基于R/S分析法的长江口总磷变化趋势分析

李保　周丰年　高健

摘要：长江口及其邻近海域地区经济发展迅速，在国民经济中具有举足轻重的地位。据调查，自20世纪80年代以来，长江口及邻近海域水体赤潮现象明显增多。水体中磷等营养盐在水域富营养化和水体赤潮现象中扮演着重要的角色。为给长江口区域水体富营养化防治提供参考，对近十几年徐六泾水文监测断面的总磷这一营养盐指标进行了系统分析。采用R/S分析法研究了该断面总磷变化趋势，并引入Mann-Kendall法检验总磷序列是否存在明显上升或下降趋势。结果表明，徐六泾监测断面总磷序列表现为一种强持续性序列，即未来与过去具有相同的变化趋势。此外，长江口水体中总磷的含量受自然和人为因素的影响较大，点源污染是该断面总磷污染的主要来源，而面源污染的影响较小。在一定的时间内，徐六泾断面的总磷浓度将呈现出上升趋势，但上升趋势不显著。

关键词：总磷变化;R/S分析法;水文监测;徐六泾;长江口

中图法分类号：X52

文献标志码：A

DOI：10. 15974/j .cnki.slsdkb.2019.10.013

1 研究背景

长江口江段通常指江阴鹅鼻嘴至吴淞口下50号标[1]，全长约278 km。长江口水域是沿岸城市的重要水源地，为两岸城市提供大量的工业、农业用水，同时也是沿岸城市的纳污通道。随着长江流域经济、社会的快速发展，人类活动对长江流域的扰动日益加剧，长江口正受到工业排污、农田径流、城市生活废水污染，船舶航运产生的油污染等点源、面源和流动源污染，水质面临巨大压力。尤其是近几十年来，长江口水环境污染事件愈发频繁，水体中营养盐含量超标，水环境质量和水生态安全面临严重威胁。以近海赤潮为例，20世纪80年代长江口共发生赤潮8次，但随着长江径流输入营养盐负荷、叶绿素浓度急剧增加[2]，长江口赤潮暴发频率显著增加，从2000年至今已超过100多次，且规模越来越大，影响面积超过I 000 km2的赤潮次数也明显增加[3]。长江输入是河口水质变化的重要驱动因素，所以科学分析长江口人海营养盐变化趋势，对掌握河口水质内在演变规律有着重要意义。

目前，众多学者已经开展了大量关于河口水质问题的研究并取得了相应成果。韩超南等[4]以大辽河河口区为研究对象，在大辽河感潮河段及近岸河口区采集表层水样，研究水体氮、磷及悬浮颗粒物中磷的形态组成、空间分布和季节分布特征。杨华等[5]分析讨论了灌河口北部海域营养盐含量的时空变化及其影响因素，海域的富营养化水平和营养级类型。其研究结果表明，整个调查期间，无机磷的含量相对较低，高N/P值显示出磷将可能成为该研究海域浮游植物生长的限制因子。张立娟等[6]通过对长江口及邻近海域进行春季调查，发现总磷表层平均含量为2.8 μmol/L（约0.087mg/L），多数采样点总磷含量高于—般认为的海水允许含量（0.97 μmol/L），且總磷含量较高，长江口水域仍然存在P超标的潜在危险。全为民等[7]通过几年大面调查的资料，分析得出长江口及邻近水域水体中2003年夏季总磷浓度范围为0.048 - 1.396 mg/L，2004年夏季总磷浓度范围为0.051 - 0.872 mg/L，主要以溶解态和颗粒态共存的形式存在于水体中。刘瑞民等[8]通过对2010-2011年4期数据分析，探讨了长江口总磷的区域风险特征：当以总磷浓度0.1 mg/L为阈值时，高风险区域一般在长江口口内区域，从口内向外海，浓度超过0.1 mg/L的概率逐渐降低。

上述研究成果对研究河口水质变化机制提供了重要参考，对河口区水质保护和富营养化防治具有较好的借鉴作用，但这些研究对人海水质长序列波动特征的定量分析却少有涉及。河流营养盐输入特征直接决定了河口水环境变化并驱动富营养化与赤潮暴发，因此定量评估河流人海浓度变化，对于河口水环境质量与水生态系统的演替预测具有重要意义。由于水体中的营养盐为浮游植物的生长繁殖提供物质基础，直接影响了赤潮的发生、规模和持续时间，且水体中的磷等营养负荷增加是导致富营养化最常见的原因[9]，故本文选择磷为研究因子，以长江口徐六泾为研究控制断面，综合运用R/S与Mann-Kendall分析法研究长江人海总磷浓度变化趋势。

2 研究区域

长江口北接古黄河冲积滩，东临东海，南濒杭州湾，西岸为中国经济中心上海市。随着上海市海洋经济和沿江沿海工业的逐步发展，长江口和邻近海域正逐渐成为上海市经济拓展空间的重要依托。长江口自徐六泾以下被崇明岛分为南支和北支，主流为南支，北支流量较小。南支河口的长兴岛又将南支分为南港和北港，而九段沙把南港分成了南槽和北槽，形成了“三级分汊、四口分流”的格局。长江口江段水量丰沛，是上海市和江苏众多沿江城市的主要水源区，同时也存在一系列环境问题，如水质污染、咸潮入侵、赤潮等。主要表征为：上游来水水质较好，绝大部分水质指标均可达到GB3838-2002《地表水环境质量标准》中规定的Ⅲ类水标准，但近岸水域水质较差，尤其是河口江段右岸为经济发达的上海市和江苏省苏南地区，污染物排放量大，近岸水域污染带逐步扩大，部分水域已达Ⅳ-V类标准，个别指标如总磷、粪大肠菌群等甚至超过劣V类标准。徐六泾水文站是长江干流距人海口门最近的综合性水文站，其水文监测断面地处长江河口“三级分汊”的第一级节点，本文以该水文监测断面近十几年水质实测成果为基础进行拓展研究。

3 研究方法

3.1 野外监测点位布置

图1为徐六泾水文监测断面水质采样垂线图。监测断面处共布设有4条水质监测垂线，每条垂线设置水面和水底两个采样点，分别位于水面以下0.50 m和河床以上0.50 m处。样品采集于每月上旬进行，采用GB/T 11893-1989《国家标准分析方法》分析水体中总磷的含量[10]。

通过对1g R（n）/S（n）和lgn进行作图，采用最小二乘法对二者进行线性回归分析，可知所得回归方程的斜率即为日。H为R/S分析法的一个有效统计量（0≤H≤1）。由H的大小对趋势性成分的强弱进行判断[13]。当H=0.5时，说明时间序列为独立分布的随机序列，即现在的变化对未来没有影响;当0≤H<0.5时，表明该过程具有反持续性，未来变化将与过去总体趋势相反，H越近0，反持续性越强;当0.5

4 徐六泾断面总磷变化趋势分析

4.1 变化趋势分析

图2为2004-2016年徐六泾断面总磷变化趋势图。结果表明：徐六泾断面总磷月均浓度最大值出现在2004年6月，为0.24 mg/L;最小值出现在2007年5月，为0.02 mg/L。依据长江流域的汛期划分标准，2004-2016年间，徐六泾断面大部分年份丰水期总磷浓度低于枯水期总磷浓度。

水体中总磷含量受自然和人为因素的影响较大，大气干湿沉降、沿江的边界输入、沉积物的释放以及水体本身的自净作用均能对水体中总磷浓度产生影响。徐六泾断面总磷浓度实测结果变化过程线在直观上反映了10多年来总磷的变化特征。为进一步揭示徐六泾断面总磷时间序列的分形特征，探寻未来徐六泾断面总磷浓度的变化趋势。现采用R/S分析法计算徐六泾断面总磷时间序列的Hurst指数，以2005-2016年的总磷月监测值（断面均值）为计算样本，分析其变化趋势。n依次选取4，6，8，12，16，18，24，36，48，72进行计算，采用matlab实现1g R（n）/S（n）和1gn的计算，并绘制1g R（n）/S（n）和lgn的散点图和拟合曲线，结果见图3。

由拟合结果可知，徐六泾监测断面2005-2016年总磷时间序列的Hurst指数为0.7884，大于0.5，故徐六泾监测断面总磷时间序列表现为一种强持续性序列，即未来徐六泾监测断面总磷与过去具有相同的变化特征。

Mann-Kendall检验法广泛应用于检验某一自然过程是处于自然波动亦或是存在确定的变化趋势。为了探寻徐六泾断面总磷时间序列变化趋势，引入Mann-Kendall法检验徐六泾断面总磷时间序列是否存在上升与下降的趋势，或是否处于自然波动状态。取置信水平α=0.05，查正态分布表得临界值为1.96。采用与R/S分析法相同的计算样本，在matlab平台实现徐六泾断面总磷的Mann-Kendall分析计算，结果如图4所示。由图4可以看出：2006年下半年至2007年底，IUFl> 1.96，且UFk小于0，故在此期间六泾监测断面总磷呈显著下降趋势;其余时间IUFkl<1.96，由于在UFk< Uα/2时，接受原假设，即趋势不显著，2008-2016年徐六泾监测断面总磷序列趋势未达到显著的变化水平。

4.2 成因分析

长江口及其邻近海域赤潮现象频发说明长江输入对河口磷负荷的贡献显著[14]。水体中总磷浓度的波动主要取决于3个方面因素：①水量;②污染负荷;③水体自净能力。徐六泾断面所处江段沿岸人口密度高，经济发展迅速，工业非常发达，江段岸线利用程度较高，工厂码头分布密集。由前文分析可知，徐六泾断面大部分年份丰水期总磷浓度普遍低于枯水期，这表明点源污染是长江干流徐六泾断面总磷污染的主要来源。许继军等[15]参照《长江流域水资源公报》指出：点源污染是造成长江干支流污染的主要原因。这与本文的研究结论一致。徐六泾断面月均流量与总磷相关关系图（见图5）亦表明两者之间并无较好的相关性，相关系数R2=0.005 1，故面源污染对长江干流徐六泾断面总磷污染的影响较小。

在特定污染负荷下，水体动力条件也是影响水质浓度的重要因素。例如，水利枢纽运行会改变河道水流过程，从而对水环境要素产生影响;河道疏浚工程会扩大过水断面，增加稀释容量从而有利于改善水质。目前对长江口水动力过程影响较大的有三峡工程、长江口深水航道治理工程等。2006年6月三峡水库蓄水至156 m运行，2009年9月又蓄水至175 m。长江口深水航道治理工程实旋后，断面水深不断增加：2000年4月航道水深达到8.5 m，2005年4月达到10.0 m，2010年3月达到12.5 m。此外，國务院在2012年和2015年分别印发了《关于实行最严格水资源管理制度的意见》和《水污染防治行动计划》，这些重要举措对削减流域污染负荷具有重要作用。姜德娟等[16]通过对流域一河口一近海系统氮、磷营养盐输移研究指出：就外界动力条件而言，人类活动与全球气候变化是陆源营养盐迁移与输出的主要影响因素和驱动力。气候变化过程长且缓慢，诸如拦水、调水构筑物修建、河道疏浚、工业排污、城市生活污水排放等人类活动，则是导致徐六泾断面水体中总磷含量变化的主要原因。

5 结论

长江以及沿岸河流人海为长江口带来了大量的氮、磷等生源物质以及有机碳等化学耗氧物质，这些物质的日益增多导致长江口及其邻近海域富营养化不断加剧，带来赤潮等极为严重的环境问题。因此，必须加强对该区域环境的保护，防止因经济发展而带来的环境污染。本文基于徐六泾断面2004-2016年总磷含量实测结果，得到如下结论。

（1）长江口水体中总磷的含量受自然和人为因素的影响较大，人类活动直接影响着营养盐的输移。工业排污、城市生活污水排放等都对徐六泾断面总磷的径流输入产生直接影响。点源污染是长江干流徐六泾断面总磷污染的主要原因，面源污染对长江干流徐六泾断面总磷污染影响较小。

（2）徐六泾监测断面总磷序列表现为一种强持续性序列，未来徐六泾监测断面总磷浓度与过去具有相同的变化趋势。自2013年下半年开始，徐六泾监测断面总磷浓度呈现上升趋势。在一定的时间内，徐六泾断面的总磷浓度将继续保持上升，但其趋势并不显著。

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（编辑：唐湘茜）