基于Mann-Kendall法的韓江下游水質變化規律研究

陳澤榕

(廣東省水文局汕頭水文分局,廣東 汕頭 515041)

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基于Mann-Kendall法的韓江下游水質變化規律研究

陳澤榕

(廣東省水文局汕頭水文分局,廣東 汕頭 515041)

采用韓江下游近年水質分析資料,應用Mann-Kendall檢驗方法等,對2006—2012年主要指標的變化特征進行研究。結果表明：韓江中下游水質總體較為良好,部分水質因子如鐵、糞大腸菌群、氨氮、總氮等指標存在超標現象,其中鐵、糞大腸桿菌群、氨氮且呈現不同程度的下降趨勢,總氮則呈現上升趨勢；部分指標因子與汛期關聯緊密。

韓江流域；徑流；變化趨勢；Mann-Kendall

1 概述

韓江發源于紫金縣七星崠,北東向流至大埔縣三河壩與汀江匯合,此后折向南流,至潮州潮安進入韓江口混合區域。韓江是潮州、汕頭、揭陽等市的主要水源地,擔負著生產、生活用水、生態用水、航道用水等多種職能。近年來,隨著經濟社會發展及人類活動影響,水質變化顯著,該現象得到眾多專家學者的關注,并取得一定的研究成果。宋鳳艷等通過二苯碳酰二肼分光光度法測定得出潮州境內河段的六價鉻濃度[1]；黃通旺等采用微生物學法分析了1998年韓江下游汕頭市區河段水質情況[2]。還有學者采用灰色模型理論等對水質進行評價分析,但由于水質數據獲取方法不一致,數據樣本存在季節性影響等問題,不利于分析水質演變趨勢。kendall法已被很多研究證明是一種很好的非參數檢驗法,其最大的優點是可用于資料系列存在漏測值、未檢出值的情況,同時可考慮季節變化對水質的影響[3]。

韓江流經潮州后,于鳳凰洲附近分為東溪、西溪、北溪三條支流,經汕頭市各入海口注入南海。在各支流水質發生較為顯著的差異,且隨季節、時間推移呈現一定的變化趨勢,本文以韓江下游近年實測資料為基礎,運用統計分析方法,對其年內、時間系列及演變規律進行初步探討。

2 研究方法

Mann-Kendall法是世界氣象組織推薦并廣泛使用的方法,它不需要數據系列遵從一定分布,也不受少數異常值干擾,且不需要做統計分析,適用于水文、氣象等非正態分布的數據,計算簡便[4]。

設序列為xt(t=1,2,…… ,n),假設序列變化不明顯,計算Mann-Kendall檢驗的統計量S和統計檢驗值Zs：

(1)

(2)

式(1)中Xi、Xj為序列中數據值,且j>i,n為序列長度。若經檢驗,統計量Zs不滿足-Z1-α/2≤Z≤Z1-α/2,則拒絕假設,表明序列有明顯趨勢。

3 韓江下游水環境現狀

韓江是潮汕地區的第一大江河,全長470 km,流域總面積達30 112 km2,選取韓江干流及其下游支流有代表性的斷面共4個,分別是干流赤鳳和竹竿山水廠、東溪的急水、西溪的田頭何等斷面,如圖1所示。

3.1 水環境現狀

根據2012年3月斷面監測數據可知(表1),各斷面水質狀況基本良好,但部分指標存在超標現象。其中氨氮、5 d生化需氧量的評價結果為Ⅰ類或Ⅱ類；鐵、錳在上游赤鳳斷面超標,但沿程存在一些起伏變化情況；而糞大腸菌群、總氮在中下游都出現超標現象,其中赤鳳、急水、田頭何等3斷面的糞大腸菌群評價類別為Ⅳ類,各斷面的總氮指標為Ⅴ類或劣Ⅴ類。

圖1 韓江下游監測斷面分布示意

從空間分布情況看,水體從韓江進入下游后氨氮、錳的指標趨于良好,鐵的指標則呈現時好時壞的不穩定狀態。主要污染物糞大腸菌群、總氮的指標依然停留在較差水平。

表1 2012年3月各斷面監測數據值

3.2 主要污染因子變化情況

據韓江斷面實測水質資料判定韓江主要污染因子為鐵和糞大腸菌群。對2006—2012年斷面的主要污染因子濃度進行分析。

在分析時段內,韓江水體鐵的濃度在0.024～0.752 mg/L之間,年內變化如圖2所示,系列數據呈現交替起伏狀態,其中汛期明顯高于非汛期。而從年際間對比來看,趨勢線的斜率總體為負值,說明各斷面的鐵因子濃度呈現一定的下降趨勢。鐵指標最高值0.752 mg/L發生在2008年6月的赤鳳斷面,從數據可知,下游竹竿山水廠、東溪、西溪斷面鐵的濃度同步出現為較大值,上下游具有一定的關聯性。

繪制2008—2012年韓江主要斷面糞大腸菌群逐月變化過程線(見圖3)。韓江水體中糞大腸菌群超標較為嚴重,但年際間沒有顯著的上升或下降趨勢。通過滑動平均計算,汛期時的指標值明顯大于非汛期,因此超標現象主要發生在汛期。與干流赤鳳、竹竿山水廠相比,下游東溪急水斷面、西溪田頭何斷面超標更為嚴重。其中韓江下游西溪田頭何斷面2010年10月糞大腸菌群數量為92 000個/L、東溪急水斷面則在2011年7月出現5 400個/L為斷面實測最大值。

圖2 2006—2012年韓江主要斷面鐵含量逐月變化過程線

圖3 2008—2012年韓江主要斷面糞大腸菌群逐月變化過程線

4 污染因子變化趨勢分析及成因分析

以多年實驗數據為依據,選取韓江控制斷面的主要污染指標進行Mann-Kendall檢測分析,本次檢驗置信度α分別取0.1、0.01,相應的臨界值Zα/2=1.64、2.57。統計量絕對值大于1.64則為顯著趨勢,大于2.57則為極顯著趨勢,正負號代表趨勢上升或下降。斷面水質因子的演變趨勢見表2。

表2 各水質因子的肯德爾統計量(Z)計算

韓江中下游水系中鐵的含量呈現減少趨勢,其中干流赤鳳斷面、竹竿山水廠斷面下降趨勢極為顯著,東溪急水斷面也呈現下降,西溪田頭何斷面為上升趨勢,但趨勢不明顯。根據韓江水情形勢變化,可知鐵濃度的高低與洪水有較為密切關系,汛期流量大時含量高、非汛期流量低時也鐵含量濃度低,這是由于流域上游的平遠縣等地區礦產資源豐富,含鐵離子較高的巖層風化后汛期隨著水流,沖刷進入河道導致鐵濃度上升。結合韓江流域水文特性可知,2008年出現較大流域性洪水后,韓江徑流逐年減少,因此流量減少是水體鐵含量呈現下降趨勢的主要原因之一。

赤鳳、竹竿山水廠、田頭何的糞大腸菌群也呈現下降趨勢,其中竹竿山水廠的肯德爾統計值為-4.59,下降趨勢極為顯著。由于該斷面緊鄰水廠,近年地方各級不斷加強飲用水源保護措施,生活污水排放得到有效控制。因糞大腸菌群主要來源于人畜糞便的生活污水,因此主要斷面的糞大腸菌群呈現下降趨勢說明韓江流域內生活污水的排放得到一定的控制。

赤鳳、竹竿山水廠、急水、田頭何的氨氮肯德爾統計量分別為-2.99、-1.84、-1.95、-3.41,說明氨氮指標在韓江中下游均呈現下降趨勢,其中赤鳳、田頭何下降趨勢極為顯著；氨氮的減少也說明韓江水體中生活污水的影響呈減弱趨勢,與糞大腸菌指標分析結論一致。

5 結語

通過Mann-Kendall法非參數檢驗,對韓江流域中下游2006—2012年水質數據進行分析得出如下主要結論：

1) 韓江中下游水質總體較為良好,但部分水質因子如鐵、糞大腸菌群、氨氮、總氮等指標存在超標現象。

2) 在韓江中下游的不同斷面,鐵因子都存在超標的現象。鐵的濃度受地表水流沖刷和底泥擾動影響,在汛期的濃度值明顯高于非汛期,在2006—2012年期間,韓江干流呈現顯著的下降趨勢,東溪為下降趨勢、西溪為上升趨勢,但變化都不顯著。

3) 韓江干流糞大腸菌群也呈現下降趨勢,其中竹竿山水廠附近河段下降趨勢極為顯著。指標因子與降雨、洪水關聯較為緊密。

4) 韓江水體中氨氮維持在Ⅰ類或Ⅱ類水平,且呈現下降趨勢,但總氮為Ⅴ類或劣Ⅴ類水平,呈現上升趨勢,說明在以總氮作為水體富營養化的因子中,氨氮的貢獻率較低,因此有機氮、硝氮為總氮超標的主要因素。

[1] 宋鳳艷，詹嘉紅.韓江潮州市區江段水質六價鉻污染程度的測定[J]. 韓山師范學院學報,2007(6)：64-66．

[2] 黃通旺.韓江汕頭市區河段水質的微生物學監測 [J].水生生物學報,2002(1)：106-108．

[3] 辛小康,尹煒,楊芳.基于肯德爾法的丹江口水庫水質演變趨勢研究[J].人民長江,2012(7)：91-94.

[4] 陳麗,黃章斌.福州市1961—2001年氣候變化特征分析[J].黑龍江科技信息,2009(28)：27-28．

[5] 吳海斌.韓江流域省界水質現狀、污染成因及對策分析[J] .能源及環境,2011(11)：18-19．

(本文責任編輯 馬克俊)

A Mann-Kendall-based Study of the Water-Quality Changing Pattern of the Lower Reaches of the Hanjiang River

CHEN Zerong

(Shantou Branch of Guangdong Provincial Hydrographic Office, Shantou 515041，China)

Examining recent water quality analyses of the lower reaches of the Hanjiang River and employing the Mann-Kendall method, this paper studies the 2006-2012 changing pattern of the major factors. The findings indicate that the lower reaches of the Hanjiang River have a generally good water quality, except that some factors such as iron, fecal coliform, ammonia nitrogen and total nitrogen are out of limits. The first three factors show a downtrend of varied extent, whereas the last factor, total nitrogen, displays an uptrend. Some index factors are closely related with the flood season.

the Hanjiang River reaches；runoff；changing pattern；Mann-Kendall

2016-01-15;

2016-02-03

陳澤榕(1989)，男，本科，助理工程師，從事水質監測和水環境評價工作。

X824

A

1008-0112(2016)01-0019-03