基于季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)法的碧流河上中游水質(zhì)預(yù)測(cè)研究

于秀英

(凌源市興源街道水利站,遼寧 凌源 22500)

1 研究區(qū)概況

碧流河是遼東半島的主要河流之一，發(fā)源于遼寧省大連市蓋州市萬(wàn)福鎮(zhèn)廟溝新開(kāi)嶺，海拔高度1047 m。碧流河在蛤螞什嶺附近進(jìn)入大連市莊河市，并在陽(yáng)街道尖山村河口注入黃海。碧流河干流全長(zhǎng)156 km，多年平均徑流量8.6億m3，是大連市的主要地表水來(lái)源河流[1]。碧流河萬(wàn)福鎮(zhèn)以上河段為上游，萬(wàn)福鎮(zhèn)至碧流河水庫(kù)段為中游，碧流河水庫(kù)以下為下游。碧流河流域?qū)儆诘湫偷闹袦貛駶?rùn)氣候，四季分明，多年平均氣溫10.6 ℃，多年平均降雨量739.4 mm。流域內(nèi)主要土地類型為林地和耕地，分別占全部流域面積的75%和19%，其余為居民用地、水域等土地利用類型。流域內(nèi)有小石硼、孟家店等9個(gè)氣象站以及礦洞溝、繭場(chǎng)、玉石水庫(kù)、碧流河四個(gè)水文站。

隨著大連市城市發(fā)展速度的加快，為了解決城市供水問(wèn)題，1985年8月在碧流河干流上修建了碧流河水庫(kù)，并先后在其上中游的干流和支流上修建了玉石水庫(kù)、紅旗水庫(kù)等兩座中型水庫(kù)和7座小型水庫(kù)。其中，碧流河水庫(kù)位于大連市與營(yíng)口市交界處的碧流河干流上，距大連市區(qū)175 km，集水面積2085 km2，最大庫(kù)容9.34億m3[2]。水庫(kù)建成之后一直是大連市的主要供水水源地，自建成投入運(yùn)行以來(lái)，已經(jīng)累計(jì)向大連市供水25億m3[3]。隨著遼東半島地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，大連市水資源短缺問(wèn)題日漸突出，而碧流河流域的污染情況也不容忽視。在這一背景下，為了保證碧流河水庫(kù)向大連市提供優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定的水資源，加強(qiáng)對(duì)碧流河上中游的水質(zhì)的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)工作就顯得十分重要。

2 季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)法基本原理與計(jì)算流程

季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)法是水質(zhì)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)研究領(lǐng)域的重要方法，其主要優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)ρ芯繑嗝姹O(jiān)測(cè)資料的非正態(tài)分布特征的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)研究斷面未來(lái)水質(zhì)特征的發(fā)展和變化趨勢(shì)進(jìn)行準(zhǔn)確掌握[4]。根據(jù)碧流河中上游污染現(xiàn)狀和污染物的主要特點(diǎn)，研究中選擇DO、CODmn、BOD5、NH3-N、TN和TP以及F-七種主要污染物作為水質(zhì)狀況的分析參數(shù)，根據(jù)2014—2018年5 a的水質(zhì)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)研究斷面未來(lái)水質(zhì)變化特征進(jìn)行分析。

在季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)法中，零假設(shè)作為隨機(jī)變量出現(xiàn)，并且具有時(shí)間層面的獨(dú)立性，假定研究斷面在一年的 12個(gè)月中水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)具有大致相同的概率分布[5]，即可構(gòu)建出n年p月水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)矩陣如式(1)所示：

(1)

式中：x11，…xnp為各年各月份污染物指標(biāo)濃度監(jiān)測(cè)值，mg/L。

(1)對(duì)前p個(gè)月中第i個(gè)月情況的分析

設(shè)第i月內(nèi)的水質(zhì)序列中有ni個(gè)數(shù)值沒(méi)有被漏測(cè)，然后將所有月份的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并用xji-xki表示實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的差值。按照差值的符號(hào)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果有Pi個(gè)正差值和Qi個(gè)負(fù)差值，并設(shè)Si=Pi-Qi在零假設(shè)具有正態(tài)分布特征，那么其均值如式(2)所示，方差如式(3)所示，第i月內(nèi)可以作比較的差值數(shù)據(jù)組個(gè)數(shù)mi表達(dá)如式(4)所示。

E(Si)=0

(2)

(3)

(4)

(2)對(duì)前p個(gè)月的整體情況分析

前p個(gè)月參數(shù)如式(5)～式(7)所示：

(5)

(6)

(7)

如果n≥10,S也滿足正態(tài)分布特征，則標(biāo)準(zhǔn)方差Z如式(8)所示：

(8)

(3)趨勢(shì)檢驗(yàn)

(9)

趨勢(shì)檢驗(yàn)顯著水平α的表達(dá)式為：

(10)

根據(jù)季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)法的理論研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[6]，趨勢(shì)檢驗(yàn)的顯著性水平α的臨界值為0.1和0.01。具體而言，當(dāng)α≤0.01時(shí)，Kendall檢驗(yàn)結(jié)果為高度顯著性；當(dāng)0.01≤α≤0.1時(shí)，Kendall檢驗(yàn)結(jié)果為顯著性。當(dāng)t>0時(shí)，Kendall檢驗(yàn)結(jié)果的顯著性呈上升趨勢(shì)；當(dāng)t<0時(shí)，Kendall檢驗(yàn)結(jié)果的顯著性呈下降趨勢(shì)；當(dāng)t=0時(shí)，Kendall檢驗(yàn)結(jié)果顯著性無(wú)明顯變化。

3 檢驗(yàn)結(jié)果及分析

研究中選取礦洞溝、繭場(chǎng)、玉石水庫(kù)、碧流河四個(gè)監(jiān)測(cè)斷面2014—2018年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)碧流河上中游河段未來(lái)的水質(zhì)變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)分析，將上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入軟件，得到表1～表4的檢驗(yàn)結(jié)果。

表1 礦洞溝斷面水質(zhì)趨勢(shì)分析結(jié)果

表2 繭場(chǎng)斷面水質(zhì)趨勢(shì)分析結(jié)果

表3 玉石水庫(kù)斷面水質(zhì)趨勢(shì)分析結(jié)果

表4 碧流河斷面水質(zhì)趨勢(shì)分析結(jié)果

從表1-表4所列的碧流河中上游四個(gè)斷面的評(píng)價(jià)結(jié)果可以獲得如下結(jié)論：從總氮指標(biāo)來(lái)看，碧流河中上游的污染最為嚴(yán)重的是總氮指標(biāo)，全部四個(gè)計(jì)算斷面均已經(jīng)超過(guò)國(guó)家地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的V 類標(biāo)準(zhǔn)，在繭場(chǎng)和玉石水庫(kù)斷面該指標(biāo)沒(méi)有明顯的升降變化趨勢(shì)，而其余兩個(gè)斷面呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢(shì)。究其原因，主要是上游地區(qū)大力推廣綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)以及農(nóng)民環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，碧流河水庫(kù)由于受到大伙房水庫(kù)供水工程來(lái)水量不斷增大的影響，水庫(kù)水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)，特別是總氮指標(biāo)下降比較顯著。從溶解氧指標(biāo)來(lái)看，玉石水庫(kù)斷面呈顯著上升趨勢(shì)，這與當(dāng)?shù)鼐用窕顒?dòng)有一定關(guān)系，繭場(chǎng)斷面無(wú)明顯變化，其余兩個(gè)斷面呈顯著下降趨勢(shì)。高錳酸鉀、五日生化需氧量以及總磷指標(biāo)的各個(gè)斷面濃度指數(shù)變化波動(dòng)不大，大部分?jǐn)嗝娉薀o(wú)明顯變化趨勢(shì)。氨氮和氟化物指標(biāo)在繭場(chǎng)斷面呈顯著下降趨勢(shì)，其余斷面無(wú)明顯變化，究其原因主要與河流匯流后流量增大，污染物遭到一定程度稀釋有關(guān)。總體而言，碧流河上中游水體除了總氮指標(biāo)超標(biāo)比較嚴(yán)重之外，其余指標(biāo)值均符合Ⅰ類至Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水體水質(zhì)情況總體穩(wěn)定，可以滿足向大連市供水的基本要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本次研究中調(diào)查了碧流河上中游地區(qū)的自然與社會(huì)情況，利用季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)法對(duì)四個(gè)典型斷面的水質(zhì)情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，碧流河上中游水體除了總氮指標(biāo)超標(biāo)比較嚴(yán)重之外，其余指標(biāo)值均符合Ⅰ類至Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水體水質(zhì)情況總體穩(wěn)定，可以滿足向大連市供水的基本要求。但是，鑒于提高碧流河水庫(kù)供水水質(zhì)以及研究區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的需求，碧流河上中游蓋州市和莊河市等各級(jí)政府應(yīng)該進(jìn)一步加大環(huán)境保護(hù)力度，特別是不斷推進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)推廣力度，加大對(duì)流域內(nèi)高污染工礦業(yè)的監(jiān)管，提高廣大居民的環(huán)保意識(shí)，不斷降低污染物排放量，為從源頭提升碧流河上中游的水質(zhì)提供保障。