磁湖總氮總磷變化趨勢和突變分析

黃娟

摘要：采用Daneil趨勢檢驗法和mann-kendall突變檢驗法對磁湖2007～2019年總氮、總磷變化趨勢和突變開始時間進行了分析，結果表明：磁湖各點位總氮、總磷時間序列濃度變化整體呈下降趨勢，總氮突變開始時間集中在2012～2014年左右;總磷突變開始時間集中在2009～2011年左右。

關鍵詞：變化趨勢;Spearman秩相關系數(shù);mann-kendall突變檢驗

中圖分類號：X524

文獻標識碼：A?文章編號：1674-9944（2020）14-0124-05

1?引言

磁湖是黃石市城中湖，匯水面積62.8 km2，是兼具防洪、排澇、養(yǎng)殖和游覽為一體的多功能水資源地?！熬盼濉?、“十五”期間因周圍工業(yè)廢水、生活污水的大量排入，以及漁業(yè)餌料的投放，致使水體中總氮、總磷污染嚴重，藻類繁殖旺盛，出現(xiàn)富營養(yǎng)化特征。為改變污染現(xiàn)狀，黃石市政府實施了環(huán)湖污水截流、工業(yè)及生活污染源治理、污水處理廠建設、生態(tài)恢復建設等一系列工程，近幾年整湖水質(zhì)有所好轉。為了了解磁湖總氮、總磷污染指標隨時間變化的規(guī)律，本文采用Daneil趨勢檢驗法和mann-kendall突變檢驗法對其2007～2019年變化趨勢和突變開始時間進行分析。

2?點位布設和數(shù)據(jù)處理

2.1?點位布設和數(shù)據(jù)來源

本次共布設7個采樣點位，全部為磁湖水質(zhì)監(jiān)測省控點，即琥珀山莊（3#）、南半湖湖心（5#）、澄月橋（7#）、長虹橋（8#）、理工學院（10#）、北半湖湖心（11#）和鲇魚墩（12#）。點位分布見圖1所示。從2007～2019年，所有點位每月監(jiān)測一次，每年12頻次?？偟捎脡A性過硫酸鉀消解—紫外可見分光光度法分析，總磷采用過硫酸鉀消解—鉬酸銨分光光度法分析。數(shù)據(jù)來源于黃石生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心常規(guī)監(jiān)測。

2.2?數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理和圖形繪制采用DPS數(shù)據(jù)處理軟件實現(xiàn)。

3?研究方法

3.1?Daneil趨勢檢驗法

水環(huán)境質(zhì)量變化趨勢分析常采用Daneil趨勢檢驗法，使用Spearman秩相關系數(shù)絕對值與統(tǒng)計表中臨界值Wp進行比較，得出污染指標隨時間變化呈上升或下降的趨勢性。Spearman秩相關系數(shù)是衡量兩個變量的依賴性的非參數(shù)指標。給定原始數(shù)據(jù)xi、yi，并將其按從大到小排序，記x'i、y'i為原始xi、yi在排序后列表中的位置，x'i、y'i稱為xi、yi的秩次，秩次差di=x'i-y'i。

式（1）中N表示同等級項數(shù)。ρ>0表明污染指標變化呈上升趨勢;ρ<0表明污染指標變化呈下降趨勢。當|ρ|>Wp，則表示變化趨勢顯著意義;當|ρ|

3.2?Mann—Kenddall突變檢驗法

UFk為標準正態(tài)分布，給定顯著水平α，查正態(tài)分布表得到臨界值Ua，當|UFk|>Ua，表明序列存在顯著增長或減少趨勢。把此方法引用到反序列中，按時間序列x逆序xn，xn-1，…，x1，再重復上述過程，同時使UBk=–UFk，（k=n，n–1，…，1），UB1=0。分析繪制出的UFk和UBk曲線圖，若UFk或UBk的值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則表明序列呈下降趨勢;當它們超過信度線時，即表明存在明顯的上升或下降趨勢。若UFk和UBk曲線交點位于置信區(qū)間之間，則此點可能是突變開始的時間。

4?變化趨勢結果與分析

4.1?年均值

根據(jù)2007年至2019年各點位總氮、總磷月監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算得出年均濃度值見表1、表2。

4.2?臨界值Wp

本次時間序列樣本n=13，在可信度α=0.05水平時，spearman秩相關系數(shù)統(tǒng)計表臨界值Wp=0.560。

4.3?變化趨勢與分析

將表1中數(shù)據(jù)在DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中計算spearman秩相關系數(shù)，見表3。各點位總氮秩相關系數(shù)均小于零且絕對值大于0.560，故可知7個點位中總氮2007～2019年均值變化趨勢在可信度α=0.05水平時呈顯著下降趨勢;除琥珀山莊點位外，其他點位總磷秩相關系數(shù)均小于零且絕對值大于0.560，在可信度α=0.05水平時呈顯著下降趨勢;琥珀山莊點位總磷下降趨勢不明顯。

5?突變結果與分析

根據(jù)表1和表2結果，由Mann—Kenddall突變分析程序計算結果，分別繪制各點位總氮、總磷UFk和UBk 2個統(tǒng)計量序列曲線，并給出顯著水平α=0.05時臨界值U0.05=±1.96，見圖2～15。圖中藍色粗線為UFk線，紫色細線為UBk線，紅色虛線為臨界線。據(jù)圖2～15可知：

（1）琥珀山莊。總氮年均濃度整體呈下降趨勢，2012年前后下降趨勢顯著;2007～2011年前后總磷年均濃度呈上升趨勢，2012年后呈下降趨勢，下降趨勢不顯著。

（2）南半湖湖心。總氮年均濃度整體呈下降趨勢，在2014年前后發(fā)生突變且下降趨勢顯著?？偭啄昃鶟舛日w呈下降趨勢，在2010年前后發(fā)生突變。

（3）澄月橋?？偟昃鶟舛日w呈下降趨勢，在2013和2014年間發(fā)生突變，2014年前后下降趨勢顯著。總磷年均濃度整體呈下降趨勢，在2010年前后發(fā)生突變，2011年前后下降趨勢顯著。

（4）長虹橋。總氮年均濃度整體呈下降趨勢，在2011年前后下降趨勢顯著。總磷年均濃度整體呈下降趨勢，在2009年前后發(fā)生突變，2010年前后下降趨勢顯著。

（5）理工學院?？偟昃鶟舛日w呈下降趨勢?？偭啄昃鶟舛日w呈下降趨勢，在2011年前后發(fā)生突變且下降趨勢顯著。

（6）北半湖湖心?？偟昃鶟舛日w呈下降趨勢，在2012～2013年間發(fā)生突變，2014年前后下降趨勢顯著?？偭啄昃鶟舛日w呈下降趨勢，在2010年前后發(fā)生突變，2011年前后下降趨勢顯著。

（7）鲇魚墩?？偟昃鶟舛日w呈下降趨勢，在2012年前后發(fā)生突變。總磷年均濃度整體呈下降趨勢，在2010年前后發(fā)生突變，2011年前后下降趨勢顯著。

6?結論

（1）依據(jù)Daneil趨勢檢驗法，在置信水平α=0.05下，2007～2019年，除琥珀山莊點位總磷年均濃度下降趨勢不顯著外，其他點位總氮、總磷年均濃度變化均呈

（2）依據(jù)Mann—Kenddall突變檢驗法，在置信水平α=0.05下，南半湖湖心、澄月橋和北半湖湖心總氮年均濃度在2014年前后下降趨勢顯著。澄月橋、理工學院、北半湖湖心和鲇魚墩總磷年均濃度在2011年前后下降趨勢顯著。長虹橋總磷年均濃度在2010年前后下降趨勢顯著。南半湖湖心、澄月橋、北半湖湖心和鲇魚墩點位總氮年均濃度變化趨勢發(fā)生突變，突變開始時間集中在2012～2014年間;除琥珀山莊點位外，其他各點位總磷年均濃度變化趨勢均發(fā)生突變，突變開始時間集中在2009～2011年間。

參考文獻：

[1]姜?巖.洞庭湖水質(zhì)的時間序列分析[J].?遼寧化工，2014，43（3）：288～291.

[2]柯振東.磁湖時空水質(zhì)分析及富營養(yǎng)化評價[J].環(huán)境與發(fā)展，2019（7）.

[3]趙旭德.磁湖水體營養(yǎng)特征調(diào)查與分析[J].黃石理工學院學報，2012，28（3）：18～21.

[4]黃?玥，基于Mann-Kendall法的三峽庫區(qū)長江干流入出庫斷面水質(zhì)變化趨勢分析[J].長江流域資源與環(huán)境，2019，28（4）：950～961.