季节性Kendall检验分析湘江长沙段水质变化趋势

彭 珂，董晓钢，张晓范，罗 钰

长沙市环境监测中心站，湖南 长沙 410001

湘江发源于湘桂边境海洋山西麓，入湘后经衡阳、株洲、湘潭、长沙等8个市州归洞庭入长江，是湖南省最长、流域面积最广的河流。湘江长沙段由南向北纵贯市区，河段长74 km，常年径流量692.50亿m3，丰枯水期较为明显，是长沙市最重要的生产、生活用水来源。该文以湘江长沙段三汊矶断面2001—2011年水质监测结果为样本，首次运用季节性Kendall检验方法分析水质变化趋势、污染来源及河水流量对水质的影响程度，对于保护湘江水质、加强水资源环境管理具有重要意义。

1 实验部分

1.1 代表断面

选取长沙市区下游控制断面三汊矶为代表性断面进行分析。

1.2 评价项目

根据湘江长沙段地表水污染特点，确定氨氮、总磷、总镉、总砷 4项指标为评价项目，采用2001—2011年长沙市水质监测数据及同步水文资料进行分析。

1．3 方法原理

由于天然水质数据一般具有非正态分布性及流量、季节相关性，不同水期的水质数据缺乏可比性，美国统计学家Kendall于1982年提出一种新的非参数检验——季节性Kendall检验。该检验具有不受河水流量周期性变化、漏测值和未检出值影响的优点。

季节性Kendall检验原理［1］是将历年相同月(季)的水质资料进行比较，后面值(时间上)高于前面值的，记为“+”，否则记为“－”。如果“+”的个数比“－”的个数多，则可能为上升趋势，反之可能为下降趋势，如果相等则为基本无趋势。

肯德尔发现，当n≥10时，随机序列S(各月历年水质系列正负号之和)近似服从正态分布：

当α≤0.01时，说明检验具有高度显著性水平;当0.01＜α≤0.1时，说明检验是显著的。肯德尔检验定义统计量t=s/m(m为可进行比较的差值数据组个数之和)，当t＞0时说明具有显著(或高度显著性)上升趋势，当t＜0时则说明具有显著(或高度显著)下降趋势，当t=0时无趋势。

另外，还可对流量校正后的浓度进行季节性Kendall检验，判断水质变化趋势是由流量因素造成的还是由污染因素造成的，也可间接判断是面源污染还是点源污染。检验中，采用以下7种流量校正方程：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为河水流量，β为调节系数，a、b、c为回归常数)。根据浓度和流量系列分别估算上述方程式中的a、b、c及相关系数，选择相关性最好的一个为流量校正方程。

2 结果与讨论

2.1 2011年水质监测结果

2011年湘江长沙段三汊矶断面各评价项目监测结果见表1。氨氮、总磷年均值符合《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)［2］Ⅲ类标准，总镉、总砷年均值符合Ⅰ类标准。

表1 2011年湘江长沙段三汊矶断面水质监测结果

2．2 污染物浓度趋势检验结果

2001—2011年湘江长沙段三汊矶断面污染物浓度变化趋势检验结果见表2。结果表明，氨氮浓度呈显著上升趋势，总磷浓度呈高度显著上升趋势，总镉和总砷浓度呈高度显著下降趋势。

表2 污染物浓度变化趋势检验结果

2.3 流量校正浓度趋势检验结果

经计算，三汊矶断面氨氮、总镉流量校正方程为lnf(Q)=a+blnQ+c(lnQ)2，总磷流量校正方程为f(Q)=a+b/(1+βQ)，总砷流量校正方程为f(Q)=a+bQ+cQ2，回归常数和相关系数见表3。

表3 流量校正方程回归常数及相关系数

对流量校正后的浓度进行季节性Kendall检验，结果见表4。

表4 流量校正后浓度变化趋势检验结果

由表4可见，总磷浓度呈高度显著上升趋势，总镉、总砷浓度呈高度显著下降趋势，与校正前浓度变化趋势一致，表明总磷、总镉、总砷的浓度变化与流量因素关系不大，主要来自污染源因素;氨氮流量校正后的浓度无明显变化趋势，与校正前不一致，表明氨氮浓度变化来自流量和污染源因素的共同作用。总体来说，湘江长沙段水质主要受污染物排放的影响，河水流量变化的影响相对较小。

根据污染物浓度与河水流量的散点图(图1)可见，氨氮、总磷、总镉的浓度随着流量增加而降低，符合以点源为主的污染特征，总砷浓度随着流量增加而上升，符合以面源为主的污染特征。再结合流量校正方程类型可知，三汊矶断面氨氮来自点源和面源的共同作用，总磷污染主要来自点源，总镉污染来自点源和面源，而砷污染主要来自面源。

图1 湘江长沙段污染物浓度与河水流量关系

3 影响因素分析

3.1 河水流量

根据2011—2011年同步水文资料，湘江长沙段河水流量季节性变化较明显，丰水期(4—7月)平均流量3 239 m3/s，枯水期(11月至次年1月)平均流量约为丰水期的1/3。检验结果显示，由于枯水期平均流量为942 m3/s，除氨氮外河水流量对其余评价指标的变化影响很小，这与最近4年枯水期加密监测中仅氨氮超标3.8%的结果一致。

3.2 氨氮

由季节性Kendall检验结果可知，氨氮污染主要来自点源和面源，即主要来自城镇生活污水处理厂废水排放和农业面源污染。

上游衡阳、株洲、湘潭每年有近6亿t生活污水排入湘江。其次，随着经济发展和人口增加，2001—2011年长沙市城镇生活污水排放量年均增长率达7.5%。城镇生活污水排放量逐年增长是氨氮浓度呈上升趋势的主因。

据统计，湘江流域每年使用农药、化肥折纯量分别为4万t、220万t左右。每年由地表径流辗转带入湘江的农药、化肥折纯量分别约为700 t和2.2万t。畜禽养殖污染比例也不断上升。农业面源污染是导致湘江氨氮污染负荷加重的另一原因。

3.3 总磷

水体中总磷污染主要来自生活污水和磷化企业废水。湘江长沙段上游及市区无大型磷化企业，因此总磷污染主要来源于城镇污水集中排放。总磷浓度上升趋势较氨氮更为显著，表明城镇污水处理厂需进一步加强除磷措施，提高总磷的去除率。

3.4 总镉、总砷

总镉、总砷污染主要来自上游郴州、衡阳水口山、株洲清水塘、湘潭岳塘等重点工矿区的有色采选、冶炼、化工废水。

自2005年起，湖南省通过开展“环保三年行动”(2005—2007年)和“碧水湘江千里行动”(2008—2011年)，完成重金属污染治理项目211 3个，湘江流域重金属排放量明显削减，总镉、总砷浓度呈高度显著下降趋势，重金属污染得到遏制。

从趋势检验结果来看，总镉、总砷污染还来自面源，可能与湘江长沙段底泥重金属污染有关。

4 结论

季节性Kendall检验表明：湘江长沙段氨氮浓度呈显著上升趋势，污染主要来自点源和面源;总磷浓度呈高度显著上升趋势，污染主要来自点源;总镉、总砷浓度呈高度显著下降趋势，污染主要来自点源、面源。

水质变化受流量的影响相对较小，主要是生活、工业和农业面源污染物排放引起的，生活污染呈加重态势，重金属污染则明显下降。

持续改善湘江长沙段水环境质量，保障饮水安全，一是要继续加强污水处理厂建设及监督管理，强化现有污水处理厂脱氮除磷措施，提高城市污水处理效果;二是加强农业面源的治理和控制，推进畜禽粪便资源化利用，提高化肥农药利用率，落实乡镇垃圾场和污水处理厂基础设施建设;三是推进湘江流域重金属污染综合治理，以加强突发性应急事故处理，控制工业污染源、治理历史遗留污染为重点，力争实现“十二五”湘江流域重金属排放削减目标。

［1］彭文启，张祥伟．现代水环境质量评价理论与方法［M］．北京：化学工业出版社，2005.151-159．

［2］GB 3838—2002 地表水环境质量标准［S］．

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