基于Kendall檢驗法的渭河干流天水段水質變化趨勢分析＊

牛傲冰，丁杰萍

（1.甘肅新美環境管理咨詢有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省生態環境科學設計研究院，甘肅 蘭州 730020）

1 概述

渭河是黃河的一級支流，發源于甘肅省渭源縣，由武山縣樺林鄉進入天水市，流經武山縣、甘谷縣和麥積區，在麥積區牛背村進入陜西省寶雞市，天水市境內全長約267 km，流域面積11 696 km2，年平均徑流量為53 727萬m3，洪水期最大流量為4 920 m3/s。

Mann-Kendall檢驗法作為一種非參數檢驗方法，被廣泛運用于降水、徑流、氣溫和水質等要素時間序列的趨勢變化分析[1]。季節性Kendall 檢驗因具有不受河水流量周期性變化、漏測值和未檢出值影響的優點，已廣泛運用到新興江、湘江、灤河等水域水質的分析中[2]。該方法對數據分布規律無嚴格要求，受個別異常值干擾較小，且不需要做統計分析，適用于水文等非正態分布的數據，計算便捷[3]。

渭河水質狀況直接影響著天水市渭河流域居民生活的幸福感，也對當地未來的發展起到重要的影響。本研究以渭河干流天水段樺林、北道橋和葡萄園3個監測斷面2011—2019年水質監測數據為樣本，運用季節性Kendall檢驗分析渭河干流水質變化趨勢，為進一步推斷未來水質變化情況，開展水污染的預防和治理提供參考，對渭河水環境保護和管理具有重要意義。

2 研究方法

2.1 數據來源及指標篩選

分析所用數據均來自甘肅省國控斷面水質數據。選用渭河干流天水段樺林、北道橋和葡萄園3個斷面2011—2019年連續實測水質數據。除去多數月份未檢出的指標，選用變化范圍較大的溶解氧、高錳酸鹽指數、氨氮、化學需氧量、總磷、總氮、五日生化需氧量（BOD5）和揮發酚等8項指標作為分析指標。水質監測斷面分布示意如圖1。

圖1 渭河干流水質監測斷面位置示意圖

2.2 數據處理及方法

季節性Kendall檢驗的原理為將某一時段同期的水質數據進行對比，如果后期的值高于前期的值，則標記為“+”號，如果后期的值低于前期，則標記為“-”號。若加號的數量多余減號，可能為上升趨勢;反之為下降趨勢。如水質不存在變化趨勢，則正負號個數相同。季節性Kendall 檢驗時將同期的數據進行對比，從而避開了季節性的影響。此外，由于數據比較只對比相對排序，故能避免水質數據缺失值的問題[2]。

本研究Mann-Kendall趨勢檢驗，基于2011—2019年各指標的月測值，通過R語言加載“trend”包計算得到不同斷面的Z值和p值。Z值小于0，表明水質呈下降趨勢，相反Z值大于0，表明水質呈上升趨勢；p≤0.01 或0.01＜p≤0.10 分別表明檢驗具有極顯著或顯著水平[4]。

3 結果與討論

3.1 2011—2019年水質變化趨勢

依據地表水環境質量標準[5]，從水質類別看（圖2），2011—2019年，樺林斷面變化幅度較大，呈先惡化后轉好最后趨于穩定的狀態，2012—2015年均出現超標現象，自2016年起好轉至II類并保持至2019年；北道橋斷面一直保持III類；葡萄園斷面2016年前均為III類，2017—2019年在II類和III 類之間浮動。2011—2019年渭河干流天水段水質變化趨勢分析結果見表1。

圖2 2011—2019年三個監測斷面水質類別變化情況

表1 2011—2019年渭河干流天水段水質變化趨勢分析結果

續表1

2011—2019年，渭河干流天水段三個水質監測斷面溶解氧呈顯著上升趨勢，除北道橋斷面氨氮和揮發酚無明顯變化趨勢外，其余監測斷面高錳酸鹽指數、氨氮、化學需氧量、總磷、總氮、五日生化需氧量、揮發酚等指標均呈顯著或極顯著下降趨勢，表明渭河干流天水段水質在2011—2019年呈明顯好轉趨勢。

3.2 不同水期水質變化情況

根據渭河干流天水段水文資料，選取1月、7月和11月分別為枯水期、豐水期和平水期代表進行不同水期水質分析。由圖3可見，渭河干流天水段水質，所有指標濃度均在枯水期最高，且除過總磷外，其余指標濃度值均呈現枯水期高于平水期高于豐水期，總磷為枯水期高于豐水期高于平水期。這說明渭河中污染物濃度受流量周期性變化的影響較大，枯水期河流自凈能力較差，豐水期隨著水量的增加，污染物被稀釋，濃度降低。在枯水期1月份，因氣溫較低，溶解氧飽和度高，而豐水期7月份，因氣溫較高，溶解氧飽和度較低。

圖3 渭河干流天水段不同水期水質特征

3.3 2011—2019年天水市主要水污染物排放量變化情況

2011—2019年，天水市主要水污染物化學需氧量和氨氮排放量變化趨勢相同，且均呈降低趨勢，這與水質轉好的趨勢保持一致（圖4）。其中，化學需氧量排放量從2011年的2.23萬t降到2019年的1.21萬t，減少了45.74%，氨氮排放量從2011年的0.28萬t降到2019年的0.19萬t，減少了32.14%，由此可見，渭河流域近年開展的污染物綜合治理對水體水質的好轉起到重要作用[6]。

圖4 2011-2019年天水市主要水污染物排放量變化趨勢

“十二五”以來，天水市高度重視渭河水污染防治工作，嚴格控制水污染物排放大的項目建設，積極開展工業、生活、畜禽養殖水污染防治，推進污染減排各項工作，大力實施工程減排、結構減排和監管減排，建設了污水處理設施，總體上渭河水質得到持續改善。尤其《天水市水污染防治工作方案（2015—2050年）》實施以來，市政府每年印發水污染防治年度實施方案，明確了各縣區、各部門工作任務。“十三五”以來，積極爭取各方資金，圍繞城鎮污水處理設施建設、流域生態綜合治理、水源地保護等生態環境保護“十大工程”，推動渭河流域水生態環境質量持續改善。

3.4 空間分布

從空間分布來看，2011—2019年水質變化最顯著的為渭河上游的樺林斷面，其次為下游的葡萄園斷面，最后為北道橋斷面。

4 存在問題及展望

盡管近10年來，渭河干流天水段水質得到持續改善，但也存在樺林、北道橋、葡萄園等斷面個別月份不能穩定達標的現象，如樺林斷面2019年3月總磷，北道橋斷面2018年2月總磷及3月—4月、12月氨氮，葡萄園斷面2018年1月、2月、4月氨氮和4月總磷及2019年1月、3月氨氮均出現超標。“十四五”開局之年，站在機遇與挑戰并存的重要歷史時期，渭河流域水生態環境保護工作任重而道遠。“十四五”期間，水污染防治工作將由污染治理為主向流域要素系統治理轉變，堅持以山水林田湖草沙系統治理，堅持精準、科學、依法治污，以水生態保護修復為核心，統籌水資源、水生態、水環境等要素，持續深入打好碧水保衛戰。