基于季节性Kendall检验和重标极差分析法的阳澄湖水质变化趋势分析*

2020-07-27金文龙陈亢利

环境污染与防治 2020年7期

武瑾金文龙陈亢利#

(1.苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州 215009；2.苏州市环境科学研究所，江苏苏州 215008)

阳澄湖作为典型城市浅水湖泊，在苏州市的经济社会发展及生态环境方面发挥着重要作用[1]。目前，阳澄湖既是苏州工业园区的第二水源地，也是昆山市饮用水源的补给水源，还是苏州市重要的战略备用水源。因此，阳澄湖水质直接影响到居民的饮用水供给安全[2]。为了进一步提升阳澄湖生态环境，2013年和2016年，苏州市政府批准实施了首轮及第二轮《苏州市阳澄湖生态优化行动实施方案》(以下简称《行动方案》)。目前，部分学者已对《行动方案》实施以来阳澄湖的水质现状及成因进行了调查分析[3-6]，但是对阳澄湖水质变化趋势的分析多为定性分析，同时也缺少对主要入湖河流水质变化的分析，无法对阳澄湖及其主要入湖河道过去及未来水质的变化趋势进行定量评估及预测[7]。

为此，本研究基于2013—2018年阳澄湖及主要入湖河道的逐月水质监测数据，结合季节性Kendall检验与重标极差分析(R/S)法，对其水质变化趋势进行分析与预测，并根据分析结果和相关调查资料，对近年来阳澄湖总磷(TP)变化原因进行分析探讨，以期为阳澄湖水环境管理工作提供科学依据。

1 研究区域和研究方法

1.1 区域概况

阳澄湖(120°39′E～120°51′E，31°21′N～31°30′N)位于苏州市区东北部，跨苏州市相城区、吴中区及昆山市[8]，水面面积118.93 km2，湖内常水位约2.9 m，蓄水量约1.7亿m3[9]。湖中有两条南北向带状圩埂将湖体分为阳澄东湖、阳澄中湖、阳澄西湖，其中阳澄东湖面积最大，阳澄中湖和阳澄西湖次之，三湖之间有河道相汇沟通成一体。环阳澄湖共有进出湖河道59条，其中西线17条、北线12条、东线15条、南线15条。

根据江苏省水文水资源勘测局苏州分局提供的环阳澄湖河道流量实测资料统计，环阳澄湖进出湖骨干河道共31条。西线河道以入湖为主，其中流量较大的4条主要入湖河道为蠡塘河、北河泾、渭泾塘以及界泾，入湖水量约占总入湖水量的80%，是阳澄湖西线污染的主要来源[10]。北线流量较大的河道为七浦塘和南肖泾，近年来因受拓浚整治后的七浦塘引排水工程影响，流向出入不定，七浦塘连续引水时水流入湖，连续排水时水流出湖，不引不排时常表现为缓流或滞流。东线和南线河道虽然以出湖为主，但近年来也存在逆流入湖的情形。

1.2 数据来源

水质数据：根据苏州市生态环境局提供的阳澄湖6个监测点位及主要入湖河道6个监测断面2013—2018年的逐月水质监测数据，监测频次为每月1次。

监测点位及监测断面：阳澄湖共设6个常规监测点位，阳澄东湖、阳澄中湖和阳澄西湖各设2个，主要入湖河道共设6个监测断面，其中阳澄湖西线主要入湖河道蠡塘河设中星桥断面，北河泾设沈桥断面，渭泾塘设渔业村断面，界泾设圣塘港桥断面，北线主要入湖河道七浦塘设界桥断面，南肖泾设南肖泾桥断面。具体见图1。

图1 阳澄湖监测点位及主要入湖河道监测断面位置示意图Fig.1 The monitoring sites of Yangcheng Lake and the monitoring sections of its main inflow river channels

水质评价指标：《行动方案》中规定了阳澄湖的水质目标指标为高锰酸盐指数(IMn)、氨氮(AN)、TP和总氮(TN)，主要入湖河道的水质目标指标为IMn、AN、TP，水质参考指标为TN。因此，确定IMn、AN、TP、TN为水质评价指标。

1.3 研究方法

应用季节性Kendall检验和R/S法对2013—2018年阳澄湖及主要入湖河道的逐月水质监测数据进行处理。

1.3.1 季节性Kendall检验

Mann-Kendall检验是于1945年提出的非参数检验方法，并于1975年进一步完善[11-12]。然而，由于水质指标受流量的影响颇大，不同季节的降水量和水库流量会对水质指标产生周期性影响，直接利用传统的Mann-Kendall检验无法准确反映水质指标的真实变化趋势。于是HIRSCH等[13]于1982年在Mann-Kendall检验的基础上进一步加以改进，提出了季节性Kendall检验。季节性Kendall检验可对历年相同月份或季节的水质资料进行对比，是一种仅考虑数据相对排列且不必考虑数据大小的非参数检验法，可避免水质监测数据资料中常出现的季节异变、漏测、未检出等因素的影响[14]。因水质时间序列长度对趋势检验结果的影响较大，序列过短无法准确判断是否存在趋势，序列过长会导致序列掩盖或抵消，一般以5～8年为宜[15]。因此，本研究基于6年逐月水质监测数据进行的趋势分析结果理论上较为可靠。

对某断面的某项水质指标的6年逐月水质时间序列进行季节性Kendall检验的计算过程可简要概括为3个主要步骤。首先，逐月计算差值统计量和其对应的方差，再相加获得总统计量和总方差，进而获得Kendall检验统计量(τ)和显著性水平(α)。水质指标数据在时间序列上的趋势是由τ决定的(见式(1))。

(1)

在双边趋势检验中，选取α=0.01为高度显著性水平，α=0.10为显著性水平。

1.3.2 R/S法

Hurst指数可利用R/S法构建[16]，该指数已被广泛用于水文、气象、经济等领域[17]。本研究为了进一步获取水质时间序列变化趋势在未来的表现，基于R/S法计算各水质指标的Hurst指数。

对某断面的某项水质指标的6年逐月水质时间序列进行R/S法分析的具体计算方法如下：首先将某组水质时间序列数据按照数据总量的约数依次进行分组，接着计算每组数据的离差和标准差，再计算Hurst指数。

Hurst指数≥0.5说明水质时间序列未来的变化趋势与过去一致(长程相关性)，反之，则为长程反相关性[18]，进而判断水质在未来将会持续改善还是下降[19]。具体判断方法如表1所示[20]。

表1 Hurst指数分级

2 结果与分析

2.1 现状年水质达标分析

2018年是阳澄湖两轮《行动方案》的收官之年，因此，将2018年定为评价现状年。对阳澄湖各监测点位及主要入湖河道监测断面的水质指标进行达标分析，结果见图2。

图2 2018年阳澄湖监测点位及主要入湖河道监测断面水质指标年均值Fig.2 Annual average distribution of water quality indexes of monitoring sites of Yangcheng Lake and the monitoring sections of its main inflow river channels in 2018

2018年阳澄湖各监测点位的IMn、AN均符合《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的Ⅲ类限值(IMn≤6 mg/L；AN≤1.0 mg/L)；TP仅阳澄东湖符合GB 3838—2002的Ⅲ类限值(TP≤0.05 mg/L)；TN仅阳澄东湖南符合GB 3838—2002的Ⅲ类限值(TN≤1.0 mg/L)，其余监测点位的TN均有不同程度超标，其中阳澄西湖南超标最严重。

从各监测断面的水质指标中反映出，入湖河道的IMn均符合GB 3838—2002的Ⅲ类限值，AN仅北河泾超过GB 3838—2002的Ⅲ类限值，TP也仅有北河泾超过GB 3838—2002的Ⅲ类限值(TP≤0.2 mg/L)。由于GB 3838—2002仅规定了湖、库的TN限值，并未对河道TN限值作出规定，因此，本研究采用《行动方案》中提出的河道TN参考标准值(TN≤2.5 mg/L)进行达标评价[21-22]。蠡塘河和北河泾的TN超标严重，其余入湖河道的TN可达标。

2.2 水质变化趋势分析

2.2.1 阳澄湖水质变化趋势分析

2013—2018年阳澄湖及主要入湖河道的水质变化趋势分析结果见表2。阳澄西湖除TP无显著升降趋势外，其余3项指标数值均有不同程度的下降趋势，表明阳澄西湖水质总体呈明显好转趋势；但从现状年来看，阳澄西湖的TP、TN仍未达标，说明阳澄西湖的水环境整治措施虽切实有效，但还需进一步加大整治力度。阳澄中湖4项指标均无显著升降趋势，表明近年来阳澄中湖整体水质未有明显改善效果，且中湖TN、TP依然超标，说明针对阳澄中湖污染所采取的整治措施还有待改进。阳澄东湖除TP显著上升外，其余3项指标均无显著升降趋势，说明近年来阳澄东湖水质不仅没有显著改善，TP浓度还进一步上升了。

表2 2013—2018年阳澄湖及主要入湖河道水质指标季节性Kendall检验结果1)

从全湖整体水质变化趋势来看，除TP无显著升降趋势外，其余指标均有不同程度的下降趋势，表明《行动方案》实施以来，阳澄湖水质总体呈好转趋势，说明阳澄湖生态优化行动的实施是卓有成效的，但TP已成为影响湖体水质达标的最大制约因素，接下来的工作应重点关注TP污染的防治。

2.2.2 主要入湖河道水质变化趋势分析

对于6条主要入湖河道，IMn和AN除在北河泾无显著升降趋势外，其余5条河道的IMn和AN均有不同程度的下降趋势；TP除在七浦塘和界泾无显著升降趋势外，其余4条河道的TP均有不同程度的下降趋势；6条河道的TN均无显著升降趋势。

蠡塘河除TN无显著升降趋势且超标外，其余各项指标均呈高度显著下降趋势且达标，说明蠡塘河近年来的水环境整治工作富有成效，但TN污染依然严重，河道治氮任务艰巨。北河泾近年来TP虽显著下降，但仍未能达标，其余各项指标不仅无显著升降趋势且AN和TN仍然超标，说明近年来北河泾的水污染治理效果较弱，下一步工作还需提出一些针对性的整治措施且加大整治力度。界泾和七浦塘的TP和TN虽无显著升降趋势，但能保持达标，不过考虑到河道TP浓度仍远高于GB 3838—2002中湖、库的Ⅲ类限值，大量引水入湖仍会对湖体TP浓度产生冲击，因此还需进一步削减TP入湖量。渭泾塘和南肖泾除TN无显著升降趋势外，其余指标均有显著下降趋势，且各指标均能达标，说明渭泾塘和南肖泾近年来的整治工作是卓有成效的。

从总体来看，各主要入湖河道的TN均无显著升降趋势，其他指标均有一定程度的下降趋势，说明实施的整治措施对入湖河道TN浓度无明显改善效果；入湖河道TP改善效果明显，但TP浓度基数较高，控制入湖河道中的磷负荷仍然是治理阳澄湖磷污染的重点。

2.2.3 水质变化趋势预测

基于R/S法，对逐月水质监测数据计算Hurst指数，结果如表3和表4所示。影响水质长程相关性的因素有很多，如流域面积、土地利用、景观格局、气候和水文等[23]。

表3 2013—2018年阳澄湖及主要入湖河道IMn和AN的R/S法分析结果

各监测点位IMn和TN的Hurst指数都大于0.5，因此均存在长程相关性，未来的水质变化趋势与2013—2018年间的变化趋势相同，只是趋势持续性的强弱有所不同。阳澄湖与主要入湖河道的IMn和TN浓度在2013—2018年间基本为显著下降趋势或无显著升降趋势，因此预测未来IMn和TN将持续改善或不会下降。AN的Hurst指数仅在阳澄东湖南小于0.5，且因该监测点位AN无显著升降趋势，因此未来水质不会下降。TP在界泾和北河泾的Hurst指数小于0.5，因TP过去有下降趋势，因此未来水质有可能会下降。值得注意的是，阳澄东湖南TP过去的变化趋势是高度显著上升，因长程相关性具有强持续性，未来水质有可能会下降。结合2018年TP水质达标情况来看，2018年阳澄东湖南TP虽已达标，但浓度已接近GB 3838—2002限值，若TP未来继续维持上升趋势，则阳澄东湖南TP也将超标。

2.3 水质变化原因分析

通过以上对阳澄湖水质变化趋势的分析可知，IMn、AN和TN均有不同程度的下降趋势且未来水质将会持续改善，仅TP常年居高不下，且个别监测点位的TP在未来仍有可能会上升。由此可见，TP已成为影响阳澄湖水质达标的最大制约因素。因此，有必要对引起阳澄湖TP浓度变化的因素作进一步分析。据苏州市生态环境局、江苏省水文水资源勘测局苏州分局提供的相关资料分析，近年来湖体TP浓度变化可能与以下几个原因有关：

(1) 七浦塘引水工程的影响。七浦塘拓浚整治工程于2016年全部建成，同年“引江入阳”开始试运行，七浦塘江边枢纽泵(荡茜水利枢纽)于2017年开始统计引水量情况。在2017年的7—9月，七浦塘向阳澄湖大量引水，引水量合计4.89亿m3，导致TP入湖量大量增加。由于引水主要进入中湖，导致7月中湖TP浓度率先升高到0.130 mg/L，10月停止引水后，中湖TP又迅速下降到0.070 mg/L。而2018年的7—9月，七浦塘仅向阳澄湖引水0.26亿m3，7月中湖TP为0.085 mg/L，相较2017年同期明显下降。由此可见，引水与阳澄湖TP浓度之间存在较强的关联。合理开展七浦塘调水引流是控制中湖水质的关键，因此，水利部门需要在充分考虑引水运行方式和引水量对阳澄湖河网水动力条件和水质影响的前提下，科学开展七浦塘引水工程，建议在北侧入湖河道TP浓度监测值较高的情况下尽量少引水。

(2) 南侧出湖河道倒流的影响。沈文[24]研究发现，2016年6月阳澄东湖水源地取水口AN浓度的异常升高与南线出湖河道娄江的倒流有关，且南线出湖河道与阳澄东湖水源地指标间的线性相关性较好，可以看出倒流现象对水源地取水口水质存在一定影响。根据对阳澄湖及其周边河道监测数据的分析，2018年7月开始，阳澄东湖水源地南侧司马泾、夷陵河、朱家港、史家港、赵家浜等河道出现倒流入湖情况，阳澄东湖TP浓度也开始逐步攀升，从7月的0.050 mg/L上升到8月的0.090 mg/L，9月之后随着倒流情况的好转，阳澄东湖TP浓度也开始明显下降，逐步恢复到0.050 mg/L水平。因此，可以初步判断阳澄湖南侧河道的倒流是引起2018年7—8月阳澄东湖TP浓度波动的主要原因，建议加强对南侧河道水质水量的管控，在加强治污的同时，避免河水倒流入湖，特别是在水质较差时，应对其流向进行严格管控。

(3) 湖内围网养殖与沿湖池塘养殖水的影响。根据2016年7月至2017年12月阳澄湖围网养殖水质的专项监测资料分析，位于围网养殖区内的监测点位，TP浓度高于湖内的其他类似监测点位，说明围网养殖对阳澄湖TP浓度有一定影响。在近3年的夏季，湖体TP浓度都会出现一定程度升高，由于夏季属于大闸蟹生长中后期，且气温较高，大闸蟹活动量加大，需要增加饵料的投放量，饵料的残留可能导致了阳澄湖TP浓度升高[25]。此外，阳澄湖沿湖区域还建有大面积连片养殖池塘，养殖池塘还未全部完成循环水改造及进排水系统改造，养殖尾水仍未能达标排放。因此，应合理投放饵料，减少湖体沉积物中的饵料残留，并强化沿湖区域水产养殖整治工作。

(4) 农家乐餐饮和生活污水的影响。时至两轮《行动方案》结束，阳澄湖已彻底消除船餐及住家船污水对湖体的直接污染，但阳澄湖沿岸和连通水域上的农家乐和船餐数量依然众多，餐饮污水和生活污水处理不当现象仍然存在，污水排放导致水体中TP增加[26]。建议在巩固上一轮船餐整治成果的基础上，加强对农家乐餐饮和生活污水的处理和监督检查工作。