淮河流域水質(zhì)時空分布及土地利用區(qū)域影響

　　摘要：采用淮河流域22個水質(zhì)斷面2008—2018年周監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用趨勢檢測、空間自相關(guān)性識別、聚類、回歸分析等統(tǒng)計分析技術(shù)相結(jié)合，檢測了pH、DO、CODMn、NH等個水質(zhì)指標的時空變化特征，辨識了典型水質(zhì)類型及其與不同時空尺度土地利用類型的關(guān)系。結(jié)果表明：(1)淮河流域水環(huán)境整體狀況有所改善，主要集中在非汛期(41周—次年22周)，分別有32%、14%、41%和64%的斷面pH值顯著減少、DO濃度顯著增加、CODMn和NH濃度顯著減少，淮河水系水質(zhì)指標變化坡度大于沂沭泗水系;(2)三個低pH值聚集中心主要分布在淮干上游和洪汝河下游，三個低DO聚集中心和兩個高CODMn和NH聚集中心主要分布在沙潁河和渦河;(3)22個斷面劃分為種典型水質(zhì)類型，類型為弱堿性、低CODMn和NH濃度斷面，分布在淮河上游和淮河干流;類型為偏堿性、低DO濃度、高CODMn和NH濃度斷面，分布在沙潁河;類型為偏堿性、高DO濃度、低CODMn和NH濃度斷面，分布在淮河中游和沂沭泗水系;(4)類型水質(zhì)指標主要與2015s時期的水田和旱地等顯著相關(guān)，其中水田對pH值影響較大，旱地對其余指標影響較大;類型的DO和NH濃度與各時期各緩沖區(qū)半徑城鎮(zhèn)用地均顯著相關(guān)，CODMn濃度與2015s時期其它林地顯著相關(guān)。研究可為淮河流域水質(zhì)演變規(guī)律和成因機理分析提供基礎(chǔ)支撐，也可為流域水污染防治與管理提供科學依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：時空變異;水質(zhì)類型;土地利用;淮河流域

　　流域水質(zhì)惡化已成為流域管理中面臨的突出水問題之一，可導致水體功能、生態(tài)和環(huán)境系統(tǒng)遭受災害性影響，直接損害居民公共健康和經(jīng)濟財產(chǎn)，嚴重威脅了水安全。2018年我國約34的水功能區(qū)水質(zhì)不達標，其中淮河流域約39的河段水質(zhì)劣于III類水，省界斷面達標測次比例約52%。據(jù)統(tǒng)計，每年因水污染引起的經(jīng)濟損失高達2400億元。2011年我國政府提出了水資源管理的“三條紅線”和“三項制度”，2015年頒布實施了《水污染防治行動條例》，明顯改善了主要江河湖泊水功能區(qū)的水質(zhì)狀況。然而，水污染仍然是以淮河流域為代表的嚴峻水問題之一11。

　　河流論文范例： 河流汛期水質(zhì)變化分析及保護對策

　　開展流域水質(zhì)指標時空變化診斷與影響因素分析，可為探索流域水質(zhì)演變規(guī)律和成因分析提供堅實依據(jù)，也對流域水污染治理具有重要的現(xiàn)實意義。受工業(yè)市政廢水排放、城鎮(zhèn)生活污水、營養(yǎng)物流失、土地利用變化、閘壩修筑及調(diào)控等多重因子影響，流域水質(zhì)分布呈現(xiàn)顯著的時空異質(zhì)性1216。

　　統(tǒng)計分析是一種簡便有效的信息挖掘技術(shù)，依靠大量監(jiān)測站長序列實測數(shù)據(jù)挖掘潛在的流域水質(zhì)問題及其成因。其中，趨勢檢測技術(shù)(如Mannndelltest,Sen’sTtest,Spearman'sRhotest等)已被廣泛用于水情變化和水污染等問題，尤其是非參數(shù)檢驗方法，因其對于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的要求較少，具有更好的適用性1720。已有研究多未考慮水質(zhì)指標的空間相關(guān)性，而是去除空間臨近、可能存在自相關(guān)性的站點，人為減少了流域樣本數(shù)量，影響了流域水質(zhì)指標時空特征分析的準確性21。

　　此外，聚類分析方法可將大量斷面站點尺度多個水質(zhì)指標的變化識別為具有相似特征的典型水質(zhì)類型，從流域尺度綜合刻畫水污染狀況，已逐漸用于辨識水污染關(guān)鍵要素及其主要影響因子2223。Cao等24結(jié)合歐式距離和動態(tài)時間規(guī)整距離，通過動態(tài)均值聚類將養(yǎng)殖水塘中溶解氧序列分為類，溶解氧預測的均方根誤差相比于未聚類序列減小了7.6。

　　任婷玉等25采用自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡將63個湖泊11年的種水質(zhì)指標分為類，分別有、27和30個湖泊污染程度較嚴重、中等和較輕。 本文利用淮河流域2008—2018年22個水質(zhì)斷面周監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合采用seasonalMannKendall、Moran’sI、動態(tài)均值聚類、回歸分析等多種統(tǒng)計分析技術(shù)，檢測關(guān)鍵水質(zhì)指標的時空變化特征，辨識典型水質(zhì)類型及其與不同時空尺度土地利用類型的關(guān)系，明晰淮河流域水污染關(guān)鍵要素，以期為淮河流域水質(zhì)演變特征分析和水污染防治提供科學依據(jù)。

　　1資料與方法

　　1.1研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

　　淮河流域(111°55'—121°25'，30°55'—36°36')是我國水污染最嚴重的地區(qū)之一�；春痈闪靼l(fā)源于河南省桐柏縣主峰太白頂西北側(cè)，流經(jīng)湖北、河南、安徽、山東和江蘇五省，自西向東匯入長江。研究區(qū)地處我國南北氣候過渡帶，多年平均氣溫為11~16℃，多年平均降水量為883mm，多年平均徑流深為230mm。流域總面積約27萬km，以廢黃河為界，分為淮河水系(71%)和沂沭泗水系(29%)，多年平均降水量分別為910mm和836mm，多年平均徑流深分別為237mm和215mm。受點源排污和農(nóng)業(yè)非點源等影響，流域內(nèi)水環(huán)境狀況不容樂觀，主要受污染的水質(zhì)指標包括高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH)、溶解氧(DO)等。

　　收集研究區(qū)22個水質(zhì)斷面2008~2018年周監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中淮河水系18個斷面，沂沭泗水系個斷面(即徐州李集橋、棗莊臺兒莊大橋、邳州邳蒼艾山西大橋、臨沂澇溝橋)，選取pH、DO、CODMn和NH作為主要水質(zhì)指標進行分析，數(shù)據(jù)來源為中國環(huán)境監(jiān)測總站。

　　收集研究區(qū)2010年和2015年土地利用類型數(shù)據(jù)，主要的土地利用類型均為旱地(55.85%和55.24%)、水田(17.89%和17.58%)和農(nóng)村居民點(8.66%和8.72%)，數(shù)據(jù)來源為中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)�；�于ArcGIS9.3提取各水質(zhì)監(jiān)測斷面種圓形緩沖帶(半徑為500、1000、2000、5000、10000)內(nèi)主要的土地利用類型面積占比，用于分析水質(zhì)類型與2010s(200—2012年)和205s(2013—2018年)時期土地利用類型的關(guān)系。

　　1.2研究方法

　　1.2.1趨勢分析

　　采用easonalMannKendall(SMK)檢驗檢測各水質(zhì)指標的周尺度和年尺度變化趨勢，適于水質(zhì)指標序列存在潛在的季節(jié)性、相關(guān)性和缺失值等問題26。原假設(shè)：實測水質(zhì)指標序列為服從相同分布的隨機變量，且不隨時間單調(diào)變化。

　　2結(jié)果與討論

　　2.1水質(zhì)指標時空變化趨勢

　　2.1.1時間變化趨勢

　　淮河流域2008—2018年22個水質(zhì)斷面的年變化趨勢。個斷面的pH值呈顯著減少趨勢(0.030.10);個斷面的DO濃度呈顯著減少趨勢(0.14~0.12mg/L)，個斷面呈顯著增加趨勢(0.35~0.62mg/L);個斷面的CODMn濃度呈顯著減少趨勢(1.37~0.17mg/L)，個斷面呈顯著增加趨勢(0.~0.23mg/L);12個斷面的NH濃度呈顯著減少趨勢(0.61~0.01mg/L)，駐馬店班臺呈顯著增加趨勢(0.04mg/L)。

　　各斷面顯著性周尺度變化趨勢主要集中在非汛期(10月—次年月，即41周—次年22周)，部分斷面水質(zhì)指標周尺度變化坡度。淮河流域pH值基本在6~9之間，且呈減少趨勢(水體酸化)，其余三個水質(zhì)指標整體呈輕微的改善趨勢;淮河水系水質(zhì)指標變化坡度(2.81~1.33mg/L)略大于沂沭泗水系(0.59~1.03mg/L)，CODMn的變化坡度絕對值最大，NH、DO和pH值次之。

　　淮河水系pH值和DO濃度的最大變幅分別為0.25/y和1.51mg/，均出現(xiàn)在永城黃口(39周和41周)，CODMn和NH濃度的最大變幅分別為2.81mg/L和2.43mg/L，均出現(xiàn)在亳州顏集(12周和21周);沂沭泗水系pH值、DO、COMn和NH濃度的最大變幅分別為0.26/y、1.03mg/、0.50mg/、0.31mg/，分別出現(xiàn)在棗莊臺兒莊大橋(周)、邳州邳蒼艾山西大橋(10周)、臨沂澇溝橋(21周)、徐州李集橋(28周)。

　　3結(jié)論

　　淮河流域周尺度指標變化主要集中在非汛期(41周次年22周)，淮河水系指標變化坡度(2.81~1.33mg/L)大于沂沭泗水系(0.59~1.03mg/L)，分別有32%(7/22)、14%(/22)、41%(/22)和64%(14/22)的斷面pH值顯著減少、DO濃度顯著增加、CODMn和NH濃度顯著減少。

　　淮河水質(zhì)指標均呈現(xiàn)顯著的空間正相關(guān)性，個低pH值聚集中心(信陽淮濱水文站、阜南王家壩和駐馬店班臺)主要分布在淮干上游和洪汝河下游，個低DO聚集中心(阜陽張大橋、周口鹿邑付橋閘和亳州顏集)和兩個高CODMn和NH聚集中心(阜陽張大橋和亳州顏集)主要分布在沙潁河和渦河。

　　淮河流域共劃分種典型水質(zhì)類型，類型為弱堿性、低CODMn和NH濃度斷面，分布在淮河上游和淮河干流;類型為偏堿性、低DO濃度、高CODMn和NH濃度斷面，分布在沙潁河;類型為偏堿性、高DO濃度、低CODMn和NH濃度斷面，分布在淮河中游和沂沭泗水系;

　　類型水質(zhì)指標主要與2015s時期的水田和旱地等顯著相關(guān)，其中水田對pH值影響較大，旱地對其余指標影響較大;

　　類型的DO和NH濃度與各時期各緩沖區(qū)半徑城鎮(zhèn)用地均顯著相關(guān)，CODMn濃度與2015s時期其他林地顯著相關(guān)。本研究重點關(guān)注土地利用對水質(zhì)時空分布的區(qū)域影響，為全面揭示淮河流域水質(zhì)區(qū)域分布特征及成因等，今后應進一步開展其他因子(如點源排污、營養(yǎng)物流失、徑流情勢、閘壩修筑及調(diào)控等)的影響研究。

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　　作者：翟曉燕1，張永勇2

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