江苏省2006-2015年水生态环境质量变化特征分析

吕学研， 程 亮， 陈亚男， 张 咏， 张 甦， 张 然， 崔嘉宇

(1. 江苏省环境监测中心， 江苏 南京 210019； 2.南京水利科学研究院 水利工程科学国家重点实验室， 江苏 南京 210029； 3.中国环境监测总站 国家环境保护环境监测质量控制重点实验室， 北京 100012)

1 研究背景

江苏省地处长江、淮河下游。境内河道、湖泊、水库众多，水网稠密，进一步又分为长江、太湖、淮河3个流域片区。受地形影响，形成了里下河[1]、太湖[2]等典型的平原河网区域特征。加之南水北调[3-4]、引江济太等调水工程，境内流域边界不清，水系的上、下游关系更加复杂[5]。研究发现，江苏省在2004-2014年城镇化水平逐年提升的同时，河湖水系连通水平基本上呈下降趋势，从而加大了水生态环境保护的难度[6]。

地表水是江苏省主要的水资源供给源。受2007年太湖蓝藻水华造成的水危机影响，针对太湖流域的研究报道显著高于省内其他区域。在其他区域，马小雪等[7]发现里下河地区地表水综合水质在汛期较非汛期差，西南部水质好于东北部。

地表水环境质量的好或坏、优或劣直接关系到经济社会的发展质量，也是水生态环境治理效果的有效反馈。本文以2006-2015年江苏省地表水例行监测数据为基础，根据《地表水环境质量评价办法(试行)》，对全省河流、湖库水质进行分析和评价，从水环境质量的变化方面分析全省水生态环境整治的工作成效，进一步与“十五”末(2005年)的水环境质量进行比较，对比“十一五”与“十二五”水环境质量的改变程度，以期为全省水质进一步改善提供参考。

2 数据来源及分析方法

本文以江苏省境内2006-2015年地表水例行监测数据为基础进行统计。数据统计与评价依据《地表水环境质量评价办法(试行)》。

趋势分析Spearman秩相关系数(Rs)的计算在SPSS18.0软件上实现。

3 结果与分析

3.1 全省河流水质变化趋势分析

2006-2015年全省河流水质总体呈好转趋势。与2006年相比，2015年Ⅰ～Ⅲ类断面比例上升了22.5个百分点，劣Ⅴ类断面比例下降了15.8个百分点(图1(a))。全省河流水质2006和2007年总体处于中度污染状态，2008年开始，劣Ⅴ类断面比例降低到20%以下，水质总体处于轻度污染状态。主要污染指标变化趋势分析结果显示，2006-2015年全省河流主要污染指标均呈显著下降趋势(图1(b))，氨氮的Rs为-0.782(p=0.004)，总磷的Rs为-0.697(p=0.013)，化学需氧量的Rs为-1.000(p<0.001)。全省河流主要污染指标在2006-2015年得到明显有效控制。

与2005年相比，2010年全省河流Ⅰ～Ⅲ类断面比例提升了13.3个百分点，劣Ⅴ类断面比例下降了12.1个百分点，主要污染指标氨氮、总磷和化学需氧量的平均浓度分别下降了0.052、0.039和3.1 mg/L；相较于2010年，2015年全省河流Ⅰ～Ⅲ类断面比例提升了8.4个百分点，劣Ⅴ类断面比例下降了2.8个百分点，主要污染指标化学需氧量平均浓度下降了2.1 mg/L，氨氮和总磷的平均浓度则分别有0.05和0.005 mg/L的小幅回弹。数据还显示，2011-2015年(十二五)期间，全省河流水质在2013年改善到最好程度，随后又有所下降，最终导致全省河流水质在“十二五”期间的改善幅度较“十一五”期间有所收窄。

3.2 全省湖库水质变化趋势分析

2006-2015年，全省湖库水质总体呈好转趋势。与2006年相比，2015年Ⅰ～Ⅲ类断面比例上升了32.6个百分点，劣Ⅴ类断面比例下降了7.1个百分点(图2(a))。2006-2015年，全省湖库水质总体污染程度未发生变化，均处于轻度污染状态。

趋势分析结果显示，2006-2015年全省湖库总磷指标呈显著下降趋势(图2(b))(Rs= -0.912，p<0.001)；化学需氧量呈一定的下降趋势，但不显著(Rs= -0.394，p=0.130)。

与2005年相比，2010年全省湖库Ⅰ～Ⅲ类断面比例提升了18.8个百分点，劣Ⅴ类断面比例下降了12.2个百分点，主要污染指标总磷和化学需氧量的平均浓度分别下降了0.03和3.3 mg/L；相较于2010年，2015年全省湖库Ⅰ～Ⅲ类断面比例提升了17.4个百分点，劣Ⅴ类断面比例上升了1.6个百分点，主要污染指标化学需氧量平均浓度略微回弹了0.2 mg/L，总磷的平均浓度下降了0.013 mg/L。数据还显示，“十二五”期间，全省湖库水质的改善程度均较“十一五”不同程度收窄。

3.3 主要流域水质变化趋势分析

3.3.1 太湖流域

(1)太湖湖体水质变化。2006-2015年，太湖湖体水质改善明显，湖体高锰酸盐指数、氨氮、总氮、总磷和综合营养状态指数下降趋势均非常显著(p<0.001)(图3(a)～3(d))，Rs分别为-0.843、-0.997、-0.952、-0.960和-0.936。

由图3(a)可看出，2005-2015年，太湖湖体高锰酸盐指数的变化趋势与幂函数的拟合度最高，说明湖体高锰酸盐指数的改善已经进入平稳期，近期难以有较大的改善空间。根据拟合方程预测2016、2017、2018年太湖湖体的高锰酸盐指数均值分别为3.9、3.8和3.8 mg/L，实际监测年均值分别为3.8、3.9和3.9 mg/L，相对误差分别为2.6%、-2.6%和-2.6%。不断补充2016、2017和2018年的监测数据，优化方程的拟合参数，进行进一步预测。结果显示，补充2016年的监测数据后，2017年的预测值为3.9 mg/L(y=5.1004x-0.109，R2=0.8213)，与实际监测值一致；2018年的预测值3.8 mg/L，相对误差-2.6%。2017年监测数据的加入，并未对2018年的预测值(y=5.0923x-0.108，R2=0.8324)产生实质影响。进一步延伸预测显示，2019和2020年太湖湖体高锰酸盐指数的预测值并未因为2016-2018年数据的加入而发生变化(2018年数据加入后，拟合方程为y=5.0809x-0.108，R2=0.8324)。

图1 2005-2015年江苏省河流水质类别比例与主要污染指标年均值年际变化

图2 2005-2015年江苏省湖库水质类别比例与主要污染指标年均值年际变化

图3 2005-2015年太湖湖体富营养化指标年均值年际变化

由图3(b)可看出，湖体氨氮浓度变化以指数方程的拟合结果最好，其次是幂函数。两个拟合方程对2016-2018年湖体氨氮的预测值分别为0.10、0.08、0.06 mg/L和0.16、0.15、0.14 mg/L，与实测值0.14、0.14、0.16 mg/L的相对误差分别为-28.6%、-42.9%、-62.5%和14.3%、7.1%、-12.5%。可见虽然指数函数能够最好地拟合湖体2005-2015年的氨氮变化，但是由于其较快的后期收敛特征，导致其预测值的下降幅度较实际值偏大，而幂函数后期较慢的收敛特征，造成了其预测值的下降幅度较实际值偏小，这对于负向型的水质指标，预测结果是保守的、偏稳的。随着2016年数据的加入，太湖湖体氨氮2017和2018年的幂函数预测值分别为0.15和0.13 mg/L(指数函数的预测结果为0.08和0.07 mg/L)，相对误差分别为7.1%和-18.8%；进一步加入2017年的数据，幂函数预测2018年太湖湖体的氨氮浓度为0.14 mg/L(指数函数的预测结果为0.08 mg/L)，相对误差为-12.5%。据此，以2005-2018年太湖湖体氨氮的幂函数拟合结果预测2019年太湖湖体氨氮年均值约为0.13 mg/L。

由图3(c)可看出，对于湖体总氮来说，线性方程和指数方程均给出了较好的拟合结果。两种方程对2016-2018年湖体总氮的预测值分别为1.66、1.51、1.37 mg/L和1.75、1.66、1.56 mg/L，与实测值1.74、1.65、1.38 mg/L的相对误差分别为-4.6%、-8.5%、-0.7%和0.6%、0.6%、13.0%。加入2016年的数据后，对2017、2018年的预测值分别为1.54、1.40 mg/L和1.66、1.56 mg/L，相对误差分别为6.7%、1.4%和0.6%、13.0%。利用2017年的数据进一步预测，2018年总氮浓度分别为1.43和1.56 mg/L，相对误差分别为3.6%和13.0%。可见，线性方程和指数方程对2016和2017年湖体总氮浓度的预测效果均较好，但是线性方程对2018年湖体总氮的预测效果明显优于指数方程。这是因为湖体总氮实测值的下降幅度在2018年较2017年增加了2倍，指数方程对这一变化的捕捉能力明显低于线性方程。考虑到两种拟合方程对数据信息不同的捕捉能力，以2005-2018年湖体总氮数据预测2019年湖体总氮浓度在1.42 mg/L(线性方程)～1.50 mg/L(指数方程)。

(2)太湖流域河流水质变化。2006年以来，太湖流域河流水质改善明显(图4(a))，Ⅰ～Ⅲ类断面比例显著上升(Rs=0.891，p<0.001)，劣Ⅴ类断面比例显著下降(Rs= -0.830，p=0.001)。主要污染指标分析表明(图4(b))，太湖流域河流主要污染指标均呈现显著的下降趋势，氨氮的Rs为-0.799(p=0.003)，总磷的Rs为-0.782(p=0.004)，化学需氧量的Rs为-0.988(p<0.001)。

图4(a)还显示，2009年为太湖流域河流水质变化的特征年。这一年，太湖流域河流Ⅰ～Ⅲ类断面比例开始高于劣Ⅴ类断面比例。“十一五”末，流域河流Ⅰ～Ⅲ类断面比例为25.3%，较2005年提升了13.9个百分点；劣Ⅴ类断面比例为15.6%，较2005年下降了24.8个百分点。

这一变化均高于“十二五”期间的幅度。随着水生态环境治理工程的有效落实推进，流域河流水质已经得到了显著改善，后续工作的重点是在对已有成效的河流进行长期维护与监管的基础上，加强整治重点、难点河流。

3.3.2 长江流域 2006年以来，长江干流江苏段水质总体为优。从水质类别来看，10个水质监测点位10年水质均稳定达到或优于Ⅲ类。从污染变化趋势来看，2006-2015年长江干流江苏段综合污染指数总体下降趋势显著(Rs= -0.835，p<0.001)，但是在2006-2009年有短暂上升，2009年之后大幅回落(图5)。

由图5可知，2006年以来，全省入江支流水质改善明显。从水质类别来看，Ⅰ～Ⅲ类断面比例显著上升(Rs=0.888，p<0.001)；劣Ⅴ类断面比例显著下降(Rs= -0.754，p=0.006)。从污染变化趋势来看，2006-2015年，3项主要污染指标整体均呈下降趋势，其中总磷浓度下降趋势显著(Rs=-0.717，p=0.010)，五日生化需氧量和氨氮浓度整体呈下降趋势但均不显著。

3.3.3 淮河流域 2006年以来，淮河干流江苏段水质总体有所改善(图6)，除2007年为轻度污染外，其他年度水质良好。从水质类别来看，淮河干流4个水质监测点位中除2006和2007年分别有1个和4个点位水质为Ⅳ类，2008年以后4个点位历年水质均为Ⅲ类。从污染变化趋势来看，2006-2015年淮河干流江苏段综合污染指数总体下降趋势显著(Rs= -0.830，p<0.001)，主要污染物氨氮在10年间呈下降趋势，但不显著(Rs=-0.333，p=0.173)。

从水质类别比例来看(图6(a))，2006年以来淮河流域河流水质改善明显，Ⅰ～Ⅲ类断面比例显著上升(Rs=0.867，p<0.001)；劣Ⅴ类断面比例显著下降(Rs= -0.879，p<0.001)。3项主要污染指标整体均呈下降趋势(图6(b))，其中化学需氧量和氨氮浓度下降趋势显著，Rs分别为-0.976(p<0.001)和-0.697(p=0.025)；总磷浓度下降趋势不显著，Rs为-0.261(p=0.467)。

3.4 讨论

“十二五”期间，江苏省继续扎实推进太湖、淮河、长江等重点流域的水环境综合整治，全面实施国家《重点流域水污染防治规划(2011-2015年)》《太湖流域水环境综合治理总体方案》及《长江中下游流域水污染防治规划(2011-2015年)》等规划方案。资料(表1)显示，“十二五”期间，全省工业源化学需氧量和氨氮排放总量均呈下降趋势，污水处理厂实际处理量呈升高趋势；虽然生活污水排放量呈升高趋势，但是由于实施了有效的处理措施，生活源化学需氧量与氨氮的排放总量同样呈下降趋势。

在控制污染源排放总量的同时，针对省内重点流域[8-9]、区域[10-12]、河流[13-14]、断面[15-16]开展的专项调查、治理工作，也成为全省水环境质量改善的有力推手。

图4 2005-2015年太湖流域河流水质类别比例与主要污染指标年均值年际变化

图5 2005-2015年长江干流江苏段综合污染指数、主要污染指标年均值及入江支流水质年际变化

图6 2005-2015年淮河干流江苏段综合污染指数、主要污染指标年均值及支流水质年际变化

表1 2010-2015年江苏省主要污染物排放量 104 t

太湖作为江苏省最大的淡水湖泊，经过强有力的治理，其水质已经得到明显改善。湖体高锰酸盐指数、氨氮和总氮的变化已经进入或接近稳定期，但是湖体总磷浓度目前仍处于不稳定状态，成为影响太湖水质根本扭转的不确定因素。后期针对太湖的研究重点应为降磷并协同控氮，确保湖体富营养化状况稳步改善。

4 结 论

本文以2006-2015年地表水例行监测数据为基础，对江苏省河流、湖库水质进行分析和评价，从水环境质量的变化方面分析全省水生态环境整治的工作成效，进一步与2005年的水环境质量进行比较，对比“十一五”与“十二五”水环境质量的改变程度，初步得到以下结论：

(1)全省河流、湖库水生态环境质量在2006-2015年间明显改善，Ⅰ～Ⅲ类断面比例显著升高，劣Ⅴ类断面比例显著下降，主要污染物指标年均浓度均显著下降。长江干流、淮河干流水质稳中向好，综合污染指数下降趋势明显。长江支流和淮河支流水质同样改善显著，Ⅰ～Ⅲ类断面比例升高明显，劣Ⅴ类断面比例显著下降，主要污染指标年均浓度均呈不同程度的下降趋势。

(2)太湖主要富营养化指标在2006-2015年间下降明显。高锰酸盐指数和氨氮年均浓度已总体进入稳定期，总氮年均浓度接近稳定期；总磷是当前影响湖体水质的主要不稳定因素。今后一个阶段的工作重心应为降磷并协同控氮，确保湖体富营养化程度稳中向好。