基于Spearman秩相关系数法分析水磨河水质变化趋势

文_田甜 新疆维吾尔自治区固体废物管理中心

随着社会的快速发展及工业化的进程，人口的增加，越来越多的生活污水以及工业废水排入河流、湖泊，导致河流湖泊的生态系统被打乱，造成严重污染。本文笔者将研究为乌鲁木齐市做了诸多贡献的水磨河，基于Spearman秩相关系数法通过对水磨河五个断面的水质监测数据进行年度秩相关系数的指标分析，对水磨河的水环境变化趋势进行分析，研究引起水磨河的水环境变化的主要原因，为综合治理方案和环境管理提供参考的依据。

1 水质监测点布局

根据水磨河不同河段的水质目标要求，并考虑各河段的主要水环境功能，将水磨河流域污染控制单元具体划分为：搪瓷厂泉、七纺桥、联丰桥、米泉桥和三个庄。根据工业发展现状和城市布局水磨河流域的特点,搪瓷的水源保护区位于上游为对照断面，七纺桥断面和联丰桥断面被归类为控制断面,米泉桥和三个庄在河的下游则被定义为消减断面。

论文以水磨河具有代表性的5个监测断面(搪瓷厂泉断面、七纺桥、联丰桥、米泉桥、三个庄)为例，选取2012～2016年溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、化学需氧量、总磷、总氮等指标作为评价因子依据对水磨河的水环境变化趋势进行分析。

2 分析方法介绍

采用Spearman秩相关系数法评价污染物随时间变化的规律，对污染物变化趋势进行定量分析。对水磨河流域水污染趋势的定量分析，采用秩相关系数法其数学表达式如下：

式中：rs─秩相关系数；

xi─周期 1 到周期N按浓度值从小到大排列的序号；

yi─按时间排列的序号；

di─变量xi和变量yi的差值；

N─时间周期数。

将秩相关系数rs的绝对值同spearman秩相关系数统计表（见表1）中的临界值Wp进行比较。

当rs＞Wp则表明变化趋势有显著意义：

如果rs是负值，则表明在评价时段内有关统计量指标变化呈下降趋势或好转趋势；

如果rs为正值，则表明在评价时段内有关统计量指标变化呈上升趋势或加重趋势；

当rs≤Wp则表明变化趋势没有显著意义：说明在评价时段内水质变化稳定或平稳。

表1 秩相关系数的临界值 （Wp）

3 水磨河各断面水环境变化趋势分析

对水磨河流域水污染趋势的定量分析，采用 Spearman 秩相关系数法评价水磨河流域中污染物随时间变化的规律。根据水磨河流域五个断面2012～2016年五年水质监测数据，采用Spearman秩相关系数法得出水磨河流域主要污染物的秩相关系数rs，具体数据见表2。

表2 水磨河流域五个断面五年水质主要污染物的秩相关系数

当N为5时（2012～2016年有五个时间序列），在显著水平为0.05时临界值Wp=0.900，对表3进行分析得到：

搪瓷厂泉断面中，除高锰酸盐指数和溶解氧的rs绝对值大于Wp临界值以外，其余数值均小于Wp。故在搪瓷厂泉断面，高锰酸盐指数随时间变化呈下降趋势，相应的溶解氧随着时间的变化呈现上升的趋势，而其余污染物在此断面没有显著的上升或下降趋势，因此搪瓷厂断面的水环境质量总体呈平稳向好的趋势。七纺桥断面的硫酸盐浓度随时间变化呈上升趋势，其余污染物在此断面没有显著的上升或下降趋势，即七坊桥断面整体呈平稳状态，但后续需关注硫酸盐的变化趋势。联丰桥断面的高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总氮随时间变化呈下降趋势，溶解氧随着时间的变化呈现上升的趋势，说明联丰桥断面的水质正趋于转好。米泉桥和三个庄断面的高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量在这五年中也呈现下降趋势，溶解氧随着时间的变化呈现上升的趋势，同样表明这两个断面目前为止虽然仍未达到V类水的标准，但总体趋势还是在逐年变好。

4 水磨河流域污水排放对其水质变化趋势的影响分析

(1) 工业废水排放

根据乌鲁木齐市城市总体规划和乌鲁木齐市环境保护十三五规划，到2020年，乌鲁木齐市工业废水处理率达到88%，水磨河流域点源污染企业全部搬迁或关停。根据环境统计，目前没有以水磨河流域作为污染物受纳体的工业企业，现在工业企业主要集中在米东工业园区，产生的工业废水全部由工业园区污水处理厂或处理站接纳处理并实现达标处理与再生利用，将不再排放废水和污染物。所以工业废水对水质变化趋势无影响。

(2) 居民生活污水排放

根据乌鲁木齐市2015年统计年鉴数据显示，水磨河流域天山区、水磨沟区和米东区2014年常住人口为117.05万人，其中城镇人口84.5万人，乡村人口32.5万人。2014年人口自然增长率天山区为7.22‰、水磨沟区6.73‰、米东区9.44‰。顾由此推测，到2020年乌鲁木齐市人口依旧成增长趋势。居民生活污水排放量方面会对水质变化趋势有较大影响，人口的增加会对生活用水的排污量增加。

(3) 城镇生活垃圾排放

水磨河流域内共有垃圾转运站18处，覆盖流域内所有13个街道。天山区、水磨沟区属中心城区，生活垃圾收集、处理体系完备，基本不会对河道造成污染。

(4) 农业污水排放

农业污染源主要来源于水磨河下游联丰桥断面以下农村居民生活污水、畜禽养殖及农业种植产生的污染物。受乌鲁木齐的城镇化进程的影响，乌鲁木齐城市规划继续实施“南控北扩、西延东进”战略，作为水磨河下游的米东区为重点发展方向。受此影响，农业种植面积只减不增。农业种植排水也会呈现减少趋势。

(5) 污水处理厂污水排放

水磨河流域河道沿线有七道湾污水处理厂和河东污水污水处理厂水质未达一级A标准排放入河，根据两家污水处理厂水磨河入口上游100m、水磨河入口下游500m和河东污水处理厂水磨河入口上游100m、水磨河入口下游500m的水质监测结果显示，有高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总氮、总磷等多项项目严重超标。由于两个污水处理厂的排放来水量较大，基本成为联丰桥之后水磨河河道的主要补给水源，即使污水处理厂的出水水质达到一级A标准，仍会对水磨河下游水质有影响。

5 结语

基于Spearman秩相关系数法评价污染物随时间变化的规律，对水磨河污染物变化趋势进行定量分析的结果表明：在过去几年内采取的水磨河尤其是水磨河下游的水环境治理措施和政策是有效的。而对今后影响水磨河水环境质量主要因素的居民生活污水、畜禽养殖污水以及污水处理厂的出水排放，应重点进行管理，加强日常监管，科学保护水资源。