陈泽榕

(广东省水文局汕头水文分局,广东 汕头 515041)



基于Mann-Kendall法的韩江下游水质变化规律研究

陈泽榕

(广东省水文局汕头水文分局,广东 汕头 515041)

采用韩江下游近年水质分析资料,应用Mann-Kendall检验方法等,对2006—2012年主要指标的变化特征进行研究。结果表明：韩江中下游水质总体较为良好,部分水质因子如铁、粪大肠菌群、氨氮、总氮等指标存在超标现象,其中铁、粪大肠杆菌群、氨氮且呈现不同程度的下降趋势,总氮则呈现上升趋势；部分指标因子与汛期关联紧密。

韩江流域；径流；变化趋势；Mann-Kendall

1 概述

韩江发源于紫金县七星岽,北东向流至大埔县三河坝与汀江汇合,此后折向南流,至潮州潮安进入韩江口混合区域。韩江是潮州、汕头、揭阳等市的主要水源地,担负着生产、生活用水、生态用水、航道用水等多种职能。近年来,随着经济社会发展及人类活动影响,水质变化显著,该现象得到众多专家学者的关注,并取得一定的研究成果。宋凤艳等通过二苯碳酰二肼分光光度法测定得出潮州境内河段的六价铬浓度[1]；黄通旺等采用微生物学法分析了1998年韩江下游汕头市区河段水质情况[2]。还有学者采用灰色模型理论等对水质进行评价分析,但由于水质数据获取方法不一致,数据样本存在季节性影响等问题,不利于分析水质演变趋势。kendall法已被很多研究证明是一种很好的非参数检验法,其最大的优点是可用于资料系列存在漏测值、未检出值的情况,同时可考虑季节变化对水质的影响[3]。

韩江流经潮州后,于凤凰洲附近分为东溪、西溪、北溪三条支流,经汕头市各入海口注入南海。在各支流水质发生较为显著的差异,且随季节、时间推移呈现一定的变化趋势,本文以韩江下游近年实测资料为基础,运用统计分析方法,对其年内、时间系列及演变规律进行初步探讨。

2 研究方法

Mann-Kendall法是世界气象组织推荐并广泛使用的方法,它不需要数据系列遵从一定分布,也不受少数异常值干扰,且不需要做统计分析,适用于水文、气象等非正态分布的数据,计算简便[4]。

设序列为xt(t=1,2,…… ,n),假设序列变化不明显,计算Mann-Kendall检验的统计量S和统计检验值Zs：

(1)

(2)

式(1)中Xi、Xj为序列中数据值,且j>i,n为序列长度。若经检验,统计量Zs不满足-Z1-α/2≤Z≤Z1-α/2,则拒绝假设,表明序列有明显趋势。

3 韩江下游水环境现状

韩江是潮汕地区的第一大江河,全长470 km,流域总面积达30 112 km2,选取韩江干流及其下游支流有代表性的断面共4个,分别是干流赤凤和竹竿山水厂、东溪的急水、西溪的田头何等断面,如图1所示。

3.1 水环境现状

根据2012年3月断面监测数据可知(表1),各断面水质状况基本良好,但部分指标存在超标现象。其中氨氮、5 d生化需氧量的评价结果为Ⅰ类或Ⅱ类；铁、锰在上游赤凤断面超标,但沿程存在一些起伏变化情况；而粪大肠菌群、总氮在中下游都出现超标现象,其中赤凤、急水、田头何等3断面的粪大肠菌群评价类别为Ⅳ类,各断面的总氮指标为Ⅴ类或劣Ⅴ类。

图1 韩江下游监测断面分布示意

从空间分布情况看,水体从韩江进入下游后氨氮、锰的指标趋于良好,铁的指标则呈现时好时坏的不稳定状态。主要污染物粪大肠菌群、总氮的指标依然停留在较差水平。

表1 2012年3月各断面监测数据值

3.2 主要污染因子变化情况

据韩江断面实测水质资料判定韩江主要污染因子为铁和粪大肠菌群。对2006—2012年断面的主要污染因子浓度进行分析。

在分析时段内,韩江水体铁的浓度在0.024～0.752 mg/L之间,年内变化如图2所示,系列数据呈现交替起伏状态,其中汛期明显高于非汛期。而从年际间对比来看,趋势线的斜率总体为负值,说明各断面的铁因子浓度呈现一定的下降趋势。铁指标最高值0.752 mg/L发生在2008年6月的赤凤断面,从数据可知,下游竹竿山水厂、东溪、西溪断面铁的浓度同步出现为较大值,上下游具有一定的关联性。

绘制2008—2012年韩江主要断面粪大肠菌群逐月变化过程线(见图3)。韩江水体中粪大肠菌群超标较为严重,但年际间没有显著的上升或下降趋势。通过滑动平均计算,汛期时的指标值明显大于非汛期,因此超标现象主要发生在汛期。与干流赤凤、竹竿山水厂相比,下游东溪急水断面、西溪田头何断面超标更为严重。其中韩江下游西溪田头何断面2010年10月粪大肠菌群数量为92 000个/L、东溪急水断面则在2011年7月出现5 400个/L为断面实测最大值。

图2 2006—2012年韩江主要断面铁含量逐月变化过程线

图3 2008—2012年韩江主要断面粪大肠菌群逐月变化过程线

4 污染因子变化趋势分析及成因分析

以多年实验数据为依据,选取韩江控制断面的主要污染指标进行Mann-Kendall检测分析,本次检验置信度α分别取0.1、0.01,相应的临界值Zα/2=1.64、2.57。统计量绝对值大于1.64则为显著趋势,大于2.57则为极显著趋势,正负号代表趋势上升或下降。断面水质因子的演变趋势见表2。

表2 各水质因子的肯德尔统计量(Z)计算

韩江中下游水系中铁的含量呈现减少趋势,其中干流赤凤断面、竹竿山水厂断面下降趋势极为显著,东溪急水断面也呈现下降,西溪田头何断面为上升趋势,但趋势不明显。根据韩江水情形势变化,可知铁浓度的高低与洪水有较为密切关系,汛期流量大时含量高、非汛期流量低时也铁含量浓度低,这是由于流域上游的平远县等地区矿产资源丰富,含铁离子较高的岩层风化后汛期随着水流,冲刷进入河道导致铁浓度上升。结合韩江流域水文特性可知,2008年出现较大流域性洪水后,韩江径流逐年减少,因此流量减少是水体铁含量呈现下降趋势的主要原因之一。

赤凤、竹竿山水厂、田头何的粪大肠菌群也呈现下降趋势,其中竹竿山水厂的肯德尔统计值为-4.59,下降趋势极为显著。由于该断面紧邻水厂,近年地方各级不断加强饮用水源保护措施,生活污水排放得到有效控制。因粪大肠菌群主要来源于人畜粪便的生活污水,因此主要断面的粪大肠菌群呈现下降趋势说明韩江流域内生活污水的排放得到一定的控制。

赤凤、竹竿山水厂、急水、田头何的氨氮肯德尔统计量分别为-2.99、-1.84、-1.95、-3.41,说明氨氮指标在韩江中下游均呈现下降趋势,其中赤凤、田头何下降趋势极为显著；氨氮的减少也说明韩江水体中生活污水的影响呈减弱趋势,与粪大肠菌指标分析结论一致。

5 结语

通过Mann-Kendall法非参数检验,对韩江流域中下游2006—2012年水质数据进行分析得出如下主要结论：

1) 韩江中下游水质总体较为良好,但部分水质因子如铁、粪大肠菌群、氨氮、总氮等指标存在超标现象。

2) 在韩江中下游的不同断面,铁因子都存在超标的现象。铁的浓度受地表水流冲刷和底泥扰动影响,在汛期的浓度值明显高于非汛期,在2006—2012年期间,韩江干流呈现显著的下降趋势,东溪为下降趋势、西溪为上升趋势,但变化都不显著。

3) 韩江干流粪大肠菌群也呈现下降趋势,其中竹竿山水厂附近河段下降趋势极为显著。指标因子与降雨、洪水关联较为紧密。

4) 韩江水体中氨氮维持在Ⅰ类或Ⅱ类水平,且呈现下降趋势,但总氮为Ⅴ类或劣Ⅴ类水平,呈现上升趋势,说明在以总氮作为水体富营养化的因子中,氨氮的贡献率较低,因此有机氮、硝氮为总氮超标的主要因素。

[1] 宋凤艳，詹嘉红.韩江潮州市区江段水质六价铬污染程度的测定[J]. 韩山师范学院学报,2007(6)：64-66．

[2] 黄通旺.韩江汕头市区河段水质的微生物学监测 [J].水生生物学报,2002(1)：106-108．

[3] 辛小康,尹炜,杨芳.基于肯德尔法的丹江口水库水质演变趋势研究[J].人民长江,2012(7)：91-94.

[4] 陈丽,黄章斌.福州市1961—2001年气候变化特征分析[J].黑龙江科技信息,2009(28)：27-28．

[5] 吴海斌.韩江流域省界水质现状、污染成因及对策分析[J] .能源及环境,2011(11)：18-19．

(本文责任编辑 马克俊)

A Mann-Kendall-based Study of the Water-Quality Changing Pattern of the Lower Reaches of the Hanjiang River

CHEN Zerong

(Shantou Branch of Guangdong Provincial Hydrographic Office, Shantou 515041，China)

Examining recent water quality analyses of the lower reaches of the Hanjiang River and employing the Mann-Kendall method, this paper studies the 2006-2012 changing pattern of the major factors. The findings indicate that the lower reaches of the Hanjiang River have a generally good water quality, except that some factors such as iron, fecal coliform, ammonia nitrogen and total nitrogen are out of limits. The first three factors show a downtrend of varied extent, whereas the last factor, total nitrogen, displays an uptrend. Some index factors are closely related with the flood season.

the Hanjiang River reaches；runoff；changing pattern；Mann-Kendall

2016-01-15;

2016-02-03

陈泽榕(1989)，男，本科，助理工程师，从事水质监测和水环境评价工作。

X824

A

1008-0112(2016)01-0019-03