黃岡河流域水質(zhì)污染程度變化與趨勢分析

陳澤榕

(廣東省水文局汕頭水文分局，廣東 汕頭 515041)

1 概述

當(dāng)水資源受到污染時，水體本身的自凈功能會逐漸降低，甚至?xí)适?，進一步發(fā)展會造成部分地區(qū)和城市形成“水質(zhì)型”缺水局面。當(dāng)前水質(zhì)污染已經(jīng)成為部分城市最主要的水環(huán)境問題，若不能實現(xiàn)以環(huán)境保護優(yōu)化經(jīng)濟發(fā)展為核心的發(fā)展模式，會造成水域環(huán)境污染問題進一步惡化[1]。當(dāng)前，流域水的污染治理已經(jīng)得到了相關(guān)領(lǐng)域研究人員的重點關(guān)注。因此，流域水的污染治理已經(jīng)從理念逐漸轉(zhuǎn)變到防治階段，但面臨的污染問題仍然十分嚴峻[2]。黃岡河流域是廣東省潮州市地表水系的重要組成成分，從上游到下游斷面順序依次為三饒、湯溪水庫、黃崗。隨著近幾年該地區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展，各類工業(yè)建筑的建成以及工業(yè)企業(yè)的發(fā)展規(guī)模進一步擴大，使得黃岡河流域的污染問題日趨嚴重。因此，為了解決當(dāng)前黃岡河流域水質(zhì)污染問題，并根據(jù)其污染程度變化提出針對性的解決對策，本文在引入Mann-Kendall法的基礎(chǔ)上，以黃岡河流域作為研究對象，開展對該區(qū)域水質(zhì)污染程度變化與趨勢的研究[3-4]。

Mann-Kendall法是一種基于統(tǒng)計學(xué)理論的檢驗方法，當(dāng)前這一分析方法常被應(yīng)用于對氣溫、降水、徑流等水文氣象的預(yù)測領(lǐng)域中，通過少量的數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)對長期變化趨勢的預(yù)測。同時，在實際應(yīng)用中Mann-Kendall法不需要遵從一定的分布規(guī)律，并且也不會受到數(shù)據(jù)中異常數(shù)值的影響，具備預(yù)測精度高的優(yōu)勢。因此，選擇Mann-Kendall法對黃岡河流域水質(zhì)污染程度進行分析。

2 實驗與方法

2.1 實驗研究對象

為實現(xiàn)對水質(zhì)污染程度變化的分析以及對其未來趨勢的預(yù)測，選擇將黃岡河流域作為實驗研究對象。黃岡河流域位于廣東省東部沿海地區(qū)，具體經(jīng)緯度為：東經(jīng)116°35′～117°11′，北緯23°28′～24°14′。在黃岡河流域匯聚了10余條支流，并覆蓋12個鎮(zhèn)，全程超過80 km。由于生活垃圾堆放、生活廢水排放不合理等問題，造成該地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不佳，使黃岡河流域水質(zhì)受到嚴重影響。黃岡河流域監(jiān)測斷面如圖1所示。

2.2 實驗材料與方法

在實驗過程中，為確保獲取到的各項數(shù)據(jù)具備更高精度和利用價值，針對黃岡河流域中各類物質(zhì)組成成分含量進行測定，測定BOD5、氨氮、DO等多種物質(zhì)在水體當(dāng)中的含量，將測定結(jié)果作為Mann-Kendall法分析的數(shù)據(jù)依據(jù)[5-6]。

2.3 實驗方法

2.3.1Mann-Kendall法

針對上述實驗研究對象，運用Mann-Kendall法分析水質(zhì)污染程度。假設(shè)實驗過程中，獲取的時間數(shù)據(jù)中原有時間序列數(shù)據(jù)為H0，其表達式為：

H0=(X1,X2,…,Xn)

(1)

式中:

X1、X2、Xn——均表示獨立的隨機變量。

定義備選數(shù)據(jù)，將雙邊檢驗假設(shè)為H1，則進一步得出Mann-Kendall法統(tǒng)計的變量計算公式為：

(2)

式中:

S——統(tǒng)計變量數(shù)值結(jié)果，且統(tǒng)計變量符合正態(tài)分布；

G(xj-xk)——檢驗變量。

G(xj-xk)的取值為-1，0，1，當(dāng)S的取值為大于0時，此時G(xj-xk)取值為1；當(dāng)S的取值為0時，此時G(xj-xk)取值為0；當(dāng)S的取值為小于0時，此時G(xj-xk)取值為-1。標準化處理S，得到統(tǒng)計變量結(jié)果，假設(shè)這一結(jié)果為Z，則給定一個置信區(qū)間，當(dāng)Z的取值大于0時，變量呈現(xiàn)上升趨勢；當(dāng)Z的取值小于0時，變量呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)其絕對值為1.64時，則此時檢驗變量達到0.05的顯著性水平[7]。根據(jù)上述論述，通過Mann-Kendall法實現(xiàn)對水質(zhì)污染程度正序列、逆序列變化的直觀描述，以此便于分析和預(yù)測水質(zhì)污染的具體程度變化以及趨勢[8]。

2.3.2水質(zhì)污染程度指數(shù)法

上述方法主要完成了水質(zhì)污染程度的分析，但是僅依賴分析結(jié)果無法準確評價水質(zhì)污染，因此，為了實現(xiàn)量化評價水質(zhì)污染程度，引入水質(zhì)污染程度指數(shù)，按照下述流程，完成計算水質(zhì)污染程度指數(shù)值[9-11]。最終得到的水質(zhì)污染程度指數(shù)包含整數(shù)位以及3～4位小數(shù)，其計算公式為：

Pi=X1·X2X3X4

(3)

式中：

Pi——黃岡河流域水質(zhì)污染程度指數(shù)；

X1——影響因子綜合得分；

X2——影響因子數(shù)值平均值；

X3——單因子數(shù)量；

X4——評價目標數(shù)值。

根據(jù)上述公式，完成對黃岡河流域水質(zhì)污染程度的量化評價[12-14]。

3 實驗結(jié)果分析與討論

3.1 水質(zhì)指標濃度變化規(guī)律

3.1.1黃岡河流域水質(zhì)氨氮污染程度變化規(guī)律

結(jié)合上述實驗過程，運用Mann-Kendall法對黃岡河流域內(nèi)上中下游斷面氨氮、總磷、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)和BOD5年均值變化進行分析，上中下游3個斷面依次是三饒、湯溪水庫大壩和黃崗。記錄黃岡河流域三饒斷面、黃崗斷面、湯溪水庫斷面2017—2021年的氨氮含量變化，并將其變化曲線繪制成圖2。

圖2 2017—2021年黃岡河流域主要斷面氨氮含量變化曲線示意

由圖2可知，三饒斷面氨氮含量呈現(xiàn)先上升后下降，然后基本不變的情況，黃崗斷面的氨氮含量整體呈現(xiàn)下降情況，雖然在2021年略有上升，但是上升幅度較小，而湯溪水庫斷面的氨氮含量基本沒有變化，波動小，穩(wěn)定在0.04 mg/L左右。在3個斷面中，氨氮含量在2018年和2017年最高，其中三饒斷面最高，氨氮含量達到了0.69 mg/L。由此可知，氨氮含量隨著時間的變化和治理整體呈現(xiàn)降低的趨勢。

3.1.2總磷、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)和BOD5變化規(guī)律

記錄黃岡河流域三饒斷面、黃崗斷面、湯溪水庫斷面2017—2021年的總磷、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)及BOD5含量的年均值濃度變化趨勢，統(tǒng)計結(jié)果見表1所示。

表1 主要斷面主要污染物含量變化 mg/L

由表1數(shù)據(jù)可知，3個斷面中的多數(shù)主要污染物在2018年出現(xiàn)了較大的波動，該值與前后數(shù)據(jù)差值大。湯溪水庫斷面中的總磷、高錳酸鹽指數(shù)和BOD5含量在5年內(nèi)變化小，溶解氧濃度由2017年的8.07 mg/L降低至2021年的7.07 mg/L?？偭缀吭谌垟嗝?、黃崗斷面出現(xiàn)了較大的波動變化，但是在兩個斷面的變化趨勢截然相反，其在黃崗斷面成下降趨勢，在三饒斷面成呈現(xiàn)上升趨勢，其他主要污染物含量變化較小。根據(jù)分析可知，該地區(qū)總磷污染最為嚴重，其他污染物次之，但是整體水質(zhì)呈較為嚴重污染狀態(tài)，需要急時治理。

3.2 Mann-Kendall法檢驗分析

3.2.1水質(zhì)污染程度指數(shù)變化

結(jié)合上述論述，對3個斷面的主要污染指標進行Mann-Kendall檢測，置信區(qū)間為95%，當(dāng)標準正態(tài)分布數(shù)值為±1.96時，此時為顯著水平；當(dāng)標準正態(tài)分布數(shù)值為±2.58時，此時為極顯著水平。斷面水質(zhì)污染程度指數(shù)數(shù)據(jù)見表2所示，Mann-Kendall法污染程度指標統(tǒng)計變量曲線見圖3。

表2 上中下游斷面水質(zhì)污染程度指數(shù)

圖3 Mann-Kendall法污染程度指標統(tǒng)計變量曲線示意

圖3中的黑色曲線為統(tǒng)計變量數(shù)值結(jié)果S，藍色曲線為趨勢變化曲線。從表2和圖3中的數(shù)據(jù)可以看出，在三饒斷面的水質(zhì)污染程度指標標準正態(tài)分布數(shù)值在±1.96之內(nèi)，多數(shù)指標呈現(xiàn)不顯著的突變情況，而在湯溪水庫斷面和黃岡斷面的高錳酸鹽指數(shù)和氨氮指數(shù)的標準正態(tài)分布數(shù)值分別為-3.254、-2.265、-3.157和-2.953，該值均大于±2.58，并且超過顯著水平線，表現(xiàn)出極顯著變化，出現(xiàn)了突變的情況，其他指標未表現(xiàn)出顯著變化。其中總磷指標與其他指標不同，在湯溪水庫斷面呈現(xiàn)下降趨勢，但是在三饒斷面又呈現(xiàn)了上升趨勢，變化波動較大，說明總磷在下游的污染更嚴重，DO指標整體呈現(xiàn)下降趨勢，其他指標呈現(xiàn)成整體上升趨勢。

3.2.2重金屬污染情況

進一步采用Mann-Kendall法對黃岡河流域內(nèi)上中下游斷面重金屬污染情況進行分析，分析汛期(3—10月)與非汛期3個斷面的重金屬污染超標情況，結(jié)果見表3和圖4所示。

表3 上中下游斷面重金屬污染超標情況

a 汛期

b 非汛期圖4 Mann-Kendall法重金屬污染超標統(tǒng)計變量曲線示意

圖4中黑色曲線為統(tǒng)計曲線S，藍色曲線為趨勢曲線。由表3和圖4中的數(shù)據(jù)可知，在汛期，3個斷面的重金屬污染超標程度排序為湯溪水庫斷面<黃崗斷面<三饒斷面。其中鐵和錳呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在湯溪水庫斷面呈現(xiàn)顯著水平，其中鐵在黃崗斷面也呈現(xiàn)顯著水平，在該斷面出現(xiàn)了突變。鋅和銅變化幅度較小，并且沒有呈現(xiàn)顯著變化，未達到顯著水平。非汛期時，僅鐵波動較大，其呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，并且在湯溪水庫斷面和黃崗斷面均呈現(xiàn)顯著變化，其他重金屬污染超標比例變化較小。由此說明汛期的重金屬超標情況會明顯比非汛期嚴重，其中最嚴重的重金屬為鐵和錳。

3.2.3糞大腸菌群指數(shù)變化情況

以該地區(qū)斷面污染情況的年平均值為基礎(chǔ)，進一步分析汛期與非汛期3個斷面的糞大腸菌群指數(shù)變化情況，結(jié)果見表4所示。

表4 各斷面糞大腸菌群指數(shù)變化情況MPN/L

圖5中的黑色曲線為Mann-Kendall法統(tǒng)計結(jié)果S，藍色曲線為趨勢曲線。由表4和圖5中的數(shù)據(jù)可知，在汛期，糞大腸菌群指數(shù)整體呈現(xiàn)先降低后增高的趨勢，其在湯溪水庫斷面的數(shù)值最低，趨勢超過了0.05顯著水平線，呈現(xiàn)出了顯著變化，并且黃崗斷面的糞大腸菌群指數(shù)也呈現(xiàn)顯著變化，但是顯著性沒有湯溪水庫斷面高，由此可知，糞大腸菌群指數(shù)在湯溪水庫斷面發(fā)生突變。在非汛期，糞大腸菌群指數(shù)也呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢，但是在黃崗斷面上升幅度低，整體呈現(xiàn)下降趨勢，但是在湯溪水庫斷面超過了顯著水平線，達到了顯著變化，糞大腸菌群指數(shù)降低幅度較大，發(fā)生突變。三饒斷面的水污染最嚴重，且汛期的糞大腸菌群指數(shù)明顯高于非汛期，需要在該斷面實施針對性的改進措施。

圖5 Mann-Kendall法糞大腸菌群指數(shù)統(tǒng)計變量曲線示意

4 黃岡河流域水質(zhì)污染變化特點與趨勢分析

1) 研究區(qū)域總磷污染最為嚴重，其他污染物次之，但是整體水質(zhì)呈現(xiàn)較為嚴重污染狀態(tài)，需要及時治理。

2) 在湯溪水庫斷面和黃崗斷面的高錳酸鹽指數(shù)和氨氮指數(shù)超過顯著水平線，表現(xiàn)出極顯著變化，其他指標未表現(xiàn)出顯著變化。其中總磷指標與其他指標不同，在湯溪水庫斷面呈現(xiàn)下降趨勢，但是在三饒斷面又呈現(xiàn)了上升趨勢，變化波動較大，說明總磷在下游的污染更嚴重，DO指標整體呈現(xiàn)下降趨勢，其他指標呈現(xiàn)成整體上升趨勢。

3) 在汛期，3個斷面的重金屬污染超標程度排序為湯溪水庫斷面<黃崗斷面<三饒斷面。其中鐵和錳呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在湯溪水庫斷面呈現(xiàn)顯著水平，其中鐵在黃崗斷面也呈現(xiàn)顯著水平。非汛期時，僅鐵波動較大，其呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，并且在湯溪水庫斷面和黃崗斷面均呈現(xiàn)顯著變化。由此說明汛期的重金屬超標情況會明顯比非汛期嚴重，其中最嚴重的重金屬為鐵和錳。

4) 在汛期，3個斷面的糞大腸菌群指數(shù)均呈現(xiàn)出上升的變化趨勢，并且在湯溪水庫斷面和黃崗斷面呈現(xiàn)顯著變化。在非汛期，糞大腸菌群指數(shù)呈現(xiàn)先降低后上升趨勢，但在上升后，黃崗斷面的糞大腸菌群指數(shù)仍較低，其未達到了顯著變化。三饒斷面的水污染最嚴重，且汛期的糞大腸菌群指數(shù)明顯高于非汛期。

根據(jù)分析可知，該地區(qū)水質(zhì)污染嚴重，并且該區(qū)域水質(zhì)污染在未來一段期間污染程度還會進一步增加，水質(zhì)也將逐漸惡化，因此，對其進行水處理具有一定的現(xiàn)實意義。

5 結(jié)語

通過本文論述研究，以黃岡河流域作為實驗研究區(qū)域，采用Mann-Kendall法對其水質(zhì)污染程度變化進行分析。結(jié)果表明：根據(jù)各項污染指標的變化情況來看，該區(qū)域水質(zhì)污染較為嚴重；汛期的重金屬超標情況和糞大腸菌群指數(shù)明顯比非汛期嚴重，其中鐵和錳污染最為嚴重。基于實驗研究結(jié)果，在具體針對其開展水質(zhì)治理時，可采取控制支流污染輸入、降低農(nóng)業(yè)面源污染、嚴格控制工廠企業(yè)污水排放等，以此促進黃岡河流域水質(zhì)污染程度的降低，促進其可持續(xù)發(fā)展。