí)計(jì)算流域生態(tài)流量[1]，其優(yōu)點(diǎn)為快速便捷，所需資料容易獲取，其中常用方法包括Tennant法[2]、Lyon法[3]。流域生態(tài)流量是維持河道及河口的自然生態(tài)系統(tǒng)和維持人類生存發(fā)展所依賴的生態(tài)系統(tǒng)所需要的水量、時(shí)間和水質(zhì)[4]，流域水污染的加劇導(dǎo)致生態(tài)水質(zhì)降低進(jìn)而影響生態(tài)水量，通過(guò)分析水質(zhì)與水量的空間關(guān)聯(lián)性可篩選典型污染物，明確治理方向，常用的方法有灰色關(guān)聯(lián)度法[5]、單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法[6]。利用典型污染物，可分析水質(zhì)與水量時(shí)空變化趨勢(shì)，主要運(yùn)用的方法有Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)法[7]、小波分析[8]和九點(diǎn)二次平滑法[9]。前期的研究主要是集中在生態(tài)流量的計(jì)算和水質(zhì)污染的變化趨勢(shì)，很少將兩者結(jié)合起來(lái)進(jìn)行關(guān)聯(lián)及時(shí)空趨勢(shì)變化分析。因此，本文采用Lyon法計(jì)算河流生態(tài)流量，再以優(yōu)序度理論計(jì)算生態(tài)流量與污染物之間的關(guān)聯(lián)程度，根據(jù)優(yōu)序度的大小篩選出與河流生態(tài)流量關(guān)系最為密切的典型污染物，通過(guò)九點(diǎn)二次平滑法對(duì)流域污染趨勢(shì)進(jìn)行時(shí)空分析，以小洪河駐馬店段為例，進(jìn)行了實(shí)例研究。本文創(chuàng)新性的將生態(tài)流量與污染物濃度結(jié)合進(jìn)行流域生態(tài)水污染時(shí)空趨勢(shì)分析，利用優(yōu)序度理論篩選出對(duì)生態(tài)流量影響最大的污染物，并分析主要污染物對(duì)河流生態(tài)健康的影響，研究成果可為小洪河流域水生態(tài)、水污染相互影響變化趨勢(shì)提供科學(xué)依據(jù)，為流域水資源管理提供技術(shù)支撐，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 研究方法

為研究流域水生態(tài)、水污染狀況關(guān)聯(lián)變化趨勢(shì)，本文采用水文學(xué)法中的Lyon法計(jì)算生態(tài)流量，利用優(yōu)序度理論篩選出與生態(tài)流量關(guān)聯(lián)最為密切需要的關(guān)鍵變量，最后再利用九點(diǎn)二次平滑分析法對(duì)關(guān)鍵變量進(jìn)行時(shí)空變化的趨勢(shì)分析。

1.1 Lyon法

Lyon法是美國(guó)得克薩斯州水發(fā)展局基于水文頻率變動(dòng)和生態(tài)需求開發(fā)的水文學(xué)方法[10]，其原理是以水文資料為基礎(chǔ)，在年內(nèi)水期變動(dòng)考量方面，將年內(nèi)流量劃分為豐水期和枯水期，依據(jù)不同判別標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算生態(tài)流量。本文利用Lyon法計(jì)算流域上下游生態(tài)流量。具體計(jì)算法則見表1。

表1 Lyon法的生態(tài)流量計(jì)算原理Tab.1 Calculation principle of the ecological flow by the Lyon method

1.2 優(yōu)序度

優(yōu)序度以數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，要求大量數(shù)據(jù)且需遵從一定的概率分布，具有一定的科學(xué)依據(jù)。灰色關(guān)聯(lián)度來(lái)源于幾何相似，其實(shí)質(zhì)是進(jìn)行曲線間幾何形態(tài)的比較，幾何形態(tài)較相近的序列，變化趨勢(shì)越接近，關(guān)聯(lián)度也就越高；反之，序列形態(tài)相差較遠(yuǎn)，關(guān)聯(lián)度越低。根據(jù)魏鳳英[11]對(duì)灰色關(guān)聯(lián)度的研究，進(jìn)而得到一種更適合計(jì)算因變量與自變量之間關(guān)系密切程度的優(yōu)序度，該計(jì)算方法更加簡(jiǎn)單，更能體現(xiàn)出變量與變量之間相關(guān)的緊密程度。利用關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法求出污染物與生態(tài)流量之間關(guān)聯(lián)的優(yōu)序度，并篩選出優(yōu)序度最大的污染物。方法計(jì)算步驟如下：

(1)對(duì)m個(gè)自變量xi=(xi1,xi2,…,xin)(i=1,2,…,m)及因變量x0=(x01,x02,…,x0n)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化處理后使各變量之間的量綱統(tǒng)一，n為樣本量，將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的值也記作xij。標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式如下：

(1)

(2)計(jì)算因變量x0與自變量xi之間的相關(guān)系數(shù)，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：ξij是每個(gè)時(shí)間點(diǎn)因變量與自變量之間的相關(guān)系數(shù)；ai為權(quán)重系數(shù)。

①權(quán)重系數(shù)ai計(jì)算如下：

(3)

式中：li是所有自變量序列與因變量序列取最大距離Δmaxxijl時(shí)第i個(gè)自變量所占的個(gè)數(shù)；同理，si是取最小距離Δmaxxijs所占的個(gè)數(shù)。

②li、si計(jì)算步驟如下：

Δmaxxijl=max|x0jl-xijl|

Δminxijs=max|x0js-xijs|

(4)

在具體的第j個(gè)時(shí)間段取出Δmaxxijl和Δminxijs，再計(jì)算第i個(gè)自變量在所有時(shí)間序列n中所占Δmaxxijl的個(gè)數(shù)li和Δminxijs的個(gè)數(shù)si。

(3)取各時(shí)間段相關(guān)系數(shù)的平均值作為最后第i個(gè)自變量與因變量之間關(guān)聯(lián)的優(yōu)序度，計(jì)算公式如下：

(5)

1.3 九點(diǎn)二次平滑

選取優(yōu)序度最大的污染物作為關(guān)鍵變量，利用篩選出的流域關(guān)鍵污染物在時(shí)間和空間上做九點(diǎn)二次平滑。九點(diǎn)二次平滑法有降低通濾波器的作用，以便展現(xiàn)出變量的變化趨勢(shì)，與滑動(dòng)平均相比九點(diǎn)二次平滑的優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì)削弱過(guò)多的波幅。

對(duì)時(shí)間序列x用二次多項(xiàng)式擬合：

(6)

式中：a0,a1,a2可以根據(jù)最小二乘法原理確定，然后以此確定九點(diǎn)二次平滑計(jì)算公式。

九點(diǎn)二次平滑公式如下：

59xi+54xi+1+39xi+2+14xi+3-21xi+4)

(7)

2 實(shí)例分析

2.1 流域概況

小洪河發(fā)源于河南省舞鋼市伏牛山區(qū)，流經(jīng)漯河市舞陽(yáng)縣、駐馬店市西平、上蔡、平輿、新蔡四縣，于新蔡班臺(tái)和汝河交匯入大洪河，屬于淮河上游的二級(jí)支流，小洪河干流長(zhǎng)251 km，流域面積4 287 km2?；春邮侵袊?guó)水污染控制的重點(diǎn)之一，洪河作為淮河上游最大的支流，日益嚴(yán)重的水污染已成為該流域可持續(xù)發(fā)展的制約因素。根據(jù)流域水資源公報(bào)結(jié)合流域?qū)嶋H排污情況，選取COD、氨氮、TP作為小洪河流域的代表性污染因子。

2.2 生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果及分析

為了選取能代表河流污染情況的典型污染物，即選擇與河流生態(tài)狀況關(guān)聯(lián)最為密切的污染物，首先要計(jì)算河流生態(tài)流量。本文以西平、上蔡、平輿和新蔡四站1991-2016年逐日還原流量作為L(zhǎng)yon法計(jì)算生態(tài)流量的依據(jù)，計(jì)算結(jié)果見圖1。

圖1 關(guān)鍵斷面生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果Fig.1 Ecological flow calculation results for key sections

由圖1可知，西平、上蔡、平輿和新蔡四站年內(nèi)流量變化明顯，枯水月份和豐水月份月均流量值相差較大，小洪河新蔡段7月份的月均水量為4月份的11倍。豐水月份集中在7-8月，分別占多年平均流量的36.1%、36.2%、44.9%和53.3%；1-4月月均水量較少，分別占多年平均流量的22.0%、20.9%、16.1%和12.5%，多年月均流量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化。就生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果而言，在流量的年內(nèi)季節(jié)變化模擬方面，能體現(xiàn)出水期差異，能在一定程度上反映流量的季節(jié)性變化。

四站多年平均水量分別為46、72、97、218 m3/s，自上而下依次遞增，表現(xiàn)出典型變化特征；所對(duì)應(yīng)的生態(tài)流量值分別為21、27、45、102 m3/s，和天然流量一樣，從上到下逐漸增加，其中新蔡段流量相對(duì)于以上三站增加顯著。天然月均水量的水文節(jié)律變化呈現(xiàn)1-6月上下略有浮動(dòng)，7-10月逐月減少的趨勢(shì)。在水文節(jié)律的模擬效果方面，生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果未出現(xiàn)與天然水文節(jié)律偏差的情況，對(duì)天然水文節(jié)律的模擬方面效果較好[12]。

2.3 關(guān)鍵斷面優(yōu)序度計(jì)算結(jié)果及分析

選取小洪河流域生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果中2013年11月-2016年12月各月的生態(tài)流量作為因變量x0，COD、氨氮、TP三個(gè)代表性污染物指標(biāo)作為自變量xi(i=1,2,3)，根據(jù)公式(1) ～式(5)計(jì)算因變量(生態(tài)流量)與自變量(COD、氨氮、TP)之間關(guān)聯(lián)的優(yōu)序度，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 各斷面各指標(biāo)與生態(tài)流量關(guān)聯(lián)的優(yōu)序度 mol/LTab.2 Index and ecological flow priority of each section

從計(jì)算結(jié)果可以看出，4個(gè)斷面中西平、上蔡和平輿3個(gè)斷面的氨氮濃度與小洪河流域生態(tài)流量關(guān)聯(lián)的優(yōu)序度最大，分別是0.95、0.90、0.95，新蔡斷面優(yōu)序度也達(dá)到了0.79，COD與生態(tài)流量關(guān)聯(lián)的優(yōu)序度也較大，而TP與生態(tài)流量關(guān)聯(lián)的優(yōu)序度最小，說(shuō)明小洪河流域中主要影響河流生態(tài)流量健康的為氨氮濃度，其次為COD濃度，TP不易影響該斷面的生態(tài)流量。西平和平輿兩個(gè)河段氨氮與生態(tài)流量關(guān)聯(lián)的優(yōu)序度最大，達(dá)到了0.95，這與地方的經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及相關(guān)政策有很大關(guān)系。

氨氮可以作為4個(gè)斷面污染源的主要因子，能影響流域中水生生物與底棲動(dòng)物的多樣性，以及河流中水體的健康程度，小洪河流域中氨氮和生態(tài)流量的關(guān)系緊密，這主要與流域上各城市的發(fā)展有關(guān)。西平、上蔡、平輿三個(gè)縣多以平原為主，都是糧食生產(chǎn)大縣，主要農(nóng)作物有小麥、玉米等，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用氮肥的頻率大，從而會(huì)有游離的氨氮離子或者是含氮化合物排放到小洪河流域中，引起小洪河中氨氮含量豐富；西平縣養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，大型養(yǎng)殖場(chǎng)對(duì)流域中排放糞便等污染物，造成小洪河流域含氮化合物增多；平輿縣工業(yè)發(fā)展迅速，城市化相對(duì)嚴(yán)重，工業(yè)廢水以及生活污水排放量大，加劇了氨氮的污染狀況。

2.4 時(shí)空趨勢(shì)分析

根據(jù)多年生態(tài)流量與各斷面代表性污染物的關(guān)聯(lián)程度，最終選取氨氮作為典型污染物進(jìn)行分析。將西平、上蔡、平輿和新蔡河段2013年11月-2016年12月的逐月氨氮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用九點(diǎn)二次平滑法進(jìn)行時(shí)空趨勢(shì)分析，分析結(jié)果見圖2。

圖2 關(guān)鍵斷面氨氮濃度趨勢(shì)分析Fig.2 Trend analysis of ammonia nitrogen concentration in key sections

從時(shí)間上來(lái)看，四縣控制斷面的氨氮濃度38個(gè)月以來(lái)總體上呈下降趨勢(shì)，生態(tài)流量在季節(jié)變化模擬方面能在一定程度上反映出氨氮濃度的季節(jié)性變化。西平、平輿和新蔡氨氮濃度起初維持在較高水平，為劣五類水質(zhì)[13]，經(jīng)過(guò)“十二五”和國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)，各地環(huán)保相關(guān)部門狠抓污染治理及控制企業(yè)污染排放，至2016年末，氨氮水平下降幅度明顯，基本達(dá)到三類或四類水標(biāo)準(zhǔn)。查閱相關(guān)資料得知，上蔡縣經(jīng)濟(jì)整體發(fā)展水平較低，工業(yè)發(fā)展較為落后，氨氮主要污染源來(lái)自畜牧業(yè)及農(nóng)業(yè)，這就使得污染控制斷面氨氮監(jiān)測(cè)濃度值較低，同時(shí)上蔡縣在污染治理及污染物控制等方面監(jiān)管力度較大，在2014年初曾一度出現(xiàn)了氨氮濃度接近于0的情況，但隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，氨氮水平上下波動(dòng)較為明顯，但整體上趨于穩(wěn)定，呈下降趨勢(shì)。

從空間上來(lái)看，自上而下依次是西平、上蔡、平輿和新蔡監(jiān)測(cè)斷面。西平斷面多月氨氮平均濃度最高，達(dá)到3.73 mol/L，而其生態(tài)流量為21 m3/s，在四縣中最低，這與當(dāng)?shù)夭缓侠淼漠a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及落后的生產(chǎn)水平和環(huán)保意識(shí)密切相關(guān)，隨著政府監(jiān)管力度的加強(qiáng)和社會(huì)發(fā)展形態(tài)的不斷轉(zhuǎn)變，西平縣的污染治理工作成效十分顯著，但還有較大的改進(jìn)空間。上蔡、平輿、新蔡三縣的多月氨氮平均濃度分別為1.06、1.43、2.81 mol/L，隨著水流流向而逐漸增加，相應(yīng)生態(tài)流量也是從上到下遞增，越是靠近下游的監(jiān)測(cè)斷面其污染物濃度越高，與生態(tài)流量空間變化特征相符合；經(jīng)過(guò)污染治理和污染物排放控制之后，最后五個(gè)月三縣斷面氨氮平均濃度依次遞增，分別為0.74、0.79、1.47 mol/L，相對(duì)于治理前有很大改善。

總體來(lái)說(shuō)，氨氮濃度時(shí)空變化趨勢(shì)與生態(tài)流量時(shí)空變化特征相適應(yīng)。隨著國(guó)家污染防治力度的不斷加強(qiáng)，西平、上蔡、平輿和新蔡四縣典型污染物氨氮濃度總體上呈下降趨勢(shì)，但當(dāng)?shù)厮h(huán)境質(zhì)量還未達(dá)到生態(tài)文明建設(shè)的要求，尚有很大的提升空間；除西平受自身經(jīng)濟(jì)條件制約外，其余三縣氨氮濃度向下依次增加，經(jīng)過(guò)治理之后仍是如此。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以小洪河流域西平、上蔡、平輿和新蔡段1991-2016年逐日流量為基礎(chǔ)，以Lyon法計(jì)算其生態(tài)流量，并結(jié)合2013-2016年各斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以優(yōu)序度理論計(jì)算代表性污染物濃度與生態(tài)流量關(guān)聯(lián)的優(yōu)序度，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，氨氮濃度與河流生態(tài)流量關(guān)聯(lián)的優(yōu)序度最大，即對(duì)生態(tài)流量的影響較大。進(jìn)而選取和生態(tài)流量關(guān)聯(lián)最密切的污染物氨氮，進(jìn)行流域生態(tài)水污染時(shí)空趨勢(shì)變化分析。結(jié)果表明，在時(shí)間尺度上，從2013-2016年氨氮濃度有明顯下降的趨勢(shì)，流域水生態(tài)環(huán)境得到改善；在空間尺度上，西平監(jiān)測(cè)斷面氨氮濃度最高，總體上從河流的上游到下游有下降的趨勢(shì)，但水環(huán)境質(zhì)量狀況仍不容樂觀。