東平湖水質(zhì)趨勢分析

徐冬梅 胡 瑾 楊 剛

東平湖水質(zhì)趨勢分析

徐冬梅 胡 瑾 楊 剛

南水北調(diào)東線黃河以南段輸水干線南起長江三江營，北至黃河位山穿黃涵洞，全長540km，流經(jīng)江蘇、山東省。為及時(shí)掌握南水北調(diào)輸水干線及附近區(qū)域水質(zhì)和污染治理情況，淮河流域水資源保護(hù)局自2003年起開展每月一次的水質(zhì)監(jiān)測工作，檢測參數(shù)選用水溫、pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總氮、總磷、銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鎘、六價(jià)鉻、鉛、氰化物、揮發(fā)酚、陰離子表面活性劑、硫化物等22項(xiàng)指標(biāo)。東平湖水庫是南水北調(diào)東線調(diào)水工程，其水質(zhì)直接關(guān)系南水北調(diào)東線供水安全，分析評(píng)價(jià)東平湖水質(zhì)變化趨勢十分必要。

1 季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)方法原理

季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)定義為資料在歷年相同月份間的比較，它可以避免河流水質(zhì)濃度受流量季節(jié)性變化的影響，從而使檢驗(yàn)結(jié)果更具可比性。同時(shí)，由于數(shù)據(jù)比較只考慮數(shù)據(jù)相對(duì)排列而不考慮其大小，檢驗(yàn)中隨機(jī)變量的概率分布不重要，統(tǒng)計(jì)量的分布幾乎不受目前水質(zhì)資料的非正態(tài)分布、季節(jié)性變化、與流量相關(guān)、漏測值和未檢出值的影響，其檢驗(yàn)的零假設(shè)為隨機(jī)變量獨(dú)立和相同分布。因此，季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)方法被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)化趨勢分析。

季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)的原理是將歷年相同月（季）的水質(zhì)資料進(jìn)行比較，如果后面的值（時(shí)間上）高于前面的值記為“+”號(hào)，否則記作“－”號(hào)。如果加號(hào)的個(gè)數(shù)比減號(hào)的多，則可能為上升趨勢，如果減號(hào)的個(gè)數(shù)比加號(hào)的多，則可能為下降趨勢，如果相等則為無趨勢。

對(duì)于季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)來說，零假設(shè)H0為隨機(jī)變量與時(shí)間獨(dú)立，假定全年的水質(zhì)資料具有相同的概率分布。

設(shè)有n年P(guān)月的水質(zhì)資料觀測序列X為：

式中，x11，…，xnp為月水質(zhì)濃度觀測值。

（1）對(duì)于 P月中第 i月（i≤P）的情況

令第i月歷年水質(zhì)系列相比較的正負(fù)號(hào)之和Si為：

由此，第i月內(nèi)可以作比較的差值數(shù)據(jù)組個(gè)數(shù)mi為：

式中，ni為第i月內(nèi)水質(zhì)系列中非漏測值個(gè)數(shù)。

在零假設(shè)下，隨機(jī)序列Si（i=1，2，…，p）近似地服從正態(tài)分布，則Si的均值E和方差σ如下:

當(dāng)ni個(gè)非漏測值中有t個(gè)數(shù)相同，則σi2為：

（2）于P月份總體情況

在假設(shè)下，p月S的均值E和方差σ，則：

式中，Si和Sh（i≠h）都是獨(dú)立隨機(jī)變量的函數(shù)，即Si=f（Xi），Sh=f（Xh），其中Xi為i月歷年的水質(zhì)序列，Xh為h月歷年的水質(zhì)序列，并且Xi∩Xh=φ；因?yàn)閄i和Xh分別來自i月和h月的水質(zhì)資料，并且總體時(shí)間序列X的所有元素是獨(dú)立的，故協(xié)方差 Cov（Si，Sh）=0。將其式代入上式，則得：

當(dāng)n年水質(zhì)系列有t個(gè)數(shù)相同時(shí)，同樣有：

肯達(dá)爾發(fā)現(xiàn)，當(dāng)n≥10時(shí)，S也服從正態(tài)分布，并且標(biāo)準(zhǔn)方差Z為：

（3）趨勢檢驗(yàn)

肯達(dá)爾檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量t定義為：t=S/m，如果 |Z|≤Zα/2，則接受零假設(shè)。這里 FN（Zα/2）=a/2，F(xiàn)N為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)，即：

水質(zhì)站水質(zhì)變化趨勢的顯著性根據(jù)顯著水平（α）

水質(zhì)變化趨勢高度顯著：α≤0.01

水質(zhì)變化趨勢顯著：0.01<α≤0.1

水質(zhì)變化無趨勢：a＞0.1

當(dāng)α計(jì)算結(jié)果滿足上述情況下，t為正時(shí)，說明具有顯著上升趨勢；t為負(fù)時(shí)，則說明具有顯著下降趨勢；t為零時(shí)，則無趨勢。

2 水質(zhì)變化趨勢分析

2.1 資料選取

為保證趨勢分析的可靠性，本文分析選用東平湖湖心斷面2003～2011年9年的水質(zhì)資料序列，進(jìn)行各項(xiàng)目的趨勢檢驗(yàn)。

2.2 檢驗(yàn)參數(shù)的選擇

根據(jù)東平湖的水質(zhì)特點(diǎn)以及資料的累積情況，考慮到能反映流域內(nèi)自然環(huán)境因素及人為影響，選擇東平湖主要污染指標(biāo)CODmn（高錳酸鹽指數(shù)）、CODcr（化學(xué)需氧量）、BOD（生化需氧量）、NH3-N（氨氮）、TP（總磷）、TN（總氮）和F-（氟化物）等參數(shù)進(jìn)行濃度趨勢檢驗(yàn)。其中，CODmn和NH3-N為污染控制指標(biāo)，TP、TN為富營養(yǎng)化程度指標(biāo)，F(xiàn)反映河流的天然水化學(xué)成分是否發(fā)生了顯著變化。

表1 水質(zhì)趨勢分析成果表

表2 東平湖2003～2011年水質(zhì)年平均值統(tǒng)計(jì)表 單位：mg/L

圖1 東平湖2003～2011年水質(zhì)年均值濃度變化趨勢（單位：mg/L）

2.3 成果分析

對(duì)東平湖主要污染指標(biāo)CODmn、CODcr、BOD、NH3-N、TP、TN 和 F-等進(jìn)行濃度趨勢分析，各項(xiàng)目升降趨勢見表1。

由表1可看出，東平湖主要污染指標(biāo)CODmn、CODcr、BOD下降趨勢高度顯著，TN下降趨勢顯著，其余指標(biāo)無明顯升降趨勢，未出現(xiàn)呈明顯上升趨勢的污染指標(biāo)。

2.4 逐年實(shí)測水質(zhì)資料對(duì)比分析

在以上的趨勢檢驗(yàn)結(jié)果中，主要污染指標(biāo) CODmn、CODcr、BOD 呈高度顯著下降趨勢，TN呈顯著下降趨勢。對(duì)于在檢驗(yàn)結(jié)果中呈顯著變化趨勢的這四項(xiàng)指標(biāo)，選取東平湖湖心斷面2003～2011年的年平均值進(jìn)行比較（見表2），以分析近年東平湖水質(zhì)變化情況。

由表2和圖1可以看出：（1）高錳酸鹽指數(shù)年平均值從2003年的6.43mg/L下降到2011年的3.54mg/L，2010年濃度最低；（2）化學(xué)需氧量從2003年的29.3mg/L下降到2011年的15.9mg/L，2010年濃度最低；（3）生化需氧量年平均值從2003年的2.9mg/L下降到2011年的1.1mg/L，2010年濃度最低；（4）總氮年平均值從2003年的2.9mg/L下降到2010年的1.38mg/L，2011年濃度有所上升。水質(zhì)總體好轉(zhuǎn)，與季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)結(jié)果一致。

2.5 分析結(jié)論

東平湖水質(zhì)的污染程度有所減輕，主要污染指標(biāo) CODmn、CODcr、BOD 呈高度顯著下降趨勢，TN呈顯著下降趨勢。這表明東平湖內(nèi)以 CODmn、CODcr、BOD 等有機(jī)污染總體有明顯減輕趨勢，同時(shí)其營養(yǎng)鹽水平也呈明顯下降趨勢，富營養(yǎng)化程度下降

淮河流域水環(huán)境監(jiān)測中心 233001）