季节性Kendall检验法在滦河干流水质分析中的应用

郭丽峰,郭勇,罗阳,张俊,王乙震(.海河流域水环境监测中心,天津30070;.海河流域水资源保护局,天津30070)

季节性Kendall检验法在滦河干流水质分析中的应用

郭丽峰1,郭勇2,罗阳2,张俊1,王乙震1
(1.海河流域水环境监测中心,天津300170;2.海河流域水资源保护局,天津300170)

应用季节性Kendall检验法分析滦河水质变化趋势,并进行污染源识别。结果表明：滦河干流CODMn和NH3-N 2个指标的浓度、污染物输送率及流量调节浓度均没有明显变化；通过流量调节后上下游各站点浓度变化趋势趋于一致,同一站点CODMn和NH3-N的变化趋势也较一致,流量调节浓度趋势分析能够更好地反映水质变化趋势。5个监测站点中只有三道河子和乌龙矶2个断面的CODMn浓度出现小幅上升；5个监测站点NH3-N输送率均未出现上升趋势,三道河子、乌龙矶和滦县3个监测站点CODMn输送率呈现上升趋势。郭家屯监测站点以上CODMn和NH3-N主要受面源污染影响；郭家屯以下的4个监测站点受点源和面源污染的双重影响,以点源为主。总体上,滦河干流水质有所好转,污染源中含氮有机物浓度在不断降低或稳定不变,有机污染物总量呈增长趋势。指出郭家屯监测站点以上要积极推进水土保持工作,减少水土流失造成的面源污染；滦河下游要加强对点源污染的治理。

季节性Kendall检验法；水质变化；趋势分析；污染源识别；滦河干流

滦河发源于河北省张家口市巴彦古尔图山北麓,流经内蒙古正蓝旗、多伦县和河北省承德、唐山两市,于河北省乐亭县兜网铺注入渤海湾[1]。滦河全长888 km,流域面积4.48万km2。白城子以上为滦河上游,称为闪电河;白城子以下至滦河河口为滦河中、下游,称为滦河。笔者以滦河干流中下游地区为研究对象,在滦河干流上选择郭家屯、三道河子、乌龙矶、滦县和姜各庄5个站点的2007—2011年水质监测资料,采用季节性Kendall检验方法对滦河干流地表水水质变化作趋势分析及污染源识别分析。

1 监测站点及参数选择

在滦河干流由上至下选择郭家屯、三道河子、乌龙矶、滦县和姜各庄5个监测站点进行分析研究,各站点基本情况和位置分别见表1和图1。

表1 滦河干流监测站点基本情况

图1 滦河干流监测点位置示意图

水利部海河水利委员会发布的《海河流域水资源质量公报》(表2)表明：2007—2011年滦河干流存在不同程度的水污染,主要污染指标为CODMn和NH3-N。因此,笔者选取可以反映滦河干流水污染特点的CODMn和NH3-N作为水质变化趋势分析的指标。

趋势分析中水质序列的长短对趋势检验有很大影响,过短的水质序列(如2a或3a)不能准确判定是否存在趋势,选择过长的水质序列则会出现一种趋势掩盖或抵消另一种趋势的现象。一般认为,用季节性Kendall检验判断水质趋势时,序列长短选择5～8a为宜[2-4]。因此,研究采用了上述5个站点2007—2011年的水质监测资料,其中郭家屯、乌龙矶和滦县站每年监测12次,三道河子站每年监测6次,姜各庄站每年监测4次。

表2 滦河主要监测站点水质状况

2 季节性Kendall检验法

2.1 季节性Kendall检验法的原理

季节性Kendall检验是Mann-Kendall检验[5-6]的一种推广,1982年由Rebert等[7]提出,并由Smith等[8]和Van等[2]做了进一步的修正。该检验是一种仅考虑数据相对排列的非参数检验方法,其主要优点是不受水质资料的非正态性、季节性变化、流量相关、出现漏测值或小于检测线值等的影响[9]。该检验方法的思路是：利用多年收集的数据,分别计算各季节(或月份)的Mann-Kendall检验统计量S及方差var(S),再把各季节(或月份)的统计量相加,计算总统计量。如果季节数或月数足够大,就可通过总统计量与标准正态表之间的比较来进行统计显著性趋势检验。

季节性Kendall检验的原理是将历年相同月或季的水质资料进行比较,如果后面的值(在时间上)高于前面的值记为“+”号,否则记为“-”号。如正号的个数比负号的多,则可能为上升趋势;反之,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、负号的个数相等。大多数河流流量具有周期性变化的特点(如汛期水量较大,而枯水期水量较小),河流中污染物浓度大多受流量周期性变化的影响,因此,将汛期与枯水期的水质资料进行比较,会缺乏可比性。季节性Kendall检验将水质资料在历年相同月份间进行比较,从而避免了季节性的影响。同时,由于数据比较只考虑相对排列而不考虑其大小,故能避免水质资料中常见的漏测值问题。

2.2 季节性Kendall检验的数学模型[10-13]

对于季节性Kendall检验来说,假设H0为随机变量,与时间独立,且全年12个月的水质资料具有相同的概率分布。设有n年P月的水质观测资料序列X为

式中：xij为水质实测浓度月均值,i=1,2,…,w;j=1, 2,…,p。

2.2.1 对于p月中第i月(i≤p)的情况

令第i月历年水质序列值相比较(后面的数与前面的数之差)的正负号之和Si为

在零假设下,随机序列Si=(1,2,…,p)近似地服从正态分布,则Si的均值和方差分别为

式中：ni为第i月内水质序列中非漏测值个数,当ni个非漏测值中有t个数相同,则方差滓i2的计算式变为

2.2.2 对于P月的总体情况

Kendall发现,当n＞10时,S也服从正态分布,并且标准方差为

2.2.3 趋势检验

取显著性水平琢为0.1和0.01[14鄄15],即当琢≤0.01时,说明检验具有高度显著性水平;当0.01＜琢≤0.1时,说明检验是显著的。当琢计算结果满足上述两条件情况下,子为正时,则说明具有显著(或高度显著性)上升趋势;子为负时,则说明具有显著(或高度显著性)下降趋势;子为零时,则无趋势。查标准正态分布表可知,当琢=0.1时,Z1-琢/2=1.649 9;当琢=0.01时,Z1-琢/2=2.575 8。监测断面水质变化趋势的显著性可根据显著性水平琢或Z确定(表3)。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[16鄄17]。

表3 显著性水平的确定

2.3 流量调节方法

河流流量对水质具有一定的影响。一般情况下,当河流污染以点源为主时,水质状况将因流量增加产生的稀释作用而呈现好转趋势,当河流污染以面源为主时,水质状况将随着流量增加而呈现下降的趋势。通过流量与浓度的相关关系,可以判断污染物的来源,进而间接地判断污染的类型(面源污染或点源污染)。流量调节浓度变化趋势分析从下列公式中选择流量与浓度相关性最好的一组进行分析[18]：式中：籽为某水质指标的质量浓度,mg/L;Q为流量, m3/s;a、b、c为系数。

图2 各监测站点CODMn实测质量浓度过程线及趋势线

图3 各监测站点NH3-N实测质量浓度过程线及趋势线

3 结果与讨论

水质变化趋势分析主要包括水质浓度的趋势分析、污染物输送率的趋势分析和流量调节污染物浓度的趋势分析。滦河干流水质浓度趋势分析主要通过CODMn和NH3-N实测浓度的变化来反映;污染物输送率(污染物浓度与同步流量之乘积)趋势分析是通过污染物输送率的变化趋势,判断污染总量的增减情况;流量调节污染物浓度趋势分析则是通过流量与浓度的相关关系,判断污染物的主要来源。

3.1 水质浓度趋势分析

滦河干流各监测站点CODMn和NH3-N实测浓度过程线见图2、图3。从图2、图3可见,除姜各庄监测站点的NH3-N浓度有小幅上升外,其他站点CODMn和NH3-N浓度总体呈现下降趋势,其中郭家屯和滦县站点下降较明显;各站点CODMn和NH3-N浓度呈上下波动状态,郭家屯、三道河子监测站点的CODMn和NH3-N质量浓度分别在5mg/L和0.5mg/ L上下波动,乌龙矶站点的NH3-N质量浓度较高,约为3.0mg/L上下,其他各站点均在1.0mg/L上下波动;郭家屯监测站点CODMn和NH3-N浓度的最高值均出现在汛期,其他4个监测站点质量浓度的最高值基本均出现在非汛期。

经统计计算,滦河干流5个监测站点CODMn和NH3-N质量浓度变化趋势结果见表4。由于资料年限的系列长度完全符合季节性Kendall检验方法的要求,所选择的检验参数反映了滦河干流水质污染特点,并代表了滦河干流的主要污染物,因此认为分析检验结果是可信的。通过检验可知：5个监测站点CODMn和NH3-N的标准方差Z均小于1.649 9,表明2007—2011年5个监测站点CODMn和NH3-N的浓度均未发生显著性变化;多数站点和项目呈现下降或无趋势,只有三道河子和乌龙矶2个监测站点的CODMn浓度出现小幅上升,说明滦河干流水质总体上有所好转。

表4 2007—2011年滦河干流5个监测站点CODMn、NH3-N浓度变化趋势

3.2 污染物输送率趋势分析

根据2007—2011年月平均流量资料,对滦河干流5个监测站点进行污染物输送率变化趋势分析。由表5可见,5个监测站点CODMn和NH3-N输送率的标准方差Z均小于1.649 9,表明2007—2011年污染物CODMn和NH3-N总量没有发生显著变化趋势;5个监测站点NH3-N呈下降或无变化趋势,三道河子、乌龙矶和滦县3个监测站点的CODMn呈上升趋势。这个结果与前面的水质浓度变化趋势结果基本一致。

3.3 流量调节污染物浓度趋势分析

应用origin软件,采用流量调节浓度计算公式对5个监测站点的CODMn和NH3-N浓度与流量进行回归分析,选择其中相关系数r最(较)大的流量调节方程进行流量调节浓度计算和季节性Kendall流量调节浓度检验,从而判断水质变化与流量的关系。2007—2011年滦河干流流量调节浓度变化趋势见表6,流量调节方程及相关系数见表7,各监测站点流量浓度关系见图4、图5。

表5 2007—2011年滦河干流污染物输送率变化趋势

表6 2007—2011年滦河干流流量调节浓度变化趋势

表7 2007—2011年滦河干流各监测站点流量调节方程及相关系数

计算结果表明：5个监测站点CODMn和NH3-N调节浓度的标准方差Z均小于1.6499,说明流量调节浓度均没有显著变化趋势,总体上呈现下降趋势;通过流量调节后上下游各站点浓度变化趋势趋于一致,同一站点CODMn和NH3-N的变化趋势也较前面的结果一致。与前面的结果相比,本结果更明确地表明了近几年水质改善的情况,说明流量调节浓度趋势分析能够更好地反映水质变化趋势。

3.4 污染源识别分析

从图4、图5可以看出,郭家屯监测站点呈现明显的面源污染特点,污染物浓度随流量增大而增大,而其他4个监测站点呈现点源污染的特点,总体上污染物浓度随着流量增大而降低,其中姜各庄站和滦县站的NH3-N较为明显,相关系数达到0.7以上。这与实际情况吻合。郭家屯站点以上主要是内蒙古的多伦县和河北承德的围场满族蒙古族自治县、隆化县,该区域无重要的污染企业,点污染源入河量较少,2007年废污水入河量为零,2010年废污水入河量为0.063亿t/a,加之该区多为山区峡谷,绝大部分为石质山区,土层较薄,植被差,水土流失严重。另外,郭家屯监测站点CODMn和NH3-N浓度的最高值出现在汛期,因此,面源污染是其主要来源。

图4 2007—2011年滦河干流各监测站点流量与CODMn质量浓度关系

图5 2007—2011年滦河干流各监测站点流量与NH3-N质量浓度关系

三道河子和乌龙矶主要接纳承德市隆化县、滦平县、承德市区以及承德县排污,2007年和2010年排入滦河干流的废污水量分别为0.22亿t/a和0.70亿t/a,COD入河量分别为0.52万t/a和0.23万t/a,NH3-N入河量分别为0.04万t/a和0.17万t/a。相应的水功能区COD纳污能力分别为0.12万t/a和0.34万t/a,NH3-N的纳污能力分别为0.006万t/a和0.015万t/a,可见COD和NH3-N入河量大于水功能区的纳污能力。2007年入河废污水中COD和NH3-N质量浓度分别为233mg/L和19mg/L,2010年分别为32mg/L和24mg/L,COD浓度大幅度下降;滦县和姜各庄监测站主要接纳唐山市迁西县、迁安县、滦县和滦南县排污,2007年和2010年排入滦河干流的废污水量分别为1.27亿t/a和1.00亿t/a,COD入河量分别为2.02万t/a和1.41万t/a,NH3-N入河量分别为0.10万t/a和0.02万t/a。相应的水功能区COD纳污能力分别为1.38万t/a和0.13万t/a,NH3-N纳污能力分别为0.13万t/a和0.006万t/a,COD和NH3-N入河量大于水功能区的纳污能力。2007年入河废污水中COD和NH3-N质量浓度分别为159mg/L、8mg/L,2010年分别为140mg/L、2mg/L,NH3-N浓度显著下降。另外,三道河子、乌龙矶、滦县和姜各庄监测站点CODMn和NH3-N浓度的最高值基本均出现在非汛期。因此郭家屯以下的4个监测站点受点源和面源污染的双重影响,以点源为主。

本研究所得结论与高立川[19]的结论一致。滦河水质好转,得益于承德、唐山两市加大了水污染防治力度,一批污水处理厂相继建成投产,使生活污水得到收集并有效处理;也得益于开展了农村环境卫生综合整治工程,使农村生活污水和生活垃圾初步得到处理。

4 结论

a.滦河干流2007—2011年CODMn和NH3-N 2个污染指标的浓度、污染物输送率及流量调节浓度均没有明显变化。

b.5个监测站点中只有三道河子和乌龙矶2个断面的CODMn浓度出现小幅上升。总体上看,滦河干流水质有所好转。

c.5个监测站点NH3-N输送率均未出现上升趋势,污染源中含氮有机物浓度在不断降低或稳定不变;三道河子、乌龙矶和滦县3个监测站点CODMn输送率呈现上升趋势,污染源中有机污染物总量呈增长趋势,因此必须对污染源进行有机污染物总量控制。

d.通过流量调节后上下游各站点浓度变化趋势趋于一致,同一站点CODMn和NH3-N的变化趋势也较一致,流量调节浓度趋势分析能够更好地反映水质变化趋势。

e.水质变化是点源和面源综合作用的结果,郭家屯监测站点以上CODMn和NH3-N主要受面源污染影响,郭家屯以下的4个监测站点受点源和面源污染的双重影响,以点源为主。郭家屯监测站点以上要积极推进水土保持工作,加强小流域综合治理,依法保护好现有森林、草原等植被,有计划地进行封山育林育草、轮封轮牧,减少水土流失造成的面源污染;滦河下游要加强对点源污染的治理,调整产业结构,积极推进清洁生产,实施工业污染物总量控制。

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Application of seasonal Kendall testmethod to analysis of water quality in main stream of Luanhe River

GUO Lifeng1,GUO Yong2,LUO Yang2,ZHANG Jun1,WANG Yizhen1
(1.Haihe River Basin Environment Monitoring Center,Tianjin 300170,China; 2.Water Resources Protection Bureau ofHaihe River Basin,Tianjin 300170,China)

The seasonal Kendall testmethod was used to analyze the change trend of water quality in the Luanhe River and identify the pollution source.The results show that the concentrations,pollutant transport rates,and flow control concentrations of CODMnand NH3-N do not display a significant change trend in the main stream of the Luanhe River.The change trends of concentrations upstream and downstream of the sites were consistent,and the same-site CODMnand NH3-N change trendswere also consistent after flow control.Flow control concentration analysis can better reflect the change trend ofwater quality.Of the fivemonitoring stations,two stations,the Sandaoheziand Wulongjistations,had a slightly rising trend in CODMnconcentration.The NH3-N transport rate showed no rising trend at any of the fivemonitoring stations.The CODMntransport rate showed a rising trend at the Sandaohezi,Wulongji, and Luanxian stations.CODMnand NH3-N above the Guojiatun Station were mainly affected by non-point source pollution.CODMnand NH3-N at the other four stations were affected by both point source pollution and non-point source pollution,with the point source pollution being dominant.As awhole,thewater quality in themain stream of the Luanhe River has improved,the concentration of nitrogen organic matter in the pollution source is decreasing or remains unchanged,and the total amount of organic pollutant shows an increasing trend.Soil and water conservation must be enhanced to reduce the non-point source pollution caused by soil and water losses above the Guojiatun Station.The point source pollution in the lower reaches of the Luanhe River should be controlled.

seasonal Kendall test method;change of water quality;trend analysis;identification of pollution source;main stream of Luanhe River

X824

A

1004 6933(2014)05 0060 08

2014 01 24编辑：徐娟)

10.3969/j.issn.1004 6933.2014.05.011

国家国际科技合作专项(2013DFA71340);国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07203-002)

郭丽峰(1980—),女,工程师,硕士,主要从事水资源保护和水环境监测、评价工作。E-mail：guolifeng912@163.com