季節(jié)性Kendall檢驗分析湘江長沙段水質變化趨勢

彭 珂，董曉鋼，張曉范，羅 鈺

長沙市環(huán)境監(jiān)測中心站，湖南 長沙 410001

湘江發(fā)源于湘桂邊境海洋山西麓，入湘后經(jīng)衡陽、株洲、湘潭、長沙等8個市州歸洞庭入長江，是湖南省最長、流域面積最廣的河流。湘江長沙段由南向北縱貫市區(qū)，河段長74 km，常年徑流量692.50億m3，豐枯水期較為明顯，是長沙市最重要的生產(chǎn)、生活用水來源。該文以湘江長沙段三汊磯斷面2001—2011年水質監(jiān)測結果為樣本，首次運用季節(jié)性Kendall檢驗方法分析水質變化趨勢、污染來源及河水流量對水質的影響程度，對于保護湘江水質、加強水資源環(huán)境管理具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 代表斷面

選取長沙市區(qū)下游控制斷面三汊磯為代表性斷面進行分析。

1.2 評價項目

根據(jù)湘江長沙段地表水污染特點，確定氨氮、總磷、總鎘、總砷 4項指標為評價項目，采用2001—2011年長沙市水質監(jiān)測數(shù)據(jù)及同步水文資料進行分析。

1．3 方法原理

由于天然水質數(shù)據(jù)一般具有非正態(tài)分布性及流量、季節(jié)相關性，不同水期的水質數(shù)據(jù)缺乏可比性，美國統(tǒng)計學家Kendall于1982年提出一種新的非參數(shù)檢驗——季節(jié)性Kendall檢驗。該檢驗具有不受河水流量周期性變化、漏測值和未檢出值影響的優(yōu)點。

季節(jié)性Kendall檢驗原理［1］是將歷年相同月(季)的水質資料進行比較，后面值(時間上)高于前面值的，記為“+”，否則記為“－”。如果“+”的個數(shù)比“－”的個數(shù)多，則可能為上升趨勢，反之可能為下降趨勢，如果相等則為基本無趨勢。

肯德爾發(fā)現(xiàn)，當n≥10時，隨機序列S(各月歷年水質系列正負號之和)近似服從正態(tài)分布：

當α≤0.01時，說明檢驗具有高度顯著性水平;當0.01＜α≤0.1時，說明檢驗是顯著的?？系聽枡z驗定義統(tǒng)計量t=s/m(m為可進行比較的差值數(shù)據(jù)組個數(shù)之和)，當t＞0時說明具有顯著(或高度顯著性)上升趨勢，當t＜0時則說明具有顯著(或高度顯著)下降趨勢，當t=0時無趨勢。

另外，還可對流量校正后的濃度進行季節(jié)性Kendall檢驗，判斷水質變化趨勢是由流量因素造成的還是由污染因素造成的，也可間接判斷是面源污染還是點源污染。檢驗中，采用以下7種流量校正方程：①f(Q)=a+bQ;②f(Q)=a+blnQ;③f(Q)=a+b/Q;④lnf(Q)=a+blnQ;⑤f(Q)=a+bQ+cQ2;⑥f(Q)=a+b/(1+βQ);⑦lnf(Q)=a+blnQ+c(lnQ)2(Q為河水流量，β為調節(jié)系數(shù)，a、b、c為回歸常數(shù))。根據(jù)濃度和流量系列分別估算上述方程式中的a、b、c及相關系數(shù)，選擇相關性最好的一個為流量校正方程。

2 結果與討論

2.1 2011年水質監(jiān)測結果

2011年湘江長沙段三汊磯斷面各評價項目監(jiān)測結果見表1。氨氮、總磷年均值符合《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)［2］Ⅲ類標準，總鎘、總砷年均值符合Ⅰ類標準。

表1 2011年湘江長沙段三汊磯斷面水質監(jiān)測結果

2．2 污染物濃度趨勢檢驗結果

2001—2011年湘江長沙段三汊磯斷面污染物濃度變化趨勢檢驗結果見表2。結果表明，氨氮濃度呈顯著上升趨勢，總磷濃度呈高度顯著上升趨勢，總鎘和總砷濃度呈高度顯著下降趨勢。

表2 污染物濃度變化趨勢檢驗結果

2.3 流量校正濃度趨勢檢驗結果

經(jīng)計算，三汊磯斷面氨氮、總鎘流量校正方程為lnf(Q)=a+blnQ+c(lnQ)2，總磷流量校正方程為f(Q)=a+b/(1+βQ)，總砷流量校正方程為f(Q)=a+bQ+cQ2，回歸常數(shù)和相關系數(shù)見表3。

表3 流量校正方程回歸常數(shù)及相關系數(shù)

對流量校正后的濃度進行季節(jié)性Kendall檢驗，結果見表4。

表4 流量校正后濃度變化趨勢檢驗結果

由表4可見，總磷濃度呈高度顯著上升趨勢，總鎘、總砷濃度呈高度顯著下降趨勢，與校正前濃度變化趨勢一致，表明總磷、總鎘、總砷的濃度變化與流量因素關系不大，主要來自污染源因素;氨氮流量校正后的濃度無明顯變化趨勢，與校正前不一致，表明氨氮濃度變化來自流量和污染源因素的共同作用?？傮w來說，湘江長沙段水質主要受污染物排放的影響，河水流量變化的影響相對較小。

根據(jù)污染物濃度與河水流量的散點圖(圖1)可見，氨氮、總磷、總鎘的濃度隨著流量增加而降低，符合以點源為主的污染特征，總砷濃度隨著流量增加而上升，符合以面源為主的污染特征。再結合流量校正方程類型可知，三汊磯斷面氨氮來自點源和面源的共同作用，總磷污染主要來自點源，總鎘污染來自點源和面源，而砷污染主要來自面源。

圖1 湘江長沙段污染物濃度與河水流量關系

3 影響因素分析

3.1 河水流量

根據(jù)2011—2011年同步水文資料，湘江長沙段河水流量季節(jié)性變化較明顯，豐水期(4—7月)平均流量3 239 m3/s，枯水期(11月至次年1月)平均流量約為豐水期的1/3。檢驗結果顯示，由于枯水期平均流量為942 m3/s，除氨氮外河水流量對其余評價指標的變化影響很小，這與最近4年枯水期加密監(jiān)測中僅氨氮超標3.8%的結果一致。

3.2 氨氮

由季節(jié)性Kendall檢驗結果可知，氨氮污染主要來自點源和面源，即主要來自城鎮(zhèn)生活污水處理廠廢水排放和農(nóng)業(yè)面源污染。

上游衡陽、株洲、湘潭每年有近6億t生活污水排入湘江。其次，隨著經(jīng)濟發(fā)展和人口增加，2001—2011年長沙市城鎮(zhèn)生活污水排放量年均增長率達7.5%。城鎮(zhèn)生活污水排放量逐年增長是氨氮濃度呈上升趨勢的主因。

據(jù)統(tǒng)計，湘江流域每年使用農(nóng)藥、化肥折純量分別為4萬t、220萬t左右。每年由地表徑流輾轉帶入湘江的農(nóng)藥、化肥折純量分別約為700 t和2.2萬t。畜禽養(yǎng)殖污染比例也不斷上升。農(nóng)業(yè)面源污染是導致湘江氨氮污染負荷加重的另一原因。

3.3 總磷

水體中總磷污染主要來自生活污水和磷化企業(yè)廢水。湘江長沙段上游及市區(qū)無大型磷化企業(yè)，因此總磷污染主要來源于城鎮(zhèn)污水集中排放?？偭诐舛壬仙厔葺^氨氮更為顯著，表明城鎮(zhèn)污水處理廠需進一步加強除磷措施，提高總磷的去除率。

3.4 總鎘、總砷

總鎘、總砷污染主要來自上游郴州、衡陽水口山、株洲清水塘、湘潭岳塘等重點工礦區(qū)的有色采選、冶煉、化工廢水。

自2005年起，湖南省通過開展“環(huán)保三年行動”(2005—2007年)和“碧水湘江千里行動”(2008—2011年)，完成重金屬污染治理項目211 3個，湘江流域重金屬排放量明顯削減，總鎘、總砷濃度呈高度顯著下降趨勢，重金屬污染得到遏制。

從趨勢檢驗結果來看，總鎘、總砷污染還來自面源，可能與湘江長沙段底泥重金屬污染有關。

4 結論

季節(jié)性Kendall檢驗表明：湘江長沙段氨氮濃度呈顯著上升趨勢，污染主要來自點源和面源;總磷濃度呈高度顯著上升趨勢，污染主要來自點源;總鎘、總砷濃度呈高度顯著下降趨勢，污染主要來自點源、面源。

水質變化受流量的影響相對較小，主要是生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)面源污染物排放引起的，生活污染呈加重態(tài)勢，重金屬污染則明顯下降。

持續(xù)改善湘江長沙段水環(huán)境質量，保障飲水安全，一是要繼續(xù)加強污水處理廠建設及監(jiān)督管理，強化現(xiàn)有污水處理廠脫氮除磷措施，提高城市污水處理效果;二是加強農(nóng)業(yè)面源的治理和控制，推進畜禽糞便資源化利用，提高化肥農(nóng)藥利用率，落實鄉(xiāng)鎮(zhèn)垃圾場和污水處理廠基礎設施建設;三是推進湘江流域重金屬污染綜合治理，以加強突發(fā)性應急事故處理，控制工業(yè)污染源、治理歷史遺留污染為重點，力爭實現(xiàn)“十二五”湘江流域重金屬排放削減目標。

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