基于季節(jié)性Kendall法的岷江干流水質變化趨勢分析

孟春曉，王小波，黃　蕓，許　瑞，彭道平

(1. 四川省環(huán)境監(jiān)測總站，成都　610091；2. 西南交通大學，地球科學與環(huán)境工程學院，成都　611756)

基于季節(jié)性Kendall法的岷江干流水質變化趨勢分析

孟春曉1，王小波1，黃蕓1，許瑞1，彭道平2

(1. 四川省環(huán)境監(jiān)測總站，成都610091；2. 西南交通大學，地球科學與環(huán)境工程學院，成都611756)

為進一步了解岷江水質污染趨勢，應用季節(jié)性Kendall檢驗法對岷江干流5個監(jiān)測斷面2009～2014年的典型水質指標(CODCr、BOD5、TP、NH3-N)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行趨勢分析。結果表明岷江中下游的NH3-N和TP濃度總體呈上升趨勢，如在涼姜溝斷面NH3-N平均每年上升0.0074mg/L，TP平均每年上升0.0132mg/L；而CODCr的變化趨勢波動較大，BOD5的變化不明顯；流量調節(jié)檢驗結果和非流量檢驗結果基本一致。通過濃度-流量相關分析，發(fā)現(xiàn)在岷江上游水質指標濃度與流量的相關性較高，且隨流量的增加而增大，表明污染主要來自于面源；在中游的污染主要來自點源；而在下游馬鞍山和涼姜溝斷面，發(fā)現(xiàn)水質污染來自于點源和面源的綜合作用。

岷江；季節(jié)性Kendall法；水質趨勢；相關性分析

岷江是長江上游最大支流之一，其水質安全對維持成都平原正常的生產(chǎn)生活起著至關重要的作用[1]。岷江發(fā)源于松潘弓杠嶺，由北向南流經(jīng)汶川、都江堰市、樂山市到宜賓市后注入長江，全長711km, 流域面積13.6萬km2。根據(jù)2009～2014年四川省環(huán)境狀況公報報道，岷江干流的水質達標情況由2009年的100%，逐年將至2014年的30.8%，水質污染主要出現(xiàn)在岷江中下游段，以總磷(TP)、氨氮(NH3-N)污染為主要特征[2]。因此為了進一步改善水環(huán)境質量，強化地方政府的環(huán)境責任，自2011年9月開始，四川省在岷江等流域執(zhí)行跨界生態(tài)補償斷面水質超標資金扣繳制度[3]。而采用科學的方法，開展岷江干流水質污染趨勢分析，對于岷江流域的水環(huán)境保護和污染控制工作具有重要的意義。

1 　數(shù)據(jù)與方法

1.1數(shù)據(jù)及分析年限

四川省環(huán)境監(jiān)測總站在岷江流域設置了7個考核斷面，每月不定期開展一次跨界斷面水質監(jiān)測工作，具有近20年的監(jiān)測資料。水質序列的長短對趨勢分析有很大影響，序列過長或過短都會影響趨勢分析的準確性[4]。本論文依托2009年～2014年的岷江干流5個監(jiān)測斷面月年水質監(jiān)測數(shù)據(jù)，篩選了CODCr、BOD5、TP、NH3-N四個主要參數(shù)開展相關研究。5個監(jiān)測斷面分別為渭門大橋、黎明村、眉山白糖廠、馬鞍山和涼姜溝，如圖1所示。其中，渭門大橋是岷江干流上游水質監(jiān)測站點，黎明村站是進入成都平原的水質監(jiān)測點，眉山白糖廠、馬鞍山和涼姜溝3個斷面是監(jiān)測的是岷江中下游水質情況，對反映岷江干流水質變化趨勢具有較強的代表性。

圖1　監(jiān)測斷面位置Fig.1　Position map of monitoring sections

1.2分析方法

《環(huán)辦〔2011〕22 號地表水環(huán)境質量評價方法》( 試行) 》中推薦了Spearman 秩相關系數(shù)法進行水質變化趨勢分析。但由于天然水質數(shù)據(jù)具有其自身的特征，如水質數(shù)據(jù)的非正態(tài)分布性以及與流量、季節(jié)性相關、經(jīng)常出現(xiàn)“漏測值”和“未檢出值”等， Spearman 秩相關系數(shù)法無法監(jiān)測到許多顯著性變化趨勢，且無法定量分析趨勢變化的大小[5]。因此結合水質數(shù)據(jù)的特征，統(tǒng)計學家G.Kendall提出了一種更加廣泛適用、合理的非參數(shù)檢驗方法，即季節(jié)性Kendall檢驗法[6]。

季節(jié)性Kendall檢驗法的原理是將歷年相同月(季)的水質資料進行比較，如果后面的值大于前面的值則記為“+”號，否則為“-”號。如果“+”號個數(shù)比“-”號多，則可能為上升趨勢；如果“-”號個數(shù)比“+”號多，則為下降趨勢。如果+”號和“-”號各占50%，則水質資料不存在上升下降趨勢。此外，由于季節(jié)性Kendall檢驗的水質資料為歷年相同月份間的比較，因此避免了水質資料受汛期和非汛期河流流量季節(jié)性變化的影響。同時，由于數(shù)據(jù)比較只考慮數(shù)據(jù)相對排列而不考慮其大小，故能避免水質資料中常見的“漏測值”問題，也使奇異值對水質趨勢分析影響降到最低限度。具體的計算可參見文獻[7,8]。本文借助PWQTrend2010軟件，來分析岷江干流的水質變化趨勢，并利用流量調節(jié)濃度檢驗，來判斷水質變化趨勢是由河流流量還是污染源變化造成的。

2　結果分析

2.1水質狀況趨勢

對2009～2014年岷江干流的渭門大橋、黎明村、眉山白糖廠、馬鞍山和涼姜溝5個斷面的CODCr、BOD5、TP、NH3-N水質監(jiān)測資料進行季節(jié)性Kendall檢驗，檢驗結果如表1所示。從表1可以看出， CODCr從中下游開始濃度呈上升趨勢，在匯入長江前濃度又顯著下降。BOD5的濃度在中下游的變化不明顯。而NH3-N 和TP的濃度從上游開始呈顯著上升趨勢，而到了中下游，特別是進入眉山后，其濃度總體呈上升趨勢。這5個斷面NH3-N的濃度變化速率分別為：渭門大橋斷面平均每年上升0.0270mg/L，黎明村斷面平均每年下降0.0173mg/L，眉山白糖廠斷面平均每年上升0.1011mg/L，馬鞍山斷面平均每年下降0.0128mg/L，涼姜溝斷面平均每年上升0.0074mg/L。而TP的濃度變化速率為：渭門大橋斷面平均每年上升0.0075mg/L，黎明村斷面平均每年下降0.0040mg/L，眉山白糖廠斷面平均每年上升0.0250mg/L，馬鞍山斷面平均每年下降0.0049mg/L，涼姜溝斷面平均每年上升0.0132mg/L。表明岷江干流的TP、NH3-N污染確實呈逐年上升趨勢。

表1　岷江干流季節(jié)性Kendall水質濃度檢驗表

2.2流量調節(jié)水質狀況趨勢

河流水質受流域內(nèi)的土壤、植被、地質及化學性質、降雨、徑流及人類活動等多方面的影響，但河流水質變化的主要驅動因素是河道污水的排放和徑流的變化[9]。通過分析濃度與流量的相關即可體現(xiàn)污染物來源于面源還是點源，然后再通過污染物濃度與流量相關的殘差分析來決斷流量對濃度的影響程度。表2為流量調節(jié)水質狀況趨勢分析結果。

表2　岷江干流季節(jié)性Kendall流量調節(jié)水質濃度檢驗表

續(xù)表2

監(jiān)測斷面項目顯著水平(%)相關系數(shù)平方變化率(%)趨勢眉山白糖廠CODCr75.620.02512.49無明顯升降趨勢BOD555.320.1486-1.63無明顯升降趨勢NH3-N0.0010.035812.61顯著上升TP0.0010.190726.27高度顯著上升馬鞍山CODCr0.000.032413.01顯著上升BOD546.870.14601.79無明顯升降趨勢NH3-N33.520.10672.13無明顯升降趨勢TP45.380.196310.31顯著上升涼姜溝CODCr4.370.0173-14.85顯著下降BOD535.270.19301.68無明顯升降趨勢NH3-N12.350.0141-0.93無明顯升降趨勢TP25.630.162728.33高度顯著上升

從表2可以看出：CODCr從中游開始出現(xiàn)上升趨勢，在下游涼姜溝開始下降。除渭門大橋斷面高度顯著下降外，BOD5在中下游表現(xiàn)出無明顯升降趨勢。NH3-N在中下游兩個監(jiān)測斷面呈現(xiàn)顯著上升趨勢，到了涼姜溝則無明顯升降趨勢。TP在渭門大橋為高度顯著上升趨勢，在黎明村為顯著下降，進入中下游后呈高度顯著上升和顯著上升趨勢。從上面的分析可以看出，NH3-N和TP在中下游有逐年增加的趨勢。

結合各個斷面水質參數(shù)與流量的對應關系(圖2～圖6)，在渭門大橋斷面和黎明村斷面(圖2、圖3)， CODCr、BOD5、TP和NH3-N的實測濃度分布在濃度-流量曲線附近，表明濃度與流量的相關性較高，且濃度隨流量的增加而增大，表明污染主要來自于面源。在眉山白糖廠斷面(圖4)除BOD5外，其余3個參數(shù)濃度隨流量的增加而降低且相關性較好，表明河流水質污染主要來自點源。在下游的馬鞍山和涼姜溝斷面(圖5、圖6)，各個水質參數(shù)實測濃度在濃度-流量曲線的分布較為混亂，即與濃度大小相關性較差，這表明水質污染來自于點源和面源的綜合作用。通過分析可以看出，岷江的中下游貫穿成都平原，沿江有眾多城市和農(nóng)村分布，未經(jīng)處理的生活污水、工業(yè)廢水及農(nóng)業(yè)污水等點、面源污染注入大小支流后匯入岷江，導致岷江水質呈現(xiàn)出變壞的趨勢，表現(xiàn)為以TP、NH3-N污染為主要水質污染。

圖2　渭門大橋斷面污染物濃度與流量關系Fig.2　Relationship between contaminants concentration and flow in Weimen bridge section

圖3　黎明村斷面污染物濃度與流量關系Fig.3　Relationship between contaminants concentration and flow in Limingcun section

圖4　眉山白糖廠斷面污染物濃度與流量關系Fig.4　Relationship between contaminants concentration and flow in Meishan sugar factory section

圖5　馬鞍山斷面污染物濃度與流量關系Fig.5　Relationship between contaminants concentration and flow in Ma’anshan section

3　結論及建議

3.1本文采用PWQTrend2010軟件對岷江干流2009～2014年6年來的5個監(jiān)測斷面的CODCr、BOD5、TP、NH3-N水質監(jiān)測資料進行水質趨勢分析，結果表明：進入中下游后NH3-N和TP呈現(xiàn)出高度顯著上升或顯著上升趨勢，水質污染以TP、NH3-N污染為主，干流的水質呈現(xiàn)逐年惡化趨勢，需加以控制。

3.2通過分析污染物濃度與流量關系發(fā)現(xiàn)，由于大量的生活污水、工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)污水通過進入支流后匯進岷江干流，岷江中下游水質逐漸變差，受點、面污染源的綜合作用較為明顯。因此，需要加強岷江流域水污染源的綜合治理，合理調整工業(yè)布局，并加大對生活污水和農(nóng)業(yè)污水的治理。

[1]楊朋，宋述軍. 岷江流域地表水水質的模糊綜合評價[J]. 資源開發(fā)與市場，2007，23(2)：101-104.

[2]四川省環(huán)境保護廳.2009-2014年四川省環(huán)境狀況公報[R]. http://www.schj.gov.cn/cs/hjjc/zkgg/.

[3]余恒，陳雨艷，李納，等. 岷、沱江流域跨界生態(tài)補償斷面水質監(jiān)測與資金扣繳情況分析研究[J]. 環(huán)境科學與管理，2015，40(5)：115-118.

[4]王海榮. 大夏河2006-2013 年水質污染趨勢及原因探討[J]. 地下水，2015，37(2)：83-85.

[5]劉爭. 松花江流域水質變化趨勢研究[D]. 北京:中國地質大學，2014.

[6]Van Belle G, Hughes J P. Nonparamertic tests for trend in water quality [J]. Water Resources Research, 1984, 20(1): 127-136.

[7]馮健，周懷東，彭文啟，等. 基于Kendall法的三門峽水庫水質趨勢分析[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2015，(3)：68-75.

[8]歐陽志宏，郭懷成，王婉晶，等. 1982-2012年滇池水質變化及社會經(jīng)濟發(fā)展對水質的影響[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測，2015，31(2)：68-73.

[9]王浩，陳敏健，唐克旺． 水生態(tài)環(huán)境價值和保護對策[M]． 北京：北京交通大學出版社，2005．

Analysis of Water Quality Tendency of the Mainstream of Minjiang River with Seasonal Kendall Method

MENG Chun-xiao1, WANG Xiao-bo1, HUANG Yun1, XU Rui1, PENG Dao-ping2

(1.SichuanEnvironmentalMonitoringCenter，Chengdu610091，China; 2.FacultyofGeosciences&EnvironmentalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu611756,China)

For further understanding of the water quality tendency of Minjiang River, seasonal Kendall method was applied to analyze the main water quality indexes (CODCr, BOD5, TP and NH3-N) of 5 monitoring sections in Minjiang River from 2009 to 2014. The results showed that concentrations of NH3-N and TP appeared an upward trend in the middle and lower reaches, where NH3-N had an average annual increase of 0.0074mg/L and TP of 0.0132mg/L in Liangjianggou. However, the concentration of CODCrshowed a significant fluctuation and the concentration of BOD5showed less variations. Flow control test results were basically identical with non-flow test results. By correlation analysis of concentration and flux, it was found that a higher positive correlation between concentration and flux showed in the upper reaches, which indicated the contaminants were mainly from diffused pollution. Pollutions in the middle reaches were mainly from point sources. In the lower reaches, the water pollution was synthetically caused by diffused pollution and point source pollution.

Minjiang River; seasonal Kendall method; water quality tendency; correlation analysis

2015-08-04

孟春曉(1986-)，女，山東濟寧人，2011年畢業(yè)于西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院市政工程專業(yè)，碩士，主要從事環(huán)境監(jiān)測工作。

彭道平，pdp0330@swjtu.cn。

X522

A

1001-3644(2015)06-0087-07