徐冬梅 胡 瑾 楊 剛

東平湖水質趨勢分析

徐冬梅 胡 瑾 楊 剛

南水北調東線黃河以南段輸水干線南起長江三江營，北至黃河位山穿黃涵洞，全長540km，流經江蘇、山東省。為及時掌握南水北調輸水干線及附近區(qū)域水質和污染治理情況，淮河流域水資源保護局自2003年起開展每月一次的水質監(jiān)測工作，檢測參數(shù)選用水溫、pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總氮、總磷、銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鎘、六價鉻、鉛、氰化物、揮發(fā)酚、陰離子表面活性劑、硫化物等22項指標。東平湖水庫是南水北調東線調水工程，其水質直接關系南水北調東線供水安全，分析評價東平湖水質變化趨勢十分必要。

1 季節(jié)性肯達爾檢驗方法原理

季節(jié)性肯達爾檢驗定義為資料在歷年相同月份間的比較，它可以避免河流水質濃度受流量季節(jié)性變化的影響，從而使檢驗結果更具可比性。同時，由于數(shù)據(jù)比較只考慮數(shù)據(jù)相對排列而不考慮其大小，檢驗中隨機變量的概率分布不重要，統(tǒng)計量的分布幾乎不受目前水質資料的非正態(tài)分布、季節(jié)性變化、與流量相關、漏測值和未檢出值的影響，其檢驗的零假設為隨機變量獨立和相同分布。因此，季節(jié)性肯達爾檢驗方法被廣泛應用于水質化趨勢分析。

季節(jié)性肯達爾檢驗的原理是將歷年相同月（季）的水質資料進行比較，如果后面的值（時間上）高于前面的值記為“+”號，否則記作“－”號。如果加號的個數(shù)比減號的多，則可能為上升趨勢，如果減號的個數(shù)比加號的多，則可能為下降趨勢，如果相等則為無趨勢。

對于季節(jié)性肯達爾檢驗來說，零假設H0為隨機變量與時間獨立，假定全年的水質資料具有相同的概率分布。

設有n年P月的水質資料觀測序列X為：

式中，x11，…，xnp為月水質濃度觀測值。

（1）對于 P月中第 i月（i≤P）的情況

令第i月歷年水質系列相比較的正負號之和Si為：

由此，第i月內可以作比較的差值數(shù)據(jù)組個數(shù)mi為：

式中，ni為第i月內水質系列中非漏測值個數(shù)。

在零假設下，隨機序列Si（i=1，2，…，p）近似地服從正態(tài)分布，則Si的均值E和方差σ如下:

當ni個非漏測值中有t個數(shù)相同，則σi2為：

（2）于P月份總體情況

在假設下，p月S的均值E和方差σ，則：

式中，Si和Sh（i≠h）都是獨立隨機變量的函數(shù)，即Si=f（Xi），Sh=f（Xh），其中Xi為i月歷年的水質序列，Xh為h月歷年的水質序列，并且Xi∩Xh=φ；因為Xi和Xh分別來自i月和h月的水質資料，并且總體時間序列X的所有元素是獨立的，故協(xié)方差 Cov（Si，Sh）=0。將其式代入上式，則得：

當n年水質系列有t個數(shù)相同時，同樣有：

肯達爾發(fā)現(xiàn)，當n≥10時，S也服從正態(tài)分布，并且標準方差Z為：

（3）趨勢檢驗

肯達爾檢驗統(tǒng)計量t定義為：t=S/m，如果 |Z|≤Zα/2，則接受零假設。這里 FN（Zα/2）=a/2，F(xiàn)N為標準正態(tài)分布函數(shù)，即：

水質站水質變化趨勢的顯著性根據(jù)顯著水平（α）

水質變化趨勢高度顯著：α≤0.01

水質變化趨勢顯著：0.01<α≤0.1

水質變化無趨勢：a＞0.1

當α計算結果滿足上述情況下，t為正時，說明具有顯著上升趨勢；t為負時，則說明具有顯著下降趨勢；t為零時，則無趨勢。

2 水質變化趨勢分析

2.1 資料選取

為保證趨勢分析的可靠性，本文分析選用東平湖湖心斷面2003～2011年9年的水質資料序列，進行各項目的趨勢檢驗。

2.2 檢驗參數(shù)的選擇

根據(jù)東平湖的水質特點以及資料的累積情況，考慮到能反映流域內自然環(huán)境因素及人為影響，選擇東平湖主要污染指標CODmn（高錳酸鹽指數(shù)）、CODcr（化學需氧量）、BOD（生化需氧量）、NH3-N（氨氮）、TP（總磷）、TN（總氮）和F-（氟化物）等參數(shù)進行濃度趨勢檢驗。其中，CODmn和NH3-N為污染控制指標，TP、TN為富營養(yǎng)化程度指標，F(xiàn)反映河流的天然水化學成分是否發(fā)生了顯著變化。

表1 水質趨勢分析成果表

表2 東平湖2003～2011年水質年平均值統(tǒng)計表 單位：mg/L

圖1 東平湖2003～2011年水質年均值濃度變化趨勢（單位：mg/L）

2.3 成果分析

對東平湖主要污染指標CODmn、CODcr、BOD、NH3-N、TP、TN 和 F-等進行濃度趨勢分析，各項目升降趨勢見表1。

由表1可看出，東平湖主要污染指標CODmn、CODcr、BOD下降趨勢高度顯著，TN下降趨勢顯著，其余指標無明顯升降趨勢，未出現(xiàn)呈明顯上升趨勢的污染指標。

2.4 逐年實測水質資料對比分析

在以上的趨勢檢驗結果中，主要污染指標 CODmn、CODcr、BOD 呈高度顯著下降趨勢，TN呈顯著下降趨勢。對于在檢驗結果中呈顯著變化趨勢的這四項指標，選取東平湖湖心斷面2003～2011年的年平均值進行比較（見表2），以分析近年東平湖水質變化情況。

由表2和圖1可以看出：（1）高錳酸鹽指數(shù)年平均值從2003年的6.43mg/L下降到2011年的3.54mg/L，2010年濃度最低；（2）化學需氧量從2003年的29.3mg/L下降到2011年的15.9mg/L，2010年濃度最低；（3）生化需氧量年平均值從2003年的2.9mg/L下降到2011年的1.1mg/L，2010年濃度最低；（4）總氮年平均值從2003年的2.9mg/L下降到2010年的1.38mg/L，2011年濃度有所上升。水質總體好轉，與季節(jié)性肯達爾檢驗結果一致。

2.5 分析結論

東平湖水質的污染程度有所減輕，主要污染指標 CODmn、CODcr、BOD 呈高度顯著下降趨勢，TN呈顯著下降趨勢。這表明東平湖內以 CODmn、CODcr、BOD 等有機污染總體有明顯減輕趨勢，同時其營養(yǎng)鹽水平也呈明顯下降趨勢，富營養(yǎng)化程度下降

淮河流域水環(huán)境監(jiān)測中心 233001）