基于R/S分析法的長江口總磷變化趨勢分析

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摘要：長江口及其鄰近海域地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，在國民經(jīng)濟(jì)中具有舉足輕重的地位。據(jù)調(diào)查，自20世紀(jì)80年代以來，長江口及鄰近海域水體赤潮現(xiàn)象明顯增多。水體中磷等營養(yǎng)鹽在水域富營養(yǎng)化和水體赤潮現(xiàn)象中扮演著重要的角色。為給長江口區(qū)域水體富營養(yǎng)化防治提供參考，對近十幾年徐六涇水文監(jiān)測斷面的總磷這一營養(yǎng)鹽指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。采用R/S分析法研究了該斷面總磷變化趨勢，并引入Mann-Kendall法檢驗(yàn)總磷序列是否存在明顯上升或下降趨勢。結(jié)果表明，徐六涇監(jiān)測斷面總磷序列表現(xiàn)為一種強(qiáng)持續(xù)性序列，即未來與過去具有相同的變化趨勢。此外，長江口水體中總磷的含量受自然和人為因素的影響較大，點(diǎn)源污染是該斷面總磷污染的主要來源，而面源污染的影響較小。在一定的時(shí)間內(nèi)，徐六涇斷面的總磷濃度將呈現(xiàn)出上升趨勢，但上升趨勢不顯著。

關(guān)鍵詞：總磷變化;R/S分析法;水文監(jiān)測;徐六涇;長江口

中圖法分類號：X52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10. 15974/j .cnki.slsdkb.2019.10.013

1 研究背景

長江口江段通常指江陰鵝鼻嘴至吳淞口下50號標(biāo)[1]，全長約278 km。長江口水域是沿岸城市的重要水源地，為兩岸城市提供大量的工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水，同時(shí)也是沿岸城市的納污通道。隨著長江流域經(jīng)濟(jì)、社會的快速發(fā)展，人類活動對長江流域的擾動日益加劇，長江口正受到工業(yè)排污、農(nóng)田徑流、城市生活廢水污染，船舶航運(yùn)產(chǎn)生的油污染等點(diǎn)源、面源和流動源污染，水質(zhì)面臨巨大壓力。尤其是近幾十年來，長江口水環(huán)境污染事件愈發(fā)頻繁，水體中營養(yǎng)鹽含量超標(biāo)，水環(huán)境質(zhì)量和水生態(tài)安全面臨嚴(yán)重威脅。以近海赤潮為例，20世紀(jì)80年代長江口共發(fā)生赤潮8次，但隨著長江徑流輸入營養(yǎng)鹽負(fù)荷、葉綠素濃度急劇增加[2]，長江口赤潮暴發(fā)頻率顯著增加，從2000年至今已超過100多次，且規(guī)模越來越大，影響面積超過I 000 km2的赤潮次數(shù)也明顯增加[3]。長江輸入是河口水質(zhì)變化的重要驅(qū)動因素，所以科學(xué)分析長江口人海營養(yǎng)鹽變化趨勢，對掌握河口水質(zhì)內(nèi)在演變規(guī)律有著重要意義。

目前，眾多學(xué)者已經(jīng)開展了大量關(guān)于河口水質(zhì)問題的研究并取得了相應(yīng)成果。韓超南等[4]以大遼河河口區(qū)為研究對象，在大遼河感潮河段及近岸河口區(qū)采集表層水樣，研究水體氮、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。楊華等[5]分析討論了灌河口北部海域營養(yǎng)鹽含量的時(shí)空變化及其影響因素，海域的富營養(yǎng)化水平和營養(yǎng)級類型。其研究結(jié)果表明，整個(gè)調(diào)查期間，無機(jī)磷的含量相對較低，高N/P值顯示出磷將可能成為該研究海域浮游植物生長的限制因子。張立娟等[6]通過對長江口及鄰近海域進(jìn)行春季調(diào)查，發(fā)現(xiàn)總磷表層平均含量為2.8 μmol/L（約0.087mg/L），多數(shù)采樣點(diǎn)總磷含量高于—般認(rèn)為的海水允許含量（0.97 μmol/L），且總磷含量較高，長江口水域仍然存在P超標(biāo)的潛在危險(xiǎn)。全為民等[7]通過幾年大面調(diào)查的資料，分析得出長江口及鄰近水域水體中2003年夏季總磷濃度范圍為0.048 - 1.396 mg/L，2004年夏季總磷濃度范圍為0.051 - 0.872 mg/L，主要以溶解態(tài)和顆粒態(tài)共存的形式存在于水體中。劉瑞民等[8]通過對2010-2011年4期數(shù)據(jù)分析，探討了長江口總磷的區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)特征：當(dāng)以總磷濃度0.1 mg/L為閾值時(shí)，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域一般在長江口口內(nèi)區(qū)域，從口內(nèi)向外海，濃度超過0.1 mg/L的概率逐漸降低。

上述研究成果對研究河口水質(zhì)變化機(jī)制提供了重要參考，對河口區(qū)水質(zhì)保護(hù)和富營養(yǎng)化防治具有較好的借鑒作用，但這些研究對人海水質(zhì)長序列波動特征的定量分析卻少有涉及。河流營養(yǎng)鹽輸入特征直接決定了河口水環(huán)境變化并驅(qū)動富營養(yǎng)化與赤潮暴發(fā)，因此定量評估河流人海濃度變化，對于河口水環(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)，直接影響了赤潮的發(fā)生、規(guī)模和持續(xù)時(shí)間，且水體中的磷等營養(yǎng)負(fù)荷增加是導(dǎo)致富營養(yǎng)化最常見的原因[9]，故本文選擇磷為研究因子，以長江口徐六涇為研究控制斷面，綜合運(yùn)用R/S與Mann-Kendall分析法研究長江人?？偭诐舛茸兓厔?。

2 研究區(qū)域

長江口北接古黃河沖積灘，東臨東海，南瀕杭州灣，西岸為中國經(jīng)濟(jì)中心上海市。隨著上海市海洋經(jīng)濟(jì)和沿江沿海工業(yè)的逐步發(fā)展，長江口和鄰近海域正逐漸成為上海市經(jīng)濟(jì)拓展空間的重要依托。長江口自徐六涇以下被崇明島分為南支和北支，主流為南支，北支流量較小。南支河口的長興島又將南支分為南港和北港，而九段沙把南港分成了南槽和北槽，形成了“三級分汊、四口分流”的格局。長江口江段水量豐沛，是上海市和江蘇眾多沿江城市的主要水源區(qū)，同時(shí)也存在一系列環(huán)境問題，如水質(zhì)污染、咸潮入侵、赤潮等。主要表征為：上游來水水質(zhì)較好，絕大部分水質(zhì)指標(biāo)均可達(dá)到GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，但近岸水域水質(zhì)較差，尤其是河口江段右岸為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的上海市和江蘇省蘇南地區(qū)，污染物排放量大，近岸水域污染帶逐步擴(kuò)大，部分水域已達(dá)Ⅳ-V類標(biāo)準(zhǔn)，個(gè)別指標(biāo)如總磷、糞大腸菌群等甚至超過劣V類標(biāo)準(zhǔn)。徐六涇水文站是長江干流距人?？陂T最近的綜合性水文站，其水文監(jiān)測斷面地處長江河口“三級分汊”的第一級節(jié)點(diǎn)，本文以該水文監(jiān)測斷面近十幾年水質(zhì)實(shí)測成果為基礎(chǔ)進(jìn)行拓展研究。

3 研究方法

3.1 野外監(jiān)測點(diǎn)位布置

圖1為徐六涇水文監(jiān)測斷面水質(zhì)采樣垂線圖。監(jiān)測斷面處共布設(shè)有4條水質(zhì)監(jiān)測垂線，每條垂線設(shè)置水面和水底兩個(gè)采樣點(diǎn)，分別位于水面以下0.50 m和河床以上0.50 m處。樣品采集于每月上旬進(jìn)行，采用GB/T 11893-1989《國家標(biāo)準(zhǔn)分析方法》分析水體中總磷的含量[10]。

通過對1g R（n）/S（n）和lgn進(jìn)行作圖，采用最小二乘法對二者進(jìn)行線性回歸分析，可知所得回歸方程的斜率即為日。H為R/S分析法的一個(gè)有效統(tǒng)計(jì)量（0≤H≤1）。由H的大小對趨勢性成分的強(qiáng)弱進(jìn)行判斷[13]。當(dāng)H=0.5時(shí)，說明時(shí)間序列為獨(dú)立分布的隨機(jī)序列，即現(xiàn)在的變化對未來沒有影響;當(dāng)0≤H<0.5時(shí)，表明該過程具有反持續(xù)性，未來變化將與過去總體趨勢相反，H越近0，反持續(xù)性越強(qiáng);當(dāng)0.5

4 徐六涇斷面總磷變化趨勢分析

4.1 變化趨勢分析

圖2為2004-2016年徐六涇斷面總磷變化趨勢圖。結(jié)果表明：徐六涇斷面總磷月均濃度最大值出現(xiàn)在2004年6月，為0.24 mg/L;最小值出現(xiàn)在2007年5月，為0.02 mg/L。依據(jù)長江流域的汛期劃分標(biāo)準(zhǔn)，2004-2016年間，徐六涇斷面大部分年份豐水期總磷濃度低于枯水期總磷濃度。

水體中總磷含量受自然和人為因素的影響較大，大氣干濕沉降、沿江的邊界輸入、沉積物的釋放以及水體本身的自凈作用均能對水體中總磷濃度產(chǎn)生影響。徐六涇斷面總磷濃度實(shí)測結(jié)果變化過程線在直觀上反映了10多年來總磷的變化特征。為進(jìn)一步揭示徐六涇斷面總磷時(shí)間序列的分形特征，探尋未來徐六涇斷面總磷濃度的變化趨勢?，F(xiàn)采用R/S分析法計(jì)算徐六涇斷面總磷時(shí)間序列的Hurst指數(shù)，以2005-2016年的總磷月監(jiān)測值（斷面均值）為計(jì)算樣本，分析其變化趨勢。n依次選取4，6，8，12，16，18，24，36，48，72進(jìn)行計(jì)算，采用matlab實(shí)現(xiàn)1g R（n）/S（n）和1gn的計(jì)算，并繪制1g R（n）/S（n）和lgn的散點(diǎn)圖和擬合曲線，結(jié)果見圖3。

由擬合結(jié)果可知，徐六涇監(jiān)測斷面2005-2016年總磷時(shí)間序列的Hurst指數(shù)為0.7884，大于0.5，故徐六涇監(jiān)測斷面總磷時(shí)間序列表現(xiàn)為一種強(qiáng)持續(xù)性序列，即未來徐六涇監(jiān)測斷面總磷與過去具有相同的變化特征。

Mann-Kendall檢驗(yàn)法廣泛應(yīng)用于檢驗(yàn)?zāi)骋蛔匀贿^程是處于自然波動亦或是存在確定的變化趨勢。為了探尋徐六涇斷面總磷時(shí)間序列變化趨勢，引入Mann-Kendall法檢驗(yàn)徐六涇斷面總磷時(shí)間序列是否存在上升與下降的趨勢，或是否處于自然波動狀態(tài)。取置信水平α=0.05，查正態(tài)分布表得臨界值為1.96。采用與R/S分析法相同的計(jì)算樣本，在matlab平臺實(shí)現(xiàn)徐六涇斷面總磷的Mann-Kendall分析計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出：2006年下半年至2007年底，IUFl> 1.96，且UFk小于0，故在此期間六涇監(jiān)測斷面總磷呈顯著下降趨勢;其余時(shí)間IUFkl<1.96，由于在UFk< Uα/2時(shí)，接受原假設(shè)，即趨勢不顯著，2008-2016年徐六涇監(jiān)測斷面總磷序列趨勢未達(dá)到顯著的變化水平。

4.2 成因分析

長江口及其鄰近海域赤潮現(xiàn)象頻發(fā)說明長江輸入對河口磷負(fù)荷的貢獻(xiàn)顯著[14]。水體中總磷濃度的波動主要取決于3個(gè)方面因素：①水量;②污染負(fù)荷;③水體自凈能力。徐六涇斷面所處江段沿岸人口密度高，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，工業(yè)非常發(fā)達(dá)，江段岸線利用程度較高，工廠碼頭分布密集。由前文分析可知，徐六涇斷面大部分年份豐水期總磷濃度普遍低于枯水期，這表明點(diǎn)源污染是長江干流徐六涇斷面總磷污染的主要來源。許繼軍等[15]參照《長江流域水資源公報(bào)》指出：點(diǎn)源污染是造成長江干支流污染的主要原因。這與本文的研究結(jié)論一致。徐六涇斷面月均流量與總磷相關(guān)關(guān)系圖（見圖5）亦表明兩者之間并無較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2=0.005 1，故面源污染對長江干流徐六涇斷面總磷污染的影響較小。

在特定污染負(fù)荷下，水體動力條件也是影響水質(zhì)濃度的重要因素。例如，水利樞紐運(yùn)行會改變河道水流過程，從而對水環(huán)境要素產(chǎn)生影響;河道疏浚工程會擴(kuò)大過水?dāng)嗝?，增加稀釋容量從而有利于改善水質(zhì)。目前對長江口水動力過程影響較大的有三峽工程、長江口深水航道治理工程等。2006年6月三峽水庫蓄水至156 m運(yùn)行，2009年9月又蓄水至175 m。長江口深水航道治理工程實(shí)旋后，斷面水深不斷增加：2000年4月航道水深達(dá)到8.5 m，2005年4月達(dá)到10.0 m，2010年3月達(dá)到12.5 m。此外，國務(wù)院在2012年和2015年分別印發(fā)了《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》和《水污染防治行動計(jì)劃》，這些重要舉措對削減流域污染負(fù)荷具有重要作用。姜德娟等[16]通過對流域一河口一近海系統(tǒng)氮、磷營養(yǎng)鹽輸移研究指出：就外界動力條件而言，人類活動與全球氣候變化是陸源營養(yǎng)鹽遷移與輸出的主要影響因素和驅(qū)動力。氣候變化過程長且緩慢，諸如攔水、調(diào)水構(gòu)筑物修建、河道疏浚、工業(yè)排污、城市生活污水排放等人類活動，則是導(dǎo)致徐六涇斷面水體中總磷含量變化的主要原因。

5 結(jié)論

長江以及沿岸河流人海為長江口帶來了大量的氮、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)致長江口及其鄰近海域富營養(yǎng)化不斷加劇，帶來赤潮等極為嚴(yán)重的環(huán)境問題。因此，必須加強(qiáng)對該區(qū)域環(huán)境的保護(hù)，防止因經(jīng)濟(jì)發(fā)展而帶來的環(huán)境污染。本文基于徐六涇斷面2004-2016年總磷含量實(shí)測結(jié)果，得到如下結(jié)論。

（1）長江口水體中總磷的含量受自然和人為因素的影響較大，人類活動直接影響著營養(yǎng)鹽的輸移。工業(yè)排污、城市生活污水排放等都對徐六涇斷面總磷的徑流輸入產(chǎn)生直接影響。點(diǎn)源污染是長江干流徐六涇斷面總磷污染的主要原因，面源污染對長江干流徐六涇斷面總磷污染影響較小。

（2）徐六涇監(jiān)測斷面總磷序列表現(xiàn)為一種強(qiáng)持續(xù)性序列，未來徐六涇監(jiān)測斷面總磷濃度與過去具有相同的變化趨勢。自2013年下半年開始，徐六涇監(jiān)測斷面總磷濃度呈現(xiàn)上升趨勢。在一定的時(shí)間內(nèi)，徐六涇斷面的總磷濃度將繼續(xù)保持上升，但其趨勢并不顯著。

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（編輯：唐湘茜）