基于季節(jié)性Kendall檢驗法的供水水源地水質變化趨勢分析

于志強，張乃鵬

(1.山東省水文局，山東 濟南 250002；2.東營市水文局，山東 東營 257000)

城市化建設的加快和人民生活水平的提高對城市供水的水量和水質均提出了高標準和高要求[1-2]。近年來隨著我國經濟的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，大量的工業(yè)廢水、生活污水、農業(yè)非點源污染以及水源保護區(qū)不合理開發(fā)活動等已經嚴重威脅飲用水水源安全[3]。山東省是一個嚴重缺水的省份，人均水資源僅是全國平均水平的1/6[4]，隨著山東省經濟的快速發(fā)展、各重點城市人口不斷增加、城市工業(yè)經濟持續(xù)增長，對水資源的需求量亦日益遞增[5]。為全面了解和掌握山東省城市供水水源地的水質現(xiàn)狀，本文采用水質綜合指數法對全省25處水源地2016年的水質狀況進行評價，并根據2007—2016年全省水源地水質指標及水質指數WQI值進行季節(jié)性Kendall檢驗，綜合分析全省水源地水質變化趨勢。

1 山東省主要城市供水水源地概況

山東省從2003年開展了全省主要城市重點供水水源地監(jiān)測工作，截止2016年共達25處，其中地表水水源地20處，地下水水源地5處，詳見表1。

2 評價方法

2.1 水質現(xiàn)狀評價方法

針對飲用水功能特征，以GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》為基礎，參照GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》對水源地進行評價[6]。本文評價采用水質綜合指數評價法，將評價指標分為三類：①水源地易污染項目，包括氨氮、溶解氧、高錳酸鹽指數和總大腸菌群共4項(地下水水源地不包括溶解氧)；②飲用水一般化學指標，包括pH值、總硬度、硫酸鹽、氯化物、溶解性鐵、錳、銅、鋅和揮發(fā)酚共9項；③第三類為飲用水中毒性項目，包括氟化物、氰化物、砷、汞、鎘、鉛、鉻(六價)、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮共9項。評價步驟[7]如下：

(1)求得各單項水質指標的指標數Iiok。

(2)分別求出三類項目的分類指數(ILI、ILII、ILIII)。

第一類項目的分類指數(ILI)為各單項水質指標的指數和的平均值，即

(1)

第二類、第三類項目的分類指數(ILII、ILIII)分別為各單項水質指標的指數最高者。

(3)水源地水質指數(WQI)為上述三類項目分類指數中的最高者，即：

WQI=Max(ILI，ILII，ILIII)

(2)

根據水源地的WQI，即可確定其水資源質量等級和水質狀況。根據相應水質標準中的評價級別，將具體水質評價指標換算為1、2、3、4、5級水質指數，分別對應優(yōu)、良、中、差、劣等5類水質狀況；水質指數為4、5級的水源地為水質不合格水源地，相應的水源地供水量為水質不合格供水量。

表1 山東省主要城市重點供水水源基本情況表

2.2 水質變化趨勢分析方法

水質變化趨勢分析的主要目的是了解和判斷水中污染物隨時間和空間的變化。季節(jié)性Kendall檢驗于1982年提出，并由Smith等和Van等做了進一步的修正[8- 10]。該方法是一種僅考慮數據相對排列的非參數檢驗方法，其主要優(yōu)點是不受水質資料的非正態(tài)性、季節(jié)性變化、流量相關、出現(xiàn)漏測值或小于檢測限值等的影響。該檢驗方法的思路是收集多年的監(jiān)測數據，分別計算各月份(或季節(jié))的統(tǒng)計量及方差，再把各月份(或季節(jié))的統(tǒng)計量相加，計算總統(tǒng)計量。如果季節(jié)數和年份數足夠大，可通過總統(tǒng)計量與標準正態(tài)分布表之間的比較來進行顯著性趨勢檢驗。

季節(jié)性Kendall檢驗法的原理見參考文獻[11]，模型的構建見參考文獻[12- 15]。本文采用PWQTrend2010軟件進行分析，PWQTrend2010是基于季節(jié)性Kendall檢驗方法的水質趨勢分析專業(yè)軟件，能夠定量描述水質趨勢。

3 評價結果

3.1 水質現(xiàn)狀評價結果

山東省25處重要供水水源地采用每月監(jiān)測1次年度共12次的監(jiān)測頻次。錦繡川水庫2月份由于冰凍未能取樣，故年度監(jiān)測11次；尹府水庫8—12月庫干，故年度監(jiān)測7次。利用水質綜合指數評價法求得水質評價結果見表2。

由表2看出，2016年25處水源地中有13處水源地全部測次的評價級別均為1級(優(yōu))，占評價總數的52%；有24處水源地全部測次的評價級別符合3級(中)，達標率為96%；僅有岸堤水庫9月份由于亞硝酸氮超標導致評價級別為4級。

表2 2016年山東省主要供水水源地水質評價結果統(tǒng)計表

綜上，2016年山東省主要城市重點供水水源地水質狀況整體良好，水質較為穩(wěn)定，絕大部分水源地均能滿足城市集中式供水水質要求。

3.2 水質指數WQI值變化趨勢分析結果

對2007—2016年共10年25處水源地逐月水質指數WQI值采用季節(jié)性Kendall檢驗法進行趨勢分析，見表3。

由表3可以看出，采用季節(jié)性Kendall檢驗法2007—2016年全省25處水源地中有3處水源地水質指數WQI值檢驗結果為無明顯升降趨勢，占總數的12.0%；有4處為上升趨勢，占總數的16.0%，其中有1處為高度顯著上升，3處為顯著上升；有18處為下降趨勢，占總數的72.0%，其中有15處為高度顯著下降，3處為顯著下降。

綜上，2007—2016年25處水源地的水質指數WQI值變化趨勢均以下降趨勢為主。

3.3 各類水質指標變化趨勢分析結果

對2007—2016年25處水源地的三類22項水質指標(其中5處地下水水源地監(jiān)測指標為21項)進行季節(jié)性Kendall檢驗。采用季節(jié)性Kendall檢驗法計算水質指標的變化趨勢，25處水源地中五級類別(高度顯著上升、顯著上升、無趨勢、顯著下降和高度顯著下降)所占的個數見圖1，三類類別(上升、下降和無趨勢)所占的百分比見圖2。

(1)第一類——污染指標

采用季節(jié)性Kendall檢驗法，污染指標的4個參數中氨氮、高錳酸鹽指數和總大腸菌群均以下降趨勢為主，下降的比例分別為60.0%、56.0%和56.0%，三個參數上升的比例分別為12.0%、12.0%和28.0%；而溶解氧則以上升趨勢為主，上升的比例為40.0%，下降和無趨勢的比例各占30.0%。氨氮、高錳酸鹽指數、總大腸菌群趨勢下降原因與點源面源污染源治理有關，水源地保護效果顯現(xiàn)。

表3 季節(jié)性Kendall法趨勢分析結果表

圖1 五級類別統(tǒng)計圖

圖2 三類類別統(tǒng)計圖

(2)第二類——飲用水一般化學指標

一般化學指標中總硬度、硫酸鹽、氯化物以上升趨勢為主，上升的比例分別為60.0%、76.0%和76.0%，下降比例則分別僅為16.0%、16.0%和12.0%；溶解性鐵以下降趨勢為主，下降比例占52.0%，上升比例僅占16.0%；pH值、錳、銅、鋅、揮發(fā)酚則以無明顯升降趨勢為主，無明顯升降趨勢的比例分別為48.0%、64.0%、92.0%、84.0%和100%?？傆捕取⒘蛩猁}、氯化物趨勢上升原因與濱海地區(qū)地下水過度開發(fā)利用造成區(qū)域性超采，引發(fā)了地下水位持續(xù)下降、海(咸)水入侵等一系列生態(tài)環(huán)境問題有關；溶解性鐵下降原因與生態(tài)環(huán)境治理、水質得到改善有關；其余無明顯趨勢升降趨勢的指標主要由于在水體中含量很低或未檢出的原因。

(3)第三類——飲用水毒性指標

飲用水毒性指標中氟化物以上升趨勢為主，上升的比例占52.0%，下降的比例占36.0%；硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮以無明顯升降趨勢最多，所占比例均為44.0%，下降趨勢所占比例也不低，分別占32.0%和48.0%；而總氰化物、砷、汞、鎘、鉛、鉻(六價)均全部為無明顯升降趨勢。氟化物呈現(xiàn)上升趨勢，與地下水開采量加大，深度開采，導致水體中氟化物含量增加；硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮趨勢下降原因與點源面源污染源治理、生態(tài)環(huán)境治理及水源地保護效果顯現(xiàn)，水質得到改善有關。其余無明顯趨勢升降趨勢的指標主要由于因為在水體中含量很低或未檢出的原因。

4 結論

(1)全省水源地水質指數WQI值的季節(jié)性Kendall檢驗中呈下降趨勢、無明顯升降趨勢和下降趨勢比例分別為72.0%、12.0%和16.0%，因此，全省水源地水質指數WQI值主要以下降趨勢為主。

(2)在水源地水質指標的季節(jié)性Kendall檢驗中，全省水源地均有81.8%的水質指標以下降趨勢和無明顯升降趨勢為主，遠高于下降趨勢。

(3)從上述水源地水質指數和水源地水質指標的相互趨勢變化來看，兩者相輔相成，互相起到驗證作用和良性推動，水質指標的下降會使得水源地水質好轉，因而使水源地水質指數WQI值也同樣下降，全省主要水源地水質主要向穩(wěn)定和趨好方向轉換。

(4)全省水源地監(jiān)測項目中總硬度、硫酸鹽、氯化物和氟化物4個指標均以上升趨勢為主，且所占比例較大，應采取相應措施加以改善。

水規(guī)總院組織開展“中小型水庫設計洪水相關技術研究”調研工作

本站訊 我國中小型水庫數量眾多，建設年代較早，大量水庫處于無實測資料地區(qū)。近年來水文站網不斷完善，積累了一定的水文資料，為研究異常天氣對中小型水庫洪水的影響，提出中小型水庫設計洪水在采用圖集、計算方法和標準等方面的技術要求，提高全國中小型水庫設計洪水可靠性，2018年9月16日至20日，水規(guī)總院組織赴新疆哈密市射月溝水庫和內蒙古烏拉特前旗增隆昌水庫進行現(xiàn)場調研，并與有關設計單位和省市有關部門進行了座談與交流。

座談會議中，調研組介紹了研究的工作計劃及要求，聽取了相關單位對兩座水庫暴雨洪水的調查分析計算情況、出險情況調查評估的匯報，以及對中小型水庫的設計標準、設計洪水計算方法及成果采用等方面的建議，調研組與參會專家、代表進行了充分討論，提出了下階段的工作建議。

調研組由水規(guī)總院侯傳河副總工、蔣肖副總工帶隊，規(guī)劃處相關人員參加。內蒙古自治區(qū)防辦、水文局、水電設計院等單位參加了在呼和浩特的座談，新疆維吾爾自治區(qū)水利廳、水文局、防辦、水電設計院及哈密水文局、水電設計院等單位參加了在烏魯木齊的座談。

(水規(guī)總院網站)