基于時間序列法的淮河流域蚌埠段污染風險預測

吳安東 衛志偉 沈家敏 徐慧琳

安徽財經大學統計與應用數學學院

一、引言

水質變化趨勢預測是維護和管理當前水質狀況的重要依據，通過預測可以了解水域環境質量演變趨勢，從而及時發現水質惡化的原因并制訂相應的治理措施。

二、研究區域

淮河是中國最早進行水污染綜合治理的重點河流之一，本文對淮河流域蚌埠段的水質變化進行針對性分析及污染趨勢研究，具有較強的現實意義。

三、數據和方法

本文采用的是淮河中段安徽省蚌埠市蚌埠閘上的2004年第1周-2014年第43周的水質監測數據，監測頻率為1周1次，主要水質檢測指標包括水質酸堿度（PH）、水中溶氧量（DO）、化學需氧量（CODMn）、氨氮（NH3-N）、水質等級。

采用R軟件和對數據進行統計分析分析和建立模型，考慮到河流水質的不確定性，采用時間序列自回歸綜合移動平均模型(ARIMA)。ARIMA( p，d，q)模型為

四、預測模型的建立

本文采用時間序列法構建水質預測模型，該方法屬于無原因變量的統計預測模型。對河口水質數據應用ARIMA模型進行分析，建立各污染物指標的時間序列預測模型，預測模型均通過了p檢驗，并優選BIC值，具體見表1。

表1 各污染物及水質指標時間序列預測模

五、結果分析

（一）水質指標總體情況概述

在2004-2014年期間，淮河蚌埠段水質平均的pH值為7.688，呈弱堿性，水體的DO值濃度較高，平均達到7.232mg/L，水體的化學需氧量平均達到3.529mg/L，水體的氨氮濃度平均達到0.5585mg/L，水質等級平均為3.191，通過查閱《地表水環境質量標準》(GB3838－2002)并對比相關數據可以得知：在這10年間的平均水質處于二級水質。

（二）水質指標年內變化情況

由水質指標時序圖我們可以得出在2004-2014年，淮河蚌埠段的水質指標在一年內的變化呈現很強的年內逐期變化規律。pH值和水中溶氧量DO從年初到年末呈現先下降在回升的趨勢，而水體的化學需氧量和氨氮濃度NH3-H均呈現出先增長后下降的變化趨勢。通過查閱蚌埠地區的每年的汛期分布表，我們可以得知這樣的變化規律原因在于根據汛期的規律定期關閘蓄水導致的污水聚集，因此，水體質量的各項指標會受到區域來水量和閘壩調控的雙重影響。

（三）水質年際變化概述

通過圖1我們能過直觀的看出從2004年到2014年水質等級在逐年提高，尤其在2009年之后，水質就再也沒有出現Ⅴ類及以下，從反映污染然水平的主要指標—化學需氧量CODMn和氨氮濃度NH3-H來看，均呈現出逐年遞減的趨勢，并逐步穩定在一個較低的水平，可以看出水質發生了質的提升而非偶然因素導致。

圖1 水質變化時序圖

（四）時間序列模型預測結果

根據已經建立的模型，預測了未來10期的水質指標如表3所示:

應用時間序列模型對未來進行預測，通過表3可以看出，在未來的10期之中pH值和水質等級無明顯的波動，溶氧量、化學需氧量和氨氮濃度會有小幅波動，其中化學需氧量預測值處于2類水質的臨界點，但是如果將預測時期延長以至于預測期內包括了汛期和非汛期，則水質有可能發生較大的改變。

表3 未來10期水質指標的預測

六、結論

通過以上分析發現，淮河蚌埠段水質總體上表現為：各項污染指標降低，水質等級不斷提升的良好趨勢，但是同時通過研究發現淮河蚌埠段水質在一年內的變化較為明顯且具有一定程度的趨勢性，其原因可以歸結于受汛期影響導致區域來水量波動以及閘壩調控導致，因此在非汛期的水質治理上具有較強的參考意義。