赣江吉安段氮磷指标时空变化特征浅析.pdf

第4 2 卷第4 期2023年8 月水环境四川环境SICHUAN ENVIRONMENTVol.42,No.4August 2023D0I:10.14034/ki.schj.2023.04.019赣江吉安段氮磷指标时空变化特征浅析毛艳2，罗晶玉12，徐鹏？，郎锋祥1，唐晶晶2（1.赣江中游水文水资源监测中心，江西吉安3 4 3 0 0 0；2.鄱阳湖水文生态监测研究重点实验室，南昌3 3 0 0 0 0）摘要：为研究赣江吉安段近年来水质时空变化特征，以期为河流污染治理提供具有针对性和指导性依据。以2 0 14 2021年主要污染指标：氨氮、硝酸盐氮、总磷水质监测数据为基础，采用综合污染指数法、季节性肯达尔检验法分析赣江吉安段氮磷含量时空变化特征及趋势，结果表明：（1）氮磷含量逐年下降，水质总体呈由劣转优趋势；（2）2 0 19年之后，氮磷污染有了质的改善，说明“河长制”推行取得一定的成效；（3）氨氮受工业污水排放点源和农业肥水面源双重影响；硝酸盐氮主要来源于水体内源污染；总磷主要来源于降水淋滤的面源污染。后期应注意控制人为因素的影响，优化产业结构，加强水体保持与修复，控制点源与面源污染。关键词：水质评价；综合污染指数法；季节性肯达尔检验法；相关性分析；赣江吉安段；氮磷指标中图分类号：X522MAO Yan*2,LUO Jing-yu-2,XU Peng2,LANG Feng-xiang2,TANG Jing-jing，2文献标识码：AAnalysis on Temporal and Spatial Variation Characteristics ofNitrogen and Phosphorus in Jian Section of Ganjiang River文章编号：10 0 1-3 6 4 4(2 0 2 3)0 4-0 13 4-0 7(1.Hydrology&Water Resources Monitoring Center of the Middle Reaches of Ganjiang River,Ji an,Jiangxi 343000,China;2.Jiangxi Province Key Laboratory of Poyang Lake Hydrology&Ecology Monitoring and Research,Nanchang,330000,China)Abstract:In order to study the temporal and spatial variation characteristics of water quality in the Jian section of the GanjiangRiver in recent years,to provide a targeted and instructive basis for river pollution control,based on the water quality monitoringdata of the main pollution indicators ammonia nitrogen,nitrate nitrogen,and total phosphorus from 2014 to 2021,the comprehensivepollution index method and the seasonal Kendall test method were used to analyze the temporal and spatial variation characteristicsand trends of nitrogen and phosphorus content in the Jiangji an section of Gangjiang river.The results showed that:(1)thenitrogen and phosphorus content was decreasing year by year,and the water quality generally showed a trend from poor toexcellent;(2)after 2019,the nitrogen and phosphorus pollution had improved qualitatively,indicating that the implementationof the River Chief System had achieved certain results;(3)Ammonia nitrogen was affected by both industrial sewagedischarge point sources and agricultural fertilizer surface sources;nitrate nitrogen mainly came from internal water pollution;totalphosphorus mainly came from the surface of precipitation leaching source pollution.In the later stage,attention should be paid tocontrol the influence of human factors,optimize the industrial structure,strengthen the maintenance and restoration of waterbodies,and control point and non-point source pollution.Keywords:Water quality evaluation;comprehensive pollution index method;seasonal Kendall test method;correlationanalysis;Jian section of Ganjiang River;nitrogen and phosphorus indicators前言氨氮、硝酸盐氮、总磷是赣江吉安段主要污染指标。氨氮以游离氨或铵盐形式存在于水中，是反应水质状况的重要指标之一，鱼类对水中氨氮比较收稿日期：2 0 2 2-0 4-2 2基金项目：江西省水利厅2 0 2 3 年度水利科技项目（2 0 2 3 2 4 YBKT14）；江西省水文监测中心2 0 2 2 年度青年科技创新基金资助项目（SWJ-KT202208)。作者简介：毛艳（19 8 8），女，江西吉安人,2 0 13 年毕业于厦门大学化学化工学院应用化学专业，硕士研究生，工程师，现主要从事水质水生态监测技术研究工作。4期敏感，当氨氮含量高时会导致鱼类死亡1。硝酸盐氮本身不具毒性，但人体摄入硝酸盐后，经肠道中微生物作用转变成亚硝酸盐氮而出现毒性作用。水中硝酸盐氮含量达数10 mg/L时，可致婴儿中毒。水中总磷有正磷酸盐、有机磷酸盐和缩合磷酸盐等多种形式，它们以溶解态或颗粒态形式存在水体中，过量的磷可引发皮肤炎症，引起呕吐、腹泻、头疼等中毒症状2 。氮磷是生物生长的必需元素。然而水体中氮磷含量过高，可造成藻类的大量繁殖、富集，水中溶解氧快速消耗，透明度降低，水质变坏。随着现代工农业的快速发展，工业、农业及生活污水的排人，加大水质污染风险。近年来，基于吉安市境内地表水水质分析研究偶有报道：吴蓉等3 采用不同水质评价方法对赣江支流遂川江水质现状和水质时空变化趋势进行分析；肖莹洁等4 采用线性回归法和肯达尔检验法分析2 0 13 2018年间吉安市城区供水水源地水质变化趋势。候林丽等5 采用多种水质评价方法对吉安市境内最大水库万安水库水质趋势进行分析。这些研究大都以地表水环境质量标准6 基本项目为研究对象，从不同水质评价方法入手，得到水质或变优或变劣的变化趋势。他们主要着重于污染物多年年间变化，缺乏对污染物年内不同月份变化规律的分析；对污染物来源与影响因素也未进行深人地研究探讨。为使研究成果更有针对性，笔者选取赣江吉安段主要污染物指标：氨氮、硝酸盐氮、总磷为研究对象，一方面分析氮磷污染物近8 a变化趋势，另一方面分析污染物年内不同月份变化规律。同时对污染物来源进行初步探讨，以期对吉安市水污染防治与水生态环境保护以及水资源可持续开发利用提供更有针对性的技术支撑。1材料与方法1.1区域概况赣江是江西省内最大河流，亦为入鄱阳湖五大河流之首，源出赣闽边界武夷山西麓，自南向北贯穿全省。赣江吉安段处于赣江中游段。吉安市位于江西省中西部，是举世闻名的革命摇篮井冈山所在地。全市水资源丰富，多年平均年降水量1553.8mm，折合水量3 9 2.6 5亿m，多年平均水资源量2 2 4.2 0 亿m37。赣江从万安良口人吉安境至新干三湖出境，流经6 县2 区，过境河长289km，占赣江总长的3 5.2%8 1，流域面积毛艳等：赣江吉安段氮磷指标时空变化特征浅析Pnii1358472km，多年平均径流量7 3.0 6 亿m，是全市工业、农业、生活用水的主要来源。赣江已建设万安、井冈山、石虎塘、峡江、新干和龙头山六个梯级水利工程，其中在吉安市境内的水利工程有五个（万安、井冈山、石虎塘、峡江、新干）。笔者根据集中式生活饮用水水源地、国家重点水质站、较大支流汇入口、行政区界等原则在赣江干流选取10个具有代表性水质站点进行分析。区域主要水系及所选站点分布详见图1。万安图1吉安市主要水系及所选站点分布图Fig.1Distribution map of mainwatersystem and selected sites in Jian1.2数据来源数据来源于赣江中游水文水资源监测中心，监测频次为每月1次。笔者选取2 0 14 2 0 2 1年近8年间氨氮、总磷、硝酸盐氮3 个指标数据。氨氮、总磷的评价标准限值为地表水环境质量标准（G B3 8 3 8 2 0 0 2）中表1类水标准值（氨氮为1.0mg/L，总磷为0.2 mg/L），硝酸盐氮的评价标准限值为（GB38382 0 0 2）中表2 的标准值（10mg/L)。1.3研究方法笔者使用综合污染指数法9-10 对所选站点氮磷污染程度进行比较。综合污染指数法是在单因子指数法的基础上进行统计分析，综合污染指数法特点是计算原理与过程简单，结果表达简洁。综合污染指数法有多种表现形式，运用最广地为均值综合污染指数法，公式如下：Pi=CoP干水厂吉水县水成站点囍界市界水库Ci(1)(2)136式中：Pi为单因子污染指数；Ci为第i项指标的浓度值；Co为第i项指标的评价限值；P为均值综合污染指数，即P为n项指标的单因子污染指数算数平均值。P值越小，说明水质越好。均值综合污染指数污染程度划分：P0.2，水质好；0.2 1P0.40，水质较好；0.4 1P0.70，轻度污染；0.71P1.00，中度污染；1.0 1P2.00，重污染；P2.01，严重污染。选用季节性肯达尔检验法对多年变化进行趋势分析。目前，较为常用的水质趋势分析方法有线性回归分析法12 、Mann-Kendall13-14 检验法和季节性肯达尔检验法15 17 。季节性肯达尔检验法是近年来运用较广的水质趋势判定方法。它的原理是收集多年监测数据，分别计算各月份（季节）的统计量和方差，再把各月份（季节）的统计量相加，计算总统计量。如果月份数和年份数足够大，可通过总统计量与标准正态分布表之间的比较进行显著性趋势检验。主要优点是不受水质资料的非正态性、季节性变化、流量相关、出现漏测值或小于检出限值等的影响，使结果更加具有可信度。利用皮尔逊相关性分析判定氮磷污染物受自然Tab.1Statistical value of comprehensive pollution index of each water quality station in different water periods断面名称水期万安水库汛期非汛期全年期栋背站汛期非汛期全年期泰和水厂汛期非汛期全年期七姑岭汛期非汛期全年期河东水厂汛期非汛期全年期城南水厂汛期非汛期全年期四川环境或人为因素的影响程度。皮尔逊相关系数又称皮尔逊积矩相关系数。它的定义为两个变量之间的协方差和标准差的商18 ，主要用来度量变量间的相关程度，其值介于-1与1之间。当相关系数介于-10 之间时，表明变量之间存在负相关性；当相关系数介于0 1之间，表明变量之间存在正相关性；当相关系数为0 时，二者不存在相关性；相关系数越接近1或1说明变量之间的正相关或负相关程度越高。2结果与讨论2.1综合污染指数评价结果赣江吉安段10 个水质站点汛期、非汛期、全年期氮磷均值综合污染指数P值列于表1。根据表1可知，P最大值为大洋洲2 0 14 年非汛期统计值0.52；最小值为万安水库2 0 2 1年汛期统计值0.11，说明水质状况在时空分布上存在一定的差异性。除了大洋洲2 0 14 2 0 16 年间P值有大于0.4 0情况之外，表1中P值均小于0.4 0，说明赣江吉安段2 0 14 2 0 2 1年间整体水质较好。表1各水质站点不同水期综合污染指数统计值综合污染指数201420150.210.270.300.300.260.290.210.270.200.290.260.280.210.270.280.270.250.27一一一一一一0.260.290.290.290.270.290.230.310.280.290.260.3042卷201620170.240.180.220.200.230.190.280.190.240.220.260.210.290.170.230.230.260.200.300.190.250.240.280.210.280.180.300.220.290.200.310.190.260.230.290.2120180.210.260.230.250.280.260.230.280.260.250.280.260.220.250.240.260.270.2720190.160.190.170.230.230.230.220.210.210.220.210.210.190.190.190.210.210.2120200.140.180.160.180.170.170.160.150.150.160.150.150.170.150.160.160.140.1520210.110.170.14一一一0.120.150.14一一一0.120.140.130.120.140.134期续表1断面名称峡江水利枢纽汛期非汛期全年期峡江站汛期非汛期全年期新干水厂汛期非汛期全年期大洋洲汛期非汛期全年期毛艳等：赣江吉安段氮磷指标时空变化特征浅析水期20140.220.240.230.230.270.250.260.340.300.400.520.46137综合污染指数201520160.250.270.270.240.260.250.290.300.280.250.290.270.340.390.320.310.330.350.490.440.510.310.500.3720170.180.200.190.180.220.200.20.220.210.290.300.3020180.230.250.240.230.250.240.230.240.240.350.310.3320190.190.220.200.190.210.200.190.210.200.220.240.2320200.160.140.150.170.150.160.150.110.130.170.160.172021一0.120.130.130.120.120.12一一2.1.1不同水期比较比较表1中数据可知，同一站点在一年内非汛期P值与汛期P值大小接近，表1中非汛期P值大于汛期P值占比为58.1%。综合来讲，各断面汛期、非汛期、全年期的均值综合污染指数在同年间没有明显差异，水质状态受水量影响程度不大，间接反应氮磷主要为面源污染。2.1.2水质随时间变化表1中水质站点全年期P值最大值均出现在2015或2 0 16 年，随后呈逐年降低的趋势。以峡江站为例进行说明：2 0 14 年至2 0 18 年全年期P值处于0.2 0 0.2 9 之间；2 0 19 年至2 0 2 1年P值均不大于0.2 0，2 0 2 1年为近8 a最小值0.13。为了保护和改善吉安赣江流域的生态环境，确保赣江流域水资源的可持续利用，吉安市人民政府出台了一系列的保护措施，才使得氮磷排放逐年降低，尤其是2019年江西省境内全面施行“河长制”“湖长制”之后，赣江氮磷污染状况得到了质的改善。2.1.3水质随空间变化赣江万安水库至新干水厂段，同年间P值变化不大，且均没有出现P值大于0.4 0 的情况，说Tab.2Variation trend of nitrogen and phosphorus index Kendall test浓度中值显著水平断面名称项目万安水库NH,-NNO,-N明赣江此段水质均衡，水质较好。大洋洲2 0 14 年和2 0 15年全年期P值分别为0.4 6 和0.50，表明水质氮磷轻度污染，且每年最大值均出现在大洋洲站点。大洋洲取样地点位于新干航电枢纽坝下约200m处，大洋洲水质受到出库水流扰动冲淤的影响，含有氮磷污染物的底泥经过冲刷进入到水体中，这可能是造成大洋洲站点氮磷含量比其他站点偏高的原因。2.2季节性肯达尔检验分析结果运用PWQTrend2010水质分析软件进行季节性肯达尔检验。水质变化趋势的显著性应根据显著水平表示（0.01，水质变化趋势高度显著；0.010.1，水质变化无趋势），趋势检验结果见表2。由表2 可知，氨氮、硝酸盐氮、总磷指标都呈下降趋势。除栋背的硝酸盐氮和总磷指标、泰和水厂的总磷指标、大洋洲的硝酸盐氮指标为显著下降外，其余站点的其他指标均为高度显著下降。说明赣江吉安段氮磷指标污染程度有所降低，水质有变好的趋势，这与3.1综合污染指数分析评价结果一致。表2 氮磷指标肯达尔检验趋势变化浓度变化变化率(mg/L)趋势0.25-0.041.38-0.05水质变化趋势(%）(%）17.750.00-3.260.7高度显著下降高度显著下降138续表2断面名称栋背泰和水厂七姑岭河东水厂城南水厂峡江水利枢纽峡江新干水厂大洋洲四川环境浓度中值浓度变化项目(mg/L)TP0.46NH,-N0.23NO,-N1.37TP0.06NH,-N0.22NO,-N1.32TP0.06NH,-N0.18NO,-N1.37TP0.05NH,-N0.21NO,-N1.32TP0.07NH,-N0.23NO,-N1.30TP0.07NH,-N0.20NO;-N1.26TP0.06NH,-N0.21NO-N1.26TP0.06NH,-N0.23NO,-N1.28TP0.07NH,-N0.31NO,-N1.38TP0.0842卷变化率显著水平趋势（%）0.00-2.17-0.03-15.24-0.05-3.830.00-3.33-0.03-15.06-0.06-4.450.004.03-0.0422.27-0.05-3.880.00-15.11-0.04-16.62-0.075.530.007.79-0.03-13.61-0.07-5.320.00-8.39-0.03-14.770.053.640.00-8.77-0.02-15.91-0.06-4.490.00-7.94-0.05-20.32-0.08-5.910.00-9.340.0722.29-0.05-3.26-0.0220.82水质变化趋势(%）0.000.005.499.200.000.002.410.000.000.000.000.010.000.000.000.000.000.340.000.000.050.000.000.0000.002.820.00高度显著下降高度显著下降显著下降显著下降高度显著下降高度显著下降显著下降高度显著下降高度显著下降高度显著下降高度显著下降高度显著下降高度显著下降高度显著下降高度显著下降高度显著下降高度显著下降高度显著下降高度显著下降高度显著下降高度显著下降高度显著下降高度显著下降高度显著下降高度显著下降高度显著下降显著下降高度显著下降2.3氮磷污染来源及影响因素水体中氮磷来源主要包括从外部进人水体的氮磷，以及水体内部生物体的代谢腐败和沉积物释放进入水体中的氮磷，外源氮磷主要通过点源污染和面源污染两种方式进入水体。常见的面源污染主要有：地表径流污染、农业肥水污染、降水淋滤污染、水土流失以及水产养殖的残饵及排泄物造成的污染。点源污染主要来自于生活污水及工业废水的直接排放或经处理后尾水排放等造成的污染。为探讨氮磷的主要来源，判定自然和人为因素的影响程度。笔者利用吉安市水资源公报中的降水量、地表径流量、农田灌溉用水量、工业用水量、居民生活用水量、废污水人河量等指标，利用SPSS分析软件进行皮尔逊相关性分析，结果列于表3。4期氮硝酸盐氮总磷降水量地表径流量农田灌溉用水量工业用水量居民生活用水量废污水人河量毛艳等：赣江吉安段氮磷指标时空变化特征浅析表3 皮尔逊相关性分析结果Tab.3 Pearson correlation analysis results氨氮硝酸盐氮10.7740.6210.1050.047-0.1070.7700.5190.337139农田灌溉居民生活总磷降水量地表径流量用水量10.214-0.310-0.4180.2180.4990.3840.451废污水工业用水量用水量10.7220.654-0.2400.4180.2900.226人河量10.8240.6770.0450.0350.36510.3350.1710.2440.2061-0.176-0.081-0.61710.9050.91710.3251表3 结果表明：氨氮、硝酸氮、总磷三者之间为正相关，且氨氮和硝酸盐氮相关系数较高，说明两者来源具有一定的重叠性。氨氮与降水量、工业用水量、居民生活用水量、废污水人河量为正相关，其中与工业用水量相关性明显，说明氨氮可能受工业废水的点源污染；与地表径流量、农田灌溉用水量呈负相关，但相关性不大。硝酸盐氮与农田灌溉用水量、工业用水量、居民生活用水量为正相关；与降水量、地表径流量、废污水人河量为负相0.250.20(/）0.150.100.0500246 81012月份(a)氨氮Fig.2 Annval variation of nitrogen and phosphorus pllutant concentrations2.4.1氨氮年内变化图2（a）表示氨氮浓度年内变化情况，可知，20192021年氨氮年内变化呈现类似的规律性。年度最大值出现在3 月左右。吉安市境内主要农作物为水稻，3 月左右为春耕时分，3 月左右出现最大值可能是受农田肥水的影响，同时由于此时赣江径流量较小，水温低，水体自净能力较差等多种综合原因导致。5或6 月份为年度最小值，这主要是因为5-6 月为主汛期，较大的径流量起到一定的稀释效果。关，它们之间相关性都不太显著。总磷除与农田灌溉用水呈负相关以外，其余皆为正相关，其中与降水量相关性最强，说明总磷可能主要来源于降水淋滤污染。2.4氮磷指标年内变化由表2 可知，赣江吉安段水质较均衡，现以峡江站2 0 19 2 0 2 1年数据为例，探讨赣江吉安段氨氮、硝酸盐氮、总磷三个指标浓度年内变化是否具有规律性，结果如图2 所示。+2019年1.8F2020年1.6F2021年1.41.2F1.0F0.80.60.45024681012月份(b)硝酸盐氮图2 金氮磷污染物浓度年间变化过程2.4.2硝酸盐氮年内变化图2（b）表示硝酸盐氮浓度年内变化情况，可知，2 0 19 2 0 2 1年硝酸盐氮年内变化呈现类似的规律性，但与氨氮的年内变化情况稍有差异，59月左右硝酸盐氮浓度为下降趋势；10 次年4月为先上升，然后逐步稳定的过程。这可能因为，59 月左右气温较高，水生生物大量繁殖等水体自净方式逐步加强，硝酸盐氮得到消耗，浓度降低。10 月次年4 月间温度降低，自净能力下降，导致浓度升高。说明除外部来源之外，硝酸盐氮还+2019年2020年+2021年0.120.100.060.040.020024 681012月份(c）总磷+2019年2020年+2021年140受水体生物体的代谢腐败的影响。2.4.3总磷年内变化图2（c）表示2 0 19 2 0 2 1年总磷年内浓度变化情况，可知，总磷的年内变化不呈规律性。由2.3相关性分析结果可知，总磷受降水量影响显著，可能来源降水淋滤面源污染。总磷含量与监测采样前是否降雨及降雨量大小有关，不具规律性。另，由图2 可知，氨氮、总磷2 0 19 2 0 2 1年间相同月份浓度变化大体呈现逐年降低趋势，这与2.1综合污染指数分析和2.2 肯达尔检验结果一致。硝酸盐氮2 0 19 2 0 2 1年间相同月份浓度变化不明显，这可能由于2 0 19 2 0 2 1年年限较短，且硝酸盐氮主要来源于内部水体生物代谢，水体内部生物代谢活动已达到一个动态平衡，短时间内浓度不会有较大变化。3 结论（1）氮磷含量趋势变化。赣江吉安段近年来氮磷含量总体呈由高转低，水质逐渐改良的趋势。均值综合污染指数法表明：2 0 14 2 0 2 1年综合污染指数值逐年下降，尤其是2 0 19 年江西省境内全面施行“河长制”“湖长制”之后，P值降至0.2 5以下，说明赣江氮磷污染程度得到了质的改善。季节性肯达尔检验法分析结果表明：10 个站点的氮磷指标均呈下降趋势，且除个别站点的个别指标为显著下降外，大部分均呈高度显著下降趋势。综合污染指数法和季节性肯达尔检验法均说明水资源“三条红线”监管、“河长制”推行取得一定成效。（2）氮磷污染人为和自然因素的影响。相关性分析表明氨氮与工业用水量相关性显著，年间浓度变化曲线表明春耕时节为年内最大值，说明氨氮既受工业废水点源又受农业肥水面源污染的影响；硝酸盐氮与各种外源污染因素的相关性不明显，年间浓度变化曲线表明主要受水温的影响，说明硝酸盐氮主要来源于水体内部；总磷与降水量相关性最强，说明总磷主要受降水淋滤面源污染。（3）通过对赣江吉安段主要污染指标氨氮、硝酸盐氮、总磷含量进行分析，水质较好，且近年四川环境来氮磷含量有下降的趋势。但是也要注意控制人为因素的影响，还需要加强监管，强化部门联动，狠抓责任落实，优化产业结构，加强水体保持与修复，控制面源和点源污染，保护好一江清水。参考文献：1武武德凯，吴淑岱，赵惠芬.水和废水监测分析方法（第四版）M .北京：中国环境出版集团,2 0 2 0：2 7 6-2 7 7.2续衍雪,吴熙，路瑞，等.长江经济带总磷污染状况与对策建议J.中国环境管理,2 0 18,10（1）：7 0-7 4.3吴蓉，候林丽，郎锋祥，等.不同水质评价方法在遂川江的应用比较J.江西水利科技，2 0 19,4 5（6）：4 3 5-4 4 3.4 肖莹洁，候林丽，郎锋祥，等.吉安市城区供水水源地水质变化趋势分析J.江西水利科技,2 0 19,4 5（6）：4 2 8-4 3 4.5 候林丽，郎锋祥，徐鹏，等.万安水库水质时空变化特征及趋势分析J.人民黄河，2 0 2 0,4 2（2）：12 1-12 5.6GB3838-2002.地表水环境质量标准S.7吉安市水利局.2 0 2 0 年吉安市水资源公报EB/OL.http：/ 0 13：4-5.9巧张征，沈珍瑶，韩海荣，等环境评价学M.北京：高等教育出版设,2 0 0 4：3 9 7-4 0 0.10游如玥,敖天其，朱虹，等.小流域水质评价方法对比研究J.四川环境,2 0 2 1,4 0(2)：7 3-8 1.11刘捷,邓超冰,黄祖强，等.基于综合水质标识指数法的九洲江水质评价J.广西科学，2 0 18,2 5（4）：4 0 0-4 0 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