基于Mann-Kendall法的韓江下游水質(zhì)變化規(guī)律研究

陳澤榕

(廣東省水文局汕頭水文分局,廣東 汕頭 515041)

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基于Mann-Kendall法的韓江下游水質(zhì)變化規(guī)律研究

陳澤榕

(廣東省水文局汕頭水文分局,廣東 汕頭 515041)

采用韓江下游近年水質(zhì)分析資料,應(yīng)用Mann-Kendall檢驗(yàn)方法等,對(duì)2006—2012年主要指標(biāo)的變化特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明：韓江中下游水質(zhì)總體較為良好,部分水質(zhì)因子如鐵、糞大腸菌群、氨氮、總氮等指標(biāo)存在超標(biāo)現(xiàn)象,其中鐵、糞大腸桿菌群、氨氮且呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì),總氮?jiǎng)t呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；部分指標(biāo)因子與汛期關(guān)聯(lián)緊密。

韓江流域；徑流；變化趨勢(shì)；Mann-Kendall

1 概述

韓江發(fā)源于紫金縣七星崠,北東向流至大埔縣三河壩與汀江匯合,此后折向南流,至潮州潮安進(jìn)入韓江口混合區(qū)域。韓江是潮州、汕頭、揭陽(yáng)等市的主要水源地,擔(dān)負(fù)著生產(chǎn)、生活用水、生態(tài)用水、航道用水等多種職能。近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及人類活動(dòng)影響,水質(zhì)變化顯著,該現(xiàn)象得到眾多專家學(xué)者的關(guān)注,并取得一定的研究成果。宋鳳艷等通過(guò)二苯碳酰二肼分光光度法測(cè)定得出潮州境內(nèi)河段的六價(jià)鉻濃度[1]；黃通旺等采用微生物學(xué)法分析了1998年韓江下游汕頭市區(qū)河段水質(zhì)情況[2]。還有學(xué)者采用灰色模型理論等對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,但由于水質(zhì)數(shù)據(jù)獲取方法不一致,數(shù)據(jù)樣本存在季節(jié)性影響等問(wèn)題,不利于分析水質(zhì)演變趨勢(shì)。kendall法已被很多研究證明是一種很好的非參數(shù)檢驗(yàn)法,其最大的優(yōu)點(diǎn)是可用于資料系列存在漏測(cè)值、未檢出值的情況,同時(shí)可考慮季節(jié)變化對(duì)水質(zhì)的影響[3]。

韓江流經(jīng)潮州后,于鳳凰洲附近分為東溪、西溪、北溪三條支流,經(jīng)汕頭市各入?？谧⑷肽虾！Ｔ诟髦Я魉|(zhì)發(fā)生較為顯著的差異,且隨季節(jié)、時(shí)間推移呈現(xiàn)一定的變化趨勢(shì),本文以韓江下游近年實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ),運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法,對(duì)其年內(nèi)、時(shí)間系列及演變規(guī)律進(jìn)行初步探討。

2 研究方法

Mann-Kendall法是世界氣象組織推薦并廣泛使用的方法,它不需要數(shù)據(jù)系列遵從一定分布,也不受少數(shù)異常值干擾,且不需要做統(tǒng)計(jì)分析,適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù),計(jì)算簡(jiǎn)便[4]。

設(shè)序列為xt(t=1,2,…… ,n),假設(shè)序列變化不明顯,計(jì)算Mann-Kendall檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量S和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值Zs：

(1)

(2)

式(1)中Xi、Xj為序列中數(shù)據(jù)值,且j>i,n為序列長(zhǎng)度。若經(jīng)檢驗(yàn),統(tǒng)計(jì)量Zs不滿足-Z1-α/2≤Z≤Z1-α/2,則拒絕假設(shè),表明序列有明顯趨勢(shì)。

3 韓江下游水環(huán)境現(xiàn)狀

韓江是潮汕地區(qū)的第一大江河,全長(zhǎng)470 km,流域總面積達(dá)30 112 km2,選取韓江干流及其下游支流有代表性的斷面共4個(gè),分別是干流赤鳳和竹竿山水廠、東溪的急水、西溪的田頭何等斷面,如圖1所示。

3.1 水環(huán)境現(xiàn)狀

根據(jù)2012年3月斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知(表1),各斷面水質(zhì)狀況基本良好,但部分指標(biāo)存在超標(biāo)現(xiàn)象。其中氨氮、5 d生化需氧量的評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅰ類或Ⅱ類；鐵、錳在上游赤鳳斷面超標(biāo),但沿程存在一些起伏變化情況；而糞大腸菌群、總氮在中下游都出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象,其中赤鳳、急水、田頭何等3斷面的糞大腸菌群評(píng)價(jià)類別為Ⅳ類,各斷面的總氮指標(biāo)為Ⅴ類或劣Ⅴ類。

圖1 韓江下游監(jiān)測(cè)斷面分布示意

從空間分布情況看,水體從韓江進(jìn)入下游后氨氮、錳的指標(biāo)趨于良好,鐵的指標(biāo)則呈現(xiàn)時(shí)好時(shí)壞的不穩(wěn)定狀態(tài)。主要污染物糞大腸菌群、總氮的指標(biāo)依然停留在較差水平。

表1 2012年3月各斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值

3.2 主要污染因子變化情況

據(jù)韓江斷面實(shí)測(cè)水質(zhì)資料判定韓江主要污染因子為鐵和糞大腸菌群。對(duì)2006—2012年斷面的主要污染因子濃度進(jìn)行分析。

在分析時(shí)段內(nèi),韓江水體鐵的濃度在0.024～0.752 mg/L之間,年內(nèi)變化如圖2所示,系列數(shù)據(jù)呈現(xiàn)交替起伏狀態(tài),其中汛期明顯高于非汛期。而從年際間對(duì)比來(lái)看,趨勢(shì)線的斜率總體為負(fù)值,說(shuō)明各斷面的鐵因子濃度呈現(xiàn)一定的下降趨勢(shì)。鐵指標(biāo)最高值0.752 mg/L發(fā)生在2008年6月的赤鳳斷面,從數(shù)據(jù)可知,下游竹竿山水廠、東溪、西溪斷面鐵的濃度同步出現(xiàn)為較大值,上下游具有一定的關(guān)聯(lián)性。

繪制2008—2012年韓江主要斷面糞大腸菌群逐月變化過(guò)程線(見(jiàn)圖3)。韓江水體中糞大腸菌群超標(biāo)較為嚴(yán)重,但年際間沒(méi)有顯著的上升或下降趨勢(shì)。通過(guò)滑動(dòng)平均計(jì)算,汛期時(shí)的指標(biāo)值明顯大于非汛期,因此超標(biāo)現(xiàn)象主要發(fā)生在汛期。與干流赤鳳、竹竿山水廠相比,下游東溪急水?dāng)嗝?、西溪田頭何斷面超標(biāo)更為嚴(yán)重。其中韓江下游西溪田頭何斷面2010年10月糞大腸菌群數(shù)量為92 000個(gè)/L、東溪急水?dāng)嗝鎰t在2011年7月出現(xiàn)5 400個(gè)/L為斷面實(shí)測(cè)最大值。

圖2 2006—2012年韓江主要斷面鐵含量逐月變化過(guò)程線

圖3 2008—2012年韓江主要斷面糞大腸菌群逐月變化過(guò)程線

4 污染因子變化趨勢(shì)分析及成因分析

以多年實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù),選取韓江控制斷面的主要污染指標(biāo)進(jìn)行Mann-Kendall檢測(cè)分析,本次檢驗(yàn)置信度α分別取0.1、0.01,相應(yīng)的臨界值Zα/2=1.64、2.57。統(tǒng)計(jì)量絕對(duì)值大于1.64則為顯著趨勢(shì),大于2.57則為極顯著趨勢(shì),正負(fù)號(hào)代表趨勢(shì)上升或下降。斷面水質(zhì)因子的演變趨勢(shì)見(jiàn)表2。

表2 各水質(zhì)因子的肯德?tīng)柦y(tǒng)計(jì)量(Z)計(jì)算

韓江中下游水系中鐵的含量呈現(xiàn)減少趨勢(shì),其中干流赤鳳斷面、竹竿山水廠斷面下降趨勢(shì)極為顯著,東溪急水?dāng)嗝嬉渤尸F(xiàn)下降,西溪田頭何斷面為上升趨勢(shì),但趨勢(shì)不明顯。根據(jù)韓江水情形勢(shì)變化,可知鐵濃度的高低與洪水有較為密切關(guān)系,汛期流量大時(shí)含量高、非汛期流量低時(shí)也鐵含量濃度低,這是由于流域上游的平遠(yuǎn)縣等地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富,含鐵離子較高的巖層風(fēng)化后汛期隨著水流,沖刷進(jìn)入河道導(dǎo)致鐵濃度上升。結(jié)合韓江流域水文特性可知,2008年出現(xiàn)較大流域性洪水后,韓江徑流逐年減少,因此流量減少是水體鐵含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的主要原因之一。

赤鳳、竹竿山水廠、田頭何的糞大腸菌群也呈現(xiàn)下降趨勢(shì),其中竹竿山水廠的肯德?tīng)柦y(tǒng)計(jì)值為-4.59,下降趨勢(shì)極為顯著。由于該斷面緊鄰水廠,近年地方各級(jí)不斷加強(qiáng)飲用水源保護(hù)措施,生活污水排放得到有效控制。因糞大腸菌群主要來(lái)源于人畜糞便的生活污水,因此主要斷面的糞大腸菌群呈現(xiàn)下降趨勢(shì)說(shuō)明韓江流域內(nèi)生活污水的排放得到一定的控制。

赤鳳、竹竿山水廠、急水、田頭何的氨氮肯德?tīng)柦y(tǒng)計(jì)量分別為-2.99、-1.84、-1.95、-3.41,說(shuō)明氨氮指標(biāo)在韓江中下游均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),其中赤鳳、田頭何下降趨勢(shì)極為顯著；氨氮的減少也說(shuō)明韓江水體中生活污水的影響呈減弱趨勢(shì),與糞大腸菌指標(biāo)分析結(jié)論一致。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)Mann-Kendall法非參數(shù)檢驗(yàn),對(duì)韓江流域中下游2006—2012年水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出如下主要結(jié)論：

1) 韓江中下游水質(zhì)總體較為良好,但部分水質(zhì)因子如鐵、糞大腸菌群、氨氮、總氮等指標(biāo)存在超標(biāo)現(xiàn)象。

2) 在韓江中下游的不同斷面,鐵因子都存在超標(biāo)的現(xiàn)象。鐵的濃度受地表水流沖刷和底泥擾動(dòng)影響,在汛期的濃度值明顯高于非汛期,在2006—2012年期間,韓江干流呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì),東溪為下降趨勢(shì)、西溪為上升趨勢(shì),但變化都不顯著。

3) 韓江干流糞大腸菌群也呈現(xiàn)下降趨勢(shì),其中竹竿山水廠附近河段下降趨勢(shì)極為顯著。指標(biāo)因子與降雨、洪水關(guān)聯(lián)較為緊密。

4) 韓江水體中氨氮維持在Ⅰ類或Ⅱ類水平,且呈現(xiàn)下降趨勢(shì),但總氮為Ⅴ類或劣Ⅴ類水平,呈現(xiàn)上升趨勢(shì),說(shuō)明在以總氮作為水體富營(yíng)養(yǎng)化的因子中,氨氮的貢獻(xiàn)率較低,因此有機(jī)氮、硝氮為總氮超標(biāo)的主要因素。

[1] 宋鳳艷，詹嘉紅.韓江潮州市區(qū)江段水質(zhì)六價(jià)鉻污染程度的測(cè)定[J]. 韓山師范學(xué)院學(xué)報(bào),2007(6)：64-66．

[2] 黃通旺.韓江汕頭市區(qū)河段水質(zhì)的微生物學(xué)監(jiān)測(cè) [J].水生生物學(xué)報(bào),2002(1)：106-108．

[3] 辛小康,尹煒,楊芳.基于肯德?tīng)柗ǖ牡そ谒畮?kù)水質(zhì)演變趨勢(shì)研究[J].人民長(zhǎng)江,2012(7)：91-94.

[4] 陳麗,黃章斌.福州市1961—2001年氣候變化特征分析[J].黑龍江科技信息,2009(28)：27-28．

[5] 吳海斌.韓江流域省界水質(zhì)現(xiàn)狀、污染成因及對(duì)策分析[J] .能源及環(huán)境,2011(11)：18-19．

(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

A Mann-Kendall-based Study of the Water-Quality Changing Pattern of the Lower Reaches of the Hanjiang River

CHEN Zerong

(Shantou Branch of Guangdong Provincial Hydrographic Office, Shantou 515041，China)

Examining recent water quality analyses of the lower reaches of the Hanjiang River and employing the Mann-Kendall method, this paper studies the 2006-2012 changing pattern of the major factors. The findings indicate that the lower reaches of the Hanjiang River have a generally good water quality, except that some factors such as iron, fecal coliform, ammonia nitrogen and total nitrogen are out of limits. The first three factors show a downtrend of varied extent, whereas the last factor, total nitrogen, displays an uptrend. Some index factors are closely related with the flood season.

the Hanjiang River reaches；runoff；changing pattern；Mann-Kendall

2016-01-15;

2016-02-03

陳澤榕(1989)，男，本科，助理工程師，從事水質(zhì)監(jiān)測(cè)和水環(huán)境評(píng)價(jià)工作。

X824

A

1008-0112(2016)01-0019-03