黃岡河流域水質污染程度變化與趨勢分析

陳澤榕

(廣東省水文局汕頭水文分局，廣東 汕頭 515041)

1 概述

當水資源受到污染時，水體本身的自凈功能會逐漸降低，甚至會喪失，進一步發展會造成部分地區和城市形成“水質型”缺水局面。當前水質污染已經成為部分城市最主要的水環境問題，若不能實現以環境保護優化經濟發展為核心的發展模式，會造成水域環境污染問題進一步惡化[1]。當前，流域水的污染治理已經得到了相關領域研究人員的重點關注。因此，流域水的污染治理已經從理念逐漸轉變到防治階段，但面臨的污染問題仍然十分嚴峻[2]。黃岡河流域是廣東省潮州市地表水系的重要組成成分，從上游到下游斷面順序依次為三饒、湯溪水庫、黃崗。隨著近幾年該地區經濟快速發展，各類工業建筑的建成以及工業企業的發展規模進一步擴大，使得黃岡河流域的污染問題日趨嚴重。因此，為了解決當前黃岡河流域水質污染問題，并根據其污染程度變化提出針對性的解決對策，本文在引入Mann-Kendall法的基礎上，以黃岡河流域作為研究對象，開展對該區域水質污染程度變化與趨勢的研究[3-4]。

Mann-Kendall法是一種基于統計學理論的檢驗方法，當前這一分析方法常被應用于對氣溫、降水、徑流等水文氣象的預測領域中，通過少量的數據信息實現對長期變化趨勢的預測。同時，在實際應用中Mann-Kendall法不需要遵從一定的分布規律，并且也不會受到數據中異常數值的影響，具備預測精度高的優勢。因此，選擇Mann-Kendall法對黃岡河流域水質污染程度進行分析。

2 實驗與方法

2.1 實驗研究對象

為實現對水質污染程度變化的分析以及對其未來趨勢的預測，選擇將黃岡河流域作為實驗研究對象。黃岡河流域位于廣東省東部沿海地區，具體經緯度為：東經116°35′～117°11′，北緯23°28′～24°14′。在黃岡河流域匯聚了10余條支流，并覆蓋12個鎮，全程超過80 km。由于生活垃圾堆放、生活廢水排放不合理等問題，造成該地區生態環境質量不佳，使黃岡河流域水質受到嚴重影響。黃岡河流域監測斷面如圖1所示。

2.2 實驗材料與方法

在實驗過程中，為確保獲取到的各項數據具備更高精度和利用價值，針對黃岡河流域中各類物質組成成分含量進行測定，測定BOD5、氨氮、DO等多種物質在水體當中的含量，將測定結果作為Mann-Kendall法分析的數據依據[5-6]。

2.3 實驗方法

2.3.1Mann-Kendall法

針對上述實驗研究對象，運用Mann-Kendall法分析水質污染程度。假設實驗過程中，獲取的時間數據中原有時間序列數據為H0，其表達式為：

H0=(X1,X2,…,Xn)

(1)

式中:

X1、X2、Xn——均表示獨立的隨機變量。

定義備選數據，將雙邊檢驗假設為H1，則進一步得出Mann-Kendall法統計的變量計算公式為：

(2)

式中:

S——統計變量數值結果，且統計變量符合正態分布；

G(xj-xk)——檢驗變量。

G(xj-xk)的取值為-1，0，1，當S的取值為大于0時，此時G(xj-xk)取值為1；當S的取值為0時，此時G(xj-xk)取值為0；當S的取值為小于0時，此時G(xj-xk)取值為-1。標準化處理S，得到統計變量結果，假設這一結果為Z，則給定一個置信區間，當Z的取值大于0時，變量呈現上升趨勢；當Z的取值小于0時，變量呈現下降趨勢。當其絕對值為1.64時，則此時檢驗變量達到0.05的顯著性水平[7]。根據上述論述，通過Mann-Kendall法實現對水質污染程度正序列、逆序列變化的直觀描述，以此便于分析和預測水質污染的具體程度變化以及趨勢[8]。

2.3.2水質污染程度指數法

上述方法主要完成了水質污染程度的分析，但是僅依賴分析結果無法準確評價水質污染，因此，為了實現量化評價水質污染程度，引入水質污染程度指數，按照下述流程，完成計算水質污染程度指數值[9-11]。最終得到的水質污染程度指數包含整數位以及3～4位小數，其計算公式為：

Pi=X1·X2X3X4

(3)

式中：

Pi——黃岡河流域水質污染程度指數；

X1——影響因子綜合得分；

X2——影響因子數值平均值；

X3——單因子數量；

X4——評價目標數值。

根據上述公式，完成對黃岡河流域水質污染程度的量化評價[12-14]。

3 實驗結果分析與討論

3.1 水質指標濃度變化規律

3.1.1黃岡河流域水質氨氮污染程度變化規律

結合上述實驗過程，運用Mann-Kendall法對黃岡河流域內上中下游斷面氨氮、總磷、溶解氧、高錳酸鹽指數和BOD5年均值變化進行分析，上中下游3個斷面依次是三饒、湯溪水庫大壩和黃崗。記錄黃岡河流域三饒斷面、黃崗斷面、湯溪水庫斷面2017—2021年的氨氮含量變化，并將其變化曲線繪制成圖2。

圖2 2017—2021年黃岡河流域主要斷面氨氮含量變化曲線示意

由圖2可知，三饒斷面氨氮含量呈現先上升后下降，然后基本不變的情況，黃崗斷面的氨氮含量整體呈現下降情況，雖然在2021年略有上升，但是上升幅度較小，而湯溪水庫斷面的氨氮含量基本沒有變化，波動小，穩定在0.04 mg/L左右。在3個斷面中，氨氮含量在2018年和2017年最高，其中三饒斷面最高，氨氮含量達到了0.69 mg/L。由此可知，氨氮含量隨著時間的變化和治理整體呈現降低的趨勢。

3.1.2總磷、溶解氧、高錳酸鹽指數和BOD5變化規律

記錄黃岡河流域三饒斷面、黃崗斷面、湯溪水庫斷面2017—2021年的總磷、溶解氧、高錳酸鹽指數及BOD5含量的年均值濃度變化趨勢，統計結果見表1所示。

表1 主要斷面主要污染物含量變化 mg/L

由表1數據可知，3個斷面中的多數主要污染物在2018年出現了較大的波動，該值與前后數據差值大。湯溪水庫斷面中的總磷、高錳酸鹽指數和BOD5含量在5年內變化小，溶解氧濃度由2017年的8.07 mg/L降低至2021年的7.07 mg/L。總磷含量在三饒斷面、黃崗斷面出現了較大的波動變化，但是在兩個斷面的變化趨勢截然相反，其在黃崗斷面成下降趨勢，在三饒斷面成呈現上升趨勢，其他主要污染物含量變化較小。根據分析可知，該地區總磷污染最為嚴重，其他污染物次之，但是整體水質呈較為嚴重污染狀態，需要急時治理。

3.2 Mann-Kendall法檢驗分析

3.2.1水質污染程度指數變化

結合上述論述，對3個斷面的主要污染指標進行Mann-Kendall檢測，置信區間為95%，當標準正態分布數值為±1.96時，此時為顯著水平；當標準正態分布數值為±2.58時，此時為極顯著水平。斷面水質污染程度指數數據見表2所示，Mann-Kendall法污染程度指標統計變量曲線見圖3。

表2 上中下游斷面水質污染程度指數

圖3 Mann-Kendall法污染程度指標統計變量曲線示意

圖3中的黑色曲線為統計變量數值結果S，藍色曲線為趨勢變化曲線。從表2和圖3中的數據可以看出，在三饒斷面的水質污染程度指標標準正態分布數值在±1.96之內，多數指標呈現不顯著的突變情況，而在湯溪水庫斷面和黃岡斷面的高錳酸鹽指數和氨氮指數的標準正態分布數值分別為-3.254、-2.265、-3.157和-2.953，該值均大于±2.58，并且超過顯著水平線，表現出極顯著變化，出現了突變的情況，其他指標未表現出顯著變化。其中總磷指標與其他指標不同，在湯溪水庫斷面呈現下降趨勢，但是在三饒斷面又呈現了上升趨勢，變化波動較大，說明總磷在下游的污染更嚴重，DO指標整體呈現下降趨勢，其他指標呈現成整體上升趨勢。

3.2.2重金屬污染情況

進一步采用Mann-Kendall法對黃岡河流域內上中下游斷面重金屬污染情況進行分析，分析汛期(3—10月)與非汛期3個斷面的重金屬污染超標情況，結果見表3和圖4所示。

表3 上中下游斷面重金屬污染超標情況

a 汛期

b 非汛期圖4 Mann-Kendall法重金屬污染超標統計變量曲線示意

圖4中黑色曲線為統計曲線S，藍色曲線為趨勢曲線。由表3和圖4中的數據可知，在汛期，3個斷面的重金屬污染超標程度排序為湯溪水庫斷面<黃崗斷面<三饒斷面。其中鐵和錳呈現先升高后降低的趨勢，在湯溪水庫斷面呈現顯著水平，其中鐵在黃崗斷面也呈現顯著水平，在該斷面出現了突變。鋅和銅變化幅度較小，并且沒有呈現顯著變化，未達到顯著水平。非汛期時，僅鐵波動較大，其呈現先升高后降低趨勢，并且在湯溪水庫斷面和黃崗斷面均呈現顯著變化，其他重金屬污染超標比例變化較小。由此說明汛期的重金屬超標情況會明顯比非汛期嚴重，其中最嚴重的重金屬為鐵和錳。

3.2.3糞大腸菌群指數變化情況

以該地區斷面污染情況的年平均值為基礎，進一步分析汛期與非汛期3個斷面的糞大腸菌群指數變化情況，結果見表4所示。

表4 各斷面糞大腸菌群指數變化情況MPN/L

圖5中的黑色曲線為Mann-Kendall法統計結果S，藍色曲線為趨勢曲線。由表4和圖5中的數據可知，在汛期，糞大腸菌群指數整體呈現先降低后增高的趨勢，其在湯溪水庫斷面的數值最低，趨勢超過了0.05顯著水平線，呈現出了顯著變化，并且黃崗斷面的糞大腸菌群指數也呈現顯著變化，但是顯著性沒有湯溪水庫斷面高，由此可知，糞大腸菌群指數在湯溪水庫斷面發生突變。在非汛期，糞大腸菌群指數也呈現先降低后上升的趨勢，但是在黃崗斷面上升幅度低，整體呈現下降趨勢，但是在湯溪水庫斷面超過了顯著水平線，達到了顯著變化，糞大腸菌群指數降低幅度較大，發生突變。三饒斷面的水污染最嚴重，且汛期的糞大腸菌群指數明顯高于非汛期，需要在該斷面實施針對性的改進措施。

圖5 Mann-Kendall法糞大腸菌群指數統計變量曲線示意

4 黃岡河流域水質污染變化特點與趨勢分析

1) 研究區域總磷污染最為嚴重，其他污染物次之，但是整體水質呈現較為嚴重污染狀態，需要及時治理。

2) 在湯溪水庫斷面和黃崗斷面的高錳酸鹽指數和氨氮指數超過顯著水平線，表現出極顯著變化，其他指標未表現出顯著變化。其中總磷指標與其他指標不同，在湯溪水庫斷面呈現下降趨勢，但是在三饒斷面又呈現了上升趨勢，變化波動較大，說明總磷在下游的污染更嚴重，DO指標整體呈現下降趨勢，其他指標呈現成整體上升趨勢。

3) 在汛期，3個斷面的重金屬污染超標程度排序為湯溪水庫斷面<黃崗斷面<三饒斷面。其中鐵和錳呈現先升高后降低的趨勢，在湯溪水庫斷面呈現顯著水平，其中鐵在黃崗斷面也呈現顯著水平。非汛期時，僅鐵波動較大，其呈現先升高后降低趨勢，并且在湯溪水庫斷面和黃崗斷面均呈現顯著變化。由此說明汛期的重金屬超標情況會明顯比非汛期嚴重，其中最嚴重的重金屬為鐵和錳。

4) 在汛期，3個斷面的糞大腸菌群指數均呈現出上升的變化趨勢，并且在湯溪水庫斷面和黃崗斷面呈現顯著變化。在非汛期，糞大腸菌群指數呈現先降低后上升趨勢，但在上升后，黃崗斷面的糞大腸菌群指數仍較低，其未達到了顯著變化。三饒斷面的水污染最嚴重，且汛期的糞大腸菌群指數明顯高于非汛期。

根據分析可知，該地區水質污染嚴重，并且該區域水質污染在未來一段期間污染程度還會進一步增加，水質也將逐漸惡化，因此，對其進行水處理具有一定的現實意義。

5 結語

通過本文論述研究，以黃岡河流域作為實驗研究區域，采用Mann-Kendall法對其水質污染程度變化進行分析。結果表明：根據各項污染指標的變化情況來看，該區域水質污染較為嚴重；汛期的重金屬超標情況和糞大腸菌群指數明顯比非汛期嚴重，其中鐵和錳污染最為嚴重。基于實驗研究結果，在具體針對其開展水質治理時，可采取控制支流污染輸入、降低農業面源污染、嚴格控制工廠企業污水排放等，以此促進黃岡河流域水質污染程度的降低，促進其可持續發展。