磁湖总氮总磷变化趋势和突变分析

黄娟

摘要：采用Daneil趋势检验法和mann-kendall突变检验法对磁湖2007～2019年总氮、总磷变化趋势和突变开始时间进行了分析，结果表明：磁湖各点位总氮、总磷时间序列浓度变化整体呈下降趋势，总氮突变开始时间集中在2012～2014年左右;总磷突变开始时间集中在2009～2011年左右。

关键词：变化趋势;Spearman秩相关系数;mann-kendall突变检验

中图分类号：X524

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2020）14-0124-05

1 引言

磁湖是黄石市城中湖，汇水面积62.8 km2，是兼具防洪、排涝、养殖和游览为一体的多功能水资源地。“九五”、“十五”期间因周围工业废水、生活污水的大量排入，以及渔业饵料的投放，致使水体中总氮、总磷污染严重，藻类繁殖旺盛，出现富营养化特征。为改变污染现状，黄石市政府实施了环湖污水截流、工业及生活污染源治理、污水处理厂建设、生态恢复建设等一系列工程，近几年整湖水质有所好转。为了了解磁湖总氮、总磷污染指标随时间变化的规律，本文采用Daneil趋势检验法和mann-kendall突变检验法对其2007～2019年变化趋势和突变开始时间进行分析。

2 点位布设和数据处理

2.1 点位布设和数据来源

本次共布设7个采样点位，全部为磁湖水质监测省控点，即琥珀山庄（3#）、南半湖湖心（5#）、澄月桥（7#）、长虹桥（8#）、理工学院（10#）、北半湖湖心（11#）和鲇鱼墩（12#）。点位分布见图1所示。从2007～2019年，所有点位每月监测一次，每年12频次。总氮采用碱性过硫酸钾消解—紫外可见分光光度法分析，总磷采用过硫酸钾消解—钼酸铵分光光度法分析。数据来源于黄石生态环境监测中心常规监测。

2.2 数据处理

数据处理和图形绘制采用DPS数据处理软件实现。

3 研究方法

3.1 Daneil趋势检验法

水环境质量变化趋势分析常采用Daneil趋势检验法，使用Spearman秩相关系数绝对值与统计表中临界值Wp进行比较，得出污染指标随时间变化呈上升或下降的趋势性。Spearman秩相关系数是衡量两个变量的依赖性的非参数指标。给定原始数据xi、yi，并将其按从大到小排序，记x'i、y'i为原始xi、yi在排序后列表中的位置，x'i、y'i称为xi、yi的秩次，秩次差di=x'i-y'i。

式（1）中N表示同等级项数。ρ>0表明污染指标变化呈上升趋势;ρ<0表明污染指标变化呈下降趋势。当|ρ|>Wp，则表示变化趋势显著意义;当|ρ|

3.2 Mann—Kenddall突变检验法

UFk为标准正态分布，给定显著水平α，查正态分布表得到临界值Ua，当|UFk|>Ua，表明序列存在显著增长或减少趋势。把此方法引用到反序列中，按时间序列x逆序xn，xn-1，…，x1，再重复上述过程，同时使UBk=–UFk，（k=n，n–1，…，1），UB1=0。分析绘制出的UFk和UBk曲线图，若UFk或UBk的值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明序列呈下降趋势;当它们超过信度线时，即表明存在明显的上升或下降趋势。若UFk和UBk曲线交点位于置信区间之间，则此点可能是突变开始的时间。

4 变化趋势结果与分析

4.1 年均值

根据2007年至2019年各点位总氮、总磷月监测数据，计算得出年均浓度值见表1、表2。

4.2 临界值Wp

本次时间序列样本n=13，在可信度α=0.05水平时，spearman秩相关系数统计表临界值Wp=0.560。

4.3 变化趋势与分析

将表1中数据在DPS数据处理系统中计算spearman秩相关系数，见表3。各点位总氮秩相关系数均小于零且绝对值大于0.560，故可知7个点位中总氮2007～2019年均值变化趋势在可信度α=0.05水平时呈显著下降趋势;除琥珀山庄点位外，其他点位总磷秩相关系数均小于零且绝对值大于0.560，在可信度α=0.05水平时呈显著下降趋势;琥珀山庄点位总磷下降趋势不明显。

5 突变结果与分析

根据表1和表2结果，由Mann—Kenddall突变分析程序计算结果，分别绘制各点位总氮、总磷UFk和UBk 2个统计量序列曲线，并给出显著水平α=0.05时临界值U0.05=±1.96，见图2～15。图中蓝色粗线为UFk线，紫色细线为UBk线，红色虚线为临界线。据图2～15可知：

（1）琥珀山庄。总氮年均浓度整体呈下降趋势，2012年前后下降趋势显著;2007～2011年前后总磷年均浓度呈上升趋势，2012年后呈下降趋势，下降趋势不显著。

（2）南半湖湖心。总氮年均浓度整体呈下降趋势，在2014年前后发生突变且下降趋势显著。总磷年均浓度整体呈下降趋势，在2010年前后发生突变。

（3）澄月桥。总氮年均浓度整体呈下降趋势，在2013和2014年间发生突变，2014年前后下降趋势显著。总磷年均浓度整体呈下降趋势，在2010年前后发生突变，2011年前后下降趋势显著。

（4）长虹桥。总氮年均浓度整体呈下降趋势，在2011年前后下降趋势显著。总磷年均浓度整体呈下降趋势，在2009年前后发生突变，2010年前后下降趋势显著。

（5）理工学院。总氮年均浓度整体呈下降趋势。总磷年均浓度整体呈下降趋势，在2011年前后发生突变且下降趋势显著。

（6）北半湖湖心。总氮年均浓度整体呈下降趋势，在2012～2013年间发生突变，2014年前后下降趋势显著。总磷年均浓度整体呈下降趋势，在2010年前后发生突变，2011年前后下降趋势显著。

（7）鲇鱼墩。总氮年均浓度整体呈下降趋势，在2012年前后发生突变。总磷年均浓度整体呈下降趋势，在2010年前后发生突变，2011年前后下降趋势显著。

6 结论

（1）依据Daneil趋势检验法，在置信水平α=0.05下，2007～2019年，除琥珀山莊点位总磷年均浓度下降趋势不显著外，其他点位总氮、总磷年均浓度变化均呈

（2）依据Mann—Kenddall突变检验法，在置信水平α=0.05下，南半湖湖心、澄月桥和北半湖湖心总氮年均浓度在2014年前后下降趋势显著。澄月桥、理工学院、北半湖湖心和鲇鱼墩总磷年均浓度在2011年前后下降趋势显著。长虹桥总磷年均浓度在2010年前后下降趋势显著。南半湖湖心、澄月桥、北半湖湖心和鲇鱼墩点位总氮年均浓度变化趋势发生突变，突变开始时间集中在2012～2014年间;除琥珀山庄点位外，其他各点位总磷年均浓度变化趋势均发生突变，突变开始时间集中在2009～2011年间。

参考文献：

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