基于Spearman秩相關(guān)系數(shù)法分析水磨河水質(zhì)變化趨勢

文_田甜 新疆維吾爾自治區(qū)固體廢物管理中心

隨著社會的快速發(fā)展及工業(yè)化的進(jìn)程，人口的增加，越來越多的生活污水以及工業(yè)廢水排入河流、湖泊，導(dǎo)致河流湖泊的生態(tài)系統(tǒng)被打亂，造成嚴(yán)重污染。本文筆者將研究為烏魯木齊市做了諸多貢獻(xiàn)的水磨河，基于Spearman秩相關(guān)系數(shù)法通過對水磨河五個斷面的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行年度秩相關(guān)系數(shù)的指標(biāo)分析，對水磨河的水環(huán)境變化趨勢進(jìn)行分析，研究引起水磨河的水環(huán)境變化的主要原因，為綜合治理方案和環(huán)境管理提供參考的依據(jù)。

1 水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)布局

根據(jù)水磨河不同河段的水質(zhì)目標(biāo)要求，并考慮各河段的主要水環(huán)境功能，將水磨河流域污染控制單元具體劃分為：搪瓷廠泉、七紡橋、聯(lián)豐橋、米泉橋和三個莊。根據(jù)工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和城市布局水磨河流域的特點(diǎn),搪瓷的水源保護(hù)區(qū)位于上游為對照斷面，七紡橋斷面和聯(lián)豐橋斷面被歸類為控制斷面,米泉橋和三個莊在河的下游則被定義為消減斷面。

論文以水磨河具有代表性的5個監(jiān)測斷面(搪瓷廠泉斷面、七紡橋、聯(lián)豐橋、米泉橋、三個莊)為例，選取2012～2016年溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、化學(xué)需氧量、總磷、總氮等指標(biāo)作為評價因子依據(jù)對水磨河的水環(huán)境變化趨勢進(jìn)行分析。

2 分析方法介紹

采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法評價污染物隨時間變化的規(guī)律，對污染物變化趨勢進(jìn)行定量分析。對水磨河流域水污染趨勢的定量分析，采用秩相關(guān)系數(shù)法其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：rs─秩相關(guān)系數(shù)；

xi─周期 1 到周期N按濃度值從小到大排列的序號；

yi─按時間排列的序號；

di─變量xi和變量yi的差值；

N─時間周期數(shù)。

將秩相關(guān)系數(shù)rs的絕對值同spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表（見表1）中的臨界值Wp進(jìn)行比較。

當(dāng)rs＞W(wǎng)p則表明變化趨勢有顯著意義：

如果rs是負(fù)值，則表明在評價時段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計量指標(biāo)變化呈下降趨勢或好轉(zhuǎn)趨勢；

如果rs為正值，則表明在評價時段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計量指標(biāo)變化呈上升趨勢或加重趨勢；

當(dāng)rs≤Wp則表明變化趨勢沒有顯著意義：說明在評價時段內(nèi)水質(zhì)變化穩(wěn)定或平穩(wěn)。

表1 秩相關(guān)系數(shù)的臨界值 （Wp）

3 水磨河各斷面水環(huán)境變化趨勢分析

對水磨河流域水污染趨勢的定量分析，采用 Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法評價水磨河流域中污染物隨時間變化的規(guī)律。根據(jù)水磨河流域五個斷面2012～2016年五年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法得出水磨河流域主要污染物的秩相關(guān)系數(shù)rs，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 水磨河流域五個斷面五年水質(zhì)主要污染物的秩相關(guān)系數(shù)

當(dāng)N為5時（2012～2016年有五個時間序列），在顯著水平為0.05時臨界值Wp=0.900，對表3進(jìn)行分析得到：

搪瓷廠泉斷面中，除高錳酸鹽指數(shù)和溶解氧的rs絕對值大于Wp臨界值以外，其余數(shù)值均小于Wp。故在搪瓷廠泉斷面，高錳酸鹽指數(shù)隨時間變化呈下降趨勢，相應(yīng)的溶解氧隨著時間的變化呈現(xiàn)上升的趨勢，而其余污染物在此斷面沒有顯著的上升或下降趨勢，因此搪瓷廠斷面的水環(huán)境質(zhì)量總體呈平穩(wěn)向好的趨勢。七紡橋斷面的硫酸鹽濃度隨時間變化呈上升趨勢，其余污染物在此斷面沒有顯著的上升或下降趨勢，即七坊橋斷面整體呈平穩(wěn)狀態(tài)，但后續(xù)需關(guān)注硫酸鹽的變化趨勢。聯(lián)豐橋斷面的高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總氮隨時間變化呈下降趨勢，溶解氧隨著時間的變化呈現(xiàn)上升的趨勢，說明聯(lián)豐橋斷面的水質(zhì)正趨于轉(zhuǎn)好。米泉橋和三個莊斷面的高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量在這五年中也呈現(xiàn)下降趨勢，溶解氧隨著時間的變化呈現(xiàn)上升的趨勢，同樣表明這兩個斷面目前為止雖然仍未達(dá)到V類水的標(biāo)準(zhǔn)，但總體趨勢還是在逐年變好。

4 水磨河流域污水排放對其水質(zhì)變化趨勢的影響分析

(1) 工業(yè)廢水排放

根據(jù)烏魯木齊市城市總體規(guī)劃和烏魯木齊市環(huán)境保護(hù)十三五規(guī)劃，到2020年，烏魯木齊市工業(yè)廢水處理率達(dá)到88%，水磨河流域點(diǎn)源污染企業(yè)全部搬遷或關(guān)停。根據(jù)環(huán)境統(tǒng)計，目前沒有以水磨河流域作為污染物受納體的工業(yè)企業(yè)，現(xiàn)在工業(yè)企業(yè)主要集中在米東工業(yè)園區(qū)，產(chǎn)生的工業(yè)廢水全部由工業(yè)園區(qū)污水處理廠或處理站接納處理并實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)處理與再生利用，將不再排放廢水和污染物。所以工業(yè)廢水對水質(zhì)變化趨勢無影響。

(2) 居民生活污水排放

根據(jù)烏魯木齊市2015年統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)顯示，水磨河流域天山區(qū)、水磨溝區(qū)和米東區(qū)2014年常住人口為117.05萬人，其中城鎮(zhèn)人口84.5萬人，鄉(xiāng)村人口32.5萬人。2014年人口自然增長率天山區(qū)為7.22‰、水磨溝區(qū)6.73‰、米東區(qū)9.44‰。顧由此推測，到2020年烏魯木齊市人口依舊成增長趨勢。居民生活污水排放量方面會對水質(zhì)變化趨勢有較大影響，人口的增加會對生活用水的排污量增加。

(3) 城鎮(zhèn)生活垃圾排放

水磨河流域內(nèi)共有垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站18處，覆蓋流域內(nèi)所有13個街道。天山區(qū)、水磨溝區(qū)屬中心城區(qū)，生活垃圾收集、處理體系完備，基本不會對河道造成污染。

(4) 農(nóng)業(yè)污水排放

農(nóng)業(yè)污染源主要來源于水磨河下游聯(lián)豐橋斷面以下農(nóng)村居民生活污水、畜禽養(yǎng)殖及農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)生的污染物。受烏魯木齊的城鎮(zhèn)化進(jìn)程的影響，烏魯木齊城市規(guī)劃繼續(xù)實(shí)施“南控北擴(kuò)、西延?xùn)|進(jìn)”戰(zhàn)略，作為水磨河下游的米東區(qū)為重點(diǎn)發(fā)展方向。受此影響，農(nóng)業(yè)種植面積只減不增。農(nóng)業(yè)種植排水也會呈現(xiàn)減少趨勢。

(5) 污水處理廠污水排放

水磨河流域河道沿線有七道灣污水處理廠和河?xùn)|污水污水處理廠水質(zhì)未達(dá)一級A標(biāo)準(zhǔn)排放入河，根據(jù)兩家污水處理廠水磨河入口上游100m、水磨河入口下游500m和河?xùn)|污水處理廠水磨河入口上游100m、水磨河入口下游500m的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果顯示，有高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總氮、總磷等多項項目嚴(yán)重超標(biāo)。由于兩個污水處理廠的排放來水量較大，基本成為聯(lián)豐橋之后水磨河河道的主要補(bǔ)給水源，即使污水處理廠的出水水質(zhì)達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)，仍會對水磨河下游水質(zhì)有影響。

5 結(jié)語

基于Spearman秩相關(guān)系數(shù)法評價污染物隨時間變化的規(guī)律，對水磨河污染物變化趨勢進(jìn)行定量分析的結(jié)果表明：在過去幾年內(nèi)采取的水磨河尤其是水磨河下游的水環(huán)境治理措施和政策是有效的。而對今后影響水磨河水環(huán)境質(zhì)量主要因素的居民生活污水、畜禽養(yǎng)殖污水以及污水處理廠的出水排放，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行管理，加強(qiáng)日常監(jiān)管，科學(xué)保護(hù)水資源。