基于R/S分析法的長江口總磷變化趨勢分析

李保　周豐年　高健

摘要：長江口及其鄰近海域地區經濟發展迅速，在國民經濟中具有舉足輕重的地位。據調查，自20世紀80年代以來，長江口及鄰近海域水體赤潮現象明顯增多。水體中磷等營養鹽在水域富營養化和水體赤潮現象中扮演著重要的角色。為給長江口區域水體富營養化防治提供參考，對近十幾年徐六涇水文監測斷面的總磷這一營養鹽指標進行了系統分析。采用R/S分析法研究了該斷面總磷變化趨勢，并引入Mann-Kendall法檢驗總磷序列是否存在明顯上升或下降趨勢。結果表明，徐六涇監測斷面總磷序列表現為一種強持續性序列，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。在一定的時間內，徐六涇斷面的總磷濃度將呈現出上升趨勢，但上升趨勢不顯著。

關鍵詞：總磷變化;R/S分析法;水文監測;徐六涇;長江口

中圖法分類號：X52

文獻標志碼：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[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、農業用水，同時也是沿岸城市的納污通道。隨著長江流域經濟、社會的快速發展，人類活動對長江流域的擾動日益加劇，長江口正受到工業排污、農田徑流、城市生活廢水污染，船舶航運產生的油污染等點源、面源和流動源污染，水質面臨巨大壓力。尤其是近幾十年來，長江口水環境污染事件愈發頻繁，水體中營養鹽含量超標，水環境質量和水生態安全面臨嚴重威脅。以近海赤潮為例，20世紀80年代長江口共發生赤潮8次，但隨著長江徑流輸入營養鹽負荷、葉綠素濃度急劇增加[2]，長江口赤潮暴發頻率顯著增加，從2000年至今已超過100多次，且規模越來越大，影響面積超過I 000 km2的赤潮次數也明顯增加[3]。長江輸入是河口水質變化的重要驅動因素，所以科學分析長江口人海營養鹽變化趨勢，對掌握河口水質內在演變規律有著重要意義。

目前，眾多學者已經開展了大量關于河口水質問題的研究并取得了相應成果。韓超南等[4]以大遼河河口區為研究對象，在大遼河感潮河段及近岸河口區采集表層水樣，研究水體氮、磷及懸浮顆粒物中磷的形態組成、空間分布和季節分布特征。楊華等[5]分析討論了灌河口北部海域營養鹽含量的時空變化及其影響因素，海域的富營養化水平和營養級類型。其研究結果表明，整個調查期間，無機磷的含量相對較低，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行春季調查，發現總磷表層平均含量為2.8 μmol/L（約0.087mg/L），多數采樣點總磷含量高于—般認為的海水允許含量（0.97 μmol/L），且總磷含量較高，長江口水域仍然存在P超標的潛在危險。全為民等[7]通過幾年大面調查的資料，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，主要以溶解態和顆粒態共存的形式存在于水體中。劉瑞民等[8]通過對2010-2011年4期數據分析，探討了長江口總磷的區域風險特征：當以總磷濃度0.1 mg/L為閾值時，高風險區域一般在長江口口內區域，從口內向外海，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變化機制提供了重要參考，對河口區水質保護和富營養化防治具有較好的借鑒作用，但這些研究對人海水質長序列波動特征的定量分析卻少有涉及。河流營養鹽輸入特征直接決定了河口水環境變化并驅動富營養化與赤潮暴發，因此定量評估河流人海濃度變化，對于河口水環境質量與水生態系統的演替預測具有重要意義。由于水體中的營養鹽為浮游植物的生長繁殖提供物質基礎，直接影響了赤潮的發生、規模和持續時間，且水體中的磷等營養負荷增加是導致富營養化最常見的原因[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，綜合運用R/S與Mann-Kendall分析法研究長江人海總磷濃度變化趨勢。

2 研究區域

長江口北接古黃河沖積灘，東臨東海，南瀕杭州灣，西岸為中國經濟中心上海市。隨著上海市海洋經濟和沿江沿海工業的逐步發展，長江口和鄰近海域正逐漸成為上海市經濟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，同時也存在一系列環境問題，如水質污染、咸潮入侵、赤潮等。主要表征為：上游來水水質較好，絕大部分水質指標均可達到GB3838-2002《地表水環境質量標準》中規定的Ⅲ類水標準，但近岸水域水質較差，尤其是河口江段右岸為經濟發達的上海市和江蘇省蘇南地區，污染物排放量大，近岸水域污染帶逐步擴大，部分水域已達Ⅳ-V類標準，個別指標如總磷、糞大腸菌群等甚至超過劣V類標準。徐六涇水文站是長江干流距人海口門最近的綜合性水文站，其水文監測斷面地處長江河口“三級分汊”的第一級節點，本文以該水文監測斷面近十幾年水質實測成果為基礎進行拓展研究。

3 研究方法

3.1 野外監測點位布置

圖1為徐六涇水文監測斷面水質采樣垂線圖。監測斷面處共布設有4條水質監測垂線，每條垂線設置水面和水底兩個采樣點，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行，采用GB/T 11893-1989《國家標準分析方法》分析水體中總磷的含量[10]。

通過對1g R（n）/S（n）和lgn進行作圖，采用最小二乘法對二者進行線性回歸分析，可知所得回歸方程的斜率即為日。H為R/S分析法的一個有效統計量（0≤H≤1）。由H的大小對趨勢性成分的強弱進行判斷[13]。當H=0.5時，說明時間序列為獨立分布的隨機序列，即現在的變化對未來沒有影響;當0≤H<0.5時，表明該過程具有反持續性，未來變化將與過去總體趨勢相反，H越近0，反持續性越強;當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。結果表明：徐六涇斷面總磷月均濃度最大值出現在2004年6月，為0.24 mg/L;最小值出現在2007年5月，為0.02 mg/L。依據長江流域的汛期劃分標準，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生影響。徐六涇斷面總磷濃度實測結果變化過程線在直觀上反映了10多年來總磷的變化特征。為進一步揭示徐六涇斷面總磷時間序列的分形特征，探尋未來徐六涇斷面總磷濃度的變化趨勢。現采用R/S分析法計算徐六涇斷面總磷時間序列的Hurst指數，以2005-2016年的總磷月監測值（斷面均值）為計算樣本，分析其變化趨勢。n依次選取4，6，8，12，16，18，24，36，48，72進行計算，采用matlab實現1g R（n）/S（n）和1gn的計算，并繪制1g R（n）/S（n）和lgn的散點圖和擬合曲線，結果見圖3。

由擬合結果可知，徐六涇監測斷面2005-2016年總磷時間序列的Hurst指數為0.7884，大于0.5，故徐六涇監測斷面總磷時間序列表現為一種強持續性序列，即未來徐六涇監測斷面總磷與過去具有相同的變化特征。

Mann-Kendall檢驗法廣泛應用于檢驗某一自然過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間序列變化趨勢，引入Mann-Kendall法檢驗徐六涇斷面總磷時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。取置信水平α=0.05，查正態分布表得臨界值為1.96。采用與R/S分析法相同的計算樣本，在matlab平臺實現徐六涇斷面總磷的Mann-Kendall分析計算，結果如圖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，故在此期間六涇監測斷面總磷呈顯著下降趨勢;其余時間IUFkl<1.96，由于在UFk< Uα/2時，接受原假設，即趨勢不顯著，2008-2016年徐六涇監測斷面總磷序列趨勢未達到顯著的變化水平。

4.2 成因分析

長江口及其鄰近海域赤潮現象頻發說明長江輸入對河口磷負荷的貢獻顯著[14]。水體中總磷濃度的波動主要取決于3個方面因素：①水量;②污染負荷;③水體自凈能力。徐六涇斷面所處江段沿岸人口密度高，經濟發展迅速，工業非常發達，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》指出：點源污染是造成長江干支流污染的主要原因。這與本文的研究結論一致。徐六涇斷面月均流量與總磷相關關系圖（見圖5）亦表明兩者之間并無較好的相關性，相關系數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。

在特定污染負荷下，水體動力條件也是影響水質濃度的重要因素。例如，水利樞紐運行會改變河道水流過程，從而對水環境要素產生影響;河道疏浚工程會擴大過水斷面，增加稀釋容量從而有利于改善水質。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運行，2009年9月又蓄水至175 m。長江口深水航道治理工程實旋后，斷面水深不斷增加：2000年4月航道水深達到8.5 m，2005年4月達到10.0 m，2010年3月達到12.5 m。此外，國務院在2012年和2015年分別印發了《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》和《水污染防治行動計劃》，這些重要舉措對削減流域污染負荷具有重要作用。姜德娟等[16]通過對流域一河口一近海系統氮、磷營養鹽輸移研究指出：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鹽遷移與輸出的主要影響因素和驅動力。氣候變化過程長且緩慢，諸如攔水、調水構筑物修建、河道疏浚、工業排污、城市生活污水排放等人類活動，則是導致徐六涇斷面水體中總磷含量變化的主要原因。

5 結論

長江以及沿岸河流人海為長江口帶來了大量的氮、磷等生源物質以及有機碳等化學耗氧物質，這些物質的日益增多導致長江口及其鄰近海域富營養化不斷加劇，帶來赤潮等極為嚴重的環境問題。因此，必須加強對該區域環境的保護，防止因經濟發展而帶來的環境污染。本文基于徐六涇斷面2004-2016年總磷含量實測結果，得到如下結論。

（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鹽的輸移。工業排污、城市生活污水排放等都對徐六涇斷面總磷的徑流輸入產生直接影響。點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）徐六涇監測斷面總磷序列表現為一種強持續性序列，未來徐六涇監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，徐六涇監測斷面總磷濃度呈現上升趨勢。在一定的時間內，徐六涇斷面的總磷濃度將繼續保持上升，但其趨勢并不顯著。

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（編輯：唐湘茜）