孟春曉，王小波，黃　蕓，許　瑞，彭道平

(1. 四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，成都　610091；2. 西南交通大學(xué)，地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都　611756)

基于季節(jié)性Kendall法的岷江干流水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

孟春曉1，王小波1，黃蕓1，許瑞1，彭道平2

(1. 四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，成都610091；2. 西南交通大學(xué)，地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都611756)

為進(jìn)一步了解岷江水質(zhì)污染趨勢(shì)，應(yīng)用季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)法對(duì)岷江干流5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面2009～2014年的典型水質(zhì)指標(biāo)(CODCr、BOD5、TP、NH3-N)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析。結(jié)果表明岷江中下游的NH3-N和TP濃度總體呈上升趨勢(shì)，如在涼姜溝斷面NH3-N平均每年上升0.0074mg/L，TP平均每年上升0.0132mg/L；而CODCr的變化趨勢(shì)波動(dòng)較大，BOD5的變化不明顯；流量調(diào)節(jié)檢驗(yàn)結(jié)果和非流量檢驗(yàn)結(jié)果基本一致。通過(guò)濃度-流量相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)在岷江上游水質(zhì)指標(biāo)濃度與流量的相關(guān)性較高，且隨流量的增加而增大，表明污染主要來(lái)自于面源；在中游的污染主要來(lái)自點(diǎn)源；而在下游馬鞍山和涼姜溝斷面，發(fā)現(xiàn)水質(zhì)污染來(lái)自于點(diǎn)源和面源的綜合作用。

岷江；季節(jié)性Kendall法；水質(zhì)趨勢(shì)；相關(guān)性分析

岷江是長(zhǎng)江上游最大支流之一，其水質(zhì)安全對(duì)維持成都平原正常的生產(chǎn)生活起著至關(guān)重要的作用[1]。岷江發(fā)源于松潘弓杠嶺，由北向南流經(jīng)汶川、都江堰市、樂(lè)山市到宜賓市后注入長(zhǎng)江，全長(zhǎng)711km, 流域面積13.6萬(wàn)km2。根據(jù)2009～2014年四川省環(huán)境狀況公報(bào)報(bào)道，岷江干流的水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況由2009年的100%，逐年將至2014年的30.8%，水質(zhì)污染主要出現(xiàn)在岷江中下游段，以總磷(TP)、氨氮(NH3-N)污染為主要特征[2]。因此為了進(jìn)一步改善水環(huán)境質(zhì)量，強(qiáng)化地方政府的環(huán)境責(zé)任，自2011年9月開(kāi)始，四川省在岷江等流域執(zhí)行跨界生態(tài)補(bǔ)償斷面水質(zhì)超標(biāo)資金扣繳制度[3]。而采用科學(xué)的方法，開(kāi)展岷江干流水質(zhì)污染趨勢(shì)分析，對(duì)于岷江流域的水環(huán)境保護(hù)和污染控制工作具有重要的意義。

1 　數(shù)據(jù)與方法

1.1數(shù)據(jù)及分析年限

四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)總站在岷江流域設(shè)置了7個(gè)考核斷面，每月不定期開(kāi)展一次跨界斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作，具有近20年的監(jiān)測(cè)資料。水質(zhì)序列的長(zhǎng)短對(duì)趨勢(shì)分析有很大影響，序列過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都會(huì)影響趨勢(shì)分析的準(zhǔn)確性[4]。本論文依托2009年～2014年的岷江干流5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面月年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，篩選了CODCr、BOD5、TP、NH3-N四個(gè)主要參數(shù)開(kāi)展相關(guān)研究。5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面分別為渭門(mén)大橋、黎明村、眉山白糖廠、馬鞍山和涼姜溝，如圖1所示。其中，渭門(mén)大橋是岷江干流上游水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，黎明村站是進(jìn)入成都平原的水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，眉山白糖廠、馬鞍山和涼姜溝3個(gè)斷面是監(jiān)測(cè)的是岷江中下游水質(zhì)情況，對(duì)反映岷江干流水質(zhì)變化趨勢(shì)具有較強(qiáng)的代表性。

圖1　監(jiān)測(cè)斷面位置Fig.1　Position map of monitoring sections

1.2分析方法

《環(huán)辦〔2011〕22 號(hào)地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法》( 試行) 》中推薦了Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行水質(zhì)變化趨勢(shì)分析。但由于天然水質(zhì)數(shù)據(jù)具有其自身的特征，如水質(zhì)數(shù)據(jù)的非正態(tài)分布性以及與流量、季節(jié)性相關(guān)、經(jīng)常出現(xiàn)“漏測(cè)值”和“未檢出值”等， Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法無(wú)法監(jiān)測(cè)到許多顯著性變化趨勢(shì)，且無(wú)法定量分析趨勢(shì)變化的大小[5]。因此結(jié)合水質(zhì)數(shù)據(jù)的特征，統(tǒng)計(jì)學(xué)家G.Kendall提出了一種更加廣泛適用、合理的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，即季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)法[6]。

季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)法的原理是將歷年相同月(季)的水質(zhì)資料進(jìn)行比較，如果后面的值大于前面的值則記為“+”號(hào)，否則為“-”號(hào)。如果“+”號(hào)個(gè)數(shù)比“-”號(hào)多，則可能為上升趨勢(shì)；如果“-”號(hào)個(gè)數(shù)比“+”號(hào)多，則為下降趨勢(shì)。如果+”號(hào)和“-”號(hào)各占50%，則水質(zhì)資料不存在上升下降趨勢(shì)。此外，由于季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)的水質(zhì)資料為歷年相同月份間的比較，因此避免了水質(zhì)資料受汛期和非汛期河流流量季節(jié)性變化的影響。同時(shí)，由于數(shù)據(jù)比較只考慮數(shù)據(jù)相對(duì)排列而不考慮其大小，故能避免水質(zhì)資料中常見(jiàn)的“漏測(cè)值”問(wèn)題，也使奇異值對(duì)水質(zhì)趨勢(shì)分析影響降到最低限度。具體的計(jì)算可參見(jiàn)文獻(xiàn)[7,8]。本文借助PWQTrend2010軟件，來(lái)分析岷江干流的水質(zhì)變化趨勢(shì)，并利用流量調(diào)節(jié)濃度檢驗(yàn)，來(lái)判斷水質(zhì)變化趨勢(shì)是由河流流量還是污染源變化造成的。

2　結(jié)果分析

2.1水質(zhì)狀況趨勢(shì)

對(duì)2009～2014年岷江干流的渭門(mén)大橋、黎明村、眉山白糖廠、馬鞍山和涼姜溝5個(gè)斷面的CODCr、BOD5、TP、NH3-N水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出， CODCr從中下游開(kāi)始濃度呈上升趨勢(shì)，在匯入長(zhǎng)江前濃度又顯著下降。BOD5的濃度在中下游的變化不明顯。而NH3-N 和TP的濃度從上游開(kāi)始呈顯著上升趨勢(shì)，而到了中下游，特別是進(jìn)入眉山后，其濃度總體呈上升趨勢(shì)。這5個(gè)斷面NH3-N的濃度變化速率分別為：渭門(mén)大橋斷面平均每年上升0.0270mg/L，黎明村斷面平均每年下降0.0173mg/L，眉山白糖廠斷面平均每年上升0.1011mg/L，馬鞍山斷面平均每年下降0.0128mg/L，涼姜溝斷面平均每年上升0.0074mg/L。而TP的濃度變化速率為：渭門(mén)大橋斷面平均每年上升0.0075mg/L，黎明村斷面平均每年下降0.0040mg/L，眉山白糖廠斷面平均每年上升0.0250mg/L，馬鞍山斷面平均每年下降0.0049mg/L，涼姜溝斷面平均每年上升0.0132mg/L。表明岷江干流的TP、NH3-N污染確實(shí)呈逐年上升趨勢(shì)。

表1　岷江干流季節(jié)性Kendall水質(zhì)濃度檢驗(yàn)表

2.2流量調(diào)節(jié)水質(zhì)狀況趨勢(shì)

河流水質(zhì)受流域內(nèi)的土壤、植被、地質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)、降雨、徑流及人類(lèi)活動(dòng)等多方面的影響，但河流水質(zhì)變化的主要驅(qū)動(dòng)因素是河道污水的排放和徑流的變化[9]。通過(guò)分析濃度與流量的相關(guān)即可體現(xiàn)污染物來(lái)源于面源還是點(diǎn)源，然后再通過(guò)污染物濃度與流量相關(guān)的殘差分析來(lái)決斷流量對(duì)濃度的影響程度。表2為流量調(diào)節(jié)水質(zhì)狀況趨勢(shì)分析結(jié)果。

表2　岷江干流季節(jié)性Kendall流量調(diào)節(jié)水質(zhì)濃度檢驗(yàn)表

續(xù)表2

監(jiān)測(cè)斷面項(xiàng)目顯著水平(%)相關(guān)系數(shù)平方變化率(%)趨勢(shì)眉山白糖廠CODCr75.620.02512.49無(wú)明顯升降趨勢(shì)BOD555.320.1486-1.63無(wú)明顯升降趨勢(shì)NH3-N0.0010.035812.61顯著上升TP0.0010.190726.27高度顯著上升馬鞍山CODCr0.000.032413.01顯著上升BOD546.870.14601.79無(wú)明顯升降趨勢(shì)NH3-N33.520.10672.13無(wú)明顯升降趨勢(shì)TP45.380.196310.31顯著上升涼姜溝CODCr4.370.0173-14.85顯著下降BOD535.270.19301.68無(wú)明顯升降趨勢(shì)NH3-N12.350.0141-0.93無(wú)明顯升降趨勢(shì)TP25.630.162728.33高度顯著上升

從表2可以看出：CODCr從中游開(kāi)始出現(xiàn)上升趨勢(shì)，在下游涼姜溝開(kāi)始下降。除渭門(mén)大橋斷面高度顯著下降外，BOD5在中下游表現(xiàn)出無(wú)明顯升降趨勢(shì)。NH3-N在中下游兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，到了涼姜溝則無(wú)明顯升降趨勢(shì)。TP在渭門(mén)大橋?yàn)楦叨蕊@著上升趨勢(shì)，在黎明村為顯著下降，進(jìn)入中下游后呈高度顯著上升和顯著上升趨勢(shì)。從上面的分析可以看出，NH3-N和TP在中下游有逐年增加的趨勢(shì)。

結(jié)合各個(gè)斷面水質(zhì)參數(shù)與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖2～圖6)，在渭門(mén)大橋斷面和黎明村斷面(圖2、圖3)， CODCr、BOD5、TP和NH3-N的實(shí)測(cè)濃度分布在濃度-流量曲線附近，表明濃度與流量的相關(guān)性較高，且濃度隨流量的增加而增大，表明污染主要來(lái)自于面源。在眉山白糖廠斷面(圖4)除BOD5外，其余3個(gè)參數(shù)濃度隨流量的增加而降低且相關(guān)性較好，表明河流水質(zhì)污染主要來(lái)自點(diǎn)源。在下游的馬鞍山和涼姜溝斷面(圖5、圖6)，各個(gè)水質(zhì)參數(shù)實(shí)測(cè)濃度在濃度-流量曲線的分布較為混亂，即與濃度大小相關(guān)性較差，這表明水質(zhì)污染來(lái)自于點(diǎn)源和面源的綜合作用。通過(guò)分析可以看出，岷江的中下游貫穿成都平原，沿江有眾多城市和農(nóng)村分布，未經(jīng)處理的生活污水、工業(yè)廢水及農(nóng)業(yè)污水等點(diǎn)、面源污染注入大小支流后匯入岷江，導(dǎo)致岷江水質(zhì)呈現(xiàn)出變壞的趨勢(shì)，表現(xiàn)為以TP、NH3-N污染為主要水質(zhì)污染。

圖2　渭門(mén)大橋斷面污染物濃度與流量關(guān)系Fig.2　Relationship between contaminants concentration and flow in Weimen bridge section

圖3　黎明村斷面污染物濃度與流量關(guān)系Fig.3　Relationship between contaminants concentration and flow in Limingcun section

圖4　眉山白糖廠斷面污染物濃度與流量關(guān)系Fig.4　Relationship between contaminants concentration and flow in Meishan sugar factory section

圖5　馬鞍山斷面污染物濃度與流量關(guān)系Fig.5　Relationship between contaminants concentration and flow in Ma’anshan section

3　結(jié)論及建議

3.1本文采用PWQTrend2010軟件對(duì)岷江干流2009～2014年6年來(lái)的5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的CODCr、BOD5、TP、NH3-N水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行水質(zhì)趨勢(shì)分析，結(jié)果表明：進(jìn)入中下游后NH3-N和TP呈現(xiàn)出高度顯著上升或顯著上升趨勢(shì)，水質(zhì)污染以TP、NH3-N污染為主，干流的水質(zhì)呈現(xiàn)逐年惡化趨勢(shì)，需加以控制。

3.2通過(guò)分析污染物濃度與流量關(guān)系發(fā)現(xiàn)，由于大量的生活污水、工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)污水通過(guò)進(jìn)入支流后匯進(jìn)岷江干流，岷江中下游水質(zhì)逐漸變差，受點(diǎn)、面污染源的綜合作用較為明顯。因此，需要加強(qiáng)岷江流域水污染源的綜合治理，合理調(diào)整工業(yè)布局，并加大對(duì)生活污水和農(nóng)業(yè)污水的治理。

[1]楊朋，宋述軍. 岷江流域地表水水質(zhì)的模糊綜合評(píng)價(jià)[J]. 資源開(kāi)發(fā)與市場(chǎng)，2007，23(2)：101-104.

[2]四川省環(huán)境保護(hù)廳.2009-2014年四川省環(huán)境狀況公報(bào)[R]. http://www.schj.gov.cn/cs/hjjc/zkgg/.

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[4]王海榮. 大夏河2006-2013 年水質(zhì)污染趨勢(shì)及原因探討[J]. 地下水，2015，37(2)：83-85.

[5]劉爭(zhēng). 松花江流域水質(zhì)變化趨勢(shì)研究[D]. 北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2014.

[6]Van Belle G, Hughes J P. Nonparamertic tests for trend in water quality [J]. Water Resources Research, 1984, 20(1): 127-136.

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[9]王浩，陳敏健，唐克旺． 水生態(tài)環(huán)境價(jià)值和保護(hù)對(duì)策[M]． 北京：北京交通大學(xué)出版社，2005．

Analysis of Water Quality Tendency of the Mainstream of Minjiang River with Seasonal Kendall Method

MENG Chun-xiao1, WANG Xiao-bo1, HUANG Yun1, XU Rui1, PENG Dao-ping2

(1.SichuanEnvironmentalMonitoringCenter，Chengdu610091，China; 2.FacultyofGeosciences&EnvironmentalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu611756,China)

For further understanding of the water quality tendency of Minjiang River, seasonal Kendall method was applied to analyze the main water quality indexes (CODCr, BOD5, TP and NH3-N) of 5 monitoring sections in Minjiang River from 2009 to 2014. The results showed that concentrations of NH3-N and TP appeared an upward trend in the middle and lower reaches, where NH3-N had an average annual increase of 0.0074mg/L and TP of 0.0132mg/L in Liangjianggou. However, the concentration of CODCrshowed a significant fluctuation and the concentration of BOD5showed less variations. Flow control test results were basically identical with non-flow test results. By correlation analysis of concentration and flux, it was found that a higher positive correlation between concentration and flux showed in the upper reaches, which indicated the contaminants were mainly from diffused pollution. Pollutions in the middle reaches were mainly from point sources. In the lower reaches, the water pollution was synthetically caused by diffused pollution and point source pollution.

Minjiang River; seasonal Kendall method; water quality tendency; correlation analysis

2015-08-04

孟春曉(1986-)，女，山東濟(jì)寧人，2011年畢業(yè)于西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院市政工程專(zhuān)業(yè)，碩士，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。

彭道平，pdp0330@swjtu.cn。

X522

A

1001-3644(2015)06-0087-07