潭江水质时空变化特征及其驱动因子

苏程佳，陈晓宏，谭永强，欧阳卫华

(1.全国博士后创新(江门)示范中心，广东 江门 529000; 2.广东省江门市生态环境局，广东 江门 529000；3.中山大学水资源与环境研究中心，广东 广州 510275)

水质作为评价河流生态环境系统健康的重要指标，是自然因素以及人类活动对水生态环境影响的综合体现[1-2]。河流作为城市供水主要来源之一，其水质的优劣不仅关系到当地的供水安全，也影响着当地经济社会的可持续发展。然而，随着工业化、城市化进程的加快，世界各地的河流都出现了严重的水污染现象，水污染愈发成为水环境治理的突出问题[3-6]，如印度的恒河[7]、印度尼西亚的芝塔龙河[8]、英国的泰晤士河[9]以及国内的海河、辽河、汾河、练江、茅洲河等[7-12]，近年来因污染严重成了重点治理的对象。

潭江是珠江流域三角洲河网的重要组成部分，近年来随着水环境治理力度的加大，水环境质量有了一定的提升，但还存在不少问题。李艳静等[13]对潭江表层沉积物中多环芳烃分布特征及其生态风险评价的研究结果表明，潭江沉积物多环芳烃污染整体处于中等污染水平，而且部分采样点某些多环芳烃含量超过了效应区间低值，可能对生物存在潜在危害。陈伟涛[14]基于2001—2010年的水质数据分析发现，潭江上游河段水质较好,而且显著优于中下游水质，入海口河段则为轻度污染；而唐廉等[15]的研究却发现，潭江上游水质最好，中游及入海口附近水质次之，下游水质最差。两者的研究结果并不一致，说明潭江的水质变化特征较为复杂，仍需进一步研究。

科学认识水质的变化特征及其驱动力是解决水生态环境问题的关键[16-17]，但目前关于潭江水质的研究主要集中在其变化特征方面[13，15]，对水质变化的驱动力分析尚不多见。此外，随着经济社会发展水平的不断提高，人民群众对水环境的要求越来越高，2019年出台的《粤港澳大湾区发展规划纲要》对大湾区的水环境治理提出了更高的要求。基于此，本文采用Mann-Kendall(M-K)趋势检验以及水质综合指数等方法分析了潭江2001—2019年的水质变化特征，利用主成分分析方法识别了主导潭江水质变化的水质参数，并通过相关性模型分析了影响水质变化的主要驱动因子，以期为区域水环境治理提供参考。

1 研究区域与数据

1.1 研究区域概况

潭江(图1)是珠江流域三角洲诸河之一，干流全长248 km，集水面积5 068 km2。潭江发源于广东省阳江市牛围岭山，自西向东流至江门市新会区双水附近折向南流，汇入珠江三角洲河网区，最终在江门市新会区崖门口入南海[15]。

图1 潭江流域水质站点分布

1.2 研究数据及其来源

选取潭江流域具有代表性的溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)、化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)和总氮(TN)等7项水质参数对潭江水质变化特征进行分析。采用的逐月水质数据来源于江门市生态环境局，数据年限为2001—2019年，其中CODMn、TP、TN这3项水质参数数据的年限为2003—2019年，对涉及COD、TP、TN参与的计算过程均采用与这3项水质参数相同的年限数据，逐年水质数据利用逐月水质数据进行算术平均得到。恩城水厂、牛湾和苍山渡口分别是潭江上、中、下游的水质代表站(图1)。人口、GDP、降水量、森林覆盖率等水质变化的影响因子同期数据来源于江门市的统计年鉴。

2 研究方法

采用M-K趋势检验[18]以及水质综合污染指数[19]等方法分析潭江2001—2019年的水质变化特征，利用主成分分析方法[20]识别主导潭江水质变化的水质参数，最后通过相关性模型[21]分析影响水质变化的主要驱动因子。

2.1 M-K趋势检验

M-K趋势检验是一种非参数检验方法，该方法不要求数据服从某一概率分布且具有与参数检测方法相同的检测能力，人为影响因素少、定量化程度高。其定义[18]如下：

设序列为x1、x2、…、xn，令S为

(1)

式中：xi、xj分别为序列第i年和第j年的变量值，且j>i；sign为符号函数。随着n增大，S近似服从正态分布。M-K统计量Z计算公式为

(2)

式中：σS为S的标准差，其中Z>0表明序列有上升趋势，Z<0表明序列有下降趋势，Z=0表明序列既无上升又无下降的趋势。当|Z|≥1.65、1.96、2.58时分别表示通过了置信水平为90%、95%和99%的显著性检验。

2.2 主成分分析法

主成分分析法是一种将多个具有一定相关性的变量重新组合成一组新的互不相关的几个综合变量，同时可根据实际需要从中选取少数几个综合变量来尽可能多地反映原来变量信息的统计方法，其中重新组合得到的综合变量称做主成分。通常情况下，可选取特征值接近于1且累计贡献率超过85%的前m(m小于原变量个数)个主成分，然后根据主成分的贡献率以及各主成分中不同影响因子的载荷确定研究问题的主要影响因子，方法原理及计算步骤可参考文献[19]。

3 结果与分析

3.1 水质年际变化特征

图2为潭江干流上、中、下游7项水质参数质量浓度的变化过程，表1为图2水质参数质量浓度的统计特征值。从图2可以看出，潭江水质参数质量浓度的年际变化十分显著。如潭江上游的BOD5质量浓度在2001—2011年基本保持不变，多年平均值为1.00 mg/L左右，2011年后则开始快速上升，在2015年达到最大值1.90 mg/L，此后开始迅速下降至2019年的0.87 mg/L；潭江中游的NH3-N质量浓度虽然整体呈明显的下降趋势，但是2001—2019年间却经历了4次“先升后降”的波动过程，其中2014—2019年是快速下降阶段。从整体上看，潭江上游的DO质量浓度最高，下游其次，中游最低，其余水质参数的质量浓度均表现为上游最低、下游其次、中游最高，水质参数的质量浓度统计特征值(表1)结果也与上述结果一致。可见潭江上游的水质最好，下游其次，中游最差。

图2 潭江水质参数质量浓度变化趋势

表1 潭江水质参数质量浓度统计特征值

为了进一步确定潭江水质参数质量浓度的变化趋势，利用M-K趋势检验对其进行趋势分析，结果如表2所示。从表2可以看出，潭江上游7项水质参数中CODMn和BOD5质量浓度呈下降趋势，但是下降趋势并不明显；其余5项质量浓度呈上升趋势，其中NH3-N、TP和TN质量浓度为显著上升，TP和TN更是通过了0.01的显著性水平检验，表明潭江上游的水质有一定的恶化趋势。潭江中游7项水质参数中DO和NH3-N质量浓度呈下降趋势，且NH3-N质量浓度为显著下降；另外5项质量浓度呈上升趋势，其中CODMn、BOD5和TN质量浓度表现为显著上升趋势，说明潭江中游的水质恶化趋势较为显著。潭江下游7项水质参数中CODMn、COD和NH3-N质量浓度呈下降趋势，并且都是显著下降；另外4项质量浓度呈上升趋势，而且DO质量浓度表现出显著上升趋势，说明潭江下游的水质无明显恶化趋势。

表2 潭江水质参数变化趋势M-K趋势检验Z值

根据潭江水质治理目标，以GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类标准计算潭江上、中、下游的水质综合污染指数，结果如图3所示。从图3可以看出，潭江上游的水质综合污染指数在阈值线以下，但整体呈上升趋势，表明潭江上游的水污染较轻但有一定的恶化趋势。潭江中、下游的水质综合污染指数变化过程基本一致，都表现为“先升后降”的变化过程，而且除2001年和2002年外，其余年份的水质综合污染指数均大于1，但是中游的水质综合污染指数大于下游，表明潭江中、下游水污染较上游严重。

图3 潭江干流水质综合污染指数变化

3.2 影响水质变化的参数识别

为识别影响水质变化的主要参数，对潭江上、中、下游7项水质参数进行了主成分分析，结果如表3所示。从表3可知，潭江上游水质参数的前3个主成分的特征值大于1，第4、5个主成分的特征值接近1，且此时前5个主成分的累计贡献率为86%，大于阈值85%，表明前5个主成分已具备表征原水质参数主体信息的能力；而潭江中游水质参数的前4个主成分的累计贡献率为89%，下游水质参数的前5个主成分的累计贡献率也已大于阈值85%，表明它们均已能反映原水质参数的主体信息。

表3 潭江水质参数主成分的特征值与贡献率

分别选取潭江上、中、下游水质参数对应的前5、前4、前5个主成分计算其主成分荷载，结果如表4所示。综合表3和表4可知，潭江上游水质参数的第1主成分的贡献率为29%，COD和BOD5是其荷载较大的两个水质参数，且荷载大小基本一致，表明两者在第1主成分中的重要性相当，而第2至第5主成分的贡献率均为15%左右，相应荷载最大的水质参数分别是DO、TP、NH3-N和TN，说明主导潭江上游水质变化的水质参数是COD、BOD5、DO、TP、NH3-N和TN。类似地，可知主导潭江中游水质变化的水质参数是TN、NH3-N、CODMn、DO和BOD5，而潭江下游水质变化受所有7项水质参数的共同主导。

表4 潭江水质参数主成分荷载

3.3 水质变化的驱动因子

水质变化的驱动因子有很多，可根据因子的属性将其分为自然因子和人为因子两大类[16,22-23]，其中影响水质变化的自然因子主要包括降水量、气温、水温、pH值、土地利用类型以及风速等；人为因子主要包括人口、社会经济发展水平以及污染物排放量等。考虑数据的代表性及可靠性，本文选取人口和GDP作为人为因子的典型代表，选取降水量、森林覆盖率、水温和pH值作为自然因子的典型代表。利用选取的驱动因子与潭江的水质参数进行相关性分析，结果如表5～7所示。

表5 潭江上游水质参数与驱动因子的相关性检验

表6 潭江中游水质参数与驱动因子的相关性检验

从表5可以发现，就驱动因子的角度来看，人口与除DO及CODMn外的其余5项水质参数均呈显著相关关系，GDP只与TP和TN显著正相关，表明人为因子中，人口对潭江上游水质的影响大于GDP，即人口是影响水质变化的主要人为因子。对于自然因子而言，降水量与所有水质参数的相关性均没通过显著性检验，森林覆盖率与除DO、CODMn和 NH3-N 外的其余水质参数均呈显著正相关关系，水温与BOD5和TP显著正相关，pH值除与DO显著正相关外，与其他水质参数无显著相关关系，表明在自然因子中，森林覆盖率是影响水质变化的主要驱动因子。可见人口与森林覆盖率是影响潭江上游水质变化的主要驱动因子。

同样地，由表6、表7可知，在人为因子中，人口、GDP是影响潭江中、下游水质变化的主要驱动因子；而在自然因子中，森林覆盖率与水温是影响潭江中、下游水质变化的主要驱动因子。

对比表5～7的结果可知，潭江上、中、下游有着影响水质变化的共同驱动因子，即人口和森林覆盖率，表明生活污水排放和土地利用类型等对流域水质有较大的影响，这与已有的研究结果[16,24-25]一致。值得注意的是，虽然潭江上、中、下游有着影响水质变化的共同驱动因子，但也存在差异，具体表现为影响潭江中、下游水质变化的驱动因子除人口和森林覆盖率外，还包括GDP和水温，说明相比于上游，潭江中、下游水质变化的影响因素更复杂。

表7 潭江下游水质参数与驱动因子的相关性检验

本文研究发现，潭江上游的NH3-N与人口显著正相关，与GDP正相关，但并不显著；而中、下游NH3-N与人口和GDP均呈显著负相关关系，表明相比于上游，潭江中、下游的NH3-N与人口之间的关系受到了其他因素的影响，因为相比于上游，潭江中、下游地区的城镇更密集，人口更多、密度更大，经济社会发展水平更高，人类及其社会经济活动对水质的影响更大[26]。

此外，已有研究表明，水质参数之间同样存在一定的相关关系[27-30]。本文也有同样的发现，如潭江中游的DO与TP显著负相关，潭江下游的DO与TN显著正相关，表明水质参数间的相互作用也会影响水质变化，这从侧面反映出了水质变化驱动机理和影响要素的复杂性。

4 结 论

a.潭江干流不同水质参数的年际变化差异较大。从整体上看，潭江上游的水质最好，但有一定的恶化趋势；下游的水质次之，且无明显的恶化趋势；中游的水质最差，而且恶化趋势较为显著。

b.潭江上、中、下游主导水质变化的水质参数并不完全一致，上游水质变化的主导水质参数是COD和BOD5，中游为TN和NH3-N，下游则是TN、NH3-N和TP。潭江中、下游存在主导水质变化的共同参数，即TN和NH3-N。

c.人口和森林覆盖率是影响潭江上游水质变化的主要驱动因子，而影响潭江中、下游水质变化的驱动因子除人口和森林覆盖率外，还包括GDP和水温；受人类因素的影响，潭江中、下游水质变化与自然驱动因子之间的关系有所改变。