淮河干流吳家渡斷面水質(zhì)趨勢(shì)分析

仇娟娟 尹尚軒

蚌埠（吳家渡）站是淮河干流中游區(qū)主要控制斷面，位于東經(jīng)117.37°、北緯32.96°，歷史最大流量為11600m3/s、最小流量為0。本文根據(jù)淮河干流蚌埠（吳家渡）站2007～2016年水質(zhì)數(shù)據(jù)，采用單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)和季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)法進(jìn)行水質(zhì)趨勢(shì)分析。

一、水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

1.水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)方法

單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)（Pi）是一個(gè)小數(shù)點(diǎn)后2或3位的數(shù)值，可表示為：

式中：X1—第i項(xiàng)指標(biāo)的水質(zhì)類別，通過(guò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與國(guó)家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比得到；

X2—監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間所處的位置，通過(guò)公式計(jì)算得到，X2越大，則水體在X1類水質(zhì)區(qū)間的位置越往后；

X3—水質(zhì)類別與水功能區(qū)劃的對(duì)比，X3越大，水質(zhì)超過(guò)水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)越多。

（1）X1·X2的計(jì)算

當(dāng)水質(zhì)介于I～V類水之間時(shí)，對(duì)非溶解氧指標(biāo)（除溫度和pH值外）：

對(duì)溶解氧：

式中：k—k=1～5時(shí)，分別表示該項(xiàng)指標(biāo)為I類～V類水；

ρi—第i項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度；

ρi，k上—第 i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)在 k 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的上限值；

ρi，k下—第 i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)在 k 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的下限值；

當(dāng)水質(zhì)劣于或等于V類水上限值時(shí)，對(duì)非溶解氧指標(biāo)（除溫度和pH值外），

對(duì)溶解氧：

式中：ρi，5上—第 i項(xiàng)指標(biāo) V 類水濃度上限值；

ρDO—溶解氧實(shí)測(cè)濃度；

ρDO，5下—溶解氧V類水濃度下限值。

（2）X3的取值

X3的主要意義是通過(guò)將水質(zhì)與水功能區(qū)劃對(duì)比，判斷水質(zhì)是否滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)以及超標(biāo)的程度。當(dāng)水質(zhì)優(yōu)于水功能區(qū)劃時(shí)，則X3=0；反之，當(dāng)X2不等于 0 時(shí)，X3=X1-fi；X2等于 0 時(shí)，則X3=X1-fi-1，其中fi為水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)。

2.評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

選取淮河流域吳家渡斷面2016年的高錳酸鹽指數(shù)、COD、NH3-N、TP、DO指標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的年平均值為代表，運(yùn)用單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)對(duì)淮河流域吳家渡斷面近幾年的水質(zhì)進(jìn)行總體評(píng)價(jià)。

高錳酸鹽指數(shù)、COD、NH3-N、TP、DO指標(biāo)2016年平均濃度分別為4.16mg/L、15.35mg/L、0.52mg/L、0.18mg/L、8.85mg/L；依據(jù)上述方法，各指標(biāo)Pi分別為3.1、3.1、3.0、3.1、0.3，其水質(zhì)分別為Ⅲ類、Ⅲ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅰ類，因此其綜合水質(zhì)為Ⅲ類。

2007～2016年吳家渡斷面各年水質(zhì)平均濃度見(jiàn)表1，單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 淮河流域吳家渡斷面年水質(zhì)平均濃度表

表2 淮河流域吳家渡斷面水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)表

二、水質(zhì)趨勢(shì)分析

本文水質(zhì)趨勢(shì)分析采用季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)法。季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)法作為Mann-Kendall檢驗(yàn)法的推廣方法，其思路是通過(guò)多年數(shù)據(jù)的收集，分別計(jì)算各月份的Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S與方差Var（S），將各月份的統(tǒng)計(jì)量相加后，計(jì)算總統(tǒng)計(jì)量。在年數(shù)和月份數(shù)足夠大的情況下，可以通過(guò)比較總統(tǒng)計(jì)量與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)表進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)。

1.季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)法原理

（1）方法原理

檢驗(yàn)的零假設(shè)為數(shù)據(jù)資料是獨(dú)立的，且具有相同的概率分布，若有n年p月的水質(zhì)資料，觀測(cè)序列X為：

式中：Xji—某水資源質(zhì)量組分j年 i月的濃度值（j=1，2，… n；i=1，2 ，… ，p）。

對(duì)于p月中第i月（i≤P）的情況，令第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(hào)之和Si為：

由此，第i月內(nèi)可以做比較的差值數(shù)據(jù)組個(gè)數(shù)mi為：

式中：ni—第i月內(nèi)水質(zhì)系列中非漏測(cè)值個(gè)數(shù)。

在零假設(shè)下，隨機(jī)系列Si（i=1，2，…，p）近似地服從正態(tài)分布，則Si的均值和方差如下：

當(dāng)n年水質(zhì)系列中第i月有t個(gè)數(shù)相同時(shí)，方差為：

式中Si和Sh（i≠h）都是獨(dú)立隨機(jī)變量的函數(shù)，即Si=f（Xi）和Sh=f（Xh），其中Xi為i月歷年的水質(zhì)系列，Xh為h月歷年的水質(zhì)編列，并且 Xi∩Xh=φ；因?yàn)閄i和Xh分別為i月和h月的水質(zhì)資料，并且總體時(shí)間系列X的所有元素是獨(dú)立的，故協(xié)方差Cov（Si，Sh）=0。將其式代入式（上面那個(gè)），則得：

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

當(dāng)n≥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：

表3 吳家渡斷面水質(zhì)趨勢(shì)分析結(jié)果表

肯達(dá)爾檢驗(yàn)量定義為τ:τ=S/m。由此在雙尾趨勢(shì)檢驗(yàn)中，對(duì)于給定的趨勢(shì)檢驗(yàn)顯著水平α，如果，則接受零假設(shè)。Fn（Zα/2）=α/2為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)，即：

α為趨勢(shì)檢驗(yàn)的顯著性水平，其值為：

水質(zhì)變化趨勢(shì)的顯著性根據(jù)顯著性水平α確定，當(dāng)α≤0.01，說(shuō)明水質(zhì)變化趨勢(shì)高度顯著；當(dāng)0.01＜α≤0.1，水質(zhì)變化趨勢(shì)顯著；當(dāng)α計(jì)算結(jié)果滿足上述前兩種條件下，τ＞0具有上升趨勢(shì)，τ＜0具有下降趨勢(shì)，τ=0則無(wú)趨勢(shì)。（CODMN：τ=0.211；α=0.0105， 顯 然0.01＜α≤0.1則水質(zhì)變化趨勢(shì)顯著上升。NH3-N：τ=-0.18；α=0.017，0.01＜α≤0.1則水質(zhì)變化趨勢(shì)顯著下降。TP:τ=0.24；α=0.0026，α≤0.01則水質(zhì)變化趨勢(shì)高度顯著上升）

（2）斜率估計(jì)

該斜率用線性回歸的斜率表示，以反映趨勢(shì)的大小。定義為:在進(jìn)行肯達(dá)爾檢驗(yàn)中被比較的有序數(shù)組的差值除以年序列數(shù)的中值，該斜率可看作水質(zhì)多年平均的變化情況。

對(duì)所用 Xij，Xik，i=1，2，…，12；j=l，2，…，n，1≤k＜j≤n，計(jì)算 dijk=（Xij-Xik）/（j-k）。選擇 dij的數(shù)組為 D（n），n 為個(gè)數(shù)，按從小到大次序?qū)（n）排隊(duì)，得一新數(shù)組D'（n）。當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)，中值斜率為D'（n/2）；當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)，B=1/2〔D'（n/2）+D'（n/2+1）〕。當(dāng) S＞0 時(shí),B≥0；S＜0 時(shí),B≤0。這樣B不受水質(zhì)序列中極值（奇異點(diǎn)）的影響,季節(jié)性也對(duì)B無(wú)影響。

至此，根據(jù)信度α和斜率B，即可判斷水質(zhì)污染趨勢(shì)的大小和顯著性水平，從而判斷某站、某條河流或某地區(qū)水質(zhì)發(fā)展趨勢(shì)狀況。即完成了季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)。

2.分析結(jié)果

由表3分析結(jié)果看出，吳家渡斷面主要污染指標(biāo)高錳酸鹽指數(shù)、NH3-N、TP濃度呈下降趨勢(shì)■