采用Spearman秩相關系數法分析烏梁素海水質變化趨勢

陳曉爽

（內蒙古自治區環境監測總站巴彥淖爾分站，內蒙古 巴彥淖爾 015000）

1 引言

烏梁素海流域位于內蒙古自治區西部巴彥淖爾市境內，是我國北方極為重要的生態系統和生態功能區，該流域對于維護我國西北地區乃至更廣大區域的生態平衡，保護物種的多樣性起著相當重要的作用。本文采用Spearman秩相關系數法，通過對烏梁素海三個斷面水質監測數據的年度秩相關系數的指標，以及烏梁素海的水環境變化趨勢進行分析，得出引起烏梁素海水質變化的原因，從而為烏梁素海的水環境治理和保護工作提供科學依據。

2 監測點位

烏梁素海湖面上共設3個監測斷面，分別在入口區、湖心區、出口區，并選取2015～2020年的化學需氧量、氨氮、總磷、總氮等指標作為評價因子依據，對烏梁素海的水環境質量變化趨勢進行分析。

3 分析方法

采用Spearman的秩相關系數法評價各項污染物隨時間的變化規律，對各項污染物變化趨勢進行定量分析。變化趨勢分析起止時間為2015～2020年。若期間數據少于5個（不含5個），則不做趨勢分析。

統計檢驗用的Spearman秩相關系數按下式計算：

式中：di—變量Xi與Yi的差值；

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。

當N為6時（2015～2020年有6個時間序列）,n=6，wp=0.829。當-0.829＜rs＜0.829時，為無明顯變化趨勢；當rs≥0.829時，呈上升趨勢；當rs≤-0.829時，呈下降趨勢。

當N為5時，n=5，wp=0.900。當-0.900＜rs＜0.900時，為無明顯變化趨勢；當rs≥0.900時，呈上升趨勢；當rs≤-0.900時，呈下降趨勢。

4 烏梁素海各監測斷面水環境變化趨勢分析

根據烏梁素海流域三個斷面2015～2020年共6年的水質監測數據，采用Spearman的秩相關系數法，得出烏梁素海流域主要污染物的秩相關系數rs，具體結果詳表1。

表1 2015～2020年烏梁素海各斷面主要污染物年均濃度的秩相關系數

對烏梁素海三個監測斷面的主要污染物化學需氧量、氨氮、總磷、總氮的年均濃度值的變化趨勢，采用Spearman秩相關系數法進行統計檢驗。經檢驗：烏梁素海入口區監測項目化學需氧量、總磷均呈顯著下降趨勢，監測項目氨氮、總氮無明顯變化[1]；烏梁素海湖心區監測項目總磷、總氮均呈顯著下降趨勢，監測項目化學需氧量、氨氮無明顯變化；烏梁素海出口區監測項目總磷均呈顯著下降趨勢，監測項目化學需氧量、氨氮、總氮無明顯變化；烏梁素海總體監測項目總磷、總氮均呈顯著下降趨勢，監測項目化學需氧量、氨氮無明顯變化。因此，烏梁素海的總體水環境質量在2015～2020年呈平穩向好的趨勢。

5 烏梁素海營養狀態趨勢分析

湖泊綜合營養狀態指數評價指標：葉綠素a（chla)、總磷（T-P)、總氮（T-N)、透明度（SD)和高錳酸鹽指數（CODMn)。

湖泊、水庫綜合營養狀態指數的計算采用卡爾森指數方法，計算公式如下：

式中：TLI（∑）—綜合營養狀態指數；

TLI（j）—代表第j種參數的營養狀態指數；

m—評價參數的個數；

Wj—第j種參數的營養狀態指數的相關權重，以chla作為基準參數，則第j種參數的歸一化的相關權重計算公式為：

式中：rij—第j種參數與基準參數chla的相關系數；

m—評價參數的個數。

根據《地表水環境質量評價辦法》（環辦[2011]22號文附件）中的計算方法及湖庫營養狀態分級表，計算2016～2020年烏梁素海綜合營養狀態指數。

從2016～2020年，烏梁素海的綜合營養狀態指數逐年下降，富營養狀態從2016年為輕度富營養，到2019年為中營養，營養化程度逐年好轉。營養狀態指數經檢驗，Spearman秩相關系數為-1.0，表明呈顯著下降趨勢，具體情況如圖1所示。

圖1 2016～2020年烏梁素海綜合營養狀態指數

6 影響烏梁素海流域水質變化的原因

6.1 農業面源污染

在巴彥淖爾市河套地區，普遍使用化肥和農藥，除大部分被農作物吸收外，小部分會隨著灌溉水進入地下或排入分排干進而匯入總排干，從而造成農業面源污染。烏梁素海由于長期接納河套灌區農田退水、城鎮生活污水和工業污水，導致鹽分積累，泥沙淤積，補水不足，沼澤化問題突出，這不僅影響了湖泊整體功能發揮，還直接影響了區域水質和水生態安全。

6.2 內源污染

據有關文獻記載，烏梁素海湖內大型水生植物總生產量已達100萬t/年，每年約有20.5×107 kg（干重）沉積湖底，這是造成烏梁素海生態系統嚴重退化的重要問題。同時，全湖蘆葦迅速蔓延，湖底以每年6～9 mm的速度提高，大量的水生植物沉積湖底且得不到有效利用，腐爛分解后除了對湖水造成了一定程度的污染，而且還容易造成“黃苔”泛濫，加速湖水沼澤化進程。目前，烏梁素海每年沉積湖底的大型水生物殘骸約為15萬t（干重），不僅造成底泥中積累了大量的氮、磷營養鹽，還導致湖底迅速抬高[2]。

6.3 點源污染

烏梁素海接納總排干排水，總排干接納各分排干排水。而三、五、七分排干接納杭錦后旗陜壩鎮、臨河區、五原縣隆興昌鎮的工業廢水和城鎮生活污水，隨著污水處理廠的投運，排干水質呈明顯好轉。其中，巴彥淖爾市第二污水處理廠、五原縣宏珠環保污水處理有限責任公司執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002)一級A標準；巴彥淖爾市臨河東城區污水處理有限公司、杭錦后旗億源水務有限責任公司污水處理廠執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002)一級B標準，但各個污水處理廠出口各項污染物的達標排放濃度均比《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002)要高，因此，工業廢水和生活污水對分排干、總排干、烏梁素海有一定程度的污染[3]。

6.4 地表徑流

烏梁素海平均每年接納當地洪水總量約為5 000萬m3，且該地區春季多風多沙并且年降雨量較少，所以，土壤中的營養物質便隨風沙沉降到烏梁素海中，從而增加了氮、磷的污染。

7 改善措施

近年來，烏梁素海水質整體好轉，主要是我市對烏梁素海進行了綜合治理，并采取了多項綜合措施，以此推進烏梁素海綜合治理工作。

7.1 建立生態需水保障體系

（1）為了保護水生態空間，促進生態環境的健康可持續發展，每年向烏梁素海補水約3億m3以上：2018年補水5.94億m3，2019年補水6.15億m3，2020年補水6.25億m3，連續三年補水量均超過5億m3，有效改善了湖區水質。通過一系列措施，目前，烏梁素海的水質惡化趨勢已經得到了初步遏制，湖區水質總體由劣V類轉變為V類、Ⅳ類，但尚不穩定。

（2）在實際保護工作中，要將生態需水納入烏梁素海流域的水資源配置總體考慮中，要建立有效的水資源優化配置體系，不斷加大流域內灌區節水改造工程投資力度，加快建設步伐，爭取穩定生態補水指標，從而充分發揮出烏梁素海的分凌減災，蓄水調節作用。首先，要嚴格控制河套灌區黃河引水指標在47.7億m3，每年至少向烏梁素海提供生態補水3億m3；然后，采用外源控制與內源治理等措施，嚴格控制烏梁素海退水水質。即在退水進入黃河時，要根據烏梁素海入河口的黃河水位要求，在總排干溝出口繼續采用揚排方式退水；最后，要充分發揮烏梁素海作為黃河水量調節庫的功能，在非灌溉期將黃河水儲蓄到烏梁素海，在灌溉用水緊張的5～6月份，再從烏梁素海將水退回黃河，這樣既可以起到凈化烏梁素海水質的作用，又可以調節黃河干流用水緊張的問題。此外，還需要從黃河水調度層面保證烏梁素海的生態補水指標，以提高水資源水環境的承載能力。

7.2 系統開展點源、面源和內源地污染控制與治理

（1）要加強工業污染防治，完善污水管網配套建設；加強工業污染源排放情況監管，并逐步實現將所有工業污染源納入在線監控范圍；提升工業清潔生產水平，加快深度脫氮除磷工藝技術和設施的建度；增加城鎮建成區與工業園區污水管網建設力度，從而擴大污水收集范圍。此外，污水收集配套管網的設計、建設與投運應與污水處理設施的新建、改建、擴建要同步，并合理布局入河排污口，以及充分發揮污水處理設施的效益。

（2）加強農業面源污染防治，推進美麗鄉村建設。首先，要在烏梁素海流域全面實施“控肥增效、控藥減害、控水降耗、控膜提效”行動；并全力推進污染物源頭減量化，推廣示范液體肥料、生物肥料、緩控施肥料、葉面肥、水溶性肥料等高效新型肥料。同時，加大環保宣傳力度，逐步改變農民施肥觀念，引導農民使用新型肥料，不斷提高肥料利用率，推動肥料產業轉型升級。其次，推行精準科學施藥和病蟲害統防統治，即從源頭減少面源污染氮磷排放。具體體現在要全面禁止銷售、使用高殘高毒農藥，對限用農藥實行定點銷售、實名購藥，大力推廣綠色防控技術，化肥、農藥使用實現負增長。最后，整合實施高標準農田建牧、大型灌區續建配套與節水改造、黃河干流水權試點等項目，實現灌區水資源高效利用。同時，全面禁止不符合新國地膜的生產和銷售，實現從生產、銷售和使用各個環節推廣使用新國標地膜[4]。

還要著力開展農村生態環境綜合整治，推進美麗鄉村建設。要綜合考慮村莊布局、人口規模、地形條件、現有治理設施等因素，統籌城鄉污水處理設施布局，將農村生活污水納入集中處理系統。同時，建立村莊保潔制度，建設生活垃圾分類、收集、轉運和處理設施，從而實現生活垃圾的規?；I化、社會化處理處置。

（3）要加強內源污染治理，維護水生態系統健康發展。對于內源污染控制，重點是加強重污染區的疏浚、底泥的穩定化和資源化以及湖泊內負荷的科學調控和移出，具體可采取排干溝疏浚清淤和旁側多塘凈化等工程措施，以及對烏梁素海水生植物的平衡收割和高值化利用等，從而有效改善水環境質量，維護水生態系統的健康發展。

8 結語

通過采用Spearman秩相關系數法評價烏梁素海主要污染物的變化趨勢，結果表明：在“十三五”期間，采取的烏梁素海水環境治理措施和政策是有效的。所以，今后應從工業、農業結構調整，城鎮、農村污染治理等多方面進行有效管控。