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嘉陵江清风峡断面水体pH值时间序列特征及其影响因素分析

胡翠华 刘守江 杨丹 王旭熙

胡翠华, 刘守江, 杨丹, 等. 嘉陵江清风峡断面水体pH值时间序列特征及其影响因素分析[J]. 四川林业科技, 2021, 42(1): 47−51 doi: 10.12172/202007150001
引用本文: 胡翠华, 刘守江, 杨丹, 等. 嘉陵江清风峡断面水体pH值时间序列特征及其影响因素分析[J]. 四川林业科技, 2021, 42(1): 47−51 doi: 10.12172/202007150001
HU C H, LIU S J, YANG D, et al. Time-series characteristics and influencing factors of pH value in the Qingfeng Gorge section of the Jialing River from 2007 to 2017[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2021, 42(1): 47−51 doi: 10.12172/202007150001
Citation: HU C H, LIU S J, YANG D, et al. Time-series characteristics and influencing factors of pH value in the Qingfeng Gorge section of the Jialing River from 2007 to 2017[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2021, 42(1): 47−51 doi: 10.12172/202007150001

嘉陵江清风峡断面水体pH值时间序列特征及其影响因素分析


doi: 10.12172/202007150001
详细信息
    作者简介:

    胡翠华(1976—),女,硕士,77196714@qq.com

    通讯作者: 275588077@qq.com
  • 基金项目:  四川省教育厅重点项目(17AZ0373);西华师范大学科研创新团队(CXTD2018-10);西华师范大学英才项目(17YC114)

Time-series Characteristics and Influencing Factors of pH Value in the Qingfeng Gorge Section of the Jialing River from 2007 to 2017

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    Corresponding author: 275588077@qq.com
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    出版历程
    • 收稿日期:  2020-07-15
    • 网络出版日期:  2020-12-24
    • 刊出日期:  2021-02-04

    嘉陵江清风峡断面水体pH值时间序列特征及其影响因素分析

    doi: 10.12172/202007150001
      作者简介:

      胡翠华(1976—),女,硕士,77196714@qq.com

      通讯作者: 275588077@qq.com
    基金项目:  四川省教育厅重点项目(17AZ0373);西华师范大学科研创新团队(CXTD2018-10);西华师范大学英才项目(17YC114)

    摘要: 以嘉陵江广元段清风峡断面水质调查数据为基础,运用文献法、统计法对清风峡2007—2017年河流水体pH值时间变化特征进行了分析,并探讨其变化的成因及影响结果。(1)清风峡pH值年际变化较小,常年维持在8.21上下波动,水体呈微碱性,总体呈下降趋势。(2)在季节变化上,pH值冬春季节高于夏秋季节,pH均值为春季(8.29)>冬季(8.25)>秋季(8.16)>夏季(8.14)。(3)pH值周变化幅度较小,离散程度低,变化平稳。(4)从pH值季节变化分析可以得出,降水是引起该河段水体pH值变化最显著的因子。pH与DO、CODMN、NH3-N三者间呈负相关关系,表明人类活动在一定程度上引起水体pH值的变化。

    English Abstract

    • 河流是内陆市政、工业生产和农业灌溉用水的主要来源,在消化和承载市政和工业废水及农业耕地的地表径流方面,河流承担着一个重要的角色。随着我国工农业的快速发展,人们生活水平也在不断提高,人们对水资源水环境的质量要求也是越来越高。然而地表水的成分日趋复杂,水污染严峻形势不容乐观。因此,对水质变化趋势的研究仍是学界关心的热点课题。当前,我国在河流水质研究方面进展较迅速,重点关注河流水体主要指标随时间序列的变化趋势。而水体pH值是水体水化学特征的综合反映,天然水体的水质与全球变化、环境酸化有着一定的响应关系[1],因此对pH值的时间变化特征的分析具有的重要的环境指示意义。为此,本文采用时间序列分析方法[2],分析广元清风峡断面2007—2017年嘉陵江水体pH值时间序列变化特征,揭示和预测水文过程变化趋势[3],同时分析pH值与DO、CODMN、NH3-N等主要污染指标之间的相关性,探讨其变化驱动因子及对清风峡水环境的影响。水环境中溶解氧(DO)被消耗后,恢复到初始状态所需时间的长短,可以反映出水体污染程度以及水体自净能力大小[4]。水体中的有机物含量可以用化学耗氧量(COD)来反映,COD值越大,表示水中有机污染物含量高,说明水体污染越严重。氨氮(NH3-N)是微生物降解水中有机物的产物,能间接反映出水中有机物含量的高低[5]。通过时间动态变化分析pH值与主要驱动因子之间的相关性,以期为清风峡水质评价和水体污染防治,以及水资源水环境的科学管理提供科学依据。

      • 清风峡位于广元市朝天区(105°35′—106°17′E,32°31′—32°51′N),嘉陵江上游,川陕甘三省交界的边陲地带。地势东北高,西南低,最高峰大尖山海拔1998.9 m,最低点酒茶沟海拔475 m,相对高差1523.9 m,形成东北部中山区、中部河谷平坝、西南低山区的特殊地理环境。由于地处亚热带湿润季风气候区,该流域境内气候湿润,雨量充足,光照适中,四季分明,年平均降雨量980 mm。东北部中山区冬寒夏凉,西南部低山区及平坝河谷地带冬冷夏热。由于地处冷暖空气对流交汇的秦巴山地区中部,故夏秋季多雨而冬春季多风。这里水利资源开发潜力巨大。清风峡与其相连的明月峡、小安峡又被称为嘉陵江上游“小三峡”是广元市一大风景旅游区[6]

      • 清风峡水质监测所在流域断面设置在陕-川省界处,对水质进行同步监测,由国务院环境保护行政主管部门统一组织,中国环境监测总站指导地方环境监测站采样监测。

        本研究数据来源于中国环境监测总站(http://www.cnemc.cn/),该项监测系统具有实时监测和预警功能,在跨界污染纠纷、污染事故预警、重点工程项目环境影响评估及保障公众用水安全方面发挥了重要作用[7]。本研究涉及的参数主要是pH值、溶解氧(DO)、高锰酸盐化学耗氧量(CODMN)及其氨氮(NH3-N)等。首先对监测得到的2007—2017年pH值断面水质调查数据进行预处理,然后对pH值进行时间序列特征分析。我国由于设立环境监测系统的时间不长,现有的长序列监测数据少,常采用水质年均值的变化曲线来描述水质的变化趋势[8]。所有数据的处理均在统计分析软件Excel中完成。

        参照《地表水环境质量标准》,清风峡河流断面水质类别监测数据见表1所示。

        表 1  清风峡河流断面水质分类统计表(2007—2017年)

        Table 1.  Statistical results of water quality classification of the Qingfeng Gorge section (2007-2017)

        年份Ⅰ类水质Ⅱ类水质Ⅲ类水质Ⅳ类水质Ⅴ类水质劣Ⅴ类水质监测次数
        200722 7000029
        200840 7000047
        20093510000045
        20103319000052
        20113615000051
        201239 6000045
        201341 6100048
        201447 4000051
        201541 8000049
        201635 9010045
        20172417100042

        表1可以看出,2007—2017年水质总体情况较好,大多年份基本为Ⅰ类和Ⅱ类水质,而且Ⅰ类水次数显著多于Ⅱ类水次数。仅在2013和2017年分别出现1次Ⅲ类水,2016年出现1次Ⅳ类水。说明从2007—2012年,清风峡河流断面水体清洁,水质较好;从2013年开始,水体在一定程度上出现污染,水质有下降趋势。

      • 在清风峡河流断面水质监测pH值数据的基础上,统计出清风峡2007—2017年各年pH年均值(见图1),分析清风峡pH值年际变化特征。

        图  1  清风峡pH均值年际变化趋势图

        Figure 1.  Trend chart of interannual variation of pH value in the Qingfeng Gorge

        图1可以看出,从2007—2017年,清风峡pH值总体上是在7.98~8.44之间波动,呈一定的下降趋势,年际变化较小。pH值在2009年达到最大值8.44,2015年值最小7.98,其变幅较小。其中2015年清风峡pH值下降到极小值,可能与水体腐殖质过多,二氧化碳偏高、溶解氧不足以及大气酸沉降带来的污染有关。

        2007—2017年pH值平均值为8.21,水体呈微碱性。清风峡水体常年呈微碱性,在水体氮的循环中,pH值起着重要作用,硝化作用、固氮作用都以微碱性pH值7.5~8.5最适宜;微碱性水生环境有利于嘉陵江鱼类的生长和繁殖。天然水体的pH主要取决于CO2、HCO3、CO32−三者在平衡体系中各组分的相对含量,Shapiro等提出高pH/低CO2条件有利于蓝藻形成竞争优势的理论[9]

      • 从春、夏、秋、冬四个季节,对2007—2017年清风峡水体pH值季节变化特征进行对比分析。由于清风峡2007年pH值数据样本缺失较多,为提高分析的准确性,减小误差,本文分析清风峡pH值季节变化特征的时间范围是2008—2017年(见图2)。

        图  2  2008-2017年清风峡pH值季节变化特征

        Figure 2.  Seasonal variation characteristics of pH value in the Qingfeng Gorge from 2008 to 2017

        清风峡水体在2008-2017年春、夏、秋、冬四个季节均呈碱性,pH>7。除2015、2016年外,其pH从大到小顺序是:春季(8.29)>冬季(8.25)>秋季(8.16)>夏季(8.14),即冬春季节高于夏秋季节,而且是春季pH值最大,夏季pH值最小。春季最大值8.59出现在2008年和2009年,最小值7.83出现在2014年;夏季最大值8.38出现在2009年,最小值7.91出现在2012年;秋季最大值8.5出现在2016年,最小值7.77出现在2013年;冬季最大值8.51出现在2009年,最小值7.63出现在2015年。各个季节pH值呈逐年下降趋势,变化较稳定,pH最低值>7,水体呈微碱性。

        广元清风峡地处亚热带湿润性季风气候区,夏秋季多雨,特别是夏季降水量大,而冬春少雨,特别是春季降水最少。同时夏秋季节大气酸性物质容易通过降酸雨的形式进入到水体中,加重河流水体的酸化程度,所以夏秋季pH值明显低于冬春季。这也说明降水是引起该河段水体pH值变化非常显著的因素。另外,夏秋季节农业活动频繁,化肥的使用也可能会导致pH值的降低,表明人类活动在一定程度上引起水体pH值的变化。当然水体pH值的变化,对水生动植物会产生重要影响,对下游居民生产生活也会产生相应的影响。

      • 选取平均值、中位数、标准差等多个指标,对清风峡pH值周变化情况进行统计分析(见表2),表中观测数为该年pH值监测周数。

        表 2  清风峡2007—2017年pH值周变化统计表

        Table 2.  Statistical results of weekly pH variation in the Qingfeng Gorge from 2007 to 2017

        年份平均值中位数标准差方差峰度最小值最大值观测数
        20078.238.310.240.060.167.588.5230
        20088.358.330.170.030.177.958.7347
        20098.448.460.210.043.417.658.7145
        20108.2 8.230.190.03−0.99 7.858.5852
        20118.358.410.270.071.997.488.9251
        20128.128.2 0.230.050.127.478.5345
        20138.2 8.380.490.241.166.958.8448
        20148.018.090.320.1 2.856.788.4751
        20157.988.070.4 0.16−0.12 7.118.5748
        20168.298.290.160.02−0.76 7.988.6245
        20178.088.110.140.016.447.498.3242

        通过“区域”指标对比,可以发现各年份pH值周变化幅度较小;2016年pH值周变化幅度最小,2013年pH值周变化幅度最大。由“峰度”和“偏度”指标,可以看出,2009年和2017年峰度值>3,其余年份峰度值均<3,总体上看峰度值偏小;偏度的绝对值都<2,除2008年、2010年和2016年,其余年份偏度值均是负数;说明pH值分布状态平稳,pH值周变化较稳定。从“方差”和“标准差”指标可以看出,方差最大值<0.3,标准差最大值<0.5,说明了pH值的离散程度较小,pH值周变化平稳。综上所述,pH值周变化幅度较小、分布状态平稳,但个别年份出现小波峰情况、pH值离散程度较小,pH值周变化稳定,极少出现剧烈变化的情况。

        周变化平稳,可能是由于时间跨度较小,短时间内水体pH值受到自然环境变化、工农业活动的影响较小。虽然清风峡pH值周变化幅度较小,变化平稳;但可以看出其水体长期处于碱性状态。水体长期弱碱性对水生生物将会产生显著影响。

      • 通过统计2007—2017年pH与DO、CODMn、NH3-N的数据,对四者进行了相关性矩阵分析,结果见表3所示。

        表 3  相关性矩阵分析结果

        Table 3.  Results of correlation matrix analysis

        pHDOCODMnNH3-N
        pH值1
        DO−0.0981
        CODMn−0.099−0.1781
        NH3-N−0.077−0.0060.05781

        通过表3可以看出pH值与DO相关系数为−0.098、pH值与CODMn相关系数为−0.099、pH值与NH3-N相关系数为−0.077;另外从矩阵中还可以看出DO、CODMn、NH3-N这三者之间的相关性系数。相关系数取值范围[−1,1],绝对值趋近于1者表明相关性越大。仅NH3-N和CODMn之间呈现出正相关关系,但相关性不显著。可以看出pH值与DO、CODMn、NH3-N之间的相关系数都为负数且其相关系数的绝对值<0.1,表明pH值与DO、CODMn、NH3-N三者均呈不显著的负相关关系。

        清风峡水体pH值总体呈一定的下降趋势,主要原因是区域大气酸沉降造成水体酸性物质浓度升高。对于防治酸性物质的污染,可以适当的培植浮游植物,促使藻类繁殖茂盛,可以在一定程度上起到调节pH值的作用。清风峡处于川—陕交界处,易受到酸雨的影响,为减少酸雨的影响,应植树造林保护环境;调整区域能源结构,推广使用清洁能源,从而减少酸性气体的环境排放量。

      • 环境是人类生存发展的基本前提,清风峡水环境的保护对广元段嘉陵江流域长期发展有着重要意义。本研究以嘉陵江广元段清风峡断面水质调查数据为基础,运用文献法、统计法对清风峡2007—2017年河流水体pH值时间变化特征进行了分析,并探讨其变化的成因及影响。结果表明嘉陵江水体的PH值存在缓慢的逐年酸化,以及显著的季节波动趋势,主要是大气酸沉降、农业面源污染和季节性降水等因素在一定程度上影响的结果。季节性降水是与当地大气候相适应的自然过程,而大气酸沉降、农业面源污染是人类活动带来的不利影响;应当减少大气酸性物质的排放,减少农药化肥的使用量加大农业面源污染治理力度。影响河流水质的因素很多,如何从大量的水质影响因子中选择合适的评价指标就十分重要,今后应进一步科学的确定影响水环境质量的关键因子,进而精确指导环境监测和治理等相关工作。

    参考文献 (9)

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