瑪納斯河流域地表水水質(zhì)時(shí)空變化趨勢的分析

黃丹，何新林，2，楊廣，2，王春霞，2，杜玉嬌，楊文新，許雙堆

（1石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子832003；2新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子832003）

水資源是支撐經(jīng)濟(jì)增長與可持續(xù)發(fā)展的最基本要素之一［1］，但隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，用水量與排污量日益增加，水資源緊缺和水污染日趨嚴(yán)重，以及生態(tài)環(huán)境惡化，給城市經(jīng)濟(jì)、水資源環(huán)境帶來嚴(yán)重影響［2］。瑪納斯河流域是新疆重點(diǎn)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)區(qū)之一，也是新疆綠洲開發(fā)的典范。掌握瑪納斯河流域水質(zhì)現(xiàn)狀及其變化趨勢，對合理開發(fā)利用水資源，保護(hù)和恢復(fù)河流生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

一般河流水質(zhì)趨勢分析的類型分為以下2種：（1）根據(jù)過去實(shí)測水質(zhì)資料進(jìn)行模擬建模，由模型推斷未來水質(zhì)的發(fā)展趨勢，也稱水質(zhì)預(yù)測；（2）由過去到現(xiàn)在的水質(zhì)序列分析其間水質(zhì)發(fā)生的變化。本文分析的是后一類情形。對于水質(zhì)趨勢檢驗(yàn)的方法，國內(nèi)外大致可分為參數(shù)檢驗(yàn)方法和非參數(shù)檢驗(yàn)方法2種［3］。國內(nèi)開展水質(zhì)趨勢分析的工作較少，通常采用線性回歸和圖示的方法。但對水質(zhì)趨勢分析，尤其對于水質(zhì)季節(jié)性的處理，線性回歸方法有一定的缺陷。主要原因是水質(zhì)數(shù)據(jù)有以下特點(diǎn)：一是水質(zhì)數(shù)據(jù)常常呈現(xiàn)非正態(tài)性分布［4］；二是水質(zhì)數(shù)據(jù)與季節(jié)變化有關(guān)，即所謂的季節(jié)性相關(guān)；三是與流量的大小有關(guān)；四是漏測值和低于檢測限的數(shù)據(jù)多［5］。此后，有人提出了t檢驗(yàn)、方差分析及多變量正態(tài)法等參數(shù)檢驗(yàn)方法來分析水質(zhì)趨勢。但是，這些方法均要求諸參數(shù)服從正態(tài)分布，而河流水質(zhì)數(shù)據(jù)大多不是正態(tài)分布［6－7］。因此，國內(nèi)對于水質(zhì)變化趨勢的研究多沿用季節(jié)性肯德爾檢驗(yàn)法、皮爾遜相關(guān)分析法及斯皮爾曼秩相關(guān)系數(shù)分析法。季節(jié)性肯德爾檢驗(yàn)法是由一種更廣泛適用、合理的非參數(shù)檢驗(yàn)，實(shí)踐證明，該方法比線性回歸更適合水質(zhì)數(shù)據(jù)的處理［5］。

本文基于瑪納斯河流域4個(gè)典型監(jiān)測站點(diǎn)的水質(zhì)資料，運(yùn)用季節(jié)性肯德爾檢驗(yàn)法分析瑪納斯河流域水質(zhì)的時(shí)空變化趨勢。

1 材料與方法

1.1 流域概況

瑪納斯河流域地處天山北麓的準(zhǔn)噶爾盆地南緣，東起塔西河，西至巴音溝河，南靠天山山脈的依連哈比爾尕山，北接古爾班通古特大沙漠。地理位置介于東經(jīng)85°01′～86°32′，北緯43°27′～45°12′之間，流域總面積約1.81萬km2。流域內(nèi)有石河子市、瑪納斯縣、沙灣縣和19個(gè)農(nóng)牧團(tuán)場（鄉(xiāng)）及農(nóng)六師的新湖總場和克拉瑪依市的小拐鄉(xiāng)。其流域水環(huán)境污染物主要來源于石河子市和瑪納斯縣城所排放的工業(yè)廢水和生活污水，其中以石河子市為主，占90%以上。流域內(nèi)土地總面積約78.86萬hm2，其中現(xiàn)有耕地面積約23.8萬hm2，現(xiàn)有灌溉面積21萬hm2，主要灌溉水源來自天山山脈融冰化雪及山區(qū)暴雨洪水，經(jīng)瑪納斯河流入夾河子、躍進(jìn)、大泉溝、蘑菇湖四大水庫調(diào)節(jié)后供給［8］?，敿{斯河是天山北坡水量最大的河流，是瑪納斯河流域最大的水系，瑪納斯河水資源的開發(fā)利用與該流域的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有著密切的關(guān)系［9］。

1.2 分析站點(diǎn)的選擇

瑪納斯河流域時(shí)空變化趨勢分析的站點(diǎn)選擇具有代表性的瑪納斯河、蘑菇湖水庫、大泉溝水庫及夾河子水庫4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，其監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)情況如表1、表2所示。

表1 瑪納斯河點(diǎn)位布設(shè)情況表Tab.1 The layout of monitoring point in Manas river

表2 水庫監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)情況表Tab.2 The layout of monitoring point in different reservoirs

1.3 參數(shù)選擇

根據(jù)瑪納斯河流域水質(zhì)現(xiàn)狀評價(jià)結(jié)果，選擇五日生化需氧量（BOD5）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、氨氮（NH3－N）、氟化物、石油類5項(xiàng)作為水質(zhì)參數(shù)時(shí)空變化趨勢分析的評價(jià)指標(biāo)，5項(xiàng)指標(biāo)的單位均為mg／L。

1.4 數(shù)據(jù)資料的選擇

瑪納斯河流域空間變化趨勢分析數(shù)據(jù)資料：2005年豐水期、枯水期及平水期的水質(zhì)參數(shù)濃度值系列，其中枯水期是指12、1、2、3月，平水期是指4、5、10、11月，豐水期是指6、7、8、9月。

瑪納斯河流域時(shí)序變化趨勢分析數(shù)據(jù)資料：瑪納斯河流域地表水2001－2005年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.5 分析方法

為客觀反映流域水質(zhì)變化趨勢，在分析多年資料的基礎(chǔ)上，采用季節(jié)性肯德爾檢驗(yàn)法對代表性指標(biāo)的變化趨勢進(jìn)行分析。河流流量具有一定的周期變化，河流水質(zhì)組分濃度大多也受流量的周期性變化的影響，只對汛期與非汛期的水質(zhì)資料進(jìn)行比較缺乏可比性。而季節(jié)性肯德爾檢驗(yàn)定義為水質(zhì)資料在歷年相同月份間的比較，可避免季節(jié)性的影響［10］。季節(jié)性肯德爾檢驗(yàn)的原理是將歷年相同月（季）的水質(zhì)資料進(jìn)行比較，如果后面的值（時(shí)間上）高于前面的值記為“＋”號，否則記作“－”號。如果加號的個(gè)數(shù)比減號的多，則可能為上升趨勢，類似地，如果減號的個(gè)數(shù)比加號的多，則可能為下降趨勢。如果水質(zhì)資料不存在上升或下降趨勢，則正、負(fù)號的個(gè)數(shù)分別為50%［11］。其模型如下：

季節(jié)性肯德爾檢驗(yàn)零假設(shè)H0為隨機(jī)變量與時(shí)間獨(dú)立。設(shè)有n年p月的水質(zhì)資料觀測序列χ為：

式（1）中：χ11，…，χnp為月水質(zhì)濃度觀測值。

（1）對于p月中第i月（i≤p）的情況。

第i月歷年水質(zhì)系列相比較（后面的數(shù)與前面的數(shù)之差）的正負(fù)號之和S為：

其中：

第i月內(nèi)可以作比較的差值數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)mi為：

式（4）中：ni為第i月水質(zhì)系列中非漏測數(shù)值個(gè)數(shù)。

在零假設(shè)下可求出隨機(jī)序列Si（i＝1，2…，p）的均值（E（Si））和方差(），即：

當(dāng)ni個(gè)非漏測數(shù)值中有t個(gè)數(shù)相同時(shí)，方差公式為：

（2）對于p月總體情況。

令

在零假設(shè)下，可求p月S的均值和方差分別為

當(dāng)n年水質(zhì)系列有t個(gè)數(shù)相同時(shí)，同樣有：

當(dāng)n大于等于10時(shí)，S服從正態(tài)分布，其統(tǒng)計(jì)量Z也服從正態(tài)分布：

（3）趨勢檢驗(yàn)。

表3 顯著性水平的確定Tab.3 The determination of significant level

（4）檢驗(yàn)結(jié)果說明。

水質(zhì)變化趨勢分析結(jié)果分為三類五級。三類為上升、下降和無趨勢；五級為高度顯著上升、顯著上升、無趨勢、顯著下降和高度顯著下降［13］。

2 結(jié)果與分析

2.1 瑪納斯河流域水質(zhì)空間變化的趨勢

結(jié)果見圖1。

圖1 2005年3個(gè)水期各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)沿程變化圖Fig.1 The change of monitoring index in three water stages of 2005

（1）BOD5空間變化趨勢分析。

由圖1a可看出：豐水期BOD5濃度值在幾個(gè)監(jiān)測點(diǎn)間的變化波動(dòng)較大，且其值在瑪納斯河及蘑菇湖水庫均大于平水期和枯水期的濃度含量，而在大泉溝水庫和夾河子水庫則均小于平水期和枯水期的濃度含量；各監(jiān)測點(diǎn)豐水期受BOD5污染較為嚴(yán)重，導(dǎo)致汛期水質(zhì)變化較大；平水期和枯水期變化則較為平緩，且濃度含量較低。

（2）CODMn空間變化趨勢分析。

從圖1b可以看出：豐水期和平水期的CODMn在幾個(gè)監(jiān)測點(diǎn)間的變化幅度較大，枯水期變化較平緩；4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在枯水期的CODMn濃度值均處于幾個(gè)水期的最低值；大泉溝水庫在平水期時(shí)的該項(xiàng)指標(biāo)上升幅度最大，次之的是蘑菇湖水庫在豐水期的高錳酸鉀鹽指數(shù)上升幅度。

（3）氨氮空間變化趨勢分析。

對圖1c分析可知：2005年各水期，氨氮在各監(jiān)測點(diǎn)的變化趨勢與五日生化需氧量大致相同，表現(xiàn)為基本相似的污染特征。在豐水期變化幅度較大，且在蘑菇湖水庫達(dá)全年各測點(diǎn)的最高值；枯水期內(nèi)，各測點(diǎn)變化幅度最小，而平水期內(nèi)的變化幅度介于豐水期與枯水期之間；大泉溝水庫與夾河子水庫各水期氨氮濃度指數(shù)變化較小。

（4）氟化物空間變化趨勢分析。

根據(jù)圖1d分析可知：3個(gè)水期中，豐水期各監(jiān)測點(diǎn)該項(xiàng)指標(biāo)變化幅度最大但其濃度值最低，枯水期變化幅度較豐水期小但其濃度值最高，平水期變幅及濃度值均介于前兩水期之間。4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)中，蘑菇湖水庫的氟化物濃度值在各水期變化幅度最大。

（5）石油類指標(biāo)空間變化趨勢分析。

從圖1e可以看出：石油類指標(biāo)在豐水期各監(jiān)測斷面的變化幅度較小，而在枯水期變化幅度較大，且有增長趨勢；平水期的變化幅度介于豐水期與枯水期之間；4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)間，夾河子水庫的石油類指標(biāo)在3個(gè)水期內(nèi)變化幅度最大，且在枯水期濃度達(dá)到最大值。

對比圖1中的5個(gè)分圖可知：除石油類外，其他指標(biāo)具有相同的變幅變化特征，即3個(gè)水期變幅由大到小分別是：豐水期、平水期、枯水期，流域水質(zhì)污染程度豐水期重于平水期和枯水期。分析水質(zhì)空間分布差異的原因，主要為大量泥沙及城市未處理的污廢水在汛期被帶入到河流及湖庫中。

2.2 瑪納斯河流域水質(zhì)時(shí)序變化的趨勢

2.2.1檢驗(yàn)結(jié)果

通過對2001－2005年水質(zhì)數(shù)據(jù)資料的分析，采用季節(jié)性肯德爾檢驗(yàn)法對4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的BOD5、CODMn、氨氮、氟化物和石油類五項(xiàng)主要污染參數(shù)變化趨勢進(jìn)行檢驗(yàn)，得到各監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)變化趨勢檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表4。

表4 2001～2005年研究區(qū)各監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)變化趨勢檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表Tab.4 The change trend in different monitoring points from 2001 to 2005

2.2.2檢驗(yàn)結(jié)果的分析

對水質(zhì)參數(shù)濃度趨勢分析的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表4）主要從以下三個(gè)方面進(jìn)行分析，即整體水質(zhì)不同變化趨勢的分析、5項(xiàng)評價(jià)因子的變化趨勢分析以及4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)中的水質(zhì)參數(shù)變化趨勢所占比例，另外，對5年來的水質(zhì)變化趨勢情況進(jìn)行說明。

（1）整體水質(zhì)變化。

不同的變化趨勢所占比例見圖2。由圖2可以看出：上升趨勢的占30%，下降趨勢的占25%，無變化趨勢的占45%。水質(zhì)參數(shù)濃度趨勢以穩(wěn)定趨勢為主，同時(shí)上升趨勢略大于下降趨勢，說明研究區(qū)監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)狀況5年中總體上污染有所控制，但控制效果不十分明顯，水質(zhì)質(zhì)量總體處于持平狀態(tài)。

圖2 整體水質(zhì)參數(shù)濃度變化趨勢所占比例Fig.2 The overall water quality parameters of concentration change trend in proportion

（2）5項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)變化趨勢的分析。

從表4可知：

BOD5在各監(jiān)測點(diǎn)的變化趨勢均為上升，且在瑪納斯河監(jiān)測點(diǎn)為高度顯著上升，其他幾個(gè)斷面均為顯著上升。究其原因，表明研究區(qū)水體中耗氧性有機(jī)物污染物增多，其來源與沿岸排放的工業(yè)廢水有關(guān)。

CODMn在各監(jiān)測點(diǎn)的下降趨勢與無變化趨勢所占比例相同，各占總體的50%，且無上升趨勢，表明以CODMn為特征的有機(jī)污染已基本得到控制，但仍需繼續(xù)加強(qiáng)監(jiān)管。

氨氮的變化趨勢與高錳酸鉀鹽指數(shù)的相同，下降與無變化趨勢的比例同為50%，表明水體受氨氮的污染已基本得到控制。

氟化物在各監(jiān)測站的上升趨勢占總體變化趨勢的25%，下降趨勢占25%，無變化趨勢占50%。表明對氟化物的污染控制效果還有浮動(dòng)，對其控制還需繼續(xù)加強(qiáng)。

石油類在各監(jiān)測站的上升趨勢占25%，無變化趨勢占75%，，表明石油類的污染物已基本得到控制，趨勢略有浮動(dòng)。

（3）各監(jiān)測斷面的水質(zhì)變化趨勢分析。

從表4中可以得出各監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)參數(shù)變化趨勢所占比例，如表5所示。

表5 各監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)參數(shù)變化趨勢所占比例Tab.5 The monitoring points of water quality parameter variation tendency of the proportion

從表5可知：瑪納斯河與夾河子水庫的水質(zhì)參數(shù)濃度變化趨勢相同，上升趨勢與無變化趨勢所占比例相同，均為40%，表明對于水體中各污染物項(xiàng)有所控制，但效果還不明顯，仍有上升的趨勢。蘑菇湖水庫的水質(zhì)參數(shù)濃度變化趨勢中無變化趨勢占60%，表明對污染物的控制效果較明顯，水質(zhì)沒有明顯的惡化趨勢，基本處于持平狀態(tài)。大泉溝水庫的水質(zhì)參數(shù)濃度變化趨勢中下降趨勢與無變化趨勢所占比例相同為40%，表明對水質(zhì)的治理效果較好，水質(zhì)有改善的趨勢。

3 結(jié)論與討論

（1）流域水質(zhì)參數(shù)空間變化趨勢結(jié)果表明：BOD5與氨氮呈現(xiàn)相似的變化特征，即在豐水期變化幅度較大，且在蘑菇湖水庫達(dá)全年各測點(diǎn)的最高值；CODMn在豐水期和平水期的幾個(gè)監(jiān)測點(diǎn)間變化幅度較大，枯水期變化較平緩；氟化物濃度在3個(gè)水期中，豐水期變化幅度最大，其次是枯水期，最后是平水期；石油類指標(biāo)在豐水期各監(jiān)測斷面的變化幅度較小，而在枯水期則變化幅度較大，且有增長趨勢。從整體上看，研究區(qū)豐水期的水質(zhì)污染程度重于平水期和枯水期的，其原因是汛期大量泥沙及城市未處理的污廢水被帶入到河流及湖庫中。

（2）流域水質(zhì)參數(shù)時(shí)序變化趨勢結(jié)果表明：流域整體水質(zhì)參數(shù)以穩(wěn)定趨勢為主，占整體變化趨勢的45%，說明2001－2005年水質(zhì)情況總體處于持平狀態(tài)，對水體污染有所控制，但控制效果還不十分明顯。5項(xiàng)代表性水質(zhì)參數(shù)中，BOD5顯著上升，究其原因是研究區(qū)水體中耗氧性有機(jī)物污染物增多，其來源與沿岸排放的工業(yè)廢水有關(guān)，因此，今后應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)治理工業(yè)污染源。

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