呂學(xué)研， 程 亮， 陳亞男， 張 詠， 張 甦， 張 然， 崔嘉宇

(1. 江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心， 江蘇 南京 210019； 2.南京水利科學(xué)研究院 水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210029； 3.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站 國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012)

1 研究背景

江蘇省地處長(zhǎng)江、淮河下游。境內(nèi)河道、湖泊、水庫(kù)眾多，水網(wǎng)稠密，進(jìn)一步又分為長(zhǎng)江、太湖、淮河3個(gè)流域片區(qū)。受地形影響，形成了里下河[1]、太湖[2]等典型的平原河網(wǎng)區(qū)域特征。加之南水北調(diào)[3-4]、引江濟(jì)太等調(diào)水工程，境內(nèi)流域邊界不清，水系的上、下游關(guān)系更加復(fù)雜[5]。研究發(fā)現(xiàn)，江蘇省在2004-2014年城鎮(zhèn)化水平逐年提升的同時(shí)，河湖水系連通水平基本上呈下降趨勢(shì)，從而加大了水生態(tài)環(huán)境保護(hù)的難度[6]。

地表水是江蘇省主要的水資源供給源。受2007年太湖藍(lán)藻水華造成的水危機(jī)影響，針對(duì)太湖流域的研究報(bào)道顯著高于省內(nèi)其他區(qū)域。在其他區(qū)域，馬小雪等[7]發(fā)現(xiàn)里下河地區(qū)地表水綜合水質(zhì)在汛期較非汛期差，西南部水質(zhì)好于東北部。

地表水環(huán)境質(zhì)量的好或壞、優(yōu)或劣直接關(guān)系到經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展質(zhì)量，也是水生態(tài)環(huán)境治理效果的有效反饋。本文以2006-2015年江蘇省地表水例行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法(試行)》，對(duì)全省河流、湖庫(kù)水質(zhì)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，從水環(huán)境質(zhì)量的變化方面分析全省水生態(tài)環(huán)境整治的工作成效，進(jìn)一步與“十五”末(2005年)的水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行比較，對(duì)比“十一五”與“十二五”水環(huán)境質(zhì)量的改變程度，以期為全省水質(zhì)進(jìn)一步改善提供參考。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及分析方法

本文以江蘇省境內(nèi)2006-2015年地表水例行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與評(píng)價(jià)依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法(試行)》。

趨勢(shì)分析Spearman秩相關(guān)系數(shù)(Rs)的計(jì)算在SPSS18.0軟件上實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 全省河流水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

2006-2015年全省河流水質(zhì)總體呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。與2006年相比，2015年Ⅰ～Ⅲ類斷面比例上升了22.5個(gè)百分點(diǎn)，劣Ⅴ類斷面比例下降了15.8個(gè)百分點(diǎn)(圖1(a))。全省河流水質(zhì)2006和2007年總體處于中度污染狀態(tài)，2008年開(kāi)始，劣Ⅴ類斷面比例降低到20%以下，水質(zhì)總體處于輕度污染狀態(tài)。主要污染指標(biāo)變化趨勢(shì)分析結(jié)果顯示，2006-2015年全省河流主要污染指標(biāo)均呈顯著下降趨勢(shì)(圖1(b))，氨氮的Rs為-0.782(p=0.004)，總磷的Rs為-0.697(p=0.013)，化學(xué)需氧量的Rs為-1.000(p<0.001)。全省河流主要污染指標(biāo)在2006-2015年得到明顯有效控制。

與2005年相比，2010年全省河流Ⅰ～Ⅲ類斷面比例提升了13.3個(gè)百分點(diǎn)，劣Ⅴ類斷面比例下降了12.1個(gè)百分點(diǎn)，主要污染指標(biāo)氨氮、總磷和化學(xué)需氧量的平均濃度分別下降了0.052、0.039和3.1 mg/L；相較于2010年，2015年全省河流Ⅰ～Ⅲ類斷面比例提升了8.4個(gè)百分點(diǎn)，劣Ⅴ類斷面比例下降了2.8個(gè)百分點(diǎn)，主要污染指標(biāo)化學(xué)需氧量平均濃度下降了2.1 mg/L，氨氮和總磷的平均濃度則分別有0.05和0.005 mg/L的小幅回彈。數(shù)據(jù)還顯示，2011-2015年(十二五)期間，全省河流水質(zhì)在2013年改善到最好程度，隨后又有所下降，最終導(dǎo)致全省河流水質(zhì)在“十二五”期間的改善幅度較“十一五”期間有所收窄。

3.2 全省湖庫(kù)水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

2006-2015年，全省湖庫(kù)水質(zhì)總體呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。與2006年相比，2015年Ⅰ～Ⅲ類斷面比例上升了32.6個(gè)百分點(diǎn)，劣Ⅴ類斷面比例下降了7.1個(gè)百分點(diǎn)(圖2(a))。2006-2015年，全省湖庫(kù)水質(zhì)總體污染程度未發(fā)生變化，均處于輕度污染狀態(tài)。

趨勢(shì)分析結(jié)果顯示，2006-2015年全省湖庫(kù)總磷指標(biāo)呈顯著下降趨勢(shì)(圖2(b))(Rs= -0.912，p<0.001)；化學(xué)需氧量呈一定的下降趨勢(shì)，但不顯著(Rs= -0.394，p=0.130)。

與2005年相比，2010年全省湖庫(kù)Ⅰ～Ⅲ類斷面比例提升了18.8個(gè)百分點(diǎn)，劣Ⅴ類斷面比例下降了12.2個(gè)百分點(diǎn)，主要污染指標(biāo)總磷和化學(xué)需氧量的平均濃度分別下降了0.03和3.3 mg/L；相較于2010年，2015年全省湖庫(kù)Ⅰ～Ⅲ類斷面比例提升了17.4個(gè)百分點(diǎn)，劣Ⅴ類斷面比例上升了1.6個(gè)百分點(diǎn)，主要污染指標(biāo)化學(xué)需氧量平均濃度略微回彈了0.2 mg/L，總磷的平均濃度下降了0.013 mg/L。數(shù)據(jù)還顯示，“十二五”期間，全省湖庫(kù)水質(zhì)的改善程度均較“十一五”不同程度收窄。

3.3 主要流域水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

3.3.1 太湖流域

(1)太湖湖體水質(zhì)變化。2006-2015年，太湖湖體水質(zhì)改善明顯，湖體高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮、總磷和綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)下降趨勢(shì)均非常顯著(p<0.001)(圖3(a)～3(d))，Rs分別為-0.843、-0.997、-0.952、-0.960和-0.936。

由圖3(a)可看出，2005-2015年，太湖湖體高錳酸鹽指數(shù)的變化趨勢(shì)與冪函數(shù)的擬合度最高，說(shuō)明湖體高錳酸鹽指數(shù)的改善已經(jīng)進(jìn)入平穩(wěn)期，近期難以有較大的改善空間。根據(jù)擬合方程預(yù)測(cè)2016、2017、2018年太湖湖體的高錳酸鹽指數(shù)均值分別為3.9、3.8和3.8 mg/L，實(shí)際監(jiān)測(cè)年均值分別為3.8、3.9和3.9 mg/L，相對(duì)誤差分別為2.6%、-2.6%和-2.6%。不斷補(bǔ)充2016、2017和2018年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，優(yōu)化方程的擬合參數(shù)，進(jìn)行進(jìn)一步預(yù)測(cè)。結(jié)果顯示，補(bǔ)充2016年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，2017年的預(yù)測(cè)值為3.9 mg/L(y=5.1004x-0.109，R2=0.8213)，與實(shí)際監(jiān)測(cè)值一致；2018年的預(yù)測(cè)值3.8 mg/L，相對(duì)誤差-2.6%。2017年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的加入，并未對(duì)2018年的預(yù)測(cè)值(y=5.0923x-0.108，R2=0.8324)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響。進(jìn)一步延伸預(yù)測(cè)顯示，2019和2020年太湖湖體高錳酸鹽指數(shù)的預(yù)測(cè)值并未因?yàn)?016-2018年數(shù)據(jù)的加入而發(fā)生變化(2018年數(shù)據(jù)加入后，擬合方程為y=5.0809x-0.108，R2=0.8324)。

圖1 2005-2015年江蘇省河流水質(zhì)類別比例與主要污染指標(biāo)年均值年際變化

圖2 2005-2015年江蘇省湖庫(kù)水質(zhì)類別比例與主要污染指標(biāo)年均值年際變化

圖3 2005-2015年太湖湖體富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)年均值年際變化

由圖3(b)可看出，湖體氨氮濃度變化以指數(shù)方程的擬合結(jié)果最好，其次是冪函數(shù)。兩個(gè)擬合方程對(duì)2016-2018年湖體氨氮的預(yù)測(cè)值分別為0.10、0.08、0.06 mg/L和0.16、0.15、0.14 mg/L，與實(shí)測(cè)值0.14、0.14、0.16 mg/L的相對(duì)誤差分別為-28.6%、-42.9%、-62.5%和14.3%、7.1%、-12.5%?？梢?jiàn)雖然指數(shù)函數(shù)能夠最好地?cái)M合湖體2005-2015年的氨氮變化，但是由于其較快的后期收斂特征，導(dǎo)致其預(yù)測(cè)值的下降幅度較實(shí)際值偏大，而冪函數(shù)后期較慢的收斂特征，造成了其預(yù)測(cè)值的下降幅度較實(shí)際值偏小，這對(duì)于負(fù)向型的水質(zhì)指標(biāo)，預(yù)測(cè)結(jié)果是保守的、偏穩(wěn)的。隨著2016年數(shù)據(jù)的加入，太湖湖體氨氮2017和2018年的冪函數(shù)預(yù)測(cè)值分別為0.15和0.13 mg/L(指數(shù)函數(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果為0.08和0.07 mg/L)，相對(duì)誤差分別為7.1%和-18.8%；進(jìn)一步加入2017年的數(shù)據(jù)，冪函數(shù)預(yù)測(cè)2018年太湖湖體的氨氮濃度為0.14 mg/L(指數(shù)函數(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果為0.08 mg/L)，相對(duì)誤差為-12.5%。據(jù)此，以2005-2018年太湖湖體氨氮的冪函數(shù)擬合結(jié)果預(yù)測(cè)2019年太湖湖體氨氮年均值約為0.13 mg/L。

由圖3(c)可看出，對(duì)于湖體總氮來(lái)說(shuō)，線性方程和指數(shù)方程均給出了較好的擬合結(jié)果。兩種方程對(duì)2016-2018年湖體總氮的預(yù)測(cè)值分別為1.66、1.51、1.37 mg/L和1.75、1.66、1.56 mg/L，與實(shí)測(cè)值1.74、1.65、1.38 mg/L的相對(duì)誤差分別為-4.6%、-8.5%、-0.7%和0.6%、0.6%、13.0%。加入2016年的數(shù)據(jù)后，對(duì)2017、2018年的預(yù)測(cè)值分別為1.54、1.40 mg/L和1.66、1.56 mg/L，相對(duì)誤差分別為6.7%、1.4%和0.6%、13.0%。利用2017年的數(shù)據(jù)進(jìn)一步預(yù)測(cè)，2018年總氮濃度分別為1.43和1.56 mg/L，相對(duì)誤差分別為3.6%和13.0%?？梢?jiàn)，線性方程和指數(shù)方程對(duì)2016和2017年湖體總氮濃度的預(yù)測(cè)效果均較好，但是線性方程對(duì)2018年湖體總氮的預(yù)測(cè)效果明顯優(yōu)于指數(shù)方程。這是因?yàn)楹w總氮實(shí)測(cè)值的下降幅度在2018年較2017年增加了2倍，指數(shù)方程對(duì)這一變化的捕捉能力明顯低于線性方程?？紤]到兩種擬合方程對(duì)數(shù)據(jù)信息不同的捕捉能力，以2005-2018年湖體總氮數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)2019年湖體總氮濃度在1.42 mg/L(線性方程)～1.50 mg/L(指數(shù)方程)。

(2)太湖流域河流水質(zhì)變化。2006年以來(lái)，太湖流域河流水質(zhì)改善明顯(圖4(a))，Ⅰ～Ⅲ類斷面比例顯著上升(Rs=0.891，p<0.001)，劣Ⅴ類斷面比例顯著下降(Rs= -0.830，p=0.001)。主要污染指標(biāo)分析表明(圖4(b))，太湖流域河流主要污染指標(biāo)均呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)，氨氮的Rs為-0.799(p=0.003)，總磷的Rs為-0.782(p=0.004)，化學(xué)需氧量的Rs為-0.988(p<0.001)。

圖4(a)還顯示，2009年為太湖流域河流水質(zhì)變化的特征年。這一年，太湖流域河流Ⅰ～Ⅲ類斷面比例開(kāi)始高于劣Ⅴ類斷面比例。“十一五”末，流域河流Ⅰ～Ⅲ類斷面比例為25.3%，較2005年提升了13.9個(gè)百分點(diǎn)；劣Ⅴ類斷面比例為15.6%，較2005年下降了24.8個(gè)百分點(diǎn)。

這一變化均高于“十二五”期間的幅度。隨著水生態(tài)環(huán)境治理工程的有效落實(shí)推進(jìn)，流域河流水質(zhì)已經(jīng)得到了顯著改善，后續(xù)工作的重點(diǎn)是在對(duì)已有成效的河流進(jìn)行長(zhǎng)期維護(hù)與監(jiān)管的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)整治重點(diǎn)、難點(diǎn)河流。

3.3.2 長(zhǎng)江流域 2006年以來(lái)，長(zhǎng)江干流江蘇段水質(zhì)總體為優(yōu)。從水質(zhì)類別來(lái)看，10個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位10年水質(zhì)均穩(wěn)定達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類。從污染變化趨勢(shì)來(lái)看，2006-2015年長(zhǎng)江干流江蘇段綜合污染指數(shù)總體下降趨勢(shì)顯著(Rs= -0.835，p<0.001)，但是在2006-2009年有短暫上升，2009年之后大幅回落(圖5)。

由圖5可知，2006年以來(lái)，全省入江支流水質(zhì)改善明顯。從水質(zhì)類別來(lái)看，Ⅰ～Ⅲ類斷面比例顯著上升(Rs=0.888，p<0.001)；劣Ⅴ類斷面比例顯著下降(Rs= -0.754，p=0.006)。從污染變化趨勢(shì)來(lái)看，2006-2015年，3項(xiàng)主要污染指標(biāo)整體均呈下降趨勢(shì)，其中總磷濃度下降趨勢(shì)顯著(Rs=-0.717，p=0.010)，五日生化需氧量和氨氮濃度整體呈下降趨勢(shì)但均不顯著。

3.3.3 淮河流域 2006年以來(lái)，淮河干流江蘇段水質(zhì)總體有所改善(圖6)，除2007年為輕度污染外，其他年度水質(zhì)良好。從水質(zhì)類別來(lái)看，淮河干流4個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中除2006和2007年分別有1個(gè)和4個(gè)點(diǎn)位水質(zhì)為Ⅳ類，2008年以后4個(gè)點(diǎn)位歷年水質(zhì)均為Ⅲ類。從污染變化趨勢(shì)來(lái)看，2006-2015年淮河干流江蘇段綜合污染指數(shù)總體下降趨勢(shì)顯著(Rs= -0.830，p<0.001)，主要污染物氨氮在10年間呈下降趨勢(shì)，但不顯著(Rs=-0.333，p=0.173)。

從水質(zhì)類別比例來(lái)看(圖6(a))，2006年以來(lái)淮河流域河流水質(zhì)改善明顯，Ⅰ～Ⅲ類斷面比例顯著上升(Rs=0.867，p<0.001)；劣Ⅴ類斷面比例顯著下降(Rs= -0.879，p<0.001)。3項(xiàng)主要污染指標(biāo)整體均呈下降趨勢(shì)(圖6(b))，其中化學(xué)需氧量和氨氮濃度下降趨勢(shì)顯著，Rs分別為-0.976(p<0.001)和-0.697(p=0.025)；總磷濃度下降趨勢(shì)不顯著，Rs為-0.261(p=0.467)。

3.4 討論

“十二五”期間，江蘇省繼續(xù)扎實(shí)推進(jìn)太湖、淮河、長(zhǎng)江等重點(diǎn)流域的水環(huán)境綜合整治，全面實(shí)施國(guó)家《重點(diǎn)流域水污染防治規(guī)劃(2011-2015年)》《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》及《長(zhǎng)江中下游流域水污染防治規(guī)劃(2011-2015年)》等規(guī)劃方案。資料(表1)顯示，“十二五”期間，全省工業(yè)源化學(xué)需氧量和氨氮排放總量均呈下降趨勢(shì)，污水處理廠實(shí)際處理量呈升高趨勢(shì)；雖然生活污水排放量呈升高趨勢(shì)，但是由于實(shí)施了有效的處理措施，生活源化學(xué)需氧量與氨氮的排放總量同樣呈下降趨勢(shì)。

在控制污染源排放總量的同時(shí)，針對(duì)省內(nèi)重點(diǎn)流域[8-9]、區(qū)域[10-12]、河流[13-14]、斷面[15-16]開(kāi)展的專項(xiàng)調(diào)查、治理工作，也成為全省水環(huán)境質(zhì)量改善的有力推手。

圖4 2005-2015年太湖流域河流水質(zhì)類別比例與主要污染指標(biāo)年均值年際變化

圖5 2005-2015年長(zhǎng)江干流江蘇段綜合污染指數(shù)、主要污染指標(biāo)年均值及入江支流水質(zhì)年際變化

圖6 2005-2015年淮河干流江蘇段綜合污染指數(shù)、主要污染指標(biāo)年均值及支流水質(zhì)年際變化

表1 2010-2015年江蘇省主要污染物排放量 104 t

太湖作為江蘇省最大的淡水湖泊，經(jīng)過(guò)強(qiáng)有力的治理，其水質(zhì)已經(jīng)得到明顯改善。湖體高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和總氮的變化已經(jīng)進(jìn)入或接近穩(wěn)定期，但是湖體總磷濃度目前仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，成為影響太湖水質(zhì)根本扭轉(zhuǎn)的不確定因素。后期針對(duì)太湖的研究重點(diǎn)應(yīng)為降磷并協(xié)同控氮，確保湖體富營(yíng)養(yǎng)化狀況穩(wěn)步改善。

4 結(jié) 論

本文以2006-2015年地表水例行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)江蘇省河流、湖庫(kù)水質(zhì)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，從水環(huán)境質(zhì)量的變化方面分析全省水生態(tài)環(huán)境整治的工作成效，進(jìn)一步與2005年的水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行比較，對(duì)比“十一五”與“十二五”水環(huán)境質(zhì)量的改變程度，初步得到以下結(jié)論：

(1)全省河流、湖庫(kù)水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在2006-2015年間明顯改善，Ⅰ～Ⅲ類斷面比例顯著升高，劣Ⅴ類斷面比例顯著下降，主要污染物指標(biāo)年均濃度均顯著下降。長(zhǎng)江干流、淮河干流水質(zhì)穩(wěn)中向好，綜合污染指數(shù)下降趨勢(shì)明顯。長(zhǎng)江支流和淮河支流水質(zhì)同樣改善顯著，Ⅰ～Ⅲ類斷面比例升高明顯，劣Ⅴ類斷面比例顯著下降，主要污染指標(biāo)年均濃度均呈不同程度的下降趨勢(shì)。

(2)太湖主要富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)在2006-2015年間下降明顯。高錳酸鹽指數(shù)和氨氮年均濃度已總體進(jìn)入穩(wěn)定期，總氮年均濃度接近穩(wěn)定期；總磷是當(dāng)前影響湖體水質(zhì)的主要不穩(wěn)定因素。今后一個(gè)階段的工作重心應(yīng)為降磷并協(xié)同控氮，確保湖體富營(yíng)養(yǎng)化程度穩(wěn)中向好。