彭 珂，董曉鋼，張曉范，羅 鈺

長(zhǎng)沙市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，湖南 長(zhǎng)沙 410001

湘江發(fā)源于湘桂邊境海洋山西麓，入湘后經(jīng)衡陽(yáng)、株洲、湘潭、長(zhǎng)沙等8個(gè)市州歸洞庭入長(zhǎng)江，是湖南省最長(zhǎng)、流域面積最廣的河流。湘江長(zhǎng)沙段由南向北縱貫市區(qū)，河段長(zhǎng)74 km，常年徑流量692.50億m3，豐枯水期較為明顯，是長(zhǎng)沙市最重要的生產(chǎn)、生活用水來(lái)源。該文以湘江長(zhǎng)沙段三汊磯斷面2001—2011年水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果為樣本，首次運(yùn)用季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)方法分析水質(zhì)變化趨勢(shì)、污染來(lái)源及河水流量對(duì)水質(zhì)的影響程度，對(duì)于保護(hù)湘江水質(zhì)、加強(qiáng)水資源環(huán)境管理具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 代表斷面

選取長(zhǎng)沙市區(qū)下游控制斷面三汊磯為代表性斷面進(jìn)行分析。

1.2 評(píng)價(jià)項(xiàng)目

根據(jù)湘江長(zhǎng)沙段地表水污染特點(diǎn)，確定氨氮、總磷、總鎘、總砷 4項(xiàng)指標(biāo)為評(píng)價(jià)項(xiàng)目，采用2001—2011年長(zhǎng)沙市水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及同步水文資料進(jìn)行分析。

1．3 方法原理

由于天然水質(zhì)數(shù)據(jù)一般具有非正態(tài)分布性及流量、季節(jié)相關(guān)性，不同水期的水質(zhì)數(shù)據(jù)缺乏可比性，美國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家Kendall于1982年提出一種新的非參數(shù)檢驗(yàn)——季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)。該檢驗(yàn)具有不受河水流量周期性變化、漏測(cè)值和未檢出值影響的優(yōu)點(diǎn)。

季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)原理［1］是將歷年相同月(季)的水質(zhì)資料進(jìn)行比較，后面值(時(shí)間上)高于前面值的，記為“+”，否則記為“－”。如果“+”的個(gè)數(shù)比“－”的個(gè)數(shù)多，則可能為上升趨勢(shì)，反之可能為下降趨勢(shì)，如果相等則為基本無(wú)趨勢(shì)。

肯德爾發(fā)現(xiàn)，當(dāng)n≥10時(shí)，隨機(jī)序列S(各月歷年水質(zhì)系列正負(fù)號(hào)之和)近似服從正態(tài)分布：

當(dāng)α≤0.01時(shí)，說明檢驗(yàn)具有高度顯著性水平;當(dāng)0.01＜α≤0.1時(shí)，說明檢驗(yàn)是顯著的。肯德爾檢驗(yàn)定義統(tǒng)計(jì)量t=s/m(m為可進(jìn)行比較的差值數(shù)據(jù)組個(gè)數(shù)之和)，當(dāng)t＞0時(shí)說明具有顯著(或高度顯著性)上升趨勢(shì)，當(dāng)t＜0時(shí)則說明具有顯著(或高度顯著)下降趨勢(shì)，當(dāng)t=0時(shí)無(wú)趨勢(shì)。

另外，還可對(duì)流量校正后的濃度進(jìn)行季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)，判斷水質(zhì)變化趨勢(shì)是由流量因素造成的還是由污染因素造成的，也可間接判斷是面源污染還是點(diǎn)源污染。檢驗(yàn)中，采用以下7種流量校正方程：①f(Q)=a+bQ;②f(Q)=a+blnQ;③f(Q)=a+b/Q;④lnf(Q)=a+blnQ;⑤f(Q)=a+bQ+cQ2;⑥f(Q)=a+b/(1+βQ);⑦lnf(Q)=a+blnQ+c(lnQ)2(Q為河水流量，β為調(diào)節(jié)系數(shù)，a、b、c為回歸常數(shù))。根據(jù)濃度和流量系列分別估算上述方程式中的a、b、c及相關(guān)系數(shù)，選擇相關(guān)性最好的一個(gè)為流量校正方程。

2 結(jié)果與討論

2.1 2011年水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

2011年湘江長(zhǎng)沙段三汊磯斷面各評(píng)價(jià)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。氨氮、總磷年均值符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)［2］Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，總鎘、總砷年均值符合Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)。

表1 2011年湘江長(zhǎng)沙段三汊磯斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

2．2 污染物濃度趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

2001—2011年湘江長(zhǎng)沙段三汊磯斷面污染物濃度變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果見表2。結(jié)果表明，氨氮濃度呈顯著上升趨勢(shì)，總磷濃度呈高度顯著上升趨勢(shì)，總鎘和總砷濃度呈高度顯著下降趨勢(shì)。

表2 污染物濃度變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

2.3 流量校正濃度趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，三汊磯斷面氨氮、總鎘流量校正方程為lnf(Q)=a+blnQ+c(lnQ)2，總磷流量校正方程為f(Q)=a+b/(1+βQ)，總砷流量校正方程為f(Q)=a+bQ+cQ2，回歸常數(shù)和相關(guān)系數(shù)見表3。

表3 流量校正方程回歸常數(shù)及相關(guān)系數(shù)

對(duì)流量校正后的濃度進(jìn)行季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 流量校正后濃度變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

由表4可見，總磷濃度呈高度顯著上升趨勢(shì)，總鎘、總砷濃度呈高度顯著下降趨勢(shì)，與校正前濃度變化趨勢(shì)一致，表明總磷、總鎘、總砷的濃度變化與流量因素關(guān)系不大，主要來(lái)自污染源因素;氨氮流量校正后的濃度無(wú)明顯變化趨勢(shì)，與校正前不一致，表明氨氮濃度變化來(lái)自流量和污染源因素的共同作用?？傮w來(lái)說，湘江長(zhǎng)沙段水質(zhì)主要受污染物排放的影響，河水流量變化的影響相對(duì)較小。

根據(jù)污染物濃度與河水流量的散點(diǎn)圖(圖1)可見，氨氮、總磷、總鎘的濃度隨著流量增加而降低，符合以點(diǎn)源為主的污染特征，總砷濃度隨著流量增加而上升，符合以面源為主的污染特征。再結(jié)合流量校正方程類型可知，三汊磯斷面氨氮來(lái)自點(diǎn)源和面源的共同作用，總磷污染主要來(lái)自點(diǎn)源，總鎘污染來(lái)自點(diǎn)源和面源，而砷污染主要來(lái)自面源。

圖1 湘江長(zhǎng)沙段污染物濃度與河水流量關(guān)系

3 影響因素分析

3.1 河水流量

根據(jù)2011—2011年同步水文資料，湘江長(zhǎng)沙段河水流量季節(jié)性變化較明顯，豐水期(4—7月)平均流量3 239 m3/s，枯水期(11月至次年1月)平均流量約為豐水期的1/3。檢驗(yàn)結(jié)果顯示，由于枯水期平均流量為942 m3/s，除氨氮外河水流量對(duì)其余評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化影響很小，這與最近4年枯水期加密監(jiān)測(cè)中僅氨氮超標(biāo)3.8%的結(jié)果一致。

3.2 氨氮

由季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)結(jié)果可知，氨氮污染主要來(lái)自點(diǎn)源和面源，即主要來(lái)自城鎮(zhèn)生活污水處理廠廢水排放和農(nóng)業(yè)面源污染。

上游衡陽(yáng)、株洲、湘潭每年有近6億t生活污水排入湘江。其次，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加，2001—2011年長(zhǎng)沙市城鎮(zhèn)生活污水排放量年均增長(zhǎng)率達(dá)7.5%。城鎮(zhèn)生活污水排放量逐年增長(zhǎng)是氨氮濃度呈上升趨勢(shì)的主因。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，湘江流域每年使用農(nóng)藥、化肥折純量分別為4萬(wàn)t、220萬(wàn)t左右。每年由地表徑流輾轉(zhuǎn)帶入湘江的農(nóng)藥、化肥折純量分別約為700 t和2.2萬(wàn)t。畜禽養(yǎng)殖污染比例也不斷上升。農(nóng)業(yè)面源污染是導(dǎo)致湘江氨氮污染負(fù)荷加重的另一原因。

3.3 總磷

水體中總磷污染主要來(lái)自生活污水和磷化企業(yè)廢水。湘江長(zhǎng)沙段上游及市區(qū)無(wú)大型磷化企業(yè)，因此總磷污染主要來(lái)源于城鎮(zhèn)污水集中排放。總磷濃度上升趨勢(shì)較氨氮更為顯著，表明城鎮(zhèn)污水處理廠需進(jìn)一步加強(qiáng)除磷措施，提高總磷的去除率。

3.4 總鎘、總砷

總鎘、總砷污染主要來(lái)自上游郴州、衡陽(yáng)水口山、株洲清水塘、湘潭岳塘等重點(diǎn)工礦區(qū)的有色采選、冶煉、化工廢水。

自2005年起，湖南省通過開展“環(huán)保三年行動(dòng)”(2005—2007年)和“碧水湘江千里行動(dòng)”(2008—2011年)，完成重金屬污染治理項(xiàng)目211 3個(gè)，湘江流域重金屬排放量明顯削減，總鎘、總砷濃度呈高度顯著下降趨勢(shì)，重金屬污染得到遏制。

從趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，總鎘、總砷污染還來(lái)自面源，可能與湘江長(zhǎng)沙段底泥重金屬污染有關(guān)。

4 結(jié)論

季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)表明：湘江長(zhǎng)沙段氨氮濃度呈顯著上升趨勢(shì)，污染主要來(lái)自點(diǎn)源和面源;總磷濃度呈高度顯著上升趨勢(shì)，污染主要來(lái)自點(diǎn)源;總鎘、總砷濃度呈高度顯著下降趨勢(shì)，污染主要來(lái)自點(diǎn)源、面源。

水質(zhì)變化受流量的影響相對(duì)較小，主要是生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)面源污染物排放引起的，生活污染呈加重態(tài)勢(shì)，重金屬污染則明顯下降。

持續(xù)改善湘江長(zhǎng)沙段水環(huán)境質(zhì)量，保障飲水安全，一是要繼續(xù)加強(qiáng)污水處理廠建設(shè)及監(jiān)督管理，強(qiáng)化現(xiàn)有污水處理廠脫氮除磷措施，提高城市污水處理效果;二是加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源的治理和控制，推進(jìn)畜禽糞便資源化利用，提高化肥農(nóng)藥利用率，落實(shí)鄉(xiāng)鎮(zhèn)垃圾場(chǎng)和污水處理廠基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè);三是推進(jìn)湘江流域重金屬污染綜合治理，以加強(qiáng)突發(fā)性應(yīng)急事故處理，控制工業(yè)污染源、治理歷史遺留污染為重點(diǎn)，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)“十二五”湘江流域重金屬排放削減目標(biāo)。

［1］彭文啟，張祥偉．現(xiàn)代水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)理論與方法［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.151-159．

［2］GB 3838—2002 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［S］．

［3］黃燕戀，黃立民．梅江河近十年水質(zhì)變化趨勢(shì)分析［J］．廣東水利水電，2011(5)：40-55．

［4］鞠偉，郝達(dá)平．淮安市地表水水質(zhì)變化趨勢(shì)［J］．水資源保護(hù)，2011，27(4)：35-94．

［5］江濤，張曉磊，陳曉宏．東江中上游主要控制斷面水質(zhì)變化特征［J］．湖泊科學(xué)，2009，21(6)：873-878．

［6］米武娟，呂平毓．三峽水庫(kù)重慶段整體水質(zhì)變化趨勢(shì)［J］．人民長(zhǎng)江，2011，42(11)：74-76．

［7］李俊峰，盛東，程曉如．瑪納斯河流域水質(zhì)變化趨勢(shì)分析［J］．水資源保護(hù)，2008，24(4)：10-13．

［8］李怡庭，翁建華．黃河干流重點(diǎn)河段水質(zhì)變化趨勢(shì)分析及水質(zhì)管理對(duì)策探討［J］．水文，2003，23(5)：16-19．