基于Spearman秩相關系數法分析水磨河水質變化趨勢

文_田甜 新疆維吾爾自治區固體廢物管理中心

隨著社會的快速發展及工業化的進程，人口的增加，越來越多的生活污水以及工業廢水排入河流、湖泊，導致河流湖泊的生態系統被打亂，造成嚴重污染。本文筆者將研究為烏魯木齊市做了諸多貢獻的水磨河，基于Spearman秩相關系數法通過對水磨河五個斷面的水質監測數據進行年度秩相關系數的指標分析，對水磨河的水環境變化趨勢進行分析，研究引起水磨河的水環境變化的主要原因，為綜合治理方案和環境管理提供參考的依據。

1 水質監測點布局

根據水磨河不同河段的水質目標要求，并考慮各河段的主要水環境功能，將水磨河流域污染控制單元具體劃分為：搪瓷廠泉、七紡橋、聯豐橋、米泉橋和三個莊。根據工業發展現狀和城市布局水磨河流域的特點,搪瓷的水源保護區位于上游為對照斷面，七紡橋斷面和聯豐橋斷面被歸類為控制斷面,米泉橋和三個莊在河的下游則被定義為消減斷面。

論文以水磨河具有代表性的5個監測斷面(搪瓷廠泉斷面、七紡橋、聯豐橋、米泉橋、三個莊)為例，選取2012～2016年溶解氧、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、氨氮、化學需氧量、總磷、總氮等指標作為評價因子依據對水磨河的水環境變化趨勢進行分析。

2 分析方法介紹

采用Spearman秩相關系數法評價污染物隨時間變化的規律，對污染物變化趨勢進行定量分析。對水磨河流域水污染趨勢的定量分析，采用秩相關系數法其數學表達式如下：

式中：rs─秩相關系數；

xi─周期 1 到周期N按濃度值從小到大排列的序號；

yi─按時間排列的序號；

di─變量xi和變量yi的差值；

N─時間周期數。

將秩相關系數rs的絕對值同spearman秩相關系數統計表（見表1）中的臨界值Wp進行比較。

當rs＞Wp則表明變化趨勢有顯著意義：

如果rs是負值，則表明在評價時段內有關統計量指標變化呈下降趨勢或好轉趨勢；

如果rs為正值，則表明在評價時段內有關統計量指標變化呈上升趨勢或加重趨勢；

當rs≤Wp則表明變化趨勢沒有顯著意義：說明在評價時段內水質變化穩定或平穩。

表1 秩相關系數的臨界值 （Wp）

3 水磨河各斷面水環境變化趨勢分析

對水磨河流域水污染趨勢的定量分析，采用 Spearman 秩相關系數法評價水磨河流域中污染物隨時間變化的規律。根據水磨河流域五個斷面2012～2016年五年水質監測數據，采用Spearman秩相關系數法得出水磨河流域主要污染物的秩相關系數rs，具體數據見表2。

表2 水磨河流域五個斷面五年水質主要污染物的秩相關系數

當N為5時（2012～2016年有五個時間序列），在顯著水平為0.05時臨界值Wp=0.900，對表3進行分析得到：

搪瓷廠泉斷面中，除高錳酸鹽指數和溶解氧的rs絕對值大于Wp臨界值以外，其余數值均小于Wp。故在搪瓷廠泉斷面，高錳酸鹽指數隨時間變化呈下降趨勢，相應的溶解氧隨著時間的變化呈現上升的趨勢，而其余污染物在此斷面沒有顯著的上升或下降趨勢，因此搪瓷廠斷面的水環境質量總體呈平穩向好的趨勢。七紡橋斷面的硫酸鹽濃度隨時間變化呈上升趨勢，其余污染物在此斷面沒有顯著的上升或下降趨勢，即七坊橋斷面整體呈平穩狀態，但后續需關注硫酸鹽的變化趨勢。聯豐橋斷面的高錳酸鹽指數、化學需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總氮隨時間變化呈下降趨勢，溶解氧隨著時間的變化呈現上升的趨勢，說明聯豐橋斷面的水質正趨于轉好。米泉橋和三個莊斷面的高錳酸鹽指數、化學需氧量、五日生化需氧量在這五年中也呈現下降趨勢，溶解氧隨著時間的變化呈現上升的趨勢，同樣表明這兩個斷面目前為止雖然仍未達到V類水的標準，但總體趨勢還是在逐年變好。

4 水磨河流域污水排放對其水質變化趨勢的影響分析

(1) 工業廢水排放

根據烏魯木齊市城市總體規劃和烏魯木齊市環境保護十三五規劃，到2020年，烏魯木齊市工業廢水處理率達到88%，水磨河流域點源污染企業全部搬遷或關停。根據環境統計，目前沒有以水磨河流域作為污染物受納體的工業企業，現在工業企業主要集中在米東工業園區，產生的工業廢水全部由工業園區污水處理廠或處理站接納處理并實現達標處理與再生利用，將不再排放廢水和污染物。所以工業廢水對水質變化趨勢無影響。

(2) 居民生活污水排放

根據烏魯木齊市2015年統計年鑒數據顯示，水磨河流域天山區、水磨溝區和米東區2014年常住人口為117.05萬人，其中城鎮人口84.5萬人，鄉村人口32.5萬人。2014年人口自然增長率天山區為7.22‰、水磨溝區6.73‰、米東區9.44‰。顧由此推測，到2020年烏魯木齊市人口依舊成增長趨勢。居民生活污水排放量方面會對水質變化趨勢有較大影響，人口的增加會對生活用水的排污量增加。

(3) 城鎮生活垃圾排放

水磨河流域內共有垃圾轉運站18處，覆蓋流域內所有13個街道。天山區、水磨溝區屬中心城區，生活垃圾收集、處理體系完備，基本不會對河道造成污染。

(4) 農業污水排放

農業污染源主要來源于水磨河下游聯豐橋斷面以下農村居民生活污水、畜禽養殖及農業種植產生的污染物。受烏魯木齊的城鎮化進程的影響，烏魯木齊城市規劃繼續實施“南控北擴、西延東進”戰略，作為水磨河下游的米東區為重點發展方向。受此影響，農業種植面積只減不增。農業種植排水也會呈現減少趨勢。

(5) 污水處理廠污水排放

水磨河流域河道沿線有七道灣污水處理廠和河東污水污水處理廠水質未達一級A標準排放入河，根據兩家污水處理廠水磨河入口上游100m、水磨河入口下游500m和河東污水處理廠水磨河入口上游100m、水磨河入口下游500m的水質監測結果顯示，有高錳酸鹽指數、化學需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總氮、總磷等多項項目嚴重超標。由于兩個污水處理廠的排放來水量較大，基本成為聯豐橋之后水磨河河道的主要補給水源，即使污水處理廠的出水水質達到一級A標準，仍會對水磨河下游水質有影響。

5 結語

基于Spearman秩相關系數法評價污染物隨時間變化的規律，對水磨河污染物變化趨勢進行定量分析的結果表明：在過去幾年內采取的水磨河尤其是水磨河下游的水環境治理措施和政策是有效的。而對今后影響水磨河水環境質量主要因素的居民生活污水、畜禽養殖污水以及污水處理廠的出水排放，應重點進行管理，加強日常監管，科學保護水資源。