玛纳斯河流域地表水水质时空变化趋势的分析

黄丹，何新林，2，杨广，2，王春霞，2，杜玉娇，杨文新，许双堆

（1石河子大学水利建筑工程学院，石河子832003；2新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，石河子832003）

水资源是支撑经济增长与可持续发展的最基本要素之一［1］，但随着社会、经济的高速发展，用水量与排污量日益增加，水资源紧缺和水污染日趋严重，以及生态环境恶化，给城市经济、水资源环境带来严重影响［2］。玛纳斯河流域是新疆重点发展的经济区之一，也是新疆绿洲开发的典范。掌握玛纳斯河流域水质现状及其变化趋势，对合理开发利用水资源，保护和恢复河流生态环境，实现可持续发展有着重要意义。

一般河流水质趋势分析的类型分为以下2种：（1）根据过去实测水质资料进行模拟建模，由模型推断未来水质的发展趋势，也称水质预测；（2）由过去到现在的水质序列分析其间水质发生的变化。本文分析的是后一类情形。对于水质趋势检验的方法，国内外大致可分为参数检验方法和非参数检验方法2种［3］。国内开展水质趋势分析的工作较少，通常采用线性回归和图示的方法。但对水质趋势分析，尤其对于水质季节性的处理，线性回归方法有一定的缺陷。主要原因是水质数据有以下特点：一是水质数据常常呈现非正态性分布［4］；二是水质数据与季节变化有关，即所谓的季节性相关；三是与流量的大小有关；四是漏测值和低于检测限的数据多［5］。此后，有人提出了t检验、方差分析及多变量正态法等参数检验方法来分析水质趋势。但是，这些方法均要求诸参数服从正态分布，而河流水质数据大多不是正态分布［6－7］。因此，国内对于水质变化趋势的研究多沿用季节性肯德尔检验法、皮尔逊相关分析法及斯皮尔曼秩相关系数分析法。季节性肯德尔检验法是由一种更广泛适用、合理的非参数检验，实践证明，该方法比线性回归更适合水质数据的处理［5］。

本文基于玛纳斯河流域4个典型监测站点的水质资料，运用季节性肯德尔检验法分析玛纳斯河流域水质的时空变化趋势。

1 材料与方法

1.1 流域概况

玛纳斯河流域地处天山北麓的准噶尔盆地南缘，东起塔西河，西至巴音沟河，南靠天山山脉的依连哈比尔尕山，北接古尔班通古特大沙漠。地理位置介于东经85°01′～86°32′，北纬43°27′～45°12′之间，流域总面积约1.81万km2。流域内有石河子市、玛纳斯县、沙湾县和19个农牧团场（乡）及农六师的新湖总场和克拉玛依市的小拐乡。其流域水环境污染物主要来源于石河子市和玛纳斯县城所排放的工业废水和生活污水，其中以石河子市为主，占90%以上。流域内土地总面积约78.86万hm2，其中现有耕地面积约23.8万hm2，现有灌溉面积21万hm2，主要灌溉水源来自天山山脉融冰化雪及山区暴雨洪水，经玛纳斯河流入夹河子、跃进、大泉沟、蘑菇湖四大水库调节后供给［8］。玛纳斯河是天山北坡水量最大的河流，是玛纳斯河流域最大的水系，玛纳斯河水资源的开发利用与该流域的经济可持续发展有着密切的关系［9］。

1.2 分析站点的选择

玛纳斯河流域时空变化趋势分析的站点选择具有代表性的玛纳斯河、蘑菇湖水库、大泉沟水库及夹河子水库4个监测点，其监测点位布设情况如表1、表2所示。

表1 玛纳斯河点位布设情况表Tab.1 The layout of monitoring point in Manas river

表2 水库监测点位布设情况表Tab.2 The layout of monitoring point in different reservoirs

1.3 参数选择

根据玛纳斯河流域水质现状评价结果，选择五日生化需氧量（BOD5）、高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮（NH3－N）、氟化物、石油类5项作为水质参数时空变化趋势分析的评价指标，5项指标的单位均为mg／L。

1.4 数据资料的选择

玛纳斯河流域空间变化趋势分析数据资料：2005年丰水期、枯水期及平水期的水质参数浓度值系列，其中枯水期是指12、1、2、3月，平水期是指4、5、10、11月，丰水期是指6、7、8、9月。

玛纳斯河流域时序变化趋势分析数据资料：玛纳斯河流域地表水2001－2005年的水质监测数据。

1.5 分析方法

为客观反映流域水质变化趋势，在分析多年资料的基础上，采用季节性肯德尔检验法对代表性指标的变化趋势进行分析。河流流量具有一定的周期变化，河流水质组分浓度大多也受流量的周期性变化的影响，只对汛期与非汛期的水质资料进行比较缺乏可比性。而季节性肯德尔检验定义为水质资料在历年相同月份间的比较，可避免季节性的影响［10］。季节性肯德尔检验的原理是将历年相同月（季）的水质资料进行比较，如果后面的值（时间上）高于前面的值记为“＋”号，否则记作“－”号。如果加号的个数比减号的多，则可能为上升趋势，类似地，如果减号的个数比加号的多，则可能为下降趋势。如果水质资料不存在上升或下降趋势，则正、负号的个数分别为50%［11］。其模型如下：

季节性肯德尔检验零假设H0为随机变量与时间独立。设有n年p月的水质资料观测序列χ为：

式（1）中：χ11，…，χnp为月水质浓度观测值。

（1）对于p月中第i月（i≤p）的情况。

第i月历年水质系列相比较（后面的数与前面的数之差）的正负号之和S为：

其中：

第i月内可以作比较的差值数据个数mi为：

式（4）中：ni为第i月水质系列中非漏测数值个数。

在零假设下可求出随机序列Si（i＝1，2…，p）的均值（E（Si））和方差(），即：

当ni个非漏测数值中有t个数相同时，方差公式为：

（2）对于p月总体情况。

令

在零假设下，可求p月S的均值和方差分别为

当n年水质系列有t个数相同时，同样有：

当n大于等于10时，S服从正态分布，其统计量Z也服从正态分布：

（3）趋势检验。

表3 显著性水平的确定Tab.3 The determination of significant level

（4）检验结果说明。

水质变化趋势分析结果分为三类五级。三类为上升、下降和无趋势；五级为高度显著上升、显著上升、无趋势、显著下降和高度显著下降［13］。

2 结果与分析

2.1 玛纳斯河流域水质空间变化的趋势

结果见图1。

图1 2005年3个水期各项监测指标沿程变化图Fig.1 The change of monitoring index in three water stages of 2005

（1）BOD5空间变化趋势分析。

由图1a可看出：丰水期BOD5浓度值在几个监测点间的变化波动较大，且其值在玛纳斯河及蘑菇湖水库均大于平水期和枯水期的浓度含量，而在大泉沟水库和夹河子水库则均小于平水期和枯水期的浓度含量；各监测点丰水期受BOD5污染较为严重，导致汛期水质变化较大；平水期和枯水期变化则较为平缓，且浓度含量较低。

（2）CODMn空间变化趋势分析。

从图1b可以看出：丰水期和平水期的CODMn在几个监测点间的变化幅度较大，枯水期变化较平缓；4个监测点在枯水期的CODMn浓度值均处于几个水期的最低值；大泉沟水库在平水期时的该项指标上升幅度最大，次之的是蘑菇湖水库在丰水期的高锰酸钾盐指数上升幅度。

（3）氨氮空间变化趋势分析。

对图1c分析可知：2005年各水期，氨氮在各监测点的变化趋势与五日生化需氧量大致相同，表现为基本相似的污染特征。在丰水期变化幅度较大，且在蘑菇湖水库达全年各测点的最高值；枯水期内，各测点变化幅度最小，而平水期内的变化幅度介于丰水期与枯水期之间；大泉沟水库与夹河子水库各水期氨氮浓度指数变化较小。

（4）氟化物空间变化趋势分析。

根据图1d分析可知：3个水期中，丰水期各监测点该项指标变化幅度最大但其浓度值最低，枯水期变化幅度较丰水期小但其浓度值最高，平水期变幅及浓度值均介于前两水期之间。4个监测点中，蘑菇湖水库的氟化物浓度值在各水期变化幅度最大。

（5）石油类指标空间变化趋势分析。

从图1e可以看出：石油类指标在丰水期各监测断面的变化幅度较小，而在枯水期变化幅度较大，且有增长趋势；平水期的变化幅度介于丰水期与枯水期之间；4个监测点间，夹河子水库的石油类指标在3个水期内变化幅度最大，且在枯水期浓度达到最大值。

对比图1中的5个分图可知：除石油类外，其他指标具有相同的变幅变化特征，即3个水期变幅由大到小分别是：丰水期、平水期、枯水期，流域水质污染程度丰水期重于平水期和枯水期。分析水质空间分布差异的原因，主要为大量泥沙及城市未处理的污废水在汛期被带入到河流及湖库中。

2.2 玛纳斯河流域水质时序变化的趋势

2.2.1检验结果

通过对2001－2005年水质数据资料的分析，采用季节性肯德尔检验法对4个监测点的BOD5、CODMn、氨氮、氟化物和石油类五项主要污染参数变化趋势进行检验，得到各监测点水质变化趋势检验统计结果，见表4。

表4 2001～2005年研究区各监测点水质变化趋势检验统计表Tab.4 The change trend in different monitoring points from 2001 to 2005

2.2.2检验结果的分析

对水质参数浓度趋势分析的统计结果（表4）主要从以下三个方面进行分析，即整体水质不同变化趋势的分析、5项评价因子的变化趋势分析以及4个监测点中的水质参数变化趋势所占比例，另外，对5年来的水质变化趋势情况进行说明。

（1）整体水质变化。

不同的变化趋势所占比例见图2。由图2可以看出：上升趋势的占30%，下降趋势的占25%，无变化趋势的占45%。水质参数浓度趋势以稳定趋势为主，同时上升趋势略大于下降趋势，说明研究区监测点的水质状况5年中总体上污染有所控制，但控制效果不十分明显，水质质量总体处于持平状态。

图2 整体水质参数浓度变化趋势所占比例Fig.2 The overall water quality parameters of concentration change trend in proportion

（2）5项评价指标变化趋势的分析。

从表4可知：

BOD5在各监测点的变化趋势均为上升，且在玛纳斯河监测点为高度显著上升，其他几个断面均为显著上升。究其原因，表明研究区水体中耗氧性有机物污染物增多，其来源与沿岸排放的工业废水有关。

CODMn在各监测点的下降趋势与无变化趋势所占比例相同，各占总体的50%，且无上升趋势，表明以CODMn为特征的有机污染已基本得到控制，但仍需继续加强监管。

氨氮的变化趋势与高锰酸钾盐指数的相同，下降与无变化趋势的比例同为50%，表明水体受氨氮的污染已基本得到控制。

氟化物在各监测站的上升趋势占总体变化趋势的25%，下降趋势占25%，无变化趋势占50%。表明对氟化物的污染控制效果还有浮动，对其控制还需继续加强。

石油类在各监测站的上升趋势占25%，无变化趋势占75%，，表明石油类的污染物已基本得到控制，趋势略有浮动。

（3）各监测断面的水质变化趋势分析。

从表4中可以得出各监测点的水质参数变化趋势所占比例，如表5所示。

表5 各监测点的水质参数变化趋势所占比例Tab.5 The monitoring points of water quality parameter variation tendency of the proportion

从表5可知：玛纳斯河与夹河子水库的水质参数浓度变化趋势相同，上升趋势与无变化趋势所占比例相同，均为40%，表明对于水体中各污染物项有所控制，但效果还不明显，仍有上升的趋势。蘑菇湖水库的水质参数浓度变化趋势中无变化趋势占60%，表明对污染物的控制效果较明显，水质没有明显的恶化趋势，基本处于持平状态。大泉沟水库的水质参数浓度变化趋势中下降趋势与无变化趋势所占比例相同为40%，表明对水质的治理效果较好，水质有改善的趋势。

3 结论与讨论

（1）流域水质参数空间变化趋势结果表明：BOD5与氨氮呈现相似的变化特征，即在丰水期变化幅度较大，且在蘑菇湖水库达全年各测点的最高值；CODMn在丰水期和平水期的几个监测点间变化幅度较大，枯水期变化较平缓；氟化物浓度在3个水期中，丰水期变化幅度最大，其次是枯水期，最后是平水期；石油类指标在丰水期各监测断面的变化幅度较小，而在枯水期则变化幅度较大，且有增长趋势。从整体上看，研究区丰水期的水质污染程度重于平水期和枯水期的，其原因是汛期大量泥沙及城市未处理的污废水被带入到河流及湖库中。

（2）流域水质参数时序变化趋势结果表明：流域整体水质参数以稳定趋势为主，占整体变化趋势的45%，说明2001－2005年水质情况总体处于持平状态，对水体污染有所控制，但控制效果还不十分明显。5项代表性水质参数中，BOD5显著上升，究其原因是研究区水体中耗氧性有机物污染物增多，其来源与沿岸排放的工业废水有关，因此，今后应当重点治理工业污染源。

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