季節性Kendall檢驗法在灤河干流水質分析中的應用

郭麗峰,郭勇,羅陽,張俊,王乙震(.海河流域水環境監測中心,天津30070;.海河流域水資源保護局,天津30070)

季節性Kendall檢驗法在灤河干流水質分析中的應用

郭麗峰1,郭勇2,羅陽2,張俊1,王乙震1
(1.海河流域水環境監測中心,天津300170;2.海河流域水資源保護局,天津300170)

應用季節性Kendall檢驗法分析灤河水質變化趨勢,并進行污染源識別。結果表明：灤河干流CODMn和NH3-N 2個指標的濃度、污染物輸送率及流量調節濃度均沒有明顯變化；通過流量調節后上下游各站點濃度變化趨勢趨于一致,同一站點CODMn和NH3-N的變化趨勢也較一致,流量調節濃度趨勢分析能夠更好地反映水質變化趨勢。5個監測站點中只有三道河子和烏龍磯2個斷面的CODMn濃度出現小幅上升；5個監測站點NH3-N輸送率均未出現上升趨勢,三道河子、烏龍磯和灤縣3個監測站點CODMn輸送率呈現上升趨勢。郭家屯監測站點以上CODMn和NH3-N主要受面源污染影響；郭家屯以下的4個監測站點受點源和面源污染的雙重影響,以點源為主。總體上,灤河干流水質有所好轉,污染源中含氮有機物濃度在不斷降低或穩定不變,有機污染物總量呈增長趨勢。指出郭家屯監測站點以上要積極推進水土保持工作,減少水土流失造成的面源污染；灤河下游要加強對點源污染的治理。

季節性Kendall檢驗法；水質變化；趨勢分析；污染源識別；灤河干流

灤河發源于河北省張家口市巴彥古爾圖山北麓,流經內蒙古正藍旗、多倫縣和河北省承德、唐山兩市,于河北省樂亭縣兜網鋪注入渤海灣[1]。灤河全長888 km,流域面積4.48萬km2。白城子以上為灤河上游,稱為閃電河;白城子以下至灤河河口為灤河中、下游,稱為灤河。筆者以灤河干流中下游地區為研究對象,在灤河干流上選擇郭家屯、三道河子、烏龍磯、灤縣和姜各莊5個站點的2007—2011年水質監測資料,采用季節性Kendall檢驗方法對灤河干流地表水水質變化作趨勢分析及污染源識別分析。

1 監測站點及參數選擇

在灤河干流由上至下選擇郭家屯、三道河子、烏龍磯、灤縣和姜各莊5個監測站點進行分析研究,各站點基本情況和位置分別見表1和圖1。

表1 灤河干流監測站點基本情況

圖1 灤河干流監測點位置示意圖

水利部海河水利委員會發布的《海河流域水資源質量公報》(表2)表明：2007—2011年灤河干流存在不同程度的水污染,主要污染指標為CODMn和NH3-N。因此,筆者選取可以反映灤河干流水污染特點的CODMn和NH3-N作為水質變化趨勢分析的指標。

趨勢分析中水質序列的長短對趨勢檢驗有很大影響,過短的水質序列(如2a或3a)不能準確判定是否存在趨勢,選擇過長的水質序列則會出現一種趨勢掩蓋或抵消另一種趨勢的現象。一般認為,用季節性Kendall檢驗判斷水質趨勢時,序列長短選擇5～8a為宜[2-4]。因此,研究采用了上述5個站點2007—2011年的水質監測資料,其中郭家屯、烏龍磯和灤縣站每年監測12次,三道河子站每年監測6次,姜各莊站每年監測4次。

表2 灤河主要監測站點水質狀況

2 季節性Kendall檢驗法

2.1 季節性Kendall檢驗法的原理

季節性Kendall檢驗是Mann-Kendall檢驗[5-6]的一種推廣,1982年由Rebert等[7]提出,并由Smith等[8]和Van等[2]做了進一步的修正。該檢驗是一種僅考慮數據相對排列的非參數檢驗方法,其主要優點是不受水質資料的非正態性、季節性變化、流量相關、出現漏測值或小于檢測線值等的影響[9]。該檢驗方法的思路是：利用多年收集的數據,分別計算各季節(或月份)的Mann-Kendall檢驗統計量S及方差var(S),再把各季節(或月份)的統計量相加,計算總統計量。如果季節數或月數足夠大,就可通過總統計量與標準正態表之間的比較來進行統計顯著性趨勢檢驗。

季節性Kendall檢驗的原理是將歷年相同月或季的水質資料進行比較,如果后面的值(在時間上)高于前面的值記為“+”號,否則記為“-”號。如正號的個數比負號的多,則可能為上升趨勢;反之,則可能為下降趨勢。如果水質資料不存在上升或下降趨勢,則正、負號的個數相等。大多數河流流量具有周期性變化的特點(如汛期水量較大,而枯水期水量較小),河流中污染物濃度大多受流量周期性變化的影響,因此,將汛期與枯水期的水質資料進行比較,會缺乏可比性。季節性Kendall檢驗將水質資料在歷年相同月份間進行比較,從而避免了季節性的影響。同時,由于數據比較只考慮相對排列而不考慮其大小,故能避免水質資料中常見的漏測值問題。

2.2 季節性Kendall檢驗的數學模型[10-13]

對于季節性Kendall檢驗來說,假設H0為隨機變量,與時間獨立,且全年12個月的水質資料具有相同的概率分布。設有n年P月的水質觀測資料序列X為

式中：xij為水質實測濃度月均值,i=1,2,…,w;j=1, 2,…,p。

2.2.1 對于p月中第i月(i≤p)的情況

令第i月歷年水質序列值相比較(后面的數與前面的數之差)的正負號之和Si為

在零假設下,隨機序列Si=(1,2,…,p)近似地服從正態分布,則Si的均值和方差分別為

式中：ni為第i月內水質序列中非漏測值個數,當ni個非漏測值中有t個數相同,則方差滓i2的計算式變為

2.2.2 對于P月的總體情況

Kendall發現,當n＞10時,S也服從正態分布,并且標準方差為

2.2.3 趨勢檢驗

取顯著性水平琢為0.1和0.01[14鄄15],即當琢≤0.01時,說明檢驗具有高度顯著性水平;當0.01＜琢≤0.1時,說明檢驗是顯著的。當琢計算結果滿足上述兩條件情況下,子為正時,則說明具有顯著(或高度顯著性)上升趨勢;子為負時,則說明具有顯著(或高度顯著性)下降趨勢;子為零時,則無趨勢。查標準正態分布表可知,當琢=0.1時,Z1-琢/2=1.649 9;當琢=0.01時,Z1-琢/2=2.575 8。監測斷面水質變化趨勢的顯著性可根據顯著性水平琢或Z確定(表3)。水質變化趨勢分析結果分為三類五級,三類為上升、下降和無趨勢,五級為高度顯著上升、顯著上升、無趨勢、顯著下降和高度顯著下降[16鄄17]。

表3 顯著性水平的確定

2.3 流量調節方法

河流流量對水質具有一定的影響。一般情況下,當河流污染以點源為主時,水質狀況將因流量增加產生的稀釋作用而呈現好轉趨勢,當河流污染以面源為主時,水質狀況將隨著流量增加而呈現下降的趨勢。通過流量與濃度的相關關系,可以判斷污染物的來源,進而間接地判斷污染的類型(面源污染或點源污染)。流量調節濃度變化趨勢分析從下列公式中選擇流量與濃度相關性最好的一組進行分析[18]：式中：籽為某水質指標的質量濃度,mg/L;Q為流量, m3/s;a、b、c為系數。

圖2 各監測站點CODMn實測質量濃度過程線及趨勢線

圖3 各監測站點NH3-N實測質量濃度過程線及趨勢線

3 結果與討論

水質變化趨勢分析主要包括水質濃度的趨勢分析、污染物輸送率的趨勢分析和流量調節污染物濃度的趨勢分析。灤河干流水質濃度趨勢分析主要通過CODMn和NH3-N實測濃度的變化來反映;污染物輸送率(污染物濃度與同步流量之乘積)趨勢分析是通過污染物輸送率的變化趨勢,判斷污染總量的增減情況;流量調節污染物濃度趨勢分析則是通過流量與濃度的相關關系,判斷污染物的主要來源。

3.1 水質濃度趨勢分析

灤河干流各監測站點CODMn和NH3-N實測濃度過程線見圖2、圖3。從圖2、圖3可見,除姜各莊監測站點的NH3-N濃度有小幅上升外,其他站點CODMn和NH3-N濃度總體呈現下降趨勢,其中郭家屯和灤縣站點下降較明顯;各站點CODMn和NH3-N濃度呈上下波動狀態,郭家屯、三道河子監測站點的CODMn和NH3-N質量濃度分別在5mg/L和0.5mg/ L上下波動,烏龍磯站點的NH3-N質量濃度較高,約為3.0mg/L上下,其他各站點均在1.0mg/L上下波動;郭家屯監測站點CODMn和NH3-N濃度的最高值均出現在汛期,其他4個監測站點質量濃度的最高值基本均出現在非汛期。

經統計計算,灤河干流5個監測站點CODMn和NH3-N質量濃度變化趨勢結果見表4。由于資料年限的系列長度完全符合季節性Kendall檢驗方法的要求,所選擇的檢驗參數反映了灤河干流水質污染特點,并代表了灤河干流的主要污染物,因此認為分析檢驗結果是可信的。通過檢驗可知：5個監測站點CODMn和NH3-N的標準方差Z均小于1.649 9,表明2007—2011年5個監測站點CODMn和NH3-N的濃度均未發生顯著性變化;多數站點和項目呈現下降或無趨勢,只有三道河子和烏龍磯2個監測站點的CODMn濃度出現小幅上升,說明灤河干流水質總體上有所好轉。

表4 2007—2011年灤河干流5個監測站點CODMn、NH3-N濃度變化趨勢

3.2 污染物輸送率趨勢分析

根據2007—2011年月平均流量資料,對灤河干流5個監測站點進行污染物輸送率變化趨勢分析。由表5可見,5個監測站點CODMn和NH3-N輸送率的標準方差Z均小于1.649 9,表明2007—2011年污染物CODMn和NH3-N總量沒有發生顯著變化趨勢;5個監測站點NH3-N呈下降或無變化趨勢,三道河子、烏龍磯和灤縣3個監測站點的CODMn呈上升趨勢。這個結果與前面的水質濃度變化趨勢結果基本一致。

3.3 流量調節污染物濃度趨勢分析

應用origin軟件,采用流量調節濃度計算公式對5個監測站點的CODMn和NH3-N濃度與流量進行回歸分析,選擇其中相關系數r最(較)大的流量調節方程進行流量調節濃度計算和季節性Kendall流量調節濃度檢驗,從而判斷水質變化與流量的關系。2007—2011年灤河干流流量調節濃度變化趨勢見表6,流量調節方程及相關系數見表7,各監測站點流量濃度關系見圖4、圖5。

表5 2007—2011年灤河干流污染物輸送率變化趨勢

表6 2007—2011年灤河干流流量調節濃度變化趨勢

表7 2007—2011年灤河干流各監測站點流量調節方程及相關系數

計算結果表明：5個監測站點CODMn和NH3-N調節濃度的標準方差Z均小于1.6499,說明流量調節濃度均沒有顯著變化趨勢,總體上呈現下降趨勢;通過流量調節后上下游各站點濃度變化趨勢趨于一致,同一站點CODMn和NH3-N的變化趨勢也較前面的結果一致。與前面的結果相比,本結果更明確地表明了近幾年水質改善的情況,說明流量調節濃度趨勢分析能夠更好地反映水質變化趨勢。

3.4 污染源識別分析

從圖4、圖5可以看出,郭家屯監測站點呈現明顯的面源污染特點,污染物濃度隨流量增大而增大,而其他4個監測站點呈現點源污染的特點,總體上污染物濃度隨著流量增大而降低,其中姜各莊站和灤縣站的NH3-N較為明顯,相關系數達到0.7以上。這與實際情況吻合。郭家屯站點以上主要是內蒙古的多倫縣和河北承德的圍場滿族蒙古族自治縣、隆化縣,該區域無重要的污染企業,點污染源入河量較少,2007年廢污水入河量為零,2010年廢污水入河量為0.063億t/a,加之該區多為山區峽谷,絕大部分為石質山區,土層較薄,植被差,水土流失嚴重。另外,郭家屯監測站點CODMn和NH3-N濃度的最高值出現在汛期,因此,面源污染是其主要來源。

圖4 2007—2011年灤河干流各監測站點流量與CODMn質量濃度關系

圖5 2007—2011年灤河干流各監測站點流量與NH3-N質量濃度關系

三道河子和烏龍磯主要接納承德市隆化縣、灤平縣、承德市區以及承德縣排污,2007年和2010年排入灤河干流的廢污水量分別為0.22億t/a和0.70億t/a,COD入河量分別為0.52萬t/a和0.23萬t/a,NH3-N入河量分別為0.04萬t/a和0.17萬t/a。相應的水功能區COD納污能力分別為0.12萬t/a和0.34萬t/a,NH3-N的納污能力分別為0.006萬t/a和0.015萬t/a,可見COD和NH3-N入河量大于水功能區的納污能力。2007年入河廢污水中COD和NH3-N質量濃度分別為233mg/L和19mg/L,2010年分別為32mg/L和24mg/L,COD濃度大幅度下降;灤縣和姜各莊監測站主要接納唐山市遷西縣、遷安縣、灤縣和灤南縣排污,2007年和2010年排入灤河干流的廢污水量分別為1.27億t/a和1.00億t/a,COD入河量分別為2.02萬t/a和1.41萬t/a,NH3-N入河量分別為0.10萬t/a和0.02萬t/a。相應的水功能區COD納污能力分別為1.38萬t/a和0.13萬t/a,NH3-N納污能力分別為0.13萬t/a和0.006萬t/a,COD和NH3-N入河量大于水功能區的納污能力。2007年入河廢污水中COD和NH3-N質量濃度分別為159mg/L、8mg/L,2010年分別為140mg/L、2mg/L,NH3-N濃度顯著下降。另外,三道河子、烏龍磯、灤縣和姜各莊監測站點CODMn和NH3-N濃度的最高值基本均出現在非汛期。因此郭家屯以下的4個監測站點受點源和面源污染的雙重影響,以點源為主。

本研究所得結論與高立川[19]的結論一致。灤河水質好轉,得益于承德、唐山兩市加大了水污染防治力度,一批污水處理廠相繼建成投產,使生活污水得到收集并有效處理;也得益于開展了農村環境衛生綜合整治工程,使農村生活污水和生活垃圾初步得到處理。

4 結論

a.灤河干流2007—2011年CODMn和NH3-N 2個污染指標的濃度、污染物輸送率及流量調節濃度均沒有明顯變化。

b.5個監測站點中只有三道河子和烏龍磯2個斷面的CODMn濃度出現小幅上升。總體上看,灤河干流水質有所好轉。

c.5個監測站點NH3-N輸送率均未出現上升趨勢,污染源中含氮有機物濃度在不斷降低或穩定不變;三道河子、烏龍磯和灤縣3個監測站點CODMn輸送率呈現上升趨勢,污染源中有機污染物總量呈增長趨勢,因此必須對污染源進行有機污染物總量控制。

d.通過流量調節后上下游各站點濃度變化趨勢趨于一致,同一站點CODMn和NH3-N的變化趨勢也較一致,流量調節濃度趨勢分析能夠更好地反映水質變化趨勢。

e.水質變化是點源和面源綜合作用的結果,郭家屯監測站點以上CODMn和NH3-N主要受面源污染影響,郭家屯以下的4個監測站點受點源和面源污染的雙重影響,以點源為主。郭家屯監測站點以上要積極推進水土保持工作,加強小流域綜合治理,依法保護好現有森林、草原等植被,有計劃地進行封山育林育草、輪封輪牧,減少水土流失造成的面源污染;灤河下游要加強對點源污染的治理,調整產業結構,積極推進清潔生產,實施工業污染物總量控制。

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Application of seasonal Kendall testmethod to analysis of water quality in main stream of Luanhe River

GUO Lifeng1,GUO Yong2,LUO Yang2,ZHANG Jun1,WANG Yizhen1
(1.Haihe River Basin Environment Monitoring Center,Tianjin 300170,China; 2.Water Resources Protection Bureau ofHaihe River Basin,Tianjin 300170,China)

The seasonal Kendall testmethod was used to analyze the change trend of water quality in the Luanhe River and identify the pollution source.The results show that the concentrations,pollutant transport rates,and flow control concentrations of CODMnand NH3-N do not display a significant change trend in the main stream of the Luanhe River.The change trends of concentrations upstream and downstream of the sites were consistent,and the same-site CODMnand NH3-N change trendswere also consistent after flow control.Flow control concentration analysis can better reflect the change trend ofwater quality.Of the fivemonitoring stations,two stations,the Sandaoheziand Wulongjistations,had a slightly rising trend in CODMnconcentration.The NH3-N transport rate showed no rising trend at any of the fivemonitoring stations.The CODMntransport rate showed a rising trend at the Sandaohezi,Wulongji, and Luanxian stations.CODMnand NH3-N above the Guojiatun Station were mainly affected by non-point source pollution.CODMnand NH3-N at the other four stations were affected by both point source pollution and non-point source pollution,with the point source pollution being dominant.As awhole,thewater quality in themain stream of the Luanhe River has improved,the concentration of nitrogen organic matter in the pollution source is decreasing or remains unchanged,and the total amount of organic pollutant shows an increasing trend.Soil and water conservation must be enhanced to reduce the non-point source pollution caused by soil and water losses above the Guojiatun Station.The point source pollution in the lower reaches of the Luanhe River should be controlled.

seasonal Kendall test method;change of water quality;trend analysis;identification of pollution source;main stream of Luanhe River

X824

A

1004 6933(2014)05 0060 08

2014 01 24編輯：徐娟)

10.3969/j.issn.1004 6933.2014.05.011

國家國際科技合作專項(2013DFA71340);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07203-002)

郭麗峰(1980—),女,工程師,碩士,主要從事水資源保護和水環境監測、評價工作。E-mail：guolifeng912@163.com