基于季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)和重標(biāo)極差分析法的陽澄湖水質(zhì)變化趨勢分析*

武 瑾 金文龍 陳亢利#

(1.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州市環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 蘇州 215008)

陽澄湖作為典型城市淺水湖泊，在蘇州市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用[1]。目前，陽澄湖既是蘇州工業(yè)園區(qū)的第二水源地，也是昆山市飲用水源的補(bǔ)給水源，還是蘇州市重要的戰(zhàn)略備用水源。因此，陽澄湖水質(zhì)直接影響到居民的飲用水供給安全[2]。為了進(jìn)一步提升陽澄湖生態(tài)環(huán)境，2013年和2016年，蘇州市政府批準(zhǔn)實(shí)施了首輪及第二輪《蘇州市陽澄湖生態(tài)優(yōu)化行動(dòng)實(shí)施方案》(以下簡稱《行動(dòng)方案》)。目前，部分學(xué)者已對《行動(dòng)方案》實(shí)施以來陽澄湖的水質(zhì)現(xiàn)狀及成因進(jìn)行了調(diào)查分析[3-6]，但是對陽澄湖水質(zhì)變化趨勢的分析多為定性分析，同時(shí)也缺少對主要入湖河流水質(zhì)變化的分析，無法對陽澄湖及其主要入湖河道過去及未來水質(zhì)的變化趨勢進(jìn)行定量評估及預(yù)測[7]。

為此，本研究基于2013—2018年陽澄湖及主要入湖河道的逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)與重標(biāo)極差分析(R/S)法，對其水質(zhì)變化趨勢進(jìn)行分析與預(yù)測，并根據(jù)分析結(jié)果和相關(guān)調(diào)查資料，對近年來陽澄湖總磷(TP)變化原因進(jìn)行分析探討，以期為陽澄湖水環(huán)境管理工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 區(qū)域概況

陽澄湖(120°39′E～120°51′E，31°21′N～31°30′N)位于蘇州市區(qū)東北部，跨蘇州市相城區(qū)、吳中區(qū)及昆山市[8]，水面面積118.93 km2，湖內(nèi)常水位約2.9 m，蓄水量約1.7億m3[9]。湖中有兩條南北向帶狀圩埂將湖體分為陽澄東湖、陽澄中湖、陽澄西湖，其中陽澄東湖面積最大，陽澄中湖和陽澄西湖次之，三湖之間有河道相匯溝通成一體。環(huán)陽澄湖共有進(jìn)出湖河道59條，其中西線17條、北線12條、東線15條、南線15條。

根據(jù)江蘇省水文水資源勘測局蘇州分局提供的環(huán)陽澄湖河道流量實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，環(huán)陽澄湖進(jìn)出湖骨干河道共31條。西線河道以入湖為主，其中流量較大的4條主要入湖河道為蠡塘河、北河涇、渭涇塘以及界涇，入湖水量約占總?cè)牒康?0%，是陽澄湖西線污染的主要來源[10]。北線流量較大的河道為七浦塘和南肖涇，近年來因受拓浚整治后的七浦塘引排水工程影響，流向出入不定，七浦塘連續(xù)引水時(shí)水流入湖，連續(xù)排水時(shí)水流出湖，不引不排時(shí)常表現(xiàn)為緩流或滯流。東線和南線河道雖然以出湖為主，但近年來也存在逆流入湖的情形。

1.2 數(shù)據(jù)來源

水質(zhì)數(shù)據(jù)：根據(jù)蘇州市生態(tài)環(huán)境局提供的陽澄湖6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位及主要入湖河道6個(gè)監(jiān)測斷面2013—2018年的逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測頻次為每月1次。

監(jiān)測點(diǎn)位及監(jiān)測斷面：陽澄湖共設(shè)6個(gè)常規(guī)監(jiān)測點(diǎn)位，陽澄東湖、陽澄中湖和陽澄西湖各設(shè)2個(gè)，主要入湖河道共設(shè)6個(gè)監(jiān)測斷面，其中陽澄湖西線主要入湖河道蠡塘河設(shè)中星橋斷面，北河涇設(shè)沈橋斷面，渭涇塘設(shè)漁業(yè)村斷面，界涇設(shè)圣塘港橋斷面，北線主要入湖河道七浦塘設(shè)界橋斷面，南肖涇設(shè)南肖涇橋斷面。具體見圖1。

圖1 陽澄湖監(jiān)測點(diǎn)位及主要入湖河道監(jiān)測斷面位置示意圖Fig.1 The monitoring sites of Yangcheng Lake and the monitoring sections of its main inflow river channels

水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)：《行動(dòng)方案》中規(guī)定了陽澄湖的水質(zhì)目標(biāo)指標(biāo)為高錳酸鹽指數(shù)(IMn)、氨氮(AN)、TP和總氮(TN)，主要入湖河道的水質(zhì)目標(biāo)指標(biāo)為IMn、AN、TP，水質(zhì)參考指標(biāo)為TN。因此，確定IMn、AN、TP、TN為水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)。

1.3 研究方法

應(yīng)用季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)和R/S法對2013—2018年陽澄湖及主要入湖河道的逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.3.1 季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)

Mann-Kendall檢驗(yàn)是于1945年提出的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，并于1975年進(jìn)一步完善[11-12]。然而，由于水質(zhì)指標(biāo)受流量的影響頗大，不同季節(jié)的降水量和水庫流量會(huì)對水質(zhì)指標(biāo)產(chǎn)生周期性影響，直接利用傳統(tǒng)的Mann-Kendall檢驗(yàn)無法準(zhǔn)確反映水質(zhì)指標(biāo)的真實(shí)變化趨勢。于是HIRSCH等[13]于1982年在Mann-Kendall檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加以改進(jìn)，提出了季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)。季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)可對歷年相同月份或季節(jié)的水質(zhì)資料進(jìn)行對比，是一種僅考慮數(shù)據(jù)相對排列且不必考慮數(shù)據(jù)大小的非參數(shù)檢驗(yàn)法，可避免水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)資料中常出現(xiàn)的季節(jié)異變、漏測、未檢出等因素的影響[14]。因水質(zhì)時(shí)間序列長度對趨勢檢驗(yàn)結(jié)果的影響較大，序列過短無法準(zhǔn)確判斷是否存在趨勢，序列過長會(huì)導(dǎo)致序列掩蓋或抵消，一般以5～8年為宜[15]。因此，本研究基于6年逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行的趨勢分析結(jié)果理論上較為可靠。

對某斷面的某項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的6年逐月水質(zhì)時(shí)間序列進(jìn)行季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)的計(jì)算過程可簡要概括為3個(gè)主要步驟。首先，逐月計(jì)算差值統(tǒng)計(jì)量和其對應(yīng)的方差，再相加獲得總統(tǒng)計(jì)量和總方差，進(jìn)而獲得Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量(τ)和顯著性水平(α)。水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)在時(shí)間序列上的趨勢是由τ決定的(見式(1))。

(1)

在雙邊趨勢檢驗(yàn)中，選取α=0.01為高度顯著性水平，α=0.10為顯著性水平。

1.3.2 R/S法

Hurst指數(shù)可利用R/S法構(gòu)建[16]，該指數(shù)已被廣泛用于水文、氣象、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域[17]。本研究為了進(jìn)一步獲取水質(zhì)時(shí)間序列變化趨勢在未來的表現(xiàn)，基于R/S法計(jì)算各水質(zhì)指標(biāo)的Hurst指數(shù)。

對某斷面的某項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的6年逐月水質(zhì)時(shí)間序列進(jìn)行R/S法分析的具體計(jì)算方法如下：首先將某組水質(zhì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)總量的約數(shù)依次進(jìn)行分組，接著計(jì)算每組數(shù)據(jù)的離差和標(biāo)準(zhǔn)差，再計(jì)算Hurst指數(shù)。

Hurst指數(shù)≥0.5說明水質(zhì)時(shí)間序列未來的變化趨勢與過去一致(長程相關(guān)性)，反之，則為長程反相關(guān)性[18]，進(jìn)而判斷水質(zhì)在未來將會(huì)持續(xù)改善還是下降[19]。具體判斷方法如表1所示[20]。

表1 Hurst指數(shù)分級(jí)

2 結(jié)果與分析

2.1 現(xiàn)狀年水質(zhì)達(dá)標(biāo)分析

2018年是陽澄湖兩輪《行動(dòng)方案》的收官之年，因此，將2018年定為評價(jià)現(xiàn)狀年。對陽澄湖各監(jiān)測點(diǎn)位及主要入湖河道監(jiān)測斷面的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行達(dá)標(biāo)分析，結(jié)果見圖2。

圖2 2018年陽澄湖監(jiān)測點(diǎn)位及主要入湖河道 監(jiān)測斷面水質(zhì)指標(biāo)年均值Fig.2 Annual average distribution of water quality indexes of monitoring sites of Yangcheng Lake and the monitoring sections of its main inflow river channels in 2018

2018年陽澄湖各監(jiān)測點(diǎn)位的IMn、AN均符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)的Ⅲ類限值(IMn≤6 mg/L；AN≤1.0 mg/L)；TP僅陽澄東湖符合GB 3838—2002的Ⅲ類限值(TP≤0.05 mg/L)；TN僅陽澄東湖南符合GB 3838—2002的Ⅲ類限值(TN≤1.0 mg/L)，其余監(jiān)測點(diǎn)位的TN均有不同程度超標(biāo)，其中陽澄西湖南超標(biāo)最嚴(yán)重。

從各監(jiān)測斷面的水質(zhì)指標(biāo)中反映出，入湖河道的IMn均符合GB 3838—2002的Ⅲ類限值，AN僅北河涇超過GB 3838—2002的Ⅲ類限值，TP也僅有北河涇超過GB 3838—2002的Ⅲ類限值(TP≤0.2 mg/L)。由于GB 3838—2002僅規(guī)定了湖、庫的TN限值，并未對河道TN限值作出規(guī)定，因此，本研究采用《行動(dòng)方案》中提出的河道TN參考標(biāo)準(zhǔn)值(TN≤2.5 mg/L)進(jìn)行達(dá)標(biāo)評價(jià)[21-22]。蠡塘河和北河涇的TN超標(biāo)嚴(yán)重，其余入湖河道的TN可達(dá)標(biāo)。

2.2 水質(zhì)變化趨勢分析

2.2.1 陽澄湖水質(zhì)變化趨勢分析

2013—2018年陽澄湖及主要入湖河道的水質(zhì)變化趨勢分析結(jié)果見表2。陽澄西湖除TP無顯著升降趨勢外，其余3項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值均有不同程度的下降趨勢，表明陽澄西湖水質(zhì)總體呈明顯好轉(zhuǎn)趨勢；但從現(xiàn)狀年來看，陽澄西湖的TP、TN仍未達(dá)標(biāo)，說明陽澄西湖的水環(huán)境整治措施雖切實(shí)有效，但還需進(jìn)一步加大整治力度。陽澄中湖4項(xiàng)指標(biāo)均無顯著升降趨勢，表明近年來陽澄中湖整體水質(zhì)未有明顯改善效果，且中湖TN、TP依然超標(biāo)，說明針對陽澄中湖污染所采取的整治措施還有待改進(jìn)。陽澄東湖除TP顯著上升外，其余3項(xiàng)指標(biāo)均無顯著升降趨勢，說明近年來陽澄東湖水質(zhì)不僅沒有顯著改善，TP濃度還進(jìn)一步上升了。

表2 2013—2018年陽澄湖及主要入湖河道水質(zhì)指標(biāo)季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)結(jié)果1)

從全湖整體水質(zhì)變化趨勢來看，除TP無顯著升降趨勢外，其余指標(biāo)均有不同程度的下降趨勢，表明《行動(dòng)方案》實(shí)施以來，陽澄湖水質(zhì)總體呈好轉(zhuǎn)趨勢，說明陽澄湖生態(tài)優(yōu)化行動(dòng)的實(shí)施是卓有成效的，但TP已成為影響湖體水質(zhì)達(dá)標(biāo)的最大制約因素，接下來的工作應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注TP污染的防治。

2.2.2 主要入湖河道水質(zhì)變化趨勢分析

對于6條主要入湖河道，IMn和AN除在北河涇無顯著升降趨勢外，其余5條河道的IMn和AN均有不同程度的下降趨勢；TP除在七浦塘和界涇無顯著升降趨勢外，其余4條河道的TP均有不同程度的下降趨勢；6條河道的TN均無顯著升降趨勢。

蠡塘河除TN無顯著升降趨勢且超標(biāo)外，其余各項(xiàng)指標(biāo)均呈高度顯著下降趨勢且達(dá)標(biāo)，說明蠡塘河近年來的水環(huán)境整治工作富有成效，但TN污染依然嚴(yán)重，河道治氮任務(wù)艱巨。北河涇近年來TP雖顯著下降，但仍未能達(dá)標(biāo)，其余各項(xiàng)指標(biāo)不僅無顯著升降趨勢且AN和TN仍然超標(biāo)，說明近年來北河涇的水污染治理效果較弱，下一步工作還需提出一些針對性的整治措施且加大整治力度。界涇和七浦塘的TP和TN雖無顯著升降趨勢，但能保持達(dá)標(biāo)，不過考慮到河道TP濃度仍遠(yuǎn)高于GB 3838—2002中湖、庫的Ⅲ類限值，大量引水入湖仍會(huì)對湖體TP濃度產(chǎn)生沖擊，因此還需進(jìn)一步削減TP入湖量。渭涇塘和南肖涇除TN無顯著升降趨勢外，其余指標(biāo)均有顯著下降趨勢，且各指標(biāo)均能達(dá)標(biāo)，說明渭涇塘和南肖涇近年來的整治工作是卓有成效的。

從總體來看，各主要入湖河道的TN均無顯著升降趨勢，其他指標(biāo)均有一定程度的下降趨勢，說明實(shí)施的整治措施對入湖河道TN濃度無明顯改善效果；入湖河道TP改善效果明顯，但TP濃度基數(shù)較高，控制入湖河道中的磷負(fù)荷仍然是治理陽澄湖磷污染的重點(diǎn)。

2.2.3 水質(zhì)變化趨勢預(yù)測

基于R/S法，對逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算Hurst指數(shù)，結(jié)果如表3和表4所示。影響水質(zhì)長程相關(guān)性的因素有很多，如流域面積、土地利用、景觀格局、氣候和水文等[23]。

表3 2013—2018年陽澄湖及主要入湖河道IMn和AN的R/S法分析結(jié)果

各監(jiān)測點(diǎn)位IMn和TN的Hurst指數(shù)都大于0.5，因此均存在長程相關(guān)性，未來的水質(zhì)變化趨勢與2013—2018年間的變化趨勢相同，只是趨勢持續(xù)性的強(qiáng)弱有所不同。陽澄湖與主要入湖河道的IMn和TN濃度在2013—2018年間基本為顯著下降趨勢或無顯著升降趨勢，因此預(yù)測未來IMn和TN將持續(xù)改善或不會(huì)下降。AN的Hurst指數(shù)僅在陽澄東湖南小于0.5，且因該監(jiān)測點(diǎn)位AN無顯著升降趨勢，因此未來水質(zhì)不會(huì)下降。TP在界涇和北河涇的Hurst指數(shù)小于0.5，因TP過去有下降趨勢，因此未來水質(zhì)有可能會(huì)下降。值得注意的是，陽澄東湖南TP過去的變化趨勢是高度顯著上升，因長程相關(guān)性具有強(qiáng)持續(xù)性，未來水質(zhì)有可能會(huì)下降。結(jié)合2018年TP水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況來看，2018年陽澄東湖南TP雖已達(dá)標(biāo)，但濃度已接近GB 3838—2002限值，若TP未來繼續(xù)維持上升趨勢，則陽澄東湖南TP也將超標(biāo)。

2.3 水質(zhì)變化原因分析

通過以上對陽澄湖水質(zhì)變化趨勢的分析可知，IMn、AN和TN均有不同程度的下降趨勢且未來水質(zhì)將會(huì)持續(xù)改善，僅TP常年居高不下，且個(gè)別監(jiān)測點(diǎn)位的TP在未來仍有可能會(huì)上升。由此可見，TP已成為影響陽澄湖水質(zhì)達(dá)標(biāo)的最大制約因素。因此，有必要對引起陽澄湖TP濃度變化的因素作進(jìn)一步分析。據(jù)蘇州市生態(tài)環(huán)境局、江蘇省水文水資源勘測局蘇州分局提供的相關(guān)資料分析，近年來湖體TP濃度變化可能與以下幾個(gè)原因有關(guān)：

(1) 七浦塘引水工程的影響。七浦塘拓浚整治工程于2016年全部建成，同年“引江入陽”開始試運(yùn)行，七浦塘江邊樞紐泵(蕩茜水利樞紐)于2017年開始統(tǒng)計(jì)引水量情況。在2017年的7—9月，七浦塘向陽澄湖大量引水，引水量合計(jì)4.89億m3，導(dǎo)致TP入湖量大量增加。由于引水主要進(jìn)入中湖，導(dǎo)致7月中湖TP濃度率先升高到0.130 mg/L，10月停止引水后，中湖TP又迅速下降到0.070 mg/L。而2018年的7—9月，七浦塘僅向陽澄湖引水0.26億m3，7月中湖TP為0.085 mg/L，相較2017年同期明顯下降。由此可見，引水與陽澄湖TP濃度之間存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。合理開展七浦塘調(diào)水引流是控制中湖水質(zhì)的關(guān)鍵，因此，水利部門需要在充分考慮引水運(yùn)行方式和引水量對陽澄湖河網(wǎng)水動(dòng)力條件和水質(zhì)影響的前提下，科學(xué)開展七浦塘引水工程，建議在北側(cè)入湖河道TP濃度監(jiān)測值較高的情況下盡量少引水。

(2) 南側(cè)出湖河道倒流的影響。沈文[24]研究發(fā)現(xiàn)，2016年6月陽澄東湖水源地取水口AN濃度的異常升高與南線出湖河道婁江的倒流有關(guān)，且南線出湖河道與陽澄東湖水源地指標(biāo)間的線性相關(guān)性較好，可以看出倒流現(xiàn)象對水源地取水口水質(zhì)存在一定影響。根據(jù)對陽澄湖及其周邊河道監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，2018年7月開始，陽澄東湖水源地南側(cè)司馬涇、夷陵河、朱家港、史家港、趙家浜等河道出現(xiàn)倒流入湖情況，陽澄東湖TP濃度也開始逐步攀升，從7月的0.050 mg/L上升到8月的0.090 mg/L，9月之后隨著倒流情況的好轉(zhuǎn)，陽澄東湖TP濃度也開始明顯下降，逐步恢復(fù)到0.050 mg/L水平。因此，可以初步判斷陽澄湖南側(cè)河道的倒流是引起2018年7—8月陽澄東湖TP濃度波動(dòng)的主要原因，建議加強(qiáng)對南側(cè)河道水質(zhì)水量的管控，在加強(qiáng)治污的同時(shí)，避免河水倒流入湖，特別是在水質(zhì)較差時(shí)，應(yīng)對其流向進(jìn)行嚴(yán)格管控。

(3) 湖內(nèi)圍網(wǎng)養(yǎng)殖與沿湖池塘養(yǎng)殖水的影響。根據(jù)2016年7月至2017年12月陽澄湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖水質(zhì)的專項(xiàng)監(jiān)測資料分析，位于圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)位，TP濃度高于湖內(nèi)的其他類似監(jiān)測點(diǎn)位，說明圍網(wǎng)養(yǎng)殖對陽澄湖TP濃度有一定影響。在近3年的夏季，湖體TP濃度都會(huì)出現(xiàn)一定程度升高，由于夏季屬于大閘蟹生長中后期，且氣溫較高，大閘蟹活動(dòng)量加大，需要增加餌料的投放量，餌料的殘留可能導(dǎo)致了陽澄湖TP濃度升高[25]。此外，陽澄湖沿湖區(qū)域還建有大面積連片養(yǎng)殖池塘，養(yǎng)殖池塘還未全部完成循環(huán)水改造及進(jìn)排水系統(tǒng)改造，養(yǎng)殖尾水仍未能達(dá)標(biāo)排放。因此，應(yīng)合理投放餌料，減少湖體沉積物中的餌料殘留，并強(qiáng)化沿湖區(qū)域水產(chǎn)養(yǎng)殖整治工作。

(4) 農(nóng)家樂餐飲和生活污水的影響。時(shí)至兩輪《行動(dòng)方案》結(jié)束，陽澄湖已徹底消除船餐及住家船污水對湖體的直接污染，但陽澄湖沿岸和連通水域上的農(nóng)家樂和船餐數(shù)量依然眾多，餐飲污水和生活污水處理不當(dāng)現(xiàn)象仍然存在，污水排放導(dǎo)致水體中TP增加[26]。建議在鞏固上一輪船餐整治成果的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對農(nóng)家樂餐飲和生活污水的處理和監(jiān)督檢查工作。

3 結(jié)論與展望

(1) 整體上看，陽澄湖除TP無明顯變化趨勢外，IMn、AN和TN均有不同程度的下降趨勢。陽澄湖各主要入湖河道的TN均無顯著升降趨勢，實(shí)施的整治措施對入湖河道TN濃度沒有明顯改善效果。

(2) 未來陽澄湖及其主要入湖河道水質(zhì)總體將會(huì)持續(xù)改善，但有個(gè)別監(jiān)測點(diǎn)位的TP仍有可能會(huì)上升，應(yīng)引起重視。TP已成為影響湖體水質(zhì)達(dá)標(biāo)的最大制約因素，接下來的工作應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注TP污染的防治。

(3) 陽澄湖TP濃度居高不下，與入湖河道TP濃度基數(shù)較高有關(guān)，還受到七浦塘引水工程、南側(cè)出湖河道倒流、湖內(nèi)圍網(wǎng)養(yǎng)殖與沿湖池塘養(yǎng)殖水、農(nóng)家樂餐飲和生活污水的影響。

(4) 本研究因缺少入湖河道逐月流量資料，不能對流量調(diào)節(jié)濃度進(jìn)行檢驗(yàn)，因此不能分析污染物濃度變化與流量的關(guān)系。下一步應(yīng)在獲取相應(yīng)水文資料的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算污染物濃度與流量的相關(guān)性關(guān)系來進(jìn)一步確定污染物具體來自面源還是點(diǎn)源。