采用Spearman秩相关系数法分析乌梁素海水质变化趋势

陈晓爽

（内蒙古自治区环境监测总站巴彦淖尔分站，内蒙古 巴彦淖尔 015000）

1 引言

乌梁素海流域位于内蒙古自治区西部巴彦淖尔市境内，是我国北方极为重要的生态系统和生态功能区，该流域对于维护我国西北地区乃至更广大区域的生态平衡，保护物种的多样性起着相当重要的作用。本文采用Spearman秩相关系数法，通过对乌梁素海三个断面水质监测数据的年度秩相关系数的指标，以及乌梁素海的水环境变化趋势进行分析，得出引起乌梁素海水质变化的原因，从而为乌梁素海的水环境治理和保护工作提供科学依据。

2 监测点位

乌梁素海湖面上共设3个监测断面，分别在入口区、湖心区、出口区，并选取2015～2020年的化学需氧量、氨氮、总磷、总氮等指标作为评价因子依据，对乌梁素海的水环境质量变化趋势进行分析。

3 分析方法

采用Spearman的秩相关系数法评价各项污染物随时间的变化规律，对各项污染物变化趋势进行定量分析。变化趋势分析起止时间为2015～2020年。若期间数据少于5个（不含5个），则不做趋势分析。

统计检验用的Spearman秩相关系数按下式计算：

式中：di—变量Xi与Yi的差值；

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。

当N为6时（2015～2020年有6个时间序列）,n=6，wp=0.829。当-0.829＜rs＜0.829时，为无明显变化趋势；当rs≥0.829时，呈上升趋势；当rs≤-0.829时，呈下降趋势。

当N为5时，n=5，wp=0.900。当-0.900＜rs＜0.900时，为无明显变化趋势；当rs≥0.900时，呈上升趋势；当rs≤-0.900时，呈下降趋势。

4 乌梁素海各监测断面水环境变化趋势分析

根据乌梁素海流域三个断面2015～2020年共6年的水质监测数据，采用Spearman的秩相关系数法，得出乌梁素海流域主要污染物的秩相关系数rs，具体结果详表1。

表1 2015～2020年乌梁素海各断面主要污染物年均浓度的秩相关系数

对乌梁素海三个监测断面的主要污染物化学需氧量、氨氮、总磷、总氮的年均浓度值的变化趋势，采用Spearman秩相关系数法进行统计检验。经检验：乌梁素海入口区监测项目化学需氧量、总磷均呈显著下降趋势，监测项目氨氮、总氮无明显变化[1]；乌梁素海湖心区监测项目总磷、总氮均呈显著下降趋势，监测项目化学需氧量、氨氮无明显变化；乌梁素海出口区监测项目总磷均呈显著下降趋势，监测项目化学需氧量、氨氮、总氮无明显变化；乌梁素海总体监测项目总磷、总氮均呈显著下降趋势，监测项目化学需氧量、氨氮无明显变化。因此，乌梁素海的总体水环境质量在2015～2020年呈平稳向好的趋势。

5 乌梁素海营养状态趋势分析

湖泊综合营养状态指数评价指标：叶绿素a（chla)、总磷（T-P)、总氮（T-N)、透明度（SD)和高锰酸盐指数（CODMn)。

湖泊、水库综合营养状态指数的计算采用卡尔森指数方法，计算公式如下：

式中：TLI（∑）—综合营养状态指数；

TLI（j）—代表第j种参数的营养状态指数；

m—评价参数的个数；

Wj—第j种参数的营养状态指数的相关权重，以chla作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式为：

式中：rij—第j种参数与基准参数chla的相关系数；

m—评价参数的个数。

根据《地表水环境质量评价办法》（环办[2011]22号文附件）中的计算方法及湖库营养状态分级表，计算2016～2020年乌梁素海综合营养状态指数。

从2016～2020年，乌梁素海的综合营养状态指数逐年下降，富营养状态从2016年为轻度富营养，到2019年为中营养，营养化程度逐年好转。营养状态指数经检验，Spearman秩相关系数为-1.0，表明呈显著下降趋势，具体情况如图1所示。

图1 2016～2020年乌梁素海综合营养状态指数

6 影响乌梁素海流域水质变化的原因

6.1 农业面源污染

在巴彦淖尔市河套地区，普遍使用化肥和农药，除大部分被农作物吸收外，小部分会随着灌溉水进入地下或排入分排干进而汇入总排干，从而造成农业面源污染。乌梁素海由于长期接纳河套灌区农田退水、城镇生活污水和工业污水，导致盐分积累，泥沙淤积，补水不足，沼泽化问题突出，这不仅影响了湖泊整体功能发挥，还直接影响了区域水质和水生态安全。

6.2 内源污染

据有关文献记载，乌梁素海湖内大型水生植物总生产量已达100万t/年，每年约有20.5×107 kg（干重）沉积湖底，这是造成乌梁素海生态系统严重退化的重要问题。同时，全湖芦苇迅速蔓延，湖底以每年6～9 mm的速度提高，大量的水生植物沉积湖底且得不到有效利用，腐烂分解后除了对湖水造成了一定程度的污染，而且还容易造成“黄苔”泛滥，加速湖水沼泽化进程。目前，乌梁素海每年沉积湖底的大型水生物残骸约为15万t（干重），不仅造成底泥中积累了大量的氮、磷营养盐，还导致湖底迅速抬高[2]。

6.3 点源污染

乌梁素海接纳总排干排水，总排干接纳各分排干排水。而三、五、七分排干接纳杭锦后旗陕坝镇、临河区、五原县隆兴昌镇的工业废水和城镇生活污水，随着污水处理厂的投运，排干水质呈明显好转。其中，巴彦淖尔市第二污水处理厂、五原县宏珠环保污水处理有限责任公司执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002)一级A标准；巴彦淖尔市临河东城区污水处理有限公司、杭锦后旗亿源水务有限责任公司污水处理厂执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002)一级B标准，但各个污水处理厂出口各项污染物的达标排放浓度均比《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002)要高，因此，工业废水和生活污水对分排干、总排干、乌梁素海有一定程度的污染[3]。

6.4 地表径流

乌梁素海平均每年接纳当地洪水总量约为5 000万m3，且该地区春季多风多沙并且年降雨量较少，所以，土壤中的营养物质便随风沙沉降到乌梁素海中，从而增加了氮、磷的污染。

7 改善措施

近年来，乌梁素海水质整体好转，主要是我市对乌梁素海进行了综合治理，并采取了多项综合措施，以此推进乌梁素海综合治理工作。

7.1 建立生态需水保障体系

（1）为了保护水生态空间，促进生态环境的健康可持续发展，每年向乌梁素海补水约3亿m3以上：2018年补水5.94亿m3，2019年补水6.15亿m3，2020年补水6.25亿m3，连续三年补水量均超过5亿m3，有效改善了湖区水质。通过一系列措施，目前，乌梁素海的水质恶化趋势已经得到了初步遏制，湖区水质总体由劣V类转变为V类、Ⅳ类，但尚不稳定。

（2）在实际保护工作中，要将生态需水纳入乌梁素海流域的水资源配置总体考虑中，要建立有效的水资源优化配置体系，不断加大流域内灌区节水改造工程投资力度，加快建设步伐，争取稳定生态补水指标，从而充分发挥出乌梁素海的分凌减灾，蓄水调节作用。首先，要严格控制河套灌区黄河引水指标在47.7亿m3，每年至少向乌梁素海提供生态补水3亿m3；然后，采用外源控制与内源治理等措施，严格控制乌梁素海退水水质。即在退水进入黄河时，要根据乌梁素海入河口的黄河水位要求，在总排干沟出口继续采用扬排方式退水；最后，要充分发挥乌梁素海作为黄河水量调节库的功能，在非灌溉期将黄河水储蓄到乌梁素海，在灌溉用水紧张的5～6月份，再从乌梁素海将水退回黄河，这样既可以起到净化乌梁素海水质的作用，又可以调节黄河干流用水紧张的问题。此外，还需要从黄河水调度层面保证乌梁素海的生态补水指标，以提高水资源水环境的承载能力。

7.2 系统开展点源、面源和内源地污染控制与治理

（1）要加强工业污染防治，完善污水管网配套建设；加强工业污染源排放情况监管，并逐步实现将所有工业污染源纳入在线监控范围；提升工业清洁生产水平，加快深度脱氮除磷工艺技术和设施的建度；增加城镇建成区与工业园区污水管网建设力度，从而扩大污水收集范围。此外，污水收集配套管网的设计、建设与投运应与污水处理设施的新建、改建、扩建要同步，并合理布局入河排污口，以及充分发挥污水处理设施的效益。

（2）加强农业面源污染防治，推进美丽乡村建设。首先，要在乌梁素海流域全面实施“控肥增效、控药减害、控水降耗、控膜提效”行动；并全力推进污染物源头减量化，推广示范液体肥料、生物肥料、缓控施肥料、叶面肥、水溶性肥料等高效新型肥料。同时，加大环保宣传力度，逐步改变农民施肥观念，引导农民使用新型肥料，不断提高肥料利用率，推动肥料产业转型升级。其次，推行精准科学施药和病虫害统防统治，即从源头减少面源污染氮磷排放。具体体现在要全面禁止销售、使用高残高毒农药，对限用农药实行定点销售、实名购药，大力推广绿色防控技术，化肥、农药使用实现负增长。最后，整合实施高标准农田建牧、大型灌区续建配套与节水改造、黄河干流水权试点等项目，实现灌区水资源高效利用。同时，全面禁止不符合新国地膜的生产和销售，实现从生产、销售和使用各个环节推广使用新国标地膜[4]。

还要着力开展农村生态环境综合整治，推进美丽乡村建设。要综合考虑村庄布局、人口规模、地形条件、现有治理设施等因素，统筹城乡污水处理设施布局，将农村生活污水纳入集中处理系统。同时，建立村庄保洁制度，建设生活垃圾分类、收集、转运和处理设施，从而实现生活垃圾的规模化、专业化、社会化处理处置。

（3）要加强内源污染治理，维护水生态系统健康发展。对于内源污染控制，重点是加强重污染区的疏浚、底泥的稳定化和资源化以及湖泊内负荷的科学调控和移出，具体可采取排干沟疏浚清淤和旁侧多塘净化等工程措施，以及对乌梁素海水生植物的平衡收割和高值化利用等，从而有效改善水环境质量，维护水生态系统的健康发展。

8 结语

通过采用Spearman秩相关系数法评价乌梁素海主要污染物的变化趋势，结果表明：在“十三五”期间，采取的乌梁素海水环境治理措施和政策是有效的。所以，今后应从工业、农业结构调整，城镇、农村污染治理等多方面进行有效管控。