0 引 言
流域水环境问题作为现状较为严峻、影响较为恶劣、与生产生活联系密切的环境问题之一，已经成为亟待解决的现实问题[1-2]。随着城市化和工业化的快速推进、养殖业的规模化发展，工业污染、生活污染、养殖业污染和历史遗留污染等因素叠加，使得湘江流域环境污染问题日益复杂。为了加深对湘江流域环境问题的理解并提出科学有效的应对措施，许多学者都针对湘江流域的水环境问题进行了研究：如谢伟城等[3]对湘江长潭株段进行分析；王晨等[4]研究了衡阳段河床沉积物重金属的污染；徐欣等[5]对湘潭段水体氨氮污染进行了研究。学者对水质时空变化的研究也较多：如唐敬知等[6]和Liu等[7]运用综合污染指数、主成分分析、Sperman秩相关检验等方法研究了湘江流域水环境演变及其影响因素；刘庆珊[8]、Zhai等[9]和许凯等[10]对淮河流域的水质时空变化及其影响因素进行了研究；而刘发根等[11]分析了鄱阳湖水质的时空变化特征，并研究了水位对水质变化的影响。
自湘江流域水污染问题引起重视以来，不同政策、治理方案相继出台，如《湘江流域水污染综合整治实施方案》等。为研究湘江流域现阶段水质情况，以及相关政策的有效性，本文利用湘江干流及7条支流上29个监测断面的水质数据，通过分析2008—2015年湘江流域水质演化的时空分布特征，结合湖南省各地区的GDP、城市化水平、农业产值、工业产值以及湖南省环境治理措施的具体实施，指出湘江流域水质时空变化的主要影响因素及政府干预条件下湘江流域水环境的演化趋势，为接下来湘江流域的污染防治工作提供参考。
1 研究区域概况
湘江起源于广西省兴安县，由东安县进入湖南省，自南向北流经永州、衡阳、湘潭、株洲、长沙，后于岳阳市湘阴县流入长江水系的洞庭湖。湘江在湖南省境内干流长度为670 km，流域面积达85383 km2。本文研究区仅涉及湘江流域湖南段(109°48′—114°14.4′E，24°36′—18°40.8′N)，见图1。整个流域属于太平洋季风湿润气候，年平均气温17～18 ℃，降水主要集中在春、夏两季[12]。河流上下游海拔高差不大，但起伏不平，雨水汇集迅速。湘江上游集中分布着有色金属矿区[13-15]，下游则是以金属矿产冶炼加工工业为基础发展起来的城市群[16-18]。
图1 研究区水质监测断面分布
Fig.1 Distribution of water quality monitoring sections
2 材料与方法
2.1 数据来源
本文从湘江流域已有的国控、省控水质监测断面中选择了29个断面(见图1)，2008—2015年的连续月监测数据进行研究。其中，株树桥水库的监测资料始于2011年6月。所有断面分布在湘江干流及7条支流上，除3个水库外，其余均为河流断面(见表1)。
29个国控、省控水质监测断面的水质监测数据统计结果见表2。对照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》可知：pH值始终在标准值(6～9)内，故本文分析不再考虑pH值。
2.2 单因子评价法
水质评价是水环境研究的基础[19]。单因子评价法是GB 3838—2002中推荐的方法，也是目前使用最广泛的水质评价方法。该方法是选择水质最差的单项指标所属类别来确定该断面综合水质类别，并按照应实现的水域功能类别来定义水质达标情况。
表1 水质监测断面信息
Table 1 Water quality monitoring sites’ information
序号所在城市河流名称断面名称目标水质∗序号所在城市河流名称断面名称目标水质∗1永州湘江绿埠头Ⅱ16衡阳蒸水蒸水入江口Ⅳ2衡阳湘江归阳镇Ⅲ17郴州耒水头山(东江水库)Ⅱ3衡阳湘江松柏Ⅲ18郴州耒水小东江Ⅱ4衡阳湘江黄茶岭Ⅲ19衡阳耒水大河滩Ⅲ5衡阳湘江熬洲Ⅲ20衡阳耒水耒水入江口Ⅲ6株洲湘江朱亭镇Ⅲ21衡阳洣水草市镇Ⅲ7株洲湘江白石Ⅲ22衡阳洣水洣水入江口Ⅲ8株洲湘江霞湾Ⅲ23株洲渌水枧头镇Ⅲ9长沙湘江昭山Ⅲ24株洲渌水渌水入河口Ⅲ10长沙湘江猴子石Ⅱ25娄底涟水江龙滩Ⅲ11长沙湘江三汊矶Ⅳ26湘潭涟水涟水入河口Ⅲ12长沙湘江乔口Ⅲ27长沙浏阳河株树桥水库Ⅱ13永州潇水双牌水库Ⅲ28长沙浏阳河榔梨Ⅲ14永州潇水诸葛庙Ⅲ29长沙浏阳河黑石渡Ⅳ15衡阳蒸水联江村Ⅲ
注：*目标水质来源于湖南省发展和改革委员会发布的《湘江流域科学发展总体规划(2011—2020)》以及各市生态环境局官方网站。
表2 2008—2015年监测指标数据描述统计
Table 2 Data description statistics of monitoring indicators in 2008—2015 mg/L(pH除外)
统计pHρ(DO)ρ(CODMn)ρ(NH3-N)ρ(TP)ρ(Pb)ρ(As)ρ(Cd)最大值8.8627.0016.7027.8000.9300.0600.2930.028最小值6.381.600.250.0120.0030.0000.0000.000中位数7.707.582.310.4650.0600.0010.0050.000平均数7.661.622.570.9840.0790.0020.0070.001方差0.297.511.300.2370.0750.0040.0100.001监测次数27432743274327432740273927422726
2.3 季节性Mann-Kendall检验
湘江流域丰、枯水期特征明显，因此，本文采用季节性Mann-Kendall法检验流域2008—2015年的水质变化趋势。
季节性Mann-Kendall检验是Hirsch等[20]以Kendall检验为基础提出的考虑了季节性因素的一种非参数检验方法，该方法被广泛地应用于水质趋势分析(即与时间的相关性)[21-22]，其优点在于：1)样本可以不服从正态分布；2)不受少数异常值的干扰；3)允许数据有缺失。
根据Smith等[23]提出的修正的季节性Mann-Kendall(下文简称“M-K”)趋势检验，本文进行M-K检验的步骤为：将某一断面历年相同月份的水质数据进行比较，如果后面的值(时间上)高于前面的值就记为正，否则记为负，正负相抵后的值为各月的统计量S，再把各S相加得到总统计量。 由于本文有超过3年的逐月数据，可以直接通过比较总统计量与正态分布表来进行显著性趋势检验。
3 结果与讨论
3.1 水质评价结果分析
对湘江流域2008—2015年的水质数据进行评价，结果见表3。可知：湘江流域Ⅲ类及Ⅲ类以上达到了90%，水环境质量优良。单因子评价结果受单项水质指标的影响显著，故而Ⅰ类水占比较少。
表3 湘江流域单因子水质评价结果
Table 3 Water quality evaluation results of single factor evaluation method in Xiangjiang River Basin
水质类别占比/%Ⅰ类6.38Ⅱ类47.36Ⅲ类36.71Ⅳ类4.89Ⅴ类1.90劣Ⅴ类2.77
水质达标率能直观地反映出河流污染的治理成果。图2为以单因子评价法的评价结果为基础，根据目标水质计算出的湘江流域各断面7个水质指标的达标率。其中，NH3-N与TP的达标率最低，分别为93.75%与97.84%，其余依次为DO(99.3%)、CODMn(99.86%)、As(99.86%)、Cd(99.93%)、Pb(99.96%)。为详细了解污染因子在流域各断面的污染状况，选取污染范围最广、达标率最低的NH3-N与TP，以及湘江流域一直以来的关键污染物——重金属污染进行深入分析。
——DO； — —Mn； -·-·-·NH3-N； ……TP； 
—Pb; 
—As; 
—Cd。
图2 基于单因子评价法的各水质指标达标率
Fig.2 Water quality achievement rate based on single factor index method
3.2 水质的空间分布特征及其影响因素
2008—2015年湘江流域各断面主要水质指标8年平均浓度见图3，其中由虚线连接的点表示位于同一条河流的断面，而断面编号由小到大依次代表河流的上游至下游。表3中列出了流域内湘江干流及7条支流的污染情况。
图3 2008—2015年湘江各断面主要水质指标空间变化
Fig.3 Spatial variation of main water quality indicators in different sections of Xiangjiang River, 2008—2015
对于湘江干流，NH3-N和TP的浓度从上游到下游逐渐增加，原因是湘江流域的城市建设集中在湘江沿岸，越往下游城市化水平越高、人口越密集、生产生活产生的污染物越多，对湘江水环境的影响就越大。Pb、As和Cd的浓度在断面2至断面5表现出异常增大，在断面3(松柏)处达到最高，断面5(熬洲)后河流中的重金属浓度恢复正常。浓度异常的断面都位于湘江衡阳段，而衡阳市又是湖南新兴的核心工业城市，也是湖南省目前重点发展的次级中心城市，生活、工业废水排放量都比较高，同时受限于其污水处理能力，使得其境内污染物浓度偏高。这也是断面5检测到NH3-N浓度较高的主要原因。
潇水2个断面的污染物浓度几乎为0，整体水质表现优良，为Ⅱ类水(单因子评价法)。与潇水类似，洣水、渌水都为Ⅱ类水，其监测断面各污染物浓度变幅也小。相对而言，洣水的重金属污染物浓度更高，渌水的TP和NH3-N浓度更高，表明这两条河流的水环境控制因素有所不同，洣水倾向于工业生产带来的影响，而渌水倾向于农业和居民生活带来的影响。蒸水上游邵阳市与衡阳市的市界断面联江村的NH3-N浓度达到了1.53 mg/L，超过了Ⅳ类水限值标准，沿途接纳了武水河等支流后，在蒸水入江口浓度降到了1.11 mg/L。耒水上游的两个监测断面的污染物浓度较小，而中游的断面19(大河滩)中的Pb、As和Cd浓度陡然变大，原因在于素有“中国有色金属之乡”称号的郴州市的主要排污口离出境断面(大河滩)很近，污水在短距离内难以净化。除As外，位于涟水上游的市界断面江龙滩的各污染物浓度均明显大于下游入江口的，主要原因是断面上游的涟钢集团以及数家砂场在生产过程中产生了大量的污染物，而部分污染物得不到有效处理，最终影响了涟水的水环境。浏阳河为Ⅳ类水，下游的断面28(榔梨)和断面29(黑石渡)的NH3-N、TP污染比较严重，主要原因是浏阳河流经长沙市区接纳了大量的生活污水。
3.3 水质的时间变化特征及其影响因素
3.3.1 水质的年际变化
从图4可以直观地看出：2008—2015年湘江流域NH3-N、TP、Pb、As和Cd的平均浓度整体上均呈下降趋势，尤其是NH3-N与重金属As，降幅分别达到42.8%与61.2%。截止至2015年，5种监测指标均达到或好于GB 3838—2002 Ⅱ类水标准限值，表明湖南省2008年启动的湘江水污染综合治理整治工作取得了明显成效。但是，NH3-N与As浓度在2015年有小幅上升趋势，表明随着城市化与工业化的加速推进，污染物排放量变大，污染问题变得复杂，湘江水环境保护面临着更大的压力。
—·—NH3-N； ……TP； 
—Pb； 
—As； 
—Cd。
图4 2008—2015年湘江主要水质指标年际变化
Fig.4 Interannual variation of main water quality indicators of Xiangjiang River, 2008—2015
为进一步分析各断面水质变化趋势，对流域内29个监测断面的NH3-N、TP、Pb、As和Cd浓度进行季节性M-K趋势检验，结果见图5。
由图5可得：对于NH3-N，有11个断面呈显著下降趋势，其中9个位于湘江干流下游，长沙市的周边；1个位于蒸水上游，湘潭与娄底交界处；1个位于干流中游，衡阳市内。有6个断面的NH3-N浓度呈上升趋势，其中5个为显著上升，主要位于湘江上游，潇水、耒水的中上游以及渌水上游。其余断面NH3-N浓度变化不明显。该结果表明：NH3-N污染严重的湘江中下游区水质有改善，但是在河流源区等水质比较好的地方，污染却在变严重。TP有6个断面呈显著下降趋势，主要位于湘江中下游以及耒水河段；有5个断面呈显著上升趋势，分布在浏阳河下游、湘江中游衡阳段、湘江上游以及潇水河段；其余断面变化不明显。
对于Pb，有10个断面呈显著下降趋势，主要分布在湘江干流的中上游；有8个断面呈现显著上升趋势，分别在湘江干流的上游、浏阳河、涟水河。仅有耒水中上游2个断面的As呈显著上升趋势；其余断面显著下降或变化趋势不明显。对于Cd，渌水下游以及涟水上游的断面呈显著上升趋势；其余有21个断面呈下降趋势，其中20个断面为显著下降，主要分布在湘江干流、渌水上游、蒸水、耒水以及潇水。流域重金属污染情况改善明显。
通过分析湘江流域不同时段污染物浓度演变过程，可以发现：1)经过多年的治理，湘江流域河流中的重金属污染得到了显著的改善，而湘江下游的Pb、耒水上游的As以及涟水上游的Cd含量呈现出显著上升的趋势，表明这几条河段附近存在重金属污染源，但影响范围有限；2)相比于流域内重金属污染的治理效果，NH3-N和TP污染的改善则稍弱，表明流域内重金属污染与NH3-N和TP污染的来源不同，NH3-N和TP的污染来源更加广泛，且政府更加重视对重金属污染的治理；3)在湘江整体环境改善的背景下，衡阳、郴州和永州的NH3-N和TP污染仍有显著上升趋势，原因可能在于污染治理存在滞后效应。同时，根据湘江流域科学发展总体规划(2011—2020年)中提出的“一核四极四轴”城镇空间格局，湖南省开始大力发展衡阳、郴州、永州、娄底4个次级中心城市。城镇化水平的提高也带来了居民生活污水排放量的增加，导致水体中NH3-N和TP浓度增加，这也是衡阳、郴州和永州NH3-N和TP污染相对严重的原因之一。
3.3.2 水质的季节变化
夏季暴雨会导致河流径流量增加，从而提高水环境容量，增强水体的自净能力，降低河流污染物浓度。但同时降雨会洗刷地面，将地表污染物通过地表径流的方式带入河流，增加污染物浓度。通过对比不同断面各水质指标丰、枯水期的浓度，来分析河流水质对季节变化的响应(图6)。可知：大部分断面的NH3-N和TP浓度在丰水期较高，尤其是联江村，主要原因是该时期降雨量大，径流搬运能力较强，将空气中的粉尘、农田里过剩的氮、磷肥等携带汇入河；其次，由于春夏季是播种的季节，农药、化肥的使用量较多，也进一步增加了汇入河流中的NH3-N和TP总量。但部分断面(蒸水入湘江口、江龙滩与黑石渡)枯水期浓度明显高于丰水期，主要原因是这几处主要为点源污染，枯水期河流量较小，水流速度缓慢，不利于污染物稀释。
图5 水质指标季节性Mann-Kendall趋势性检验结果
Fig.5 Seasonal Mann-Kendall trend test results of main water quality indicators
丰水期；
枯水期。
注：实心表示丰枯水期污染物浓度差别大的断面。
图6 2008—2015年湘江各监测断面水质的季节变化特征
Fig.6 Seasonal variation characteristics of water quality in each monitoring section of Xiangjiang River, 2008—2015
对于重金属污染物，有17个断面是枯水期Cd浓度高于丰水期，尤其是联江村、大河滩断面，表明这些河流仍在接收新的Cd污染物。大部分断面As浓度的丰、枯水期区别不大，仅松柏、蒸水入湘江口和大河滩表现出丰水期高于枯水期。Pb浓度丰枯水期差别最为明显，多为丰水期高于枯水期，但在变化显著的站点两者互有高低，松柏、霞湾、江龙滩为丰水期高于枯水期，蒸水入江口、大河滩、耒水入江口为丰水期低于枯水期。重金属冶炼行业的废水排放对水体的污染是长期累积的，松柏、霞湾断面位于流域重点工业区，河流沉积物中Pb、As含量远超背景值[24-25]，当洪水搅动底泥，Pb、As浓度便会升高。
总体上，湘江流域部分断面水质会受到季节变化的影响，水质指标在丰、枯水期会有浓度差异，主要是受强降雨、流量变化以及历史排放的影响。
3.4 水环境质量的影响因素
本节对研究区内各行政区域的主要社会和经济统计指标与NH3-N、TP进行了相关性分析。由表4可以看出：对于整个研究区，代表城市发展的GDP、城市化水平、工业生产总值以及污水年排放量与NH3-N、TP都呈现正相关，且相关性较高，表明城市化水平的提高与工业的发展对环境产生较大的压力。对于单个行政区域，长沙、株洲、衡阳和湘潭的NH3-N、TP，郴州的TP，都与各经济指标呈负相关或者正相关关系很弱，表明2008年以后城市发展等经济因素已经不是影响河流污染物浓度变化的主要因素，湖南省各级政府对环境保护的重视程度，制定的环保政策及实施力度成为了影响湘江流域水环境变化的主导因素。永州的水质指标浓度与经济因素呈正相关，是因为相对于其他城市，永州仍处于大力发展经济的状态，而且永州处于湘江上游，水质状况一直良好，当地政府对污染防治的重视程度相对较低。
表4 各行政区经济指标与水质指标的相关性分析
Table 4 Analysis of the correlation between economic indicators and water quality indicators in all administrative districts
城市指标GDP城市化水平工业生产总值农业产值农作物播种面积污水年排放量研究区NH3-N0.365∗0.331∗0.356∗-0.060-0.1350.595∗∗TP0.585∗∗0.541∗∗0.579∗∗0.101-0.1890.794∗∗长沙NH3-N-0.680-0.740∗-0.700-0.607-0.838∗∗-0.763∗TP-0.477-0.413-0.428-0.551-0.248-0.408株洲NH3-N-0.842∗∗-0.729∗-0.829∗-0.857∗∗-0.725∗-0.677TP-0.858∗∗-0.858∗∗-0.865∗∗-0.784∗-0.871∗∗-0.103湘潭NH3-N-0.435-0.268-0.385-0.418-0.2240.172TP0.2280.3080.2950.2460.378-0.155衡阳NH3-N-0.804∗-0.378-0.838∗∗-0.610-0.733∗0.312TP-0.1530.478-0.1270.1390.032-0.522郴州NH3-N0.6320.3540.5790.6800.3290.784∗TP-0.657-0.874∗∗-0.683-0.652-0.865∗∗-0.860∗∗永州NH3-N0.2920.3710.4040.321-0.0560.709∗TP0.758∗0.4780.7010.753∗0.890∗∗0.146
注：*和**分别表示在0.05和0.01水平上显著。
从图7可以直观看出：长沙市的污水排放量逐年变大，但是污水处理率也在相应提高，2015年的处理率已经达到97.72%。其余各市也控制了污水排放量，同时污水处理能力得到提高，这进一步佐证了2008年以后湘江流域的水环境变化受到政府政策的影响较大。
排放量：
长沙； 
株洲； 
湘潭； 
衡阳； 
郴州； 
永州； 处理率：—长沙； —株洲； ------湘潭； —衡阳； ……郴州； —·—·永州。
图7 2008—2015年各城市污水处理率、排放量年变化
Fig.7 Annual changes in sewage treatment rate and discharge of municipal sewage of cities, 2008—2015
4 结 论
本文在2008—2015年湘江流域29个水质监测断面的水质数据基础上，结合断面流量以及研究区内各行政单位的社会、经济指标数据，利用单因子评价法及季节性Mann-Kendall检验，对湘江流域的水质及其时空分布特征进行综合评价分析，探讨水质变化的影响因素，并研究了湘江流域水质管理对流域水环境变化的影响，得出以下结论：
1)湘江流域水环境整体质量优良。90%以上的河水都处于Ⅲ类及以上级别，7条支流中蒸水与浏阳河的污染最为严重，主要污染类型为NH3-N和TP。
2)流域污染物浓度整体上呈下降趋势。季节性M-K趋势检验结果表明，重金属Pb、As和Cd的治理效果要好于NH3-N和TP。而在流域上游部分地区(如衡阳、永州、郴州)NH3-N、TP有显著上升的趋势。
3)湘江流域内，整体上NH3-N和TP的污染浓度在丰、枯水期具有显著差异，表现为丰水期浓度较高。对于重金属污染，不同种类重金属间差异较大，只有少数断面在丰、枯水期会有浓度差异，主要受到河流流量变化以及历史排放的影响。
4)通过进行湘江流域内各行政区经济指标与水质指标的相关性分析发现：2008年以后城市发展等经济因素不再是影响湘江流域河流污染物浓度变化的主要因素；湖南省各级政府对环境保护的重视程度，制定的环保政策及实施成为影响湘江流域水环境变化的主导因素。
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