江蘇省2006-2015年水生態環境質量變化特征分析

呂學研， 程 亮， 陳亞男， 張 詠， 張 甦， 張 然， 崔嘉宇

(1. 江蘇省環境監測中心， 江蘇 南京 210019； 2.南京水利科學研究院 水利工程科學國家重點實驗室， 江蘇 南京 210029； 3.中國環境監測總站 國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室， 北京 100012)

1 研究背景

江蘇省地處長江、淮河下游。境內河道、湖泊、水庫眾多，水網稠密，進一步又分為長江、太湖、淮河3個流域片區。受地形影響，形成了里下河[1]、太湖[2]等典型的平原河網區域特征。加之南水北調[3-4]、引江濟太等調水工程，境內流域邊界不清，水系的上、下游關系更加復雜[5]。研究發現，江蘇省在2004-2014年城鎮化水平逐年提升的同時，河湖水系連通水平基本上呈下降趨勢，從而加大了水生態環境保護的難度[6]。

地表水是江蘇省主要的水資源供給源。受2007年太湖藍藻水華造成的水危機影響，針對太湖流域的研究報道顯著高于省內其他區域。在其他區域，馬小雪等[7]發現里下河地區地表水綜合水質在汛期較非汛期差，西南部水質好于東北部。

地表水環境質量的好或壞、優或劣直接關系到經濟社會的發展質量，也是水生態環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測數據為基礎，根據《地表水環境質量評價辦法(試行)》，對全省河流、湖庫水質進行分析和評價，從水環境質量的變化方面分析全省水生態環境整治的工作成效，進一步與“十五”末(2005年)的水環境質量進行比較，對比“十一五”與“十二五”水環境質量的改變程度，以期為全省水質進一步改善提供參考。

2 數據來源及分析方法

本文以江蘇省境內2006-2015年地表水例行監測數據為基礎進行統計。數據統計與評價依據《地表水環境質量評價辦法(試行)》。

趨勢分析Spearman秩相關系數(Rs)的計算在SPSS18.0軟件上實現。

3 結果與分析

3.1 全省河流水質變化趨勢分析

2006-2015年全省河流水質總體呈好轉趨勢。與2006年相比，2015年Ⅰ～Ⅲ類斷面比例上升了22.5個百分點，劣Ⅴ類斷面比例下降了15.8個百分點(圖1(a))。全省河流水質2006和2007年總體處于中度污染狀態，2008年開始，劣Ⅴ類斷面比例降低到20%以下，水質總體處于輕度污染狀態。主要污染指標變化趨勢分析結果顯示，2006-2015年全省河流主要污染指標均呈顯著下降趨勢(圖1(b))，氨氮的Rs為-0.782(p=0.004)，總磷的Rs為-0.697(p=0.013)，化學需氧量的Rs為-1.000(p<0.001)。全省河流主要污染指標在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個百分點，劣Ⅴ類斷面比例下降了12.1個百分點，主要污染指標氨氮、總磷和化學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個百分點，劣Ⅴ類斷面比例下降了2.8個百分點，主要污染指標化學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。數據還顯示，2011-2015年(十二五)期間，全省河流水質在2013年改善到最好程度，隨后又有所下降，最終導致全省河流水質在“十二五”期間的改善幅度較“十一五”期間有所收窄。

3.2 全省湖庫水質變化趨勢分析

2006-2015年，全省湖庫水質總體呈好轉趨勢。與2006年相比，2015年Ⅰ～Ⅲ類斷面比例上升了32.6個百分點，劣Ⅴ類斷面比例下降了7.1個百分點(圖2(a))。2006-2015年，全省湖庫水質總體污染程度未發生變化，均處于輕度污染狀態。

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

與2005年相比，2010年全省湖庫Ⅰ～Ⅲ類斷面比例提升了18.8個百分點，劣Ⅴ類斷面比例下降了12.2個百分點，主要污染指標總磷和化學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Ⅰ～Ⅲ類斷面比例提升了17.4個百分點，劣Ⅴ類斷面比例上升了1.6個百分點，主要污染指標化學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。數據還顯示，“十二五”期間，全省湖庫水質的改善程度均較“十一五”不同程度收窄。

3.3 主要流域水質變化趨勢分析

3.3.1 太湖流域

(1)太湖湖體水質變化。2006-2015年，太湖湖體水質改善明顯，湖體高錳酸鹽指數、氨氮、總氮、總磷和綜合營養狀態指數下降趨勢均非常顯著(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的變化趨勢與冪函數的擬合度最高，說明湖體高錳酸鹽指數的改善已經進入平穩期，近期難以有較大的改善空間。根據擬合方程預測2016、2017、2018年太湖湖體的高錳酸鹽指數均值分別為3.9、3.8和3.8 mg/L，實際監測年均值分別為3.8、3.9和3.9 mg/L，相對誤差分別為2.6%、-2.6%和-2.6%。不斷補充2016、2017和2018年的監測數據，優化方程的擬合參數，進行進一步預測。結果顯示，補充2016年的監測數據后，2017年的預測值為3.9 mg/L(y=5.1004x-0.109，R2=0.8213)，與實際監測值一致；2018年的預測值3.8 mg/L，相對誤差-2.6%。2017年監測數據的加入，并未對2018年的預測值(y=5.0923x-0.108，R2=0.8324)產生實質影響。進一步延伸預測顯示，2019和2020年太湖湖體高錳酸鹽指數的預測值并未因為2016-2018年數據的加入而發生變化(2018年數據加入后，擬合方程為y=5.0809x-0.108，R2=0.8324)。

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

圖2 2005-2015年江蘇省湖庫水質類別比例與主要污染指標年均值年際變化

圖3 2005-2015年太湖湖體富營養化指標年均值年際變化

由圖3(b)可看出，湖體氨氮濃度變化以指數方程的擬合結果最好，其次是冪函數。兩個擬合方程對2016-2018年湖體氨氮的預測值分別為0.10、0.08、0.06 mg/L和0.16、0.15、0.14 mg/L，與實測值0.14、0.14、0.16 mg/L的相對誤差分別為-28.6%、-42.9%、-62.5%和14.3%、7.1%、-12.5%?？梢婋m然指數函數能夠最好地擬合湖體2005-2015年的氨氮變化，但是由于其較快的后期收斂特征，導致其預測值的下降幅度較實際值偏大，而冪函數后期較慢的收斂特征，造成了其預測值的下降幅度較實際值偏小，這對于負向型的水質指標，預測結果是保守的、偏穩的。隨著2016年數據的加入，太湖湖體氨氮2017和2018年的冪函數預測值分別為0.15和0.13 mg/L(指數函數的預測結果為0.08和0.07 mg/L)，相對誤差分別為7.1%和-18.8%；進一步加入2017年的數據，冪函數預測2018年太湖湖體的氨氮濃度為0.14 mg/L(指數函數的預測結果為0.08 mg/L)，相對誤差為-12.5%。據此，以2005-2018年太湖湖體氨氮的冪函數擬合結果預測2019年太湖湖體氨氮年均值約為0.13 mg/L。

由圖3(c)可看出，對于湖體總氮來說，線性方程和指數方程均給出了較好的擬合結果。兩種方程對2016-2018年湖體總氮的預測值分別為1.66、1.51、1.37 mg/L和1.75、1.66、1.56 mg/L，與實測值1.74、1.65、1.38 mg/L的相對誤差分別為-4.6%、-8.5%、-0.7%和0.6%、0.6%、13.0%。加入2016年的數據后，對2017、2018年的預測值分別為1.54、1.40 mg/L和1.66、1.56 mg/L，相對誤差分別為6.7%、1.4%和0.6%、13.0%。利用2017年的數據進一步預測，2018年總氮濃度分別為1.43和1.56 mg/L，相對誤差分別為3.6%和13.0%?？梢?，線性方程和指數方程對2016和2017年湖體總氮濃度的預測效果均較好，但是線性方程對2018年湖體總氮的預測效果明顯優于指數方程。這是因為湖體總氮實測值的下降幅度在2018年較2017年增加了2倍，指數方程對這一變化的捕捉能力明顯低于線性方程?？紤]到兩種擬合方程對數據信息不同的捕捉能力，以2005-2018年湖體總氮數據預測2019年湖體總氮濃度在1.42 mg/L(線性方程)～1.50 mg/L(指數方程)。

(2)太湖流域河流水質變化。2006年以來，太湖流域河流水質改善明顯(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)。主要污染指標分析表明(圖4(b))，太湖流域河流主要污染指標均呈現顯著的下降趨勢，氨氮的Rs為-0.799(p=0.003)，總磷的Rs為-0.782(p=0.004)，化學需氧量的Rs為-0.988(p<0.001)。

圖4(a)還顯示，2009年為太湖流域河流水質變化的特征年。這一年，太湖流域河流Ⅰ～Ⅲ類斷面比例開始高于劣Ⅴ類斷面比例?！笆晃濉蹦?，流域河流Ⅰ～Ⅲ類斷面比例為25.3%，較2005年提升了13.9個百分點；劣Ⅴ類斷面比例為15.6%，較2005年下降了24.8個百分點。

這一變化均高于“十二五”期間的幅度。隨著水生態環境治理工程的有效落實推進，流域河流水質已經得到了顯著改善，后續工作的重點是在對已有成效的河流進行長期維護與監管的基礎上，加強整治重點、難點河流。

3.3.2 長江流域 2006年以來，長江干流江蘇段水質總體為優。從水質類別來看，10個水質監測點位10年水質均穩定達到或優于Ⅲ類。從污染變化趨勢來看，2006-2015年長江干流江蘇段綜合污染指數總體下降趨勢顯著(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，全省入江支流水質改善明顯。從水質類別來看，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)。從污染變化趨勢來看，2006-2015年，3項主要污染指標整體均呈下降趨勢，其中總磷濃度下降趨勢顯著(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但均不顯著。

3.3.3 淮河流域 2006年以來，淮河干流江蘇段水質總體有所改善(圖6)，除2007年為輕度污染外，其他年度水質良好。從水質類別來看，淮河干流4個水質監測點位中除2006和2007年分別有1個和4個點位水質為Ⅳ類，2008年以后4個點位歷年水質均為Ⅲ類。從污染變化趨勢來看，2006-2015年淮河干流江蘇段綜合污染指數總體下降趨勢顯著(Rs= -0.830，p<0.001)，主要污染物氨氮在10年間呈下降趨勢，但不顯著(Rs=-0.333，p=0.173)。

從水質類別比例來看(圖6(a))，2006年以來淮河流域河流水質改善明顯，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項主要污染指標整體均呈下降趨勢(圖6(b))，其中化學需氧量和氨氮濃度下降趨勢顯著，Rs分別為-0.976(p<0.001)和-0.697(p=0.025)；總磷濃度下降趨勢不顯著，Rs為-0.261(p=0.467)。

3.4 討論

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

在控制污染源排放總量的同時，針對省內重點流域[8-9]、區域[10-12]、河流[13-14]、斷面[15-16]開展的專項調查、治理工作，也成為全省水環境質量改善的有力推手。

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

圖5 2005-2015年長江干流江蘇段綜合污染指數、主要污染指標年均值及入江支流水質年際變化

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

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，經過強有力的治理，其水質已經得到明顯改善。湖體高錳酸鹽指數、氨氮和總氮的變化已經進入或接近穩定期，但是湖體總磷濃度目前仍處于不穩定狀態，成為影響太湖水質根本扭轉的不確定因素。后期針對太湖的研究重點應為降磷并協同控氮，確保湖體富營養化狀況穩步改善。

4 結 論

本文以2006-2015年地表水例行監測數據為基礎，對江蘇省河流、湖庫水質進行分析和評價，從水環境質量的變化方面分析全省水生態環境整治的工作成效，進一步與2005年的水環境質量進行比較，對比“十一五”與“十二五”水環境質量的改變程度，初步得到以下結論：

(1)全省河流、湖庫水生態環境質量在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，主要污染物指標年均濃度均顯著下降。長江干流、淮河干流水質穩中向好，綜合污染指數下降趨勢明顯。長江支流和淮河支流水質同樣改善顯著，Ⅰ～Ⅲ類斷面比例升高明顯，劣Ⅴ類斷面比例顯著下降，主要污染指標年均濃度均呈不同程度的下降趨勢。

(2)太湖主要富營養化指標在2006-2015年間下降明顯。高錳酸鹽指數和氨氮年均濃度已總體進入穩定期，總氮年均濃度接近穩定期；總磷是當前影響湖體水質的主要不穩定因素。今后一個階段的工作重心應為降磷并協同控氮，確保湖體富營養化程度穩中向好。