基于Mann-Kendall法和R/S分析法的星子站氨氮、總磷變化趨勢(shì)分析

韓 飛，王 華，趙義君，徐 停

(1.河海大學(xué) 淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

隨著河流氮磷輸入增加，多數(shù)水體營養(yǎng)鹽濃度升高，導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化。近30 年來，我國湖泊處于富營養(yǎng)化的快速發(fā)展期，66%以上的湖泊、水庫處于富營養(yǎng)化水平，其中富營養(yǎng)和超富營養(yǎng)的占22%[1]。湖泊富營養(yǎng)化給生態(tài)環(huán)境和人類生活帶來威脅。鄱陽湖是我國最大的淡水湖泊[2-3]，承納贛江、撫河、信江、饒河、修河等河水，并由湖口注入長江[4-5]。多年平均降雨量約為1622 mm，平均年徑流量1450×109 m3，占長江徑流總量的15.2%。近年來隨著鄱陽湖流域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，氮磷輸入增加，鄱陽湖湖區(qū)TN、TP 普遍超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，富營養(yǎng)化狀況在枯水期為輕度重營養(yǎng)化水平，豐水期為中度營養(yǎng)化水平[6]。

水溫、水體透明度、營養(yǎng)鹽、水體流速等因素均能對(duì)藻類的生長和繁殖產(chǎn)生較大的影響。一般認(rèn)為，富營養(yǎng)化是赤潮發(fā)生的前提之一。水體中的營養(yǎng)鹽為浮游植物的生長繁殖提供物質(zhì)基礎(chǔ)，直接影響了赤潮的發(fā)生、規(guī)模和持續(xù)時(shí)間[7].為研究水體富營養(yǎng)化，人們對(duì)營養(yǎng)鹽做了大量的研究[8-13]。韓超南[14]等研究了大遼河水體氮、磷及懸浮顆粒物中磷的形態(tài)組成、空間分布和季節(jié)分布特征； 朱純祥[15]等采用Dillon模型對(duì)龍河口水庫水體總氮、總磷變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測,為龍河口水庫水質(zhì)保護(hù)和富營養(yǎng)化防治提供科學(xué)依據(jù); 楊逸萍[16]等研究長江口和九龍江口懸浮物中磷的化學(xué)形態(tài)分布及不同環(huán)境條件下的轉(zhuǎn)化與釋放;陳晉鼎[17]等提出用抗壞血酸法定量河口總磷,對(duì)于鹽度>3‰和<3‰的河流水樣均能適用。王艷[18]等按照江蘇省海洋功能區(qū)劃的水質(zhì)要求，采用自凈過程積分方法，計(jì)算了氮和磷營養(yǎng)鹽的環(huán)境容量;黃錦輝[19]等根據(jù)鴨河口水庫受納點(diǎn)源及面源污染負(fù)荷情況 ,選擇枯水期為預(yù)測時(shí)期,采用迪隆模型對(duì)鴨河口水庫水體總氮、總磷進(jìn)行預(yù)測研究,為鴨河口水庫水質(zhì)保護(hù)和富營養(yǎng)化防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù);張俊杰[20]等通過現(xiàn)場觀測、采樣和分析，掌握了李村河口沉積物及其上覆水體中磷及其它主要生源要素的時(shí)空分布規(guī)律；通過模擬沉積物的再懸浮過程，研究了沉積物對(duì)侵蝕切應(yīng)力的響應(yīng)特征，探討了再懸浮對(duì)上覆水體磷負(fù)荷和沉積物磷形態(tài)的影響機(jī)制;劉敏[21]等在分析水體沉積物中各形態(tài)磷的含量和變化的基礎(chǔ)上 ,對(duì)磷在時(shí)空上的變化、與有機(jī)碳 、總氮的關(guān)系以及污水輸入影響等進(jìn)行了初步的論述。

上述成果對(duì)研究研究湖泊水質(zhì)變化機(jī)制提供了重要參考，對(duì)湖泊水質(zhì)保護(hù)和富營養(yǎng)化防治具有很好的參考價(jià)值，但這些研究對(duì)湖泊水質(zhì)長序列波動(dòng)特征的定量分析卻少有涉及。定量評(píng)估湖泊營養(yǎng)鹽濃度，對(duì)于湖泊水環(huán)境質(zhì)量與水生態(tài)系統(tǒng)的演替預(yù)測具有重要意義。由于水體中的營養(yǎng)鹽為浮游植物的生長繁殖提供物質(zhì)基礎(chǔ)，直接影響了水華的發(fā)生、規(guī)模和持續(xù)時(shí)間，且氮、磷被認(rèn)為是水華暴發(fā)的主要限制因子。故本文選擇氨氮、總磷為研究因子，以鄱陽湖星子站為研究控制斷面，在定量評(píng)估總氨氮、總磷磷波動(dòng)特征基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用R/S與Mann-Kendall分析法，定量研究了星子站氨氮、總磷濃度變化趨勢(shì)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

鄱陽湖地處江西省的北部，長江中下游南岸。鄱陽湖承納贛江、撫河、信江、饒河、修水五大河流來水，經(jīng)調(diào)蓄后由湖口注入長江，五河來水及長江的雙重影響形成了鄱陽湖獨(dú)特的水情特征。鄱陽湖星子水文站位于星子縣南康鎮(zhèn)，入江水道上段左岸，下距湖口約39 km。1934年由江西省建設(shè)廳水利局設(shè)立；1937年底停測；1947年恢復(fù)觀測；1948～1949年觀測中斷；1950年2月由江西省人民政府水利局重設(shè)并觀測水位、降雨量、蒸發(fā)量；1962年1月鄱陽湖水文氣象實(shí)驗(yàn)站將基本水尺從南門外下遷約1000 m至東風(fēng)船廠并增測水化學(xué)；1963年增測湖流、含沙量；1965年停測降水；1968年停測水化學(xué)、湖流、含沙量。星子水文站是國家基本站網(wǎng)的測站。研究區(qū)域如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域位置圖
Fig.1 The location map of study area

1.2 研究方法

水文時(shí)間序列趨勢(shì)分析主要研究有 Mann-Kendall法、小波理論分析法和R/S法,各種方法可以從不同的角度揭示趨勢(shì)特征。本文主要是綜合運(yùn)用R/S法和 Mann-Kendall法分析水文時(shí)間序列未來的趨勢(shì)特征。

1.2.1 Mann-Kendall法

Mann-Kendall法[22-24]能很好地揭示時(shí)間序列的趨勢(shì)變化。Mann- Kendall檢驗(yàn)法原理為:

Xt(t=1,2,…)為一時(shí)間序列,先確定其序列的對(duì)偶數(shù)(Xi

(1)

(2)

(3)

如果 U > 0時(shí) ,表明有上升的趨勢(shì)；如果 U < 0,表明有下降的趨勢(shì)。當(dāng)|U|> U0.05/2 = 1.96時(shí),表示序列趨勢(shì)變化顯著。

1.2.2 R/S分析法

R/S分析法，也稱為重標(biāo)極差分析法(Rescaled Range Analysis)，通常用于分析時(shí)間序列的分形特征和長期記憶過程，最初由英國水文學(xué)家赫斯特(Hurst,1951)在研究尼羅河水壩工程時(shí)提出，后經(jīng)過Mandelbrot(1972，1975)，Mandelbrot、Wallis(1969)，Lo(1991)等多人的努力逐步得以完善。方法主要原理如下[25-30]:

對(duì)于一個(gè)時(shí)間序列{Xi},i=1,2,3,…,N。

將時(shí)間序列{Xi}均分為A個(gè)長度為n的子區(qū)間，即A×n=N，標(biāo)記每一個(gè)子區(qū)間為Ti，i=1,2,3…,A，每一個(gè)子區(qū)間的元素為Tj,i，j=1,2,3…,n；i=1,2,3…,A，則每個(gè)區(qū)間的均值為：

ⅰ子區(qū)間Ti對(duì)于相應(yīng)均值的累計(jì)離差：

每個(gè)子區(qū)間的極差定義為：

Ri=maxLk,i-minLk,i(3) 其中1≤k≤n,i=1,2,3…,A

ⅱ 每組子區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)差為：

ⅲ Hurst指數(shù)可表示為：

對(duì)式(5)兩邊取以10為底的對(duì)數(shù)，可得：

2 歷史數(shù)據(jù)的收集與數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來自于鄱陽湖水文局提供的星子水文站監(jiān)測斷面的1988～2016年實(shí)測氨氮、總磷數(shù)據(jù)。

2.2 星子站氮磷監(jiān)測成果

圖2 1998年～2016年星子水文站氨氮監(jiān)測成果
Fig.2 Monitoring results of Ammonia nitrogen in Xingzi hydrological station from 1998 to 2016

圖3 1998年～2016年星子水文站總磷監(jiān)測成果Fig.3 Monitoring results of total phosphorus in Xingzi hydrological station from 1998 to 2016

監(jiān)測站點(diǎn)采用國家標(biāo)準(zhǔn)分析方法堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法(GB/T 11894～1989)分析總氮， GB/T 11893～1989分析總磷[32]?；?988年～2016年實(shí)測數(shù)據(jù)，氨氮、總磷波動(dòng)特征見圖2、3。

由圖2可知：(1)1988年至2016年，星子站斷面氨氮濃度整體波動(dòng)幅度顯著，198個(gè)水質(zhì)樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.115，年際氨氮平均濃度波動(dòng)幅度標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.183。1988～2016年間，氨氮月均濃度最高值發(fā)生在2016年5月，最低值在2014年2月，分別為1.79 mg/L、0.0125 mg/L。2014年，氨氮年均濃度值最高，約0.62 mg/L；2000年，年均濃度最低，約0.02 mg/L。(2)1988～2016年間，氨氮月均濃度值約0.258 mg/L，但其年內(nèi)波動(dòng)特征顯著，豐水期水質(zhì)濃度普遍低于枯水期；1996～2015年期間，氨氮的年內(nèi)波動(dòng)幅度最為顯著；以2014年為例，全年峰值達(dá)1.79 mg/L，而谷值為 0.08 mg/L，僅為峰值的4.5%，全年氨氮濃度波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)0.568。

由圖3可知：(1)1988年至2016年，星子站斷面總磷濃度整體波動(dòng)幅度較弱，179個(gè)水質(zhì)樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.052，年際總磷平均濃度波動(dòng)幅度標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.031。1988～2016年間，總磷月均濃度最高值發(fā)生在1991年2月，最低值在1990年5月，分別為0.354 mg/L、0.005 mg/L。1991年，總磷年均濃度值最高，約0.149 mg/L；2000年年均濃度最低，約0.005 mg/L。(2)1988～2016年，總磷月均濃度值約0.071 mg/L，但其年內(nèi)波動(dòng)特征顯著，豐水期水質(zhì)濃度普遍低于枯水期；1988～1994年期間，總磷的年內(nèi)波動(dòng)幅度最為顯著；以1992年為例，全年峰值達(dá)0.118 mg/L，而谷值為 0.01 mg/L，僅為峰值的8.4%，全年總磷濃度波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)0.06。

2.3 基于Mann-Kendall法和R/S分析法的星子站氨氮、總磷變化趨勢(shì)分析

水體中氨氮、總磷的含量受自然和人為因素的影響很大，上述星子水文站監(jiān)測斷面的氨氮、總磷月際變化過程線從直觀上反映了氨氮、總磷的總體變化走勢(shì)。為了進(jìn)一步揭示氨氮、總磷序列的變化趨勢(shì)，引入Mann-Kendall法檢驗(yàn)氨氮、總磷序列是否存在上升與下降的趨勢(shì)。取置信水平α=0.05，查正態(tài)分布表的臨界值為1.96。結(jié)果如圖3和圖4。

從圖4中可以看出，從1988年到2007年9月份，UFk基本小于0，并且1992年至2003年，︱UFk︱>1.96，其余時(shí)間︱UFk︱<1.96。從2007年9月份到2016年，UFk一直大于0，其中2010年下半年到2016年，︱UFk︱>1.96，其余時(shí)間︱UFk︱<1.96?？傮w來看，從1988年到2007年9月份，星子站監(jiān)測斷面氨氮序列在持續(xù)性下降，其中從1992年至2003年，氨氮序列下降趨勢(shì)顯著；從2007年9月份到2016年，星子站監(jiān)測斷面氨氮序列在持續(xù)性上升，其中2010年下半年到2016年，氨氮序列上升趨勢(shì)顯著。

從圖5可以看出，從1988年到2012年，在此期間，︱UFk︱<1.96。從2012到2016年，UFk一直大于于0，沒有出現(xiàn)UFk大于1.96的情況。總體來看，從1988年到2012年，星子站監(jiān)測斷面總磷序列在持續(xù)性下降，從2012年到2016年，星子站監(jiān)測斷面總磷序列在持續(xù)性上升。不過趨勢(shì)性均比較弱。

圖4 星子站氨氮的Mann-Kendall分析圖
Fig.4 Mann-kendall analysis diagram of ammonia nitrogen in Xingzi hydrological station

圖5 星子站總磷的Mann-Kendall分析圖Fig.5 Mann-kendall analysis diagram of total phosphorus in Xingzi hydrological station

由擬合結(jié)果可知，星子水文站監(jiān)測斷面2010～2006年氨氮序列的Hurst指數(shù)為0.9555，2012～2016年總磷序列的Hurst指數(shù)為0.9993，二者均大于0.5，故星子水文站監(jiān)測斷面氨氮、總磷序列表現(xiàn)為一種強(qiáng)持續(xù)性序列，即未來星子水文站監(jiān)測斷面氨氮、總磷與過去具有相同的變化趨勢(shì)。由此可以推測，未來星子水文站監(jiān)測斷面氨氮濃度呈上升狀態(tài)，總磷濃度呈現(xiàn)輕微上升的趨勢(shì)。

圖6 氨氮趨勢(shì)分析
Fig.6 Trend Analysis of ammonia

圖7 總磷趨勢(shì)分析Fig.7 Trend analysis of total phosphorus

3 結(jié)語

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展為鄱陽湖帶來了大量的氮、磷等生源物質(zhì)以及有機(jī)碳等化學(xué)耗氧物質(zhì)，這些物質(zhì)的日益增多導(dǎo)致鄱陽湖及其鄰近水域富營養(yǎng)化不斷加劇，帶來水華等極為嚴(yán)重的環(huán)境問題。因此，必須加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域的環(huán)境保護(hù)，防止由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展而污染環(huán)境，影響經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

本文基于星子斷面1988-2016年氨氮、總磷實(shí)測結(jié)果，綜合應(yīng)用Mann-Kendall法和R/S分析法較好地分析氨氮、總磷序列未來的趨勢(shì)特征。Mann-Kendall法可以較好的分析序列各個(gè)階段的趨勢(shì)變化，R/S分析法能夠?qū)Ψ治鲂蛄形磥碜兓内厔?shì)強(qiáng)度。結(jié)果表明未來星子水文站監(jiān)測斷面氨氮濃度呈上升狀態(tài)，總磷濃度呈現(xiàn)輕微上升的趨勢(shì)。